高楼风环境影响评价浅析.doc

- 81 - 黄 荣 柳州市环境保护科学研究所广西 柳州 545006 【摘 要】随着城市化进程的发展城市用地愈趋紧张再加上城市标志性建筑和城市名片的提出高层建筑的发展速度愈快。伴随着高楼林立的产生一种“无形”的风环境污染问题高楼风影响也就日益突出。通过分析高楼风的特点、形成机理、影响的手段等方面定性分析高楼风对环境的影响并提出相应的污染防治对策和措施为今后高楼风环境影响评价提供参考作用。 【关键词】高楼风高层建筑涡流环境影响 【中图分类号】X3 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151201005-0081-03 一高楼风概述 在高楼林立的大都市中人们漫步街头或高层建筑附近时常会遇到奇怪的风随着楼群的布局不同风忽强忽弱忽上忽下令人难以捉摸穿过高楼之间时常会受到一股强烈阵风的袭击。这种变幻莫测的怪风俗称“高楼风”。 高楼风形成机理由于高层建筑阻挡了近地风的流动造成不同部位风压差在迎风面上由于空气流动受阻速度降低风的部分动能变为静压使建筑物迎风面上的压力大于大气压从而形成正压在背风面、侧风面屋顶和两侧由于气流曲绕过程形成空气稀薄现象该处压力小于大气压从而形成负压这两种气压差造成气流快速流动产生高楼风。换句话说高大建筑物较大程度改变了建筑物周围的局地风场从而形成高楼风。 根据楼群的布局不同高楼风大体可分为以下几种类型 1.分流风风迎着建筑物沿墙面流动遇到拐角处就分流离去。分流离去的风速高于周围的风速。 2.下冲风气流遇到建筑物时在建筑物高度的6070形成从上往下冲的劲风。 3.逆风冲向建筑物的风沿着墙面下降一旦落到地面便向上方反向流动特别是在高层建筑前有低层建筑的情况下更易助长这种逆流现象使之变成快速流动的强气流。 4.峡谷风在高层建筑彼此邻接的场合风流过建筑物之间的缝隙时分流风和下冲风共同作用形成快速流动的强风。 5.开口部风在建筑物下层的开口部分上侧风与下侧风纠缠在一起使这个部分成为风口来自各个方面的风在此汇集快速流过。 6.穿堂风在市区风沿着马路或胡同穿扫过而形成。林立的建筑物越是排得整整齐齐穿堂风越容易形成。 二高楼风的特点分析 高楼风的特点风速大风向不规则、变幻莫测。高楼风是高层建筑发展的产物主要分布于高层建筑周围具有特殊的分布性。 正常情况下受地面下垫面和地物的影响近地风速较低随着高度的增加风速会随之增大。低空风速随高度变化的规律为 式中U地面Z处的风速m/s U0地面Z0处的风速 不同大气稳定度下垂直风场的风廓线幂指数m值不同同一稳定度的不同地区的m值也不同。 建设高层建筑后形成的局地高楼风比同一高度正常风速即无高层建筑还要大。据同济大学土木工程防灾国家重点实验室在上海市中心商业区测试的几个点结果显示建设高层建筑后风速大大超过建设前的风速。据合肥市有关报道资料当风力3级对应风速约4.4m/s左右时合肥市政务中心大楼的A座26层、面向一扇半开的窗口扑面吹来的2010年第5期 大 众 科 技 No.52010总第129期 DA ZHONG KE JI Cumulatively No.129【收稿日期】2010-01-29 【作者简介】黄荣1978男壮族广西邕宁人柳州市环境保护科学研究所工程师研究方向为环境影响评价、环境保护管理。 mZZUU?00 - 82 - 却是6级对应风速约12.3m/s左右大风风速提高了近3倍。当风力4级对应风速约6.7m/s左右时该楼13层办公室外6级左右大风风速提高了近2倍。