7.1.3.1 建立形体扭转计算模型
在确定风环境模拟的高层建筑扭转形态的形态类型与可变参数的基础上，在Rhinoceros平台上，运用Grasshopper参数化建模软件，将扭转角度、平面形状以及建筑高度作为可以修改调整的形态参数，分别建立连续型和间断型两种类型的高层建筑扭转形态的分析模型，并以具有相同平面、相同高度的非扭转形体模型作为对比模型，为风环境模拟计算提供数学模型。
对于连续型扭转形态，标准层平面面积以2 000 m2为基准。其中，设定模型扭转角度的取值范围为90°～180°，设定标准层平面形状为三角形、四边形。世界高层都市建筑学会（CTBUH）将300 m以上的高层建筑定义为超高层，300 m成为高层建筑高度的重要节点，因此将计算模型的标准高度设定为 300 m。由于高层建筑集中的城市区域的边界层厚度为420～600 m，在此高度以下的风环境变化与城市环境密切相关，而且，现阶段建筑设计实践中的高层建筑高度多集中在200～400 m区段，因此设定建筑高度研究的取值范围为 200～400 m。扭转参数设定过程见图7—12。对于每种形态参数的研究，本章选取三至四个典型数据建立计算模型，虽不能尽可能完全列举所以形态参数，但已经能够通过计算结果分析形态参数对风环境的影响规律，进而总结出形态优化策略。
图7—12 连续型扭转形态参数设定
对于间断型扭转形态，标准层平面面积仍以2 000 m2为基准，设定标准平面形状为四边形。其中，设定模型整体扭转角度范围为90°，每个单元扭转角度设定范围为9°～15°，建筑高度取值范围为200～400 m。扭转参数设定过程见 图7—13。
图7—13 间断型扭转形态参数设定
7.1.3.2 设定截面位置
根据高层建筑室外风环境的形成机理，风在经过高层建筑时，当直吹到高层建筑总高度的2/3～3/4处，气流遇到建筑的阻挡后顺着建筑表面分别向上、向下移动，而气流的运动情况及其对高层建筑的影响由形体自身形态特征决定。因此，高层建筑不同高度区段的风环境特点并不相同，不同的高度区段也有不同的环境相应目标，因此，分截面高度研究十分必要。高层建筑在不同的高度区段面临的风环境问题表现为以下几种。
（1） 高层建筑上部气流速度过大，造成建筑表面风压过大，不利于建筑表面开口进行自然通风和热量交换，过大的风速在夏季可以带走部分热量，达到降温目的，而在冬季热量交换后对保温不利。
（2） 高层建筑中部由于风速风向的变化造成气流向上、向下及建筑两侧移动，其中下行风风速过快，到达地面后对底部风环境造成不利影响，向建筑两侧移动的气流会加强建筑角部的风环境，形成边角强风，使得风压过大，不利于自然通风，同时建筑表面的过大风速造成能量交换加剧，夏季有利于通风和降温，冬季不利于保温御寒。
（3） 高层建筑底部风速过大不利于地面处的人行活动的舒适度，建筑背风面风影区范围过大，风影区内风速过小不利于建筑自身自然通风。
由此可见，在高层建筑的不同高度区段，具有不同的气流运动特点，面对不同的风环境问题，需要应对不同的环境导向，因此，分区段、分截面研究高层建筑扭转形态的风环境特点、选择不同高度区段内具有代表性的截面高度进行模拟计算，是行之有效的风环境模拟研究 方法。
图7—14 计算模型截面位置示意
在截面高度的选择上，选取的模型标准高度为300 m，总高度的2/3～3/4处即为200～225 m，在此区段内高层建筑受风的作用分别上下移动，因此在此区段的上下选择截面作为上部和中部的计算截面。150 m作为计算模型300 m高度的中间值，其高度位置、形态特点、周围风环境状况都具有典型代表性，因此在高层建筑的中部区段选择150 m作为风环境模拟计算的截面高度。 250 m作为计算模型的5/6高度，不仅其风环境特点具有一定典型性，也是高层建筑顶部造型开始考虑的位置，因此选择250 m作为上部区段模拟计算的截面高度。对于高层建筑底部，距离地面2 m以内的区域被称为大气底层，这一高度区域与人的行为活动关系最为密切，因此选择2 m高度处作为高层建筑底部风环境模拟计算的截面高度。模型截面位置见图7—14。
