隨著城鎮化進程加速和“雙碳”目標推進，綠色建筑與宜居環境成為城市發展的核心議題。“十四五”規劃明確提出“提升城市建設智慧化水平，發展智能建造”，對建筑能效與環境適應性提出了要求。[1]在這一背景下，建筑風環境仿真技術正成為優化人居環境、保障建筑安全的關鍵支撐。CAE風環境仿真技術，通過高精度數值模擬還原真實風場與建筑的相互作用，為建筑可持續設計提供科學決策依據。

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文件《建筑設計環境準則》明確要求建筑方案階段需進行環境影響評估，涵蓋風環境對行人安全、能耗、自然通風的影響分析，并需提出優化措施，同時強調節能設計，要求通過仿真優化建筑布局降低熱島效應，提升室外風舒適性。[2]

“熱島效應” 圖源網絡

海南省《綠色建筑設計規程》文件，要求建筑群體布局長度超30米時，需設置通風過街樓，并應運用計算流體力學（CFD）手段對場地風環境進行模擬預測，完成模擬報告，據此完成規劃設計。[3]

可見，CAE風環境仿真技術可在設計階段精準預測建筑群風場分布，為規劃布局與結構安全提供科學依據。

當傳統風洞試驗面臨周期長、成本高的困境，建筑風環境仿真的優點在于：

（1）費用省、周期短、效率高；

（2）可方便探討各種參數變化對結構性能的影響；

（3）基本不受結構尺度和構造的影響，可盡可能真實地模擬實際結構以及所處的環境，克服試驗中難以滿足雷諾數相似的困難；

（4）數值模擬的結果可利用豐富的可視化工具，提供風洞試驗不便或無法提供的繞流流場信息。[4]

01 建筑風環境仿真的關鍵技術

1.流體力學仿真

計算流體動力學（CFD）技術通過求解控制流體運動的納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations），在計算機上對建筑物周圍風流動所遵循的動力學方程進行數值模擬。[5]在輸入精確的地理環境模型、建筑設計模型（BIM）、邊界層風速風向數據后，CFD可計算整個三維流場內所有點的關鍵物理量（壓力、速度、湍流動能），輸出建筑物表面的風壓分布、區域內通風狀況、行人高度的風速舒適度等關鍵設計參數。

CFD揭示了風力如何與建筑形態產生交互的最基本物理圖像，是風環境仿真的基石。

Ansys Fluent 模擬描繪了格拉斯哥建筑環境周圍的風向和氣流

2.流-固耦合仿真

風不僅作用于建筑表面產生壓力，更會引發結構振動（如高層建筑的擺動、幕墻的變形、橋梁的顫振）。流體力學仿真（CFD）僅能計算風力載荷，但要評估結構在這些時變載荷下的動態響應（應力、變形、穩定性、振動頻率），則需要在CFD基礎上耦合結構力學分析模塊（如FEA有限元分析），這種多物理場仿真技術稱之為流-固耦合仿真（FSI）。

流-固耦合仿真（FSI）：計算流體域的流場壓力實時作用于固體結構網格上，結構的變形或振動也反過來影響流體邊界的形狀及流動狀況。

即在CFD模擬風荷載的基礎上，將荷載數據傳遞至結構力學求解器，計算建筑結構（尤其是柔性構件如幕墻、屋頂、索結構）的變形與振動響應；結構變形反過來又影響周圍流場形態，形成雙向反饋循環。這種閉環反饋對于準確分析風致結構變形、振動疲勞乃至極端風荷載下的結構安全性至關重要。[6]

3.噪聲仿真

氣流經過鈍體如建筑物、橋塔、風電機組時，會產生顯著的空氣動力學噪聲（氣動噪聲或風噪聲）。此類噪聲源于復雜的流動現象，尤其是湍流及其相互作用（渦脫落、撞擊等）。準確預測該噪聲涉及復雜的技術路徑：需利用CFD計算得到的非穩態流場數據（速度、壓力脈動），作為聲學仿真的激勵源。通過求解聲波方程（如線性歐拉方程）或采用聲類比方法（如FW-H方程），模擬由湍流邊界層分離、旋渦脫落、氣流沖擊等引起的噪聲產生與傳播過程。

4.疲勞仿真

建筑物在其全生命周期內會承受數萬甚至數十萬次風荷載循環作用。這種隨機、往復、幅度變化的風致應力會對關鍵受力構件（如焊縫、螺栓節點、支撐結構）造成累積損傷，可能導致材料在遠低于靜力強度的應力水平下發生疲勞斷裂。