随着地面风速的增加高楼风速呈倍速增加。随着建筑物高度的增加高楼风呈级数增加。 综上分析影响高楼风的因素主要有建筑物的高度、长度、深度以及形状等这些因素会影响高楼风的气流分布。当建筑物长度与深度不变时高度越高建筑物两侧风速增幅越大风速越大当建筑物的高度与深度不变时长度越长建筑物顶部风速增幅越大风速越大当建筑物的高度与长度不变时深度越大建筑物背面的风速增幅也越大风速也越大。高层建筑如建筑呈横长形时风速最大区为建筑上方当建筑呈细高形时风速最大区为建筑两侧。当建筑物为正方形或矩形时风速最大区出现在建筑两侧的前角当建筑物为圆形时风速最大区出现在两侧中部。随着周围高层建筑的增多更容易形成峡谷风风速增幅更大。 三高楼风环境影响分析 由于高楼风特定分布于高层建筑周围而高层建筑多位于城市的中心地带因此其主要影响对象为城市生态环境。由前面分析可知高楼风气流分布和风速大小与相关建筑物的形状有关其强度具有不确定性对环境的影响也具有不确定性。根据高楼风的特点其对城市生态环境的影响可分为直接影响和间接影响。 1.直接影响 1高楼风对大楼安全的影响主要体现为“风振效应”。何谓风振效应就是高层建筑遇到强风时高层建筑周围的风有脉动效直形成一种漩涡风与建筑物产生摩擦加上强风对其整体结构产生巨大的冲击作用从而引起高层建筑振动。据报道海南遭遇强台风“维达”狂袭海南时强劲的风力使得海口市内一些住在高楼大厦里面的市民感觉楼层有点晃而且随着风力的加大楼随着大风晃动的程度越大。楼层晃动的程度与面积的比值有关平面建筑面积越大的晃动的幅度就会比较小而一些平面建筑面积比较窄小的楼层就会晃动得厉害些。根据有关的高层建筑模型风洞试验在遭遇强风时超高层建筑顶部一般都会有位移表现只是幅度不同越高幅度越大。风振效应与高层建筑的形状、风速有关风速越大风振效应越大高层建筑振动幅度越大而细高形的建筑比金字塔形的建筑更容易出现风振效应产生房屋随风摇动的感觉。在正常情况下高层建筑的设计和建造均考虑抗风振性遭遇强风时会产生细微房屋振动的感觉在“允许”范围因此整体上高楼风不会对高层建筑的结构安全产生太大影响但容易造成建筑物疲劳、减短使用寿命并增加日常维护费用。 2对大楼居民生活的影响。据前面分析可知高层建筑正面即迎风面易产生正压区风速较大建筑侧面由于受迎风面的挤压风束线密集风速也很大建筑背面受气流曲绕形成负压区风速较小。因此高楼风对大楼居民的直接影响范围主要集中在迎风面和侧面对大楼居民的影响体现在以下几个方面迎风面强风摧打居民住宅的窗户产生碰撞或撞击噪声影响居民休息。侧风面风束之间相互摩擦产生的风噪声也会影响居民的生活随着风速加大风噪声源强也增大。其中侧风面风噪声影响是高楼风的特征环境影响。高楼风噪声类似口哨声其噪声的大小与风速、风向、建筑物设计的形状、外部环境都有关系。国外有关研究人员做过相关试验当风速超过55千米/小时才发出令人烦恼的啸叫声当风向与筛网平面成015度角、即演奏长笛的角度吹过时大楼啸叫加剧。后来的研究证实大楼产生的噪声与人们吹空啤酒瓶的道理相同。吹空啤酒瓶时扰乱了瓶口边沿空气的正常流动这就在瓶颈处制造了一个个气体漩涡。漩涡的振荡频率与瓶颈大小、风速均有关。用力吹瓶口风速增大在瓶颈中形成的漩涡加强一旦其振动频率和瓶腔的固有频率一致产生共鸣腔后瓶子发出的叫声最强。而高层建筑物的设计、外部环境就起到上面的瓶口的作用如室外遮阳篷气窗、格栅、围栏等都可能成为建筑物“吹口哨”的瓶口起到提供风噪声产生的“温床”。长时间生活在凄厉风声环境里的人其情绪会受到干扰特别是少年儿童以及情感脆弱的人如经常听到奇怪的大风会不自觉产生联想继而引起心理紧张、血压升高等不良反应。 