本發(fā)明涉及一種城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法,具體涉及一種基于風(fēng)洞試驗(yàn)的城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法,屬于建筑風(fēng)環(huán)境領(lǐng)域。
背景技術(shù):
隨著我國(guó)城市化的發(fā)展,(超)高層建筑大量涌現(xiàn),而且布局多樣、體形復(fù)雜。城市中的高大建筑物和建筑群會(huì)顯著地改變其周圍的風(fēng)場(chǎng),使得城市街道、建筑物角部和入口等區(qū)域由于“狹管效應(yīng)”而出現(xiàn)明顯的風(fēng)速加速,由此惡化行人高度的風(fēng)環(huán)境,引起行人產(chǎn)生不舒適感、甚至發(fā)生危險(xiǎn)。
隨著人們生活品質(zhì)和健康舒適理念的提高,城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境的質(zhì)量日益得到重視。為了避免因不合理的建筑形式及布局造成不舒適、甚至危險(xiǎn)的行人風(fēng)環(huán)境,需在街區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)之初對(duì)其行人風(fēng)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行正確地預(yù)測(cè)及評(píng)估,并對(duì)風(fēng)環(huán)境質(zhì)量較差的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
風(fēng)洞試驗(yàn)是研究城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境的主要方法,也是使用最早、目前應(yīng)用最廣泛的風(fēng)環(huán)境預(yù)測(cè)方法。1981年,Irwin發(fā)明了一種全方向壓力傳感器(風(fēng)速探頭),該風(fēng)速探頭在對(duì)流場(chǎng)干擾較少的條件下,可實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域行人高度風(fēng)速的多點(diǎn)同步測(cè)量。大量的風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)及標(biāo)定試驗(yàn)表明,Irwin風(fēng)速探頭可獲得準(zhǔn)確的平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速的測(cè)量結(jié)果,適用于實(shí)際工程項(xiàng)目研究。
城市街區(qū)的行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法主要包括風(fēng)速比評(píng)估法、相對(duì)風(fēng)舒適度評(píng)估法和超越閾值概率評(píng)估法等。1)風(fēng)速比評(píng)估法以城市街區(qū)測(cè)點(diǎn)的行人高度平均風(fēng)速與相同高度的遠(yuǎn)處來流平均風(fēng)速的比值來反映建筑物存在引起的風(fēng)速變化程度,該方法只能定性地判別城市街區(qū)不同區(qū)域的風(fēng)環(huán)境的相對(duì)質(zhì)量好壞,而與人的感受無關(guān)(由于不能反映風(fēng)速絕對(duì)大小)。由于風(fēng)速比評(píng)估法簡(jiǎn)單可行,且能獲得較準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果,因此該方法是目前最為常用的方法,也被一些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)所采用。2)相對(duì)風(fēng)舒適度評(píng)估法以人的舒適性需求為出發(fā)點(diǎn),給出了人的不同行為對(duì)應(yīng)的風(fēng)速閾值及允許的不舒適風(fēng)的發(fā)生次數(shù)。但該方法未能考慮建筑所在地區(qū)來流風(fēng)速(氣象資料)的影響,也無法反映風(fēng)速的隨機(jī)特性。3)超越閾值概率評(píng)估法以人的舒適性和安全性需求為出發(fā)點(diǎn),同時(shí)對(duì)城市街區(qū)的當(dāng)?shù)貧庀筚Y料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)算全風(fēng)向角下測(cè)點(diǎn)的行人平均風(fēng)速超過平均風(fēng)速閾值的概率;通過比較測(cè)點(diǎn)超越概率與最大容許超越概率,來定量地評(píng)估城市街區(qū)的行人風(fēng)環(huán)境。超越閾值概率評(píng)估法通過概率的方法考慮了風(fēng)速的隨機(jī)特性,是目前最為準(zhǔn)確的評(píng)估方法。但是,由于該評(píng)估法需要結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料,且算法相對(duì)復(fù)雜,導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用受限。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明為解決現(xiàn)有風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法精度不足的問題,進(jìn)而提出一種基于風(fēng)洞試驗(yàn)的城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法。
本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明所述評(píng)估方法的具體步驟如下:
步驟一、對(duì)改進(jìn)的Irwin風(fēng)速探頭的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定;
步驟二、以典型的城市街區(qū)為研究對(duì)象,采用亞克力板或PVC板以一定縮尺比制作該街區(qū)附近所有建筑物和構(gòu)筑物的外形,并在街區(qū)行人高度處按一定間距設(shè)置改進(jìn)的Irwin風(fēng)速探頭,從而獲得風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)P停?/p>