7.1.3.3 确定边界气候条件
夏热冬冷的双极气候特征是我国多数地区的典型气候特点，而对建筑而言，需同时满足夏季降温隔热、冬季保温防风的需求。解决了夏热冬冷地区双极气候特点的设计问题，其他各不同地区的建筑问题也可以迎刃而解。因此，本文以我国夏热冬冷气候特点为例，将上海地区的风环境气候参数作为模拟研究的气候依据。在建筑方案设计初期阶段，当地的气象数据是建筑节能设计的一项重要指标。
上海地区属于亚热带季风气候，在热工分区中属夏热冬冷地区，上海地区呈现季风气候特点，全年主导风向随季节变化（图7—15）。上海市气象局测量所得上海地区10 m高度处全年平均风速4.4 m/s，根据风速与高度关系的变化公式可以计算出不同高度处的风速情况。
图7—15 上海市全年风向
图片来源：Weather Tool软件
7.1.3.4 软件模拟计算
CFD数值模拟法包含三个基本环节，即前处理、求解、后处理，其中求解是数值模拟过程中最为重要的环节。首先，在几何建模软件平台中创建高层建筑扭转形态的实体几何模型，同时，寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法。然后，将实体模型导入Gambit软件中对模型进行流道提取，创建网格模型。接着，启动Fluent流体计算软件，导入建立好的网格模型，选择运行环境，设置初始条件和入口边界条件，即上海市气象局测量所得上海地区10 m高度处年平均风速4.4 m/s，并通过风速与高度变化公式设置风速变化规律，最后调整用于控制求解的有关参数，初始化流场，开始模拟计算，计算完成后对求解结果进行后处理，调整计算结果的显示特性，完成后保存计算结果。
7.1.3.5 确定评价内容和依据(www.xing528.com)
对高层建筑形体风环境影响程度的评价需要建立相对完善和准确的评价方法。风环境评价体系是绿色建筑评价体系中重要的一部分，它为建筑设计实践的风环境要求建立标准，同时也为城市规划中对风环境的考量制定规范，并对建筑建造管理中对风环境的影响进行制约。
国外许多国家和大型城市要求建筑在建造前对其进行风环境评价，以避免建筑物对周边风环境产生极为不利的影响，造成安全隐患，并尽可能为满足周边风环境的舒适性创造有利条件。然而目前，我国并没有相关的设计规范对室外风环境的合理标准做出规定，只是指出建筑的间距应满足自然通风的需要，建筑师在设计中可以参考国际上绿色建筑评价体系中关于风环境评价标准的部分。
本文对高层建筑扭转形态对风环境的影响进行计算机数值模拟，对模拟计算结果的分析与评估同样需要建立相应的分析方法与评价依据。根据高层建筑风环境的形成机理、影响因素以及存在的风环境问题，高层建筑形体在不同的高度上具有不同的风环境特点和风环境导向，面临不同的风环境问题。评价一个高层建筑形体对风环境的影响是否有利，应该在不同的计算截面高度根据不同的风环境导向进行具体分析，因此，本文从减小高层建筑对周边和自身风环境的影响以及利用方面入手，以实现高层建筑底部、中部和上部的不同的风环境导向为目的，对扭转形态的形态参数进行分类研究，建立风环境计算机数值模拟计算的分析方法，并以此作为对计算结果进行评价的依据。
1. 减小对周边风环境的不利影响
高层建筑处于风场中，迎风面受到风的作用后气流的方向、大小等受到形体自身特点的影响，在形体的背风面风速减弱形成风影区，然后风场逐渐恢复到原来的风速状况。通过平行风场的计算结果，可以看到高层建筑扭转形体在风向上迎风面、背风面的风速变化情况，通过背风面风场恢复速度可以看出形体对周边风环境的影响程度，背风面风场恢复越快，对周边风环境的影响越小。
