Но кроме того, поток вокруг здания приводит к изменению свойств ветра, по сравнению с ветровым потоком над незастроенной местностью. Это воздействие ветра потом, в зависимости от своих характеристик и характеристик здания, оказывает влияние на микроклимат вокруг данного здания и людей, находящихся вблизи. В худшем случае нахождение рядом со зданием становится неприятным, но кроме того, существует и частично скрытая опасность для всех 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 своей формы {%><#Refer [1]]]. Воздушный поток в прилегающем окружении развивается по-разному, в зависимости от направления и характеристик ветра, а также формы здания. Отдельные типичные формы воздействия данного потока показаны ниже.
Сочетание всех этих воздействий затем оказывает влияние на городской микроклимат [1]. Возникающие 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
Общую ветровую ситуацию в городской среде так формируют местно ускоряющиеся ветровые потоки и турбулентность, возникающие в результате взаимодействия зданий с фактическим воздушным потоком. 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. Чаще всего вызывает поле потока 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 были со временем разработаны определенные критерии. Самыми известными критериями являются предельные значения по Лоусону, Давенпорту и по норме NEN 8100 [2]. Упомянутая норма содержит как критерии безопасности, так и требуемые критерии комфорта.
С помощью данных критериев вместе с метеорологическими данными и местными ветровыми условиями потом можно оценить ветровой комфорт в любом требуемом месте. Метеорологические данные в определенной области исследования показывают возникающие скорости ветра по направлению и их повторяемости. Такие наборы данных часто отображаются в виде так называемой розы ветров.
Наоборот общий поток ветра создает из-за различных воздействий воздушного потока в исследуемой городской сфере или комплексе зданий непостоянное поле скоростей. Иногда даже со значительным эффектом ускорения вблизи зданий или 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]. Четкие категории для определения степени комфорта и безопасности пешеходов содержит в себе, например, голландская норма NEN 8100.
| Категория комфорта | Средняя скорость ветра [м/с] | Вероятность появления [%] | Действие | |
|---|---|---|---|---|
|
одного | 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 | Неприемлемые |
| Категория безопасности | Средняя скорость ветра [м/с] | Вероятность появления [%] | Опасность | |
|---|---|---|---|---|
|
|
одного | 15 | < 0,05 | Риск отсутствует |
|
|
B | 15 | < 0,30 | Риск ограничен |
|
|
C | 15 | ≥ 0,30 | Опасно |
Новые здания меняют ветровые условия
В предыдущей практике нам уже встречались различные примеры того, как новые здания радикально меняют городской микроклимат и соответствующее поле скоростей ветрового потока. Ярким примером некомфортной окружающей среды были в свое время, например, здания Флэтайрон-билдинг в Нью-Йорке или совсем недавно построенное многоэтажное здание «20 Fenchurch Street» в Лондоне, известное благодаря своей форме, которую означают 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 его окружающую среду. Особенно высокие здания, достигающие более 25 метров, могут из-за возникающих вертикальных ветровых течений на фасаде значительно изменить ветровой комфорт в прилегающей области. Однако ветровые условия таких критических сооружений могут быть улучшены лишь в очень ограниченной степени. Меры по улучшению ветрового комфорта так включают в себя, например, оптимальное расположение деревьев для замедления или 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)» наглядно 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.
Общие сведения