步驟三、進(jìn)行風(fēng)環(huán)境試驗(yàn),獲得不同參數(shù)工況下城市街區(qū)模型的行人高度小時(shí)平均風(fēng)速Ui和陣風(fēng)風(fēng)速Ui,gust,其中陣風(fēng)風(fēng)速Ui,gust可由下式得到:
Ui,gust=Ui+g·σu (1)
公式(1)中,g表示峰值因子,通常取2.5;σu表示風(fēng)速均方根值;
步驟四、利用公式(2)和公式(3)確定各風(fēng)向角下城市街區(qū)行人高度的小時(shí)平均風(fēng)速Ui,site和陣風(fēng)風(fēng)速Ui,gust,site分別與10m高度的小時(shí)平均風(fēng)速U10,site的比值rM和rG:
公式(2)和公式(3)中Ur表示風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)中參考高度處的來流平均風(fēng)速,Zref表示城市街區(qū)參考高度,α表示指數(shù)律風(fēng)剖面的地面粗糙度指數(shù);
步驟五、基于風(fēng)速比rM和rG,將風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的小時(shí)平均風(fēng)速閾值Uthr轉(zhuǎn)換為城市街區(qū)10m高度處的小時(shí)平均風(fēng)速閾值Uthr,M或陣風(fēng)等效小時(shí)平均風(fēng)速閾值Uthr,GEM:
式中,Uthr是Lawson評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的小時(shí)平均風(fēng)速閾值;1.85表示將陣風(fēng)風(fēng)速Ui,gust等效為陣風(fēng)等效小時(shí)平均風(fēng)速Ui,GEM的轉(zhuǎn)換系數(shù),即:
Ui,gust=1.85UGEM (6);
步驟六、統(tǒng)計(jì)并分析擬評(píng)估城市街區(qū)的當(dāng)?shù)貧庀筚Y料,確定16個(gè)風(fēng)向角下良態(tài)風(fēng)的風(fēng)向頻率及風(fēng)速概率分布函數(shù);通常氣象資料包括10m高度處的小時(shí)平均風(fēng)速和平均風(fēng)向;θ風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速U超過風(fēng)速閾值Uthr,M或Uthr,GEM的概率為:
公式(7)和公式(8)中,θ=1,2,3,…,16,表示氣象學(xué)中常用的十六個(gè)風(fēng)向角編號(hào),風(fēng)向角間隔為22.5°;Aθ表示風(fēng)向角θ的風(fēng)向頻率;cθ和kθ分別表示風(fēng)向角θ時(shí)Weibull分布函數(shù)的尺度參數(shù)和形狀參數(shù);
步驟七、累加所有風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速U超過風(fēng)速閾值Uthr,M或Uthr,GEM的概率,即該閾值風(fēng)速的超越概率:
步驟八、基于全風(fēng)向角下的超越概率P(U>Uthr,M)或P(U>Uthr,GEM),并結(jié)合Lawson評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的最大容許超越概率Pmax,評(píng)估城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境的舒適性與安全性。
本發(fā)明的有益效果是:1、本發(fā)明通過結(jié)合城市街區(qū)行人高度的氣動(dòng)信息、當(dāng)?shù)貧庀筚Y料和具有一定保證率的風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等三方面,全方位、詳細(xì)地考慮了不同參數(shù)工況的城市街區(qū)類型、不同地區(qū)差異和不同行人活動(dòng)的影響,可實(shí)現(xiàn)對(duì)城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境的準(zhǔn)確定量評(píng)估;2、本發(fā)明的風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法,可為城市街區(qū)的布局設(shè)計(jì)及風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)提供依據(jù),避免行人通行時(shí)產(chǎn)生不舒適感或者發(fā)生危險(xiǎn)。
附圖說明
圖1是基于風(fēng)洞試驗(yàn)的城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估流程圖,圖2是Irwin風(fēng)速探頭整體結(jié)構(gòu)示意圖,圖3是Irwin風(fēng)速探頭標(biāo)定試驗(yàn)圖,圖4是Irwin風(fēng)速探頭標(biāo)定曲線示意圖,圖5是大連地區(qū)全年風(fēng)玫瑰圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式一:結(jié)合圖1至圖4說明本實(shí)施方式,本實(shí)施方式所述一種基于風(fēng)洞試驗(yàn)的城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法的具體步驟如下:
步驟一、對(duì)改進(jìn)的Irwin風(fēng)速探頭的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定;
步驟二、以典型的城市街區(qū)為研究對(duì)象,采用亞克力板或PVC板以一定縮尺比制作該街區(qū)附近所有建筑物和構(gòu)筑物的外形,并在街區(qū)行人高度處按一定間距設(shè)置改進(jìn)的Irwin風(fēng)速探頭,從而獲得風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)P停?/p>
步驟三、進(jìn)行風(fēng)環(huán)境試驗(yàn),獲得不同參數(shù)工況下城市街區(qū)模型的行人高度小時(shí)平均風(fēng)速Ui和陣風(fēng)風(fēng)速Ui,gust,其中陣風(fēng)風(fēng)速Ui,gust可由下式得到:
Ui,gust=Ui+g·σu (1)
公式(1)中,g表示峰值因子,通常取2.5;σu表示風(fēng)速均方根值;
步驟四、利用公式(2)和公式(3)確定各風(fēng)向角下城市街區(qū)行人高度的小時(shí)平均風(fēng)速Ui,site和陣風(fēng)風(fēng)速Ui,gust,site分別與10m高度的小時(shí)平均風(fēng)速U10,site的比值rM和rG:
