基于参数化风环境模拟的岭南地区多层建筑中庭优化设计研究

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中庭作为公共建筑中的核心共享空间,在建筑设计中有大量的应用。但在岭南地区,中庭在空间与功能使用上却存在一定问题:通透的中庭空间往往成为夏季的集热温室,热舒适度低,希望人们驻足停留的空间反而使人们避而远之,失去了中庭原本的意义。因此,本文基于岭南地区气候条件,将热压通风作为切入点,针对多层中庭建筑,以建筑师的视角结合相关现有理论从中庭的平面、剖面、界面三个方面提取了八个中庭形态参数,利用参数化平台的CFD数值模拟插件Butterfly,探究这八个参数对于建筑中庭通风以及热舒适度的影响,针对岭南地区的多层建筑中庭给出设计策略。并将分析所得结果运用于广州大学图书馆的中庭改造设计方案中,以模拟数据验证中庭形态优化策略对于改善建筑内热舒适度的有效性。本文主要成果与结论如下:(1)通过对广州地区典型气象年全年风速、温度与湿度气象数据的分析,得到广州具有全年温湿度较高,风速较小,静风率较高的特点,其中5月及11月户外气温不算炎热,针对中庭建筑,空调的使用与否依赖于中庭的热环境,适当的中庭设计有利于建筑中庭产生烟囱效应,一方面可加强室内的通风效果,改善室内的热舒适度,同时还可以降低空调使用频率,达到节能目标。(2)在参数化平台Grasshopper中以参数的形式引入分析所得的中庭形态要素,构建各数值间能相互联动,且精细量化的中庭建筑模型,并建立了较完整的参数模型生成、热环境模拟、风环境模拟及热舒适评价流程,使这四部分相互联动,构成具有一体化特点的参数化风热环境与评价模型。(3)以基础模型为研究载体对分析所得的八个中庭形态要素进行模拟分析,分别总结其对于热舒适度的影响,并结合实际设计中需考虑的空间布局、建造难易度等,对岭南地区多层建筑中庭空间提出具有较强实用性的热舒适优化选型建议。主要包括以下几点:中庭占比上,在符合实用需求时,可选择尽量较大的中庭;在中庭平面形态的选择上以正方形、趋近于正方形的矩形中庭为优;中庭的位置与热舒适度没有较明显的关系趋势,在设计中可根据实际情况进行选择;层高可选取较高的层高或在部分楼层选用较高的层高;中庭的剖面形态上,A字形和V字形中庭剖面各自在建造、采光、布局等方面存在限制,对于热舒适度的改善也较小,建议选用矩形剖面形态;进出风口面积比的选取上,可选取较小的进出风口面积比,即在建筑中庭顶部可选取较大的出风口;中庭顶部高度在实际设计中可依据设计需求选取较高的高度;在中庭顶部根据实际设计需求可选取较小的玻璃占比,或利用更多的遮阳构件,防止中庭大量集热。(4)将基于抽象形态中获得的设计结论运用于具有具体形态的广州大学图书馆优化改造模拟中,验证策略的有效性。改造后的模拟结果显示,中庭从原本几乎静风改善为有较明显的拔风效果,顶层的热舒适APMV值也下降约55%,说明该改造方案对于中庭空间的通风与热舒适度有较好的改善效果,也验证了本次研究获得的中庭设计结论的准确性。在本研究中针对岭南地区多层建筑的中庭热舒适度优化提出选型建议,并通过具有复杂形态的实例进行模拟优化,对于建筑师在岭南地区的中庭设计与优化改造具有一定的参考意义。
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