建筑風環境的案例
仿真科普｜駕馭風場，筑風為友：CAE風環境仿真技術驅動建筑可持續設計
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?！笆奈濉币巹澝鞔_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。
圖源網絡
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。
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，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。
奧運場館風環境分析與建筑云
奧運場館風環境分析與建筑云
作者：路明標
里約奧運會現在已經接近尾聲，在觀看各位運動員緊張激烈的比賽的同時，我們也見識到了各式各樣的奧運場館，包括室外田徑場地、網球場地，室內的籃球館、游泳館等等。
奧運場館往往會成為一屆奧運會的象征，比如1964年東京奧運會代代木體育館，2008年北京奧運會的鳥巢、水立方，2012年倫敦奧運會的“倫敦碗”等。
近年來，隨著“綠色奧運，科技奧運”理念的提出，在運動員向著“更高、更快、更強”的目標拼搏，打破一項又一項世界紀錄的同時，奧運場館的設計建設也要求越來越高，除了外觀的觀賞性以外，也越來越注重環保以及人體舒適性要求。
這其中最重要的一部分就是場館內風環境的分析，奧運場館內因為是進行體育競技的場所，風環境會對比賽有著很大的影響，尤其是羽毛球等室內比賽以及百米賽跑等競速比賽；同時風環境還對場館內熱環境有著決定性的影響，空氣流通及溫度分布情況極大的影響了場館內的人體舒適度。為了對場館內風環境有著更好的控制，奧運場館中都必須安裝機械通風裝置，比如空調、通風機等，而如何更好的節省機械通風裝置所消耗的能源，更好的利用自然通風等，都需要對場館內空間結構進行詳細分析，對空間分布及通風裝置位置進行優化。
南京天洑開發的建筑云仿真系統，基于CFD（計算流體力學）仿真技術，能夠對室外及室內場館的風環境及熱環境進行詳細分析，得出在場館內任意位置的氣體流動及溫度分布情況，從而能夠指導場館的空間結構設計，以及通風裝置的位置選取。
展開 為中國建筑、環境發展添磚加瓦
1、背景
（1）近年來，隨著我國經濟建設的發展，城市規模的不斷擴大，高層建筑大量建設，與此同時高層建筑群風環境的問題日益突出，環境中風的狀況直接影響著人們的生活，而風環境的狀況不僅與當地氣候有關系，還與建筑物的體型、布局等因素有關。
（2）當然，隨著城市的發展，城市的環境問題日趨嚴重，特別是重工業城市，污染物的排放會直接影響城市居民的生活及健康，前段時間，華北地區空氣污染極其嚴重，大量的霧霾籠罩著城市，對居民的健康產生了極大的影響，甚至影響了國家的形象。
經濟的如此的發展，城市如此的發達， 霧霾卻如此的肆虐，各行各業的人們都在為此奮斗，做為CFD工程師的我們，是不是應該想點辦法呢？
2、軟件介紹
建筑云是中國南京天洑軟件有限公司開發的基于結構化網格的建筑仿真云計算系統軟件
主要應用于：
（1）綠色建筑室外的風環境分析
（2）室內低碳、舒適性仿真分析
（3）日照仿真分析
（4）大氣擴散分析（如PM2.5）等
建筑云注重易用且實用性
（1）針對無CFD經驗的設計師提供方便的工具，對有經驗的工程師提供易用工具
（2）能夠短時間內、快速得到結果
（3） 操作簡單，零學習成本，可無師自通
（4） 建筑設計師隨時隨地通過科學驗證創作性，并演示
（5）建筑設計軟件Sketchup無縫連接
3、CAD模型的轉換
某天，距離城市最外圍200m的某個區域發生污染物的泄露，污染物主要是成分有二氧化硫、一氧化碳及PM2.5，此時，我們需要根據計算結果來預測風速及可能被污染的區域。
城市的分布如下圖所示。
展開 
高層建筑抗風設計的幾個問題