公式(2)和公式(3)中Ur表示風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)中參考高度處的來流平均風(fēng)速,Zref表示城市街區(qū)參考高度,α表示指數(shù)律風(fēng)剖面的地面粗糙度指數(shù);
步驟五、基于風(fēng)速比rM和rG,將風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的小時(shí)平均風(fēng)速閾值Uthr轉(zhuǎn)換為城市街區(qū)10m高度處的小時(shí)平均風(fēng)速閾值UthrM或陣風(fēng)等效小時(shí)平均風(fēng)速閾值UthrGEM:
式中,Uthr是Lawson評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的小時(shí)平均風(fēng)速閾值;1.85表示將陣風(fēng)風(fēng)速Ui,gust等效為陣風(fēng)等效小時(shí)平均風(fēng)速Ui,GEM的轉(zhuǎn)換系數(shù),即:
Ui,gust=1.85UGEM (6);
步驟六、統(tǒng)計(jì)并分析擬評(píng)估城市街區(qū)的當(dāng)?shù)貧庀筚Y料,確定16個(gè)風(fēng)向角下良態(tài)風(fēng)的風(fēng)向頻率及風(fēng)速概率分布函數(shù);通常氣象資料包括10m高度處的小時(shí)平均風(fēng)速和平均風(fēng)向;θ風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速U超過風(fēng)速閾值Uthr,M或Uthr,GEM的概率為:
公式(7)和公式(8)中,θ=1,2,3,…,16,表示氣象學(xué)中常用的十六個(gè)風(fēng)向角編號(hào),風(fēng)向角間隔為22.5°;Aθ表示風(fēng)向角θ的風(fēng)向頻率;cθ和kθ分別表示風(fēng)向角θ時(shí)Weibull分布函數(shù)的尺度參數(shù)和形狀參數(shù);
步驟七、累加所有風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速U超過風(fēng)速閾值Uthr,M或Uthr,GEM的概率,即該閾值風(fēng)速的超越概率:
步驟八、基于全風(fēng)向角下的超越概率P(U>Uthr,M)或P(U>Uthr,GEM),并結(jié)合Lawson評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的最大容許超越概率Pmax,評(píng)估城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境的舒適性與安全性。
本實(shí)施方式中改進(jìn)的Irwin風(fēng)速探頭由一外徑為10mm、高為15mm的圓柱,并從中挖去一個(gè)直徑6mm、深10mm的小圓柱得到的,壓力孔K1通過一根10mm長(zhǎng)、1mm外徑的空心鋼管測(cè)量地面的壓力p1,壓力孔K2通過一根26.7mm長(zhǎng)、1mm外徑的空心鋼管測(cè)量行人高度H=6.7mm(假定風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)的長(zhǎng)度縮尺比為1/300,那么6.7mm對(duì)應(yīng)于實(shí)際的行人高度2m)處的壓力p2。
對(duì)于改進(jìn)的Irwin風(fēng)速探頭,壓力p1、p2與行人高度風(fēng)速U的關(guān)系可表示為:
公式(13)中,a和b分別為風(fēng)速探頭參數(shù),可通過皮托管或熱線風(fēng)速儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。
利用皮托管測(cè)量行人高度的平均風(fēng)速U,并采用最小二乘法擬合風(fēng)速U與壓力差之間的線性關(guān)系,如附圖4所示。表2是a和b的擬合結(jié)果。
表2探頭參數(shù)標(biāo)定結(jié)果
具體實(shí)施方式二:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式,本實(shí)施方式所述一種基于風(fēng)洞試驗(yàn)的城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法的步驟一中改進(jìn)的Irwin風(fēng)速探頭由一外徑為10mm、高為15mm的圓柱,并從中挖去一個(gè)直徑6mm、深10mm的小圓柱得到的。可通過測(cè)量地面的壓力p1和行人高度H=6.7mm處的壓力p2,來計(jì)算行人高度風(fēng)速U。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式三:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式,本實(shí)施方式所述一種基于風(fēng)洞試驗(yàn)的城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法的步驟二中改進(jìn)的Irwin風(fēng)速探頭的間距不小于40mm,以減小風(fēng)速探頭對(duì)流場(chǎng)的相互干擾;且試驗(yàn)風(fēng)速應(yīng)保持大于10m/s,以保證風(fēng)速探頭的測(cè)試精度;風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P涂刹捎脕喛肆Π寤騊VC板制作。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式四:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式,本實(shí)施方式所述一種基于風(fēng)洞試驗(yàn)的城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法的步驟三、步驟四、步驟五中城市街區(qū)行人高度的小時(shí)平均風(fēng)速Ui、小時(shí)平均風(fēng)速比值rM和小時(shí)平均風(fēng)速閾值Uthr,M對(duì)應(yīng)于城市街區(qū)的小時(shí)平均風(fēng)速氣動(dòng)信息;城市街區(qū)行人高度的陣風(fēng)風(fēng)速Ui,gust、陣風(fēng)風(fēng)速比值rG和陣風(fēng)等效小時(shí)平均風(fