摘要
商业建筑入口冷风的高渗透量对建筑运行能耗和人员热舒适造成了极大影响。为提升入口抵抗冷风渗透的性能，文中分析了寒冷地区商业建筑4种典型入口外部形式，并基于FLUENT平台的CFD数值模拟，对各类入口进行多风向的冬季风环境仿真计算。同时,提出“入口综合速度”作为入口风环境性能指标，以评价各入口类型在不同风向条件下的风环境性能。结果表明，入口迎风时，应优先选择凹入口，不宜采用平入口；入口背风时，应优先选择半凸近入口，不宜采用半凸远入口。此外，主导风向为90°、180°和270°的条件下，入口形式可任意选择；而风向多变条件下，凹入口风环境性能最佳，平入口最差。为此，提出了不同风向下的入口外部形式优选策略和提升方法。
寒冷地区采暖季较长，温度低且风速大，公共建筑普遍存在入口冷风渗透的问题，导致室内温度分布不均匀，对建筑使用者的热舒适度产生不利影
综上所述，目前入口设计缺乏量化明确的指导策略，防风装置存在固有弊端。因此，具体的入口空间设计策略缺失是亟待解决的问题。商业建筑的入口位置受到人流来向、街区方位和地块形状的限制，通常无法完全避开当地冬季主导风向。同时，出于人流疏散的要求，商业建筑在多个方向分散布置多个入口，实际项目中难以达到所有入口都避开主导风向的理想效果。为了使入口界面风速更小，需要分析不同来流方向下入口外部形式的选择和优化方法。考虑不同来流方向下的入口外部形式对入口界面风速的影响，即当入口与冬季主导风向呈某种角度时，提供该入口的空间形式优选策略，避免可能出现的设计缺陷，在满足设计灵活度的前提下，提升建筑抵抗入口冷风渗透的空间属性，充分发挥建筑空间性能的潜力。
为了提升研究结果的泛化性，笔者通过实地调研和图纸梳理，对寒冷地区24栋商业建筑的75个入口外部形式进行了特征提取，总结出商业建筑入口的4个典型模型，包括平入口、凹入口、半凸近入口和半凸远入口。由于凸入口形式会使整个建筑主体后移，压缩了功能空间，实际工程中应用较
图1 入口典型模型平面图
Fig. 1 Plans of typical entrance models
| 参数 | a | b | c | d | e(近） | e(远） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 尺寸/m | 5.70 | 8.40 | 2.10 | 9.00 | 2.40 | 17.00 |
文中采用计算流体力学方法（computational fluid dynamics, CFD）对提取的典型模型进行室外风环境仿真计算，依据Gambit和Fluent仿真平台进行网格模型建立和数值模拟，所有模拟均采用相同的模型网格精度、计算精度、仿真物理模型以及仿真数学模型。参照目前通用的室外流场模拟计算域设定方法建立计算域，如
| ， | (1) |
式中：Vh为高度为h米处的室外风速，m/s；为基准高度h0米处的风速，m/s，通常取10 m高度处风速；n为地面粗糙系数。
图2 风环境模拟计算域示意图
Fig. 2 Computing domain for wind environment simulation
图3 风环境模拟计算风向示意图
Fig. 3 Wind direction conditions for wind environment simulation
为排除室内环境因素对入口风速的影响，将入口界面设置为实体以规避室内外连通模拟导致的误差，入口界面网格分布已通过网格质量检验（面和体网格的扭曲度＜0.97
文中基于气体流量计算原理构建入口风环境性能评价指
在不考虑温度和压力的前提下，理想气体流量计算方法为
| 。 | (2) |
室外来流受温度场和入口实体界面影响，采用经温度和压力修正的气体流量公式为
| 。 | (3) |
依据
| 。 | (4) |
经整理后，提出入口风环境性能评价指标——入口综合速度Ve，以Ve作为评价入口外部形式风环境性能的评价量：
| 。 | （5） |
式中：Q为气体流量，m³/s；Q′为经压力和温度工况修正后的气体流量，m³/s；F为载流截面面积，
入口综合速度Ve的相关计算参数取自CFD模拟结果，计算得到Ve的数值可用于入口风环境性能评判，指导入口外部形式选型。通过对比不同工况下Ve的数值浮动，对4种不同入口形式的“薄弱环节”进行挖掘。针对Ve激增的工况，结合入口形式的空间特点进行三维矢量分析，依据气流运动路径和特征运动模式探究极端工况产生的原因及规律，提出入口外部形式的空间优化方法，并模拟验证。在入口形式优选的基础上规避不利的设计要素并提出具体的优化策略，进一步提升入口风环境性能。
为获得不同入口形式对入口综合速度Ve的影响关系，对不同入口形式的模拟结果进行对比分析，如
图4 不同入口形式的入口综合速度模拟结果
Fig. 4 Simulation results of entrance comprehensive velocity
| 入口类型 | 入口综合速度Ve/(m· | |
|---|---|---|
| 平均值 | 标准差 | |
| 平入口 | 3.38 | 2.72 |
| 凹入口 | 1.63 | 1.29 |
| 半凸近入口 | 1.95 | 1.01 |
| 半凸远入口 | 2.61 | 1.59 |
的距离对入口抵抗冷风渗透的性能有较大影响，其差异不仅表现在数值，还表现在随风向偏转角度变化的趋势上，入口背风时，二者风速的变化趋势相反。半凸近入口的入口综合速度Ve的标准差最小，表明其受风向影响波动最小，风速相对稳定。凹入口随风向角变化产生的风速波动同样较小，风速变化区间与半凸近入口相近，但凹入口的入口综合速度平均值为4类入口形式最低，说明凹入口的风环境性能略优于半凸近入口。综合考虑4种入口形式，凹入口在各风向条件下的入口综合速度平均值最小，平入口的最大。