建筑群應綜合考慮群體內建筑物的體型。建筑群中的建筑單體造型，對群體效應、狹管效應、風場流向等均有較大影響。復雜的建筑體型，會對相鄰建筑產生不利影響，還會影響風的流向，加上建筑密度大，鱗次櫛比，易引發狹管效應，使城市街道風速加大，危及行人和行車安全。特別是當強臺風來襲時，峽管效應會使高層建筑的部分外墻表面因風速過大而產生巨大負壓，玻璃幕墻或大塊墻板像雪崩一樣脫落，高檔門窗等也會突然崩塌、墜落傷人。
避免設計迎風面偏大的超高層建筑
▼
避免設計立面造型復雜的高層建筑
▼
廈門特房波特曼大廈：216米，鋼-混凝土組合結構。玻璃幕墻設計成外凸的直角三角形，通過三角形長短邊方向變化形成立面線條，其玻璃外墻形狀和防浪堤類似，狂風撞到玻璃外墻時，力量瞬間分散，不易形成集中壓力和吸力。
▲避免出現狹管效應
城市高樓間的狹窄地帶風力特強，易造成災害，城市“峽谷風”是各大城市面臨的新問題。風洞試驗經過數值模擬后發現，平地上3—4級的風，在城市高樓之間，經過“狹管效應”放大后，可達10級以上，刮起六七級大風時，狹管效應能使通過高樓之間的瞬間風力達到12級?！蔼M管效應”的威力大小，與一個城市高層建筑的數量、間距、建筑物的位置有著密切關聯。高層建筑物越多、體積越大、間距越近，出現“狹谷效應”的機會越大。
▲2016“莫蘭蒂”臺風--狹管效應
廈門中航紫金廣場。塔樓A、塔樓B均為寫字樓，地面以上總層數41層，屋面高度為180.7m，采用鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結構體系。A、B兩幢樓距離較近，周邊建筑群密集，建筑風環境極其復雜。
▲2016“莫蘭蒂”臺風--狹管效應
對于密集區域高層建筑，其建筑體型系數放大較明顯。
展開 環境與氣象的CFD解決方案
利用CFD進行城市和城區的熱環境分析，主要利用風環境作為城市熱環境變化的主要流通手段。而且城市的熱島效應也是依靠通風狀況來進行緩解。因此城市熱環境的好壞與城市風環境息息相關，成為研究的重點。
某市夏季白天市區溫度分布（右）和晚上市區溫度分布（左）
某市水體水溫不同時的市區溫度分布
2、建筑風環境
利用ANSYS CFD對建筑物風環境的研究，首先可以為建筑設計師提供建筑物的風載荷，幫助設計師優化建筑物的氣動外形，以及為設計建筑物，尤其是高大建筑物的阻力減震系統設計提供依據。
另外，建筑物風載的提供，還為大型建筑的表面裝飾工程以及建筑物的內部通風或者空調系統安置提供依據。而基于地域性氣候的建筑群風環境的研究，也可以為區域的城市規劃或建筑群的規劃布置提供依據。
目前已經趨于完全成熟的ANSYS CFD仿真技術目前也廣泛用于建筑物風環境的流場數值模擬，并取得了顯著的效果。當前，采用ANSYS CFD可以極大地縮減建筑工程的實驗成本和設計周期，從而縮減建筑物，特別是超級建筑工程的建設費用。而在不久的將來，在建筑物風環境的研究上，人們的研究手段將更多地轉變到以CFD仿真為主，實驗為輔的方式上來。
悉尼市政在規劃城市風環境的時候，使用ANSYS CFD工具對城市進行風環境預測，研究城市規劃對風場的影響，為城市規劃提供依據。
城市模型
西風下的風環境
南風下的風環境
3、大氣污染物擴散預測
隨著我國的城市化發展，城市的大氣污染問題相伴而生。
展開 用于建筑風分析PHOENICS的FLAIR模塊
10.PHOENICS專用模塊：建筑模塊（FLAIR）、電站鍋爐模塊（COFFUS）
11.自動收斂控制：無論輸入參數是否充分和一致，都能保證結果具有較好的收斂效果。
12.細網格：適合小范圍內網格的精確劃分。
13.固體應力計算；前后處理有了較大改進；對所有模型均使用動態內存分配；初始數組的給定勿需再通過FORTRAN編譯。
14.在VR下，增加了新的物體類型（曲面、斜板）；增加了力的積分功能；監視點參數變化曲線。
PHOENICS應用領域 ：
能源動力、兩相、多相流、航空航天、傳熱傳質、化工、燃燒、爆炸、船舶水利、化學反應、建筑、暖通空調、流體機械、冶金、磁流體、環境、材料
PHOENICS-FLAIR建筑模塊:
FLAIR是英國CHAM公司針對建筑及暖通空調專業設計的CFD專用模塊。
FLAIR基本功能：