高楼风对大楼居民生活还有两个隐性的影响就是当居民打开窗口对室内进行通风透气时相对的窗口打开容易形成穿堂风。高速的风流夹带尘埃容易吹入居民的眼睛造成眼睛伤害影响。当高层建筑物下部发生火灾时高楼风很可能会成为加大火势的重要帮凶大火及其浓烟很容易借助风势以很短的时间向上部蔓延。相关安全部门做过统计大楼发生火灾后烟雾在空气对流下扩散速度很快每秒钟可达0.50.8米沿水平方向扩散以每秒34米的速度沿楼梯间等垂直方向的竖井朝上扩散。往往是建筑越高烟气扩散越快一幢100米高的楼房仅仅半分钟左右火灾的烟气就能从地面窜到楼顶。在美国911事件中在飞机外力作用下钢在飞机油燃烧后“软化”造成大楼倒塌其中由于门和玻璃窗被撞碎后形成了一个大的通风口它助长了火的蔓延与扩大。因此高楼风很容易使火灾蔓延危害居民生命财产安全同时火势迅速蔓延也给消防救援工作增加了很大的难度这是需要关注的问题。 3对楼下行人安全的影响。高楼风不仅对楼上有影响而且会对楼下行人也会产生影响。由前面分析可知高层建筑下部的高楼风种类有穿堂风、下冲风。这些风的风速不比楼上的风速弱有时甚至比楼上的风速还强。在楼群底层的过道里瞬间风速能达到外围环境风的3至4倍如果当时风力5级楼道中可能出现瞬间就将人吹走的狂风而飑线风瞬间产生的风速甚至高达12级以上。表1是风速大小对人行为的影响情况说明表。 表1 风速对人的行为影响 风速m/s 对应风级 人的行为表现 06 14级 行动无障碍 69 45级 大多数人的行动不受影响 915 57级 还可以按本人意愿行动 1520 78级 步行的安全界限 20 8级以上 危险 从上表可知由于高层建筑可以将上面的高速风引至地面当周围环境风级为4级时高楼底下的风可能达到78级甚至以上行人步行将非常艰难甚至会被风吹倒造成人身伤害。 - 83 -2.间接影响 高楼风的间接影响主要体现为高楼风会衍生出背、侧风区涡流。涡流从简单意义上讲是指局部气场的空气环形流动。 涡流区的大小与建筑物高度、长度、深度等有关。当建筑物的长度与深度不变时涡流长度随建筑物高度的增加而增大约为建筑物高度的45倍当建筑物的高度与深度不变时涡流长度随建筑物的长度增加而增加当建筑物的高度与长度不变时涡流长度随建筑物的深度增加而减少。总之建筑物的高度越高长度越大深度越小其后面的涡流区越大。当建筑物呈圆形时受风绕流影响主要在顶部后面形成小型涡流区。 涡流区有点类似于河流的死水区或滞留区在该区域内空气较为稀薄空气流动较缓慢不利于污染物的迁移扩散。同时涡流区空气稀薄会受周围气场的补充污染物也会随之进入涡流区而涡流区污染物又不易扩散因此就容易造成涡流区污染物累积浓度增大。 造成涡流区环境污染现象主要为高层建筑的内源一是地下车库汽车尾气若地下车库的排风口设在涡流区在地下车库通风不良情况下污染物CO、氮氧化物浓度逐渐增大甚至出现超标。二是底部餐饮业的厨房油烟餐饮业的厨房油烟量很大不能使用公用烟道若排烟口设在涡流区其排出的厨房油烟不易向外部扩散在涡流区环流作用下会向上窜从而影响楼上居民的生活环境。 为了减少高楼风的干扰影响高层建筑各单位多房门紧闭这就造成了高层建筑内部封闭式的气场空气流动缓慢很不利于大气污染物的稀释和扩散污染不断积聚城市烟尘和其他有害微粒罩在楼间流通不得、滞留不去导致空气的交叉污染严重危害人们的健康。 四高楼风污染防治对策措施 1.相关法律法规 由于高楼风是高层建筑的衍生产物它不属于污染物但会影响污染物在高层建筑局地气场的迁移扩散而影响高楼风的第一因素主要为建筑物高度。