Кроме того, поток вокруг здания приводит к изменению свойств ветра, по сравнению с ветровым потоком над незастроенной местностью. Такое воздействие ветра, в зависимости от характеристик ветра и здания, оказывает влияние на микроклимат вокруг и людей, находящихся вблизи здания. В худшем случае, находится рядом со зданием становится неприятно, кроме того, существует частично скрытая опасность для пешеходов и велосипедистов.
Поэтому в ветротехнике, связанной со строительством, существует не только область, которая занимается расчетом нагрузки воздушного потока на объекты, но и область ветрового комфорта для пешеходов и велосипедистов вблизи здания.
Возможное воздействие ветрового потока на здание
Здания не только противостоят воздействию ветра, но также оказывают влияние на воздушный поток вокруг самого здания [1]. Воздушный поток в прилегающем окружении развивается по-разному, в зависимости от направления и характеристик ветра, а также формы здания. Отдельные типичные формы воздействия показаны ниже.
Сочетание всех этих воздействий оказывает влияние на городской микроклимат [1]. Возникающие данным образом потоки ветра переносят воздух, грязь, снег, запахи и тепло через городскую среду в зависимости от присутствующего ветра, его местного ускорения и временного распределения.
Ветровой комфорт
Локально ускоряющиеся ветровые потоки и турбулентность, возникающие в результате взаимодействия зданий с фактическим воздушным потоком, формируют ветровую ситуацию в городской среде. При этом турбулентность и высокая скорость ветра, вызванные наличием каналов и эффектом Вентури между зданиями и рядом с ними, вызывают дискомфорт у находящихся там жителей. Главным образом, поле потока вызывает неприятные ощущения на уровне головы пешехода (от 1,5 до двух метров над землей). В особо сложных случаях наличие высокой скорости ветра также увеличивает риск внезапного отталкивания для пешеходов и велосипедистов.
Для предотвращения опасности из-за воздействия ветра и для смягчения его воздействий со временем были разработаны определенные критерии. Самыми известными критериями являются предельные значения по Лоусону, Давенпорту и по норме NEN 8100 [2]. Указанная норма содержит как критерии безопасности, так и требуемые критерии комфорта.
Ветровой комфорт в определенном месте можно оценить с помощью данных критериев на основе метеорологических данных и местных ветровых условий. Метеорологические данные в области исследования показывают возникающие скорости ветра по направлению и их повторяемости. Такие наборы данных часто отображаются в виде так называемой розы ветров.
Из-за различных воздействий воздушного потока, глобальный поток ветра создает непостоянное поле скоростей в исследуемой городской среде или комплексе зданий, иногда со значительным эффектом ускорения вблизи зданий и между ними. Ветровой комфорт пешеходов при этом устанавливается путем сравнения местных скоростей ветра с соответствующей метеорологической повторяемостью из общего, прилегающего к поверхности земли, ветрового потока [2]. Голландская норма NEN 8100, например, устанавливает категории для определения степени комфорта и безопасности.
| Категории комфорта | Средняя скорость ветра [м/с] | Вероятность появления [%] | Действие | |
|---|---|---|---|---|
| A | 5 | < 2,5 | Длительное положение сидя | |
| B | 5 | < 5 | Кратковременное положение сидя | |
| C | 5 | < 10 | Медленная ходьба | |
| D | 5 | < 20 | Быстрая ходьба | |
| E | 5 | ≥ 20 | Некомфортный | |
| Категории надежности | Средняя скорость ветра [м/с] | Вероятность появления [%] | Опасность | |
| A | 15 | < 0,05 | Риск отсутствует | |
| B | 15 | < 0,30 | Риск ограничен | |
| C | 15 | ≥ 0,30 | Опасно |
Новые здания меняют ветровые условия
В предыдущей практике уже встречались различные примеры того, как новые здания радикально меняют городской микроклимат и соответствующее поле скоростей ветрового потока. В свое время ярким примером некомфортной окружающей среды были здания Флэтайрон-билдинг в Нью-Йорке и совсем недавно многоэтажное здание 20 Fenchurch Street в Лондоне, известное благодаря своей форме форме как «рация» или «пинта». Эти и другие случаи показали, что при добавлении нового здания в уже существующий городской ландшафт необходимо принимать во внимание не только само здание, но и окружающую его среду. Прежде всего высокие здания, более 25 метров высотой, могут значительно изменить ветровой комфорт в прилегающей области из-за возникающих вертикальных ветровых течений на фасаде. Впоследствии ветровые условия таких критических сооружений могут быть улучшены лишь в очень ограниченной степени. Меры по улучшению включают в себя оптимальное расположение деревьев для замедления и отклонения некомфортных ветровых потоков.
Для того, чтобы избежать подобных сложностей, было бы лучше иметь представление об изменении ветровых условий в окружающем пространстве уже на этапе проектирования нового здания или строительного комплекса. С помощью данной информации можно распознать любые неблагоприятные зоны ветрового комфорта до начала строительства и соответствующим образом изменить форму здания. Поскольку такая оптимизация формы, как правило, должна быть выполнена итерационно, то рекомендуется численное моделирование потока. Данный цифровой метод позволяет точно определить возможные варианты формы здания без напрасной траты ресурсов и найти местные скорости ветра, учитывая глобальную ветровую обстановку в городской местности. Метод может быть очень экономичным по сравнению с реальными испытаниями в аэродинамической трубе на уменьшенной модели города благодаря исключению шагов по построению модели.
Анализ ветрового потока с помощью программы RWIND Simulation
Программа RWIND Simulation дает возможность выполнить численное моделирование потока для подобных городских моделей. Программа может импортировать в цифровую аэродинамическую трубу подчас грубую, довольно филигранного модель города 1: 1, не масштабируя размер, с помощью интерфейсов VTP (ParaView Poly Data) или STL (стереолитография). Глобальную ветровую обстановку в городской местности нужно определить в аэродинамической трубе с помощью поля скоростей ветра и турбулентности, которое изменяется в зависимости от высоты. В качестве альтернативы можно импортировать из RFEM модель для расчета конструкций с глобальными ветровыми характеристиками напрямую в цифровую аэродинамическую трубу в программе RWIND Simulation. Затем программа RWIND Simulation строит сетку в области свободного объема и находит местное поле потока вокруг модели с помощью стационарного решателя несжимаемых турбулентных течений по отношению к алгоритму SIMPLE (полунеявный метод для уравнений, связанных через давление).
Сравнительный пример E «Строительные комплексы простой формы в условиях реального городского района (Ниигата)», опубликованный в «Руководстве по расчетным данным CFD городских параметров ветра» [3] Архитектурного института Японии (AIJ), ясно показывает, каким образом новое строительство высоких зданий влияет на местное поле ветрового потока в пешеходной зоне.
Местная скорость ветра у западного ветрового нагружения, при общей скорости ветра 3,93 м/с на расчетной высоте 15,9 м над городской зоной, за зданием увеличивается с 1,3 м/с до строительства до 4,43 м/с после завершения строительства. Это означает увеличение скорости ветра примерно в 3,4 раза, с одновременным ухудшением ветрового комфорта пешеходов в области перед зданием.
С помощью программы RWIND Simulation этот весьма значимый набор результатов был установлен без особых затрат по вводу данных, включая построение сетки на стандартном компьютере. На основе подобных результатов градостроители, разработчики проектов, архитекторы и инженеры могут определить степень ветрового комфорта вокруг проектируемого здания.