? 通風機特性曲線，通風機運行工況點計算；
? 舒適度計算：提供了3種舒適度計算方法，可以選擇一種或多種；
Dry resultant temperature (TRES) (CIBSE Guide)
Predicted mean vote (PMV) (ISO 7730)
Predicted percentage dissatisfied (PPD)(ISO 7730)
? 空氣齡計算；
? 濕度計算；
? 煙氣計算：煙氣濃度、煙氣密度、可視度。
展開 【環境仿真專題第四講】使用Code_Saturne模擬化學污染物在復雜建筑環境下的大氣擴散
本周還是圍繞環境污染問題
帶來環境仿真專題的第四個案例
圖文詳解 仿真思路更清晰
一起來學習吧
評估污染物通過復雜地形（如山地上和城市中的高樓大廈之間）的擴散對環境造成的影響，可以將這類污染的影響降至最低。
《環境仿真專題》第四講
使用Code_Saturne模擬化學污染物在復雜建筑環境下的大氣擴散
01
研究背景
城市區域建筑林立，地形復雜，如果出現大規?；瘜W品泄漏，將會在近地面處形成重氣云團，這是因為化學品分子量較大的原因導致的。其隨流場擴散的行為受到諸多因素影響，因此需要有效的手段對城市區域內高分子量物質的擴散進行預測以評估潛在的安全風險，并制定相關的緊急響應手段。
JackRabbit II（JRII）實驗場地和裝置
實驗手段是常見的研究方式之一， 美國的Jack Rabbit II（JRII）實驗就是通過在人工建造的模擬城市環境內釋放高壓液化氯，以研究城市環境下高分子量物質的擴散行為。然而進行該實驗需求的成本過大，時間過長，規模有限，因此如果可以使用CFD手段快速模擬化學污染物在不同城市布局下的不同位置、不同風向等等多種情況下的泄漏情況，將大大減少相關成本，從而獲得更全面和更多樣的數據信息。
展開 ANSYS建筑專欄：風工程及污染物擴散
因此，工程師必須對結構的安全性和強度進行越來越復雜的分析，考慮的關鍵包括如何順應環境，以及結構周圍的空間如何對結構影響。
當使用虛擬模型，可以更精確和高效的理解樓宇的氣動特性。評價結構的風荷載負載是最通常的應用，而使用仿真軟件能夠帶給設計者更多模型信息，包括在新建筑的出現對已有建筑的影響，局部流場的改變，可能會出現的竄風對行人的舒適性造成的影響，對污染物擴散的分析，也可以對一些重工業工廠的選址問題，污染物排放塔高度可能會對居民區的影響進行分析。
ANSYS軟件在各種各樣的結構上都能夠勝任這些分析。ANSYS的工具在提供常規權威和重要的環境沖擊信息時，給工程師更好的對結構的氣動特性理解，尤其對于那些超出了常規的設計規格的建筑。
因為ANSYS 的分析提供了高效而且快速的多種選項，通過仿真降低了缺陷建筑的風險，增加了項目在預算內按時完工的可能性，同時滿足所有合規性要求。
展開 上海魔幻風Ins走紅 | 德國建筑師的大片很驚艷！
開著門飛過上海，風迎面吹來~
"現實是所有真實存在的事物的總和，而不是那些僅僅是想象到的。"
從我們想要的每個角度看，這個世界是我們每個人都得到的禮物!就像我們常說的:每一枚獎牌都有兩面。
當你生活在一個城市(如上海)，你很難走出家門，享受大自然的純凈。
這里有一個純粹的實驗，這是兩個圖像的復合。從這個角度看東方明珠,會發現它周圍有森林更有趣。
在中國第一座真正意義上的摩天大樓東方明珠旁邊，
另一座建筑以其驚人的結構、優雅和深度思考著中國文化。
這是三座塔中最古老的一座，但最突出的是它的所有細節和優雅，重現了新的和傳統的中國。
在這座持續變化的城市，上圖三座建筑之一將被拆毀。
同樣，在老街老巷，拆遷進展的消息在中國社交媒體上傳播開來。
這也解釋了為什么該地區涌現出了大量的攝影師，他們想要記錄一個有著500年歷史的社區的宏偉建筑細節。
當地居民歡迎游客，他們說:“你最好現在就看，這里不會很久的?！碑數厣鐓^委員會說,低層住宅開發的黃埔區將取代現狀。
這些古老的蜿蜒的街道上,住著上海世代。
它代表了上海過去和現在的一切，一個漁村崛起為一個大城市，一切似乎都在時間里靜止了!