2. 积极利用风压通风
高层建筑利用风压进行自然通风，主要依靠前后表面的风压差，风压差越大，对自然通风越有利。通过风压的计算结果可以判断前后表面风压差的大小，并比较出扭转形态策略对自然通风的影响。
3. 减小对自身风环境的不利影响
（1） 高层建筑底部
高层建筑底部风速受底部气流和下行风的共同作用，当建筑处于高层建筑群体中，周边高层建筑的风环境会对底部风环境产生较大的影响，当建筑之间距离过近时，可能会产生“峡谷风”等极为恶劣的风环境，高层建筑底部风速过大不利于地面处的人行活动的舒适度，避免高层建筑底部风速过大是高层建筑形态设计中需要重点考虑的问题。建筑背风面风影区范围过大，风影区内风速过小，也不利于建筑背风面房间的自然通风。
对于高层建筑底部，满足人们进行室外活动时安全性与舒适性的要求是高层建筑风环境设计需要重点考虑的问题。室外风环境对人的舒适度的影响主要表现在对人的行为的影响和对人的舒适性的影响两个方面，创造安全舒适的风环境需要建立起相应的风环境评价标准，以对建筑设计方案进行评价[3]。
在气象学上，通常用蒲福风级来表示风力的大小，人行高度处蒲福风级不同强度对应的风效应见表7—1。日本研究学者Murakami等曾在大型风洞里与高耸建筑底层，对2 000多行人的步行动作进行了连续的观察，得到风速与风效应对应关系[4]（表7—2）。建筑底部适宜的风速范围可以此为参考。
表7—1 行人高度蒲福风级不同强度对应的风效应
资料来源：Wind environment around buildings, Building Research Establishment Report
表7—2 风速与行人舒适度的关系
资料来源：New Criteria for wind effects on pedestrians
由此可见，高层建筑底部的风环境导向：① 降低高层建筑底部风速，在舒适度适宜的风速范围内；② 减小高层建筑底部风影区范围，使建筑背风面没有风速极小的区域。
（2） 高层建筑中部
根据高层建筑中部的风环境问题，高层建筑中部迎风面上下行风风速过快，到达地面后与底部气流混合增加底部风速，在局部形成风速较大的区域，向建筑两侧移动的气流会增加建筑外表面周围的风速，过快的风速使得建筑表面的风压过大，不利于外表面开窗通风，同时建筑表面的过大风速造成能量交换加剧，带走室内的热量，夏季有利于降温，冬季却不利于保温。高层建筑背风面如有较大的风影区范围，风影区内风速过小，则不利于建筑背风面房间的通风，会造成污染在背风面风影区内聚集，为建筑带来卫生隐患。
由此可见，高层建筑中部风环境导向：① 减小高层建筑迎风面的下行风风速；② 减小高层建筑外表面的风速；③ 减小形体周围以及形体两侧的风速； ④ 利用迎风面和背风面的风压差实现自然通风；⑤ 减小背风面风影区范围，提高背风面风影区内的风速。
（3） 高层建筑上部
风速随高度升高而升高，根据风速随高度变化公式，200 m高度处风速已达14.58 m/s，而300 m高度处的风速达到17.15 m/s，高层建筑上部风速已经很大。高层建筑上部迎风面上向上的气流速度过大，流向建筑两侧的气流会使得上部外表面周围的风速过大，都会造成建筑外表面风压过大，对于建筑表面开口进行自然通风极为不利。背风面的风影区范围越大，风速越小，对背风面房间的自然通风越不利。
由此可见，高层建筑上部的风环境导向：① 减小高层建筑外表面的风速； ② 减小形体周围以及形体两侧的风速；③ 防止建筑上部风压过大；④ 减小背风面风影区范围，提高背风面风影区内的风速。
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