疲勞仿真就是在結構響應分析（特別是基于CFD模擬得到的載荷譜）基礎上，引入材料的疲勞性能數據（S-N曲線或斷裂力學模型），對關鍵部位進行疲勞壽命評估。[7]

“建筑材料環境” 圖源網絡

02 CAE風環境仿真技術在建筑設計領域的應用

1.抗震與抗風分析

通過計算流體動力學（CFD）和流-固耦合（FSI）仿真，精確模擬臺風、強風作用下的建筑整體及局部（如幕墻、屋頂）風壓分布與風致響應。識別風敏感區域（角區、女兒墻），優化結構布置與阻尼系統設計，提升抗風安全性。

Ansys Fluent 中的分析顯示了格拉斯哥建筑物周圍的風速

2.通風設計優化

宏觀尺度可針對建筑群體（街區、校園），微觀尺度聚焦單體建筑布局，建立詳細的CFD三維模型，輸入當地氣象數據。 結合不同風況（主風向、風向頻率），精確模擬氣流通過開窗或特定通風系統（如通風塔、雙層幕墻風道）的路徑與流量，評估通風效率、空氣齡、污染物擴散路徑。指導建筑形態與開窗策略設計、中庭設計、通風口布局、機械輔助通風系統配置，確保室內空氣質量（IAQ）達標，尤其在人員密集場所（交通樞紐、醫院）。[8]

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3.疲勞與耐久性評估

基于風荷載時程數據與材料S-N曲線（應力-壽命曲線），運用疲勞分析算法（如雨流計數法）預測建筑構件（螺栓、焊縫、玻璃夾具）在長期風荷載作用下的累積損傷與壽命，發現潛在的結構耐久性問題，并指導結構優化和運維方案制定，是實現結構長壽命與運營安全性的核心環節。

4.噪聲控制優化

預測建筑周邊及內部風噪聲分布，識別噪聲源（如百葉、通風器）空間分布，及其在風環境下產生噪聲的聲壓級大小，評估其對周邊敏感區域（如住宅、醫院、學校）的影響。指導選用低噪聲構件、優化幾何造型（如導流鰭片）、設置聲屏障，有效降低室內外噪聲污染，提升聲環境舒適度。

03 神工坊?應用案例

• 基于swOpenFOAM的智慧風場平臺

某風電整機領域的頭部企業，為實現對風場風機發電量的實時精準評估，對風資源分析的分辨率提出了極高的要求，并需要開展大規模的仿真分析。然而，現有的硬件和軟件資源無法滿足現場高效運作的需求。

基于SimForge?平臺，該企業成功完成了仿真求解模塊的高性能改造及部署，整體性能得到顯著提升，提升了4.2倍。這一重要改進為風資源工程師提供了強大的支持，使他們能夠順利完成超過2000個風資源項目的設計和評估任務。

此外，該企業還依托超算平臺，自主研發了風功率預報系統——孔明。該系統已正式發布并推廣，憑借其卓越的性能和實用性，已成為行業內的標桿應用。

從保障結構安全、延長建筑壽命，到營造健康舒適環境、降低運營能耗，CAE建筑風環境仿真技術為建筑師與工程師提供了駕馭風場、實現“人-建筑-氣候”和諧共生的科學手段。在“雙碳”目標指引下，依托SimForge?高性能仿真云平臺，讓CAE仿真更高效地賦能綠色建筑規模化落地，提升宜居性與舒適度的同時，助力城市低碳轉型。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. “十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃 [2022].[EB/OL].

[2] GB 50016-2023建筑設計環境準則[EB/OL].

[3] 海南省 綠色建筑設計規程（2023試行）.[EB/OL].

[4] 薛祖杰. 基于CFD的復雜超高層建筑雙向流固耦合研究[D]. 重慶大學,2012. DOI:10.7666/d.y2152722.

[5] 趙彬,林波榮,李先庭,等. 建筑群風環境的數值模擬仿真優化設計[J]. 城市規劃匯刊,2002(2):57-58,61. DOI:10.3969/j.issn.1000-3363.2002.02.015.

[6] Kareem, Ahsan. "Dynamic response of high-rise buildings to stochastic wind loads." Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 42.1-3 (1992): 1101-1112.

[7] 羅然. 疲勞損傷后Q460和Q690高強鋼力學性能研究[D]. 西南科技大學,2022.

[8] Blocken B. Computational Fluid Dynamics for urban physics: Importance, scales, possibilities, limitations and ten tips and tricks towards accurate and reliable simulations. Building and Environment. 2015