如果你走在狹窄的街道上，感覺就像來到了另一個世界，甚至連游客也不知道那個地方。
但是這個地方可能不會長久：因為這里對于一個現代化的城市沒有任何價值!
第一次去上海的時候，你將意識到如果你不得不離開，但是一定會回來的。
你將意識到這是一見鐘情，你也會意識到：
上海是一個永遠不會結束的故事。
展開 世界五大不可思議的建筑！風中搖曳卻堅挺不倒......
隨著時代的進步，技術越來越發達，奇形異狀的建筑多不勝數，這時便是考驗結構師的時候了。
接下來讓我們細數幾個看起來讓人目瞪口呆，違背力學原理的建筑。
釜山電影中心
先放施工過程圖兩張
在競標之初，方案就已經確定以巨大的桁架結構實現懸挑，同時已經確定桁架結構需要由兩個支點，而非通常的一個支點來進行支撐，支撐點位置的桁架高度相應更大一些。
在桁架結構中，上面的桿件受拉，下面的桿件受壓。這個懸挑結構從盡端到支撐點的距離有85m，同時也并非一種簡單的直線形態——懸臂的下表面崎嶇不平，這也對整個桁架的不同截面提出了不同的形態要求。
優化模型
看懂了嗎？
首都國際機場T3航站樓的雨篷
首都國際機場T3航站樓的雨篷，在座的各位先感受一下：
最大懸挑50多米！
和結構PK的時候我總是舉這個例子
然后讓結構用設計費懟回來……
托羅哈的馬場看臺
托羅哈的馬場看臺似乎看起來并沒有那么強烈的壓迫感
波浪形的鋼筋混凝土挑出屋面12.8m，最薄處只有125px。
當時的數字還不很成熟，為了讓這巨大的懸挑成立，托羅哈通過結構試驗單元做了幾次試驗，最終將拱殼的縱向截面選為雙曲拋物線，這樣對受力相對最為合理。
圖為屋頂的應力曲線，內部鋼筋的布置也是根據它來的。
而且這貨在西班牙內戰中挨了幾炮還沒垮...
從剖面圖可以發現
巨大的懸挑是通過后部的拉桿平衡前面的傾覆力
同時吊起下面的交易大廳
舒霍夫的舒霍夫塔
舒霍夫塔雙曲面的直桿遠看像是漁網，卻能支撐一百多米的高塔，而且就算把圖片倒過來看反而更合常理...反重力做到這個地步說是蘇聯第一工程師也不為過。
展開 
【環境仿真專題第一講】使用TELEMAC-MASCARET研究海上風電場的三維海底地形形態變化
上周我們推出了首個專題環境仿真
這周第一個案例如期而至
圖文詳解 仿真思路更清晰
一起來學習吧
在全球陸地資源日益緊張的局面下，海洋資源憑借著巨大空間和節能環保的優勢成為經濟建設的重要一環，
海上風電場就是海洋新能源的標桿和重點領域。
《環境仿真專題》第一講
使用TELEMAC-MASCARET研究海上風電場的三維海底地形形態變化
01
研究背景
海上風電場能有效提高能源采集率，推動節能減排，卻需要耗費高額成本去建設和維護。海上風電場樁基不僅需要在高咸度的海水中支撐數十年，還要經受水流的沖擊、泥沙的堆積。而制定合適的樁基維護策略可以有效延長樁基使用壽命，降低維護成本。
所以通過模擬海上風電場的海底形態變化，了解海上風電場海岸水動力和形態動力學，為樁基維護策略提供技術支持十分重要。
02
軟件介紹
TELEMAC-MASCARET是法國電力集團（EDF）的法國國立水利與環境實驗室開發的一款研究水動力學和水文學領域的高性能數值仿真開源軟件。
展開 達成“綠色建筑評價標準”的快速指南——CFD仿真技術幫你建造“會呼吸的房子”
兩會后，”綠色發展“的理念再一次被提上日程，發展綠色建筑成為生態文明建設實施的主要途徑。
我國綠色建筑設計標準涉及許多項目，例如結構、暖通、電氣、給排水、場地等。在綠色建筑構建全過程中，我們可以利用仿真技術對建筑設計、建筑性能等多個參數進行模擬計算，以達到綠色建筑標準要求。
建筑室外風環境模擬
室外風環境是綠色建筑的重要研究內容之一，良好的建筑室外風場不僅可以營造安全、舒適的建筑風環境，還利于污染物的疏散和排放，避免二次風的出現。