室外来流方向对入口综合速度的影响在部分风向角下存在特定的作用规律。对模拟结果绘制雷达图,如
图5 不同来流风向对入口综合速度的影响
Fig. 5 The influence of wind direction on entrance comprehensive velocity
基于不同入口形式和来流方向的综合对比，依据Lawson行人风舒适性评估指
图6 商业建筑入口外部形式选型策略
Fig. 6 Selection strategy of commercial building entrance
平入口的极端工况发生在120°~150°和210°~240° 2个风向角度范围内。由于平入口的中轴对称性，仅针对120°~150°的风向角区间进行分析，风向偏转角度为120°和150°的平入口风速矢量结果，如
图7 风向角120°和150°的平入口局部矢量结果及示意图
Fig. 7 Vector results of flat entrance with wind directions of 120° and 150°
在外部条件允许的前提下，应首先考虑在上述偏转角度范围内尽量避免选择平入口形式。若外部条件有所限制，平入口虽然无可优化的特征空间参数，但可以通过钝化建筑的转角，提高建筑表面粗糙度等措施加以改善。
凹入口的极端工况发生在风向角为60°、240°和300°的来流条件下。对于凹入口在240°风向角条件下风速激增的问题，通过对比120°和240°风向条件下的矢量结果发现，凹入口的特征空间变量对其风环境性能有显著影响。提取凹入口的特征空间变量，如
图8 风向角120°和240°的凹入口局部矢量结果及示意图
Fig. 8 Vector results of concave entrance with wind directions of 120° and 240°
图9 不同a：c比例关系工况下的入口综合速度
Fig. 9 Entrance comprehensive velocity under different a:c ratio
分析可知，临近来流一侧墙体较短时，来流受到对侧较长墙体的阻挡，大部分气流离开入口区域，少部分气流进入入口所在的内凹空间，进而受到加速涡流作用，使入口综合速度增大；当临近来流一侧墙体较长时，来流因墙体阻挡产生局部气压变化而发生偏转，大部分气流进入内凹空间受到局部涡流的加速作用，从而导致入口综合速度Ve比临近来流一侧墙体较短时更大；两侧墙体等长时，进入内凹空间的气流由于空间围蔽性的增强而无法离开，导致气流持续受到加速涡流的影响，产生较其他形式更大的入口综合速度，此时入口风环境性能最差。因此，临近来流方向一侧的墙体尺寸应短于另一侧，在合理的比例关系范围内两侧墙体尺寸差异越大，风环境性能越好。
此外，凹入口处于60°和300°风向角的条件时（见
图10 风向角为60°和300°的凹入口局部矢量结果和示意图
Fig. 10 Vector results of concave entrance with wind directions of 60° and 300°
半凸远入口典型模型东侧与平入口的空间形式相同，并且二者在120°来流条件下均受到建筑主体边角的影响而产生Ve突增的不利工况，由于半凸远入口在风的运动路径上存在具有引导气流作用的墙体，产生局部风压变化而导致贴附射流发生偏转，使半凸远入口在120°来流条件下的Ve值明显小于平入口（见
图11 风向角为120°的半凸近入口和半凸远入口局部矢量结果和示意图
Fig. 11 Vector results of semi-convex near and far entrance with wind directions of 120°
图12 半凸入口理想位置示意图
Fig. 12 Ideal form of semi-convex entrance
对比半凸远入口和半凸近入口在风向角为330°条件下的矢量结果可知，二者的气流运动路径与前述规律相同。此时，半凸近入口仍位于死流区内，使其入口综合速度Ve明显小于半凸远入口（见
图13 风向角为330°的半凸近入口和半凸远入口局部矢量结果和示意图
Fig. 13 Vector results of semi-convex near and far entrance with wind directions of 330°
文中通过对4种典型商业建筑入口形式的风环境模拟分析，提出不同风环境条件下入口外部形式的选型和优化策略。
入口外部形式选型策略如下：
1）入口处于迎风条件时，风环境性能由高到低依次为：凹入口＞半凸近入口＞半凸远入口，不宜采用平入口；
2）入口处于背风条件时，风环境性能由高到低依次为：半凸近入口＞凹入口＞平入口，不宜采用半凸远入口；
3）入口处于多变的风向条件时，凹入口风环境性能最佳，平入口最差；
4）来流风向角为90°、180°和270°的条件下，入口形式可任意选择。
入口风环境性能优化策略如下：
1）平入口主要受到平行于入口界面来流分量的影响，其风环境性能可以通过钝化建筑的转角和提高建筑表面阻尼的方式加以改善；
2）凹入口主要受到内凹空间涡流影响，建议临近来流侧墙体长度应小于远离来流侧墙体，并且凹入口两侧墙体在合理的比例变化范围内，尺寸相差越大则风速越小；
3）半凸型入口的风速主要取决于入口与凸出墙体的位置关系，入口与墙体的距离建议小于墙体的凸出长度，并且入口与墙体的距离越近，入口在所有风向角条件下的风环境性能会越好。
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