据调查目前我国尚未对高建筑引起的高楼风制定环保方面的法律法规。而国外的一些城市和地区根据自身地域特点和要求制定出相应的法规政策如旧金山规定对300英尺约91米以上建筑物要进行环境影响评价。在高层建筑建成后所引发的风提速限制方面在国外一般规定由高楼引发的风提速最多不能超过原来的1.5至1.8倍。 其他方面的要求建筑设计要求大楼的高度超过100米的就要做风洞试验。即是按照一定比例做一个高楼模型然后用风从各个角度吹观察它的抗风性和顶部位移情况。 2.相关的污染防治对策措施 1未建的或待建的高层建筑高楼风防范措施。建筑规划布局应合理充分利用建筑的布置及其与周围建筑的关系尽量减少强风面积或在人们活动的地区防止强风。按建筑设计规范要求确保楼房之间的间距。建筑平面和剖面形状要合理设计如在建筑物上设置结构性洞口形成风街有利于高楼风直接从该风街通过减少了高楼风向下部、两侧的输送减轻了高楼风对高层建筑底部、两侧的影响。根据日本东京的日本电器本社经验在建筑物上开洞口比不开洞口风速增加领域要少并且洞越集中越好。设置有关遮蔽物如围墙、防风网等。重视细部的处理如墙面利用、阳台或线脚的凹凸变化。进行风环境风洞实验通过模型来模拟确定高楼风的气流和涡流区分布。地下停车库排气口不宜设在涡流区。 2已建高层建筑高楼风防范措施。可在高层建筑外部加设一层金属防风网将可有效减少高楼风据有关报道金属网可以滤掉70的高楼风克服高楼中普遍存在的旋风现象。但要充分考虑滤网的相关参数以免产生风噪声消除“二次污染”。高层建筑下部多种植绿化树木树木可起到挡风作用树冠的不规则形状也能干扰气流减弱下冲风的风速减轻其对行人的影响。 3其他方面。充分重视高层建筑火灾危险事故提高居民的安全防范意识建议以一定数量的层数为单元各单元设置防火隔烟带。 五结语 高楼风是高层建筑的伴生物其对环境的问题是随着高层建筑的发展逐渐浮出水面。虽然我国尚未出台具体要求但从调查结果看各地方均已逐渐关注和重视高楼风的影响。高楼风的产生是不可避免的但其对环境的影响并不是不可解决可以通过各种手段和措施减轻。随着建造技术的发展和科技水平的提高高楼风对环境的影响可能会有负面转为正面从而造福人类。 高楼风的分析有定性分析和定量分析。定性分析是以主观的角度去分析没有数据支持参考效果有限。定量分析是根据高层建筑的实际情况建立“风洞模型”进行数值模拟预测具有针对性反映的结果也较准确但是模型不具有广泛适用性不同的建筑需要建立不同的模型而且建立风洞物理模型需要较多的研究资金和较高的技术水平因此相关的环评单位通过风洞试验进行定量评价的难度较大。结合近年电脑模拟软件的盛行其附带的粒子系统可以模拟大气或污染物颗粒软件也提供物理场重力场、风场等的模拟因此本人认为可以利用这些软件来进行高层建筑风场试验模拟。虽然没用实际物理模型模拟精确性高但其结果是介于物理模型模拟评价和定性分析评价之间可以为定性分析提供较为可行的数据支持所需经费也较少值得在环评体系中推广和采用。 【参考文献】 1 刘辉志等.城市高大建筑群周围风环境研究J.中国科学 D辑 地球科学200535增刊. 2 国家环境保护总局环境工程评估中心.环境影响评价案例分析K.2007. 3 桑建国刘辉志王宝民.街谷流场和热力环流的数值模拟J.应用气象学报200213. 4 王宝民刘辉志桑建国.二维城市街谷热力场数值模拟J.北京大学学报200440. 5 周志勇陈艾荣曾勇王达磊.河南电视塔体形系数CFD数值模拟及随机风振响应数值分析IJ.特种结构20063.