例如清華大學示范性超低能耗建筑的設計，工程師們根據北京地區的氣候特點，春秋兩季可通過大換氣量的自然通風來帶走余熱，保證室內較為舒適的熱環境，縮短空調系統運行時間。
實體圖和自然通風設計圖
利用周圍環境自然通風
借助 CFD 的幫助，能夠在建筑設計中提供一種基于氣候的思維方法，對建筑進行客觀分析與效果預測，針對特定的建筑風環境條件下建筑場地、技術和形態布局的分析，以達到綠色建筑的標準。
室內通風環境分析
綠色建筑同樣強調室內通風環境的重要性，主要思想是在內外部環境之間爭取一個平衡的關系。
展開 新環境！新要求！《建筑工人施工現場基本配置指南》發布！
日前，住建部等12部門聯合印發了《關于加快培育新時代建筑產業工人隊伍的指導意見》（點擊文末“閱讀原文”可查閱住建部文件），深入貫徹落實黨中央、國務院決策部署，加快培育新時代建筑產業工人隊伍。其中指出：要按照《建筑工人施工現場生活環境基本配置指南》《建筑工人施工現場勞動保護基本配置指南》《建筑工人施工現場作業環境基本配置指南》要求，結合本地區實際進一步細化落實，加強監督檢查，切實改善建筑工人生產生活環境，提高勞動保障水平。
三份《建筑工人施工現場基本配置指南》的主要內容如下，各項目應認真學習，逐一對照，看一看你們工地達標嗎？
一
生活環境篇
《建筑工人施工現場生活環境基本配置指南》總體要求：加強建設工程施工現場生活區域標準化管理，改善從業人員生活環境和居住條件，保障從業人員身體健康和生命安全，生活區域應統籌安排，合理布局，按照標準化、智能化、美觀化的原則規劃、建設和管理。生活區域場地應合理硬化、綠化，生活區域應實施封閉式管理，人員實行實名制管理。生活區設置和管理由施工總承包單位負責，分包單位應服從管理。施工總承包單位應設置專人對生活區進行管理，建立健全消防保衛、衛生防疫、智能化管理、愛國衛生、生活設施使用等管理制度。生活區域應明確抗風抗震、防汛、安全保衛、消防、衛生防疫等方案和應急預案，并組織相應的應急演練。生活區域設置除應符合本指南的規定外，還應符合《建設工程臨建房屋技術標準》（DB11/693）、《建筑設計防火規范》（GB 50016）、《建設工程施工現場消防安全技術規范》（GB 50720）等現行國家和行業標準要求。
展開 無需幾何修復的快速CFD工具：建筑與暖通環境高效整體解決方案
隨著全球氣候的變暖，世界各國對建筑節能的關注程度正日益增加。人們越來越認識到，建筑使用能源所產生的CO2是造成氣候變暖的主要來源。節能建筑成為建筑發展的必然趨勢，這就要求在建筑設計與暖通系統布置中充分利用太陽能，采用節能的建筑圍護結構以及采暖和空調，減少采暖和空調的使用；根據自然通風的原理設置風冷系統，使建筑能夠有效地利用夏季的主導風向；建筑采用適應當地氣候條件的平面形式及總體布局。
建筑、暖通、潔凈領域的設計對能耗、效率、舒適性的要求越來越高，傳統的設計經驗加物模實驗的方式越來越不能滿足快節奏、高品質的要求。計算流體力學具有成本低，周期短，可視化程度高等優點，能夠大幅度助力建筑、暖通、潔凈領域的設計過程，大大提高建筑、暖通、潔凈領域的設計水平。
MSC 的計算流體力學工具（Cradle scSTREAM）功能全面，具有全面的流動、傳熱、化學反應、噪聲、傳質、光學等物理模型，且在建筑、暖通、潔凈領域開發了專有模塊，如空調模型、散流器模型等，大大簡化了仿真流程。其優化的像素網格技術更是對幾何模型高度容錯，幾乎不需要幾何修復直接劈分網格，大大縮短了工程實施周期。MSC 的計算流體力學工具能夠全面助力建筑環境、暖通空調與潔凈系統的設計與優化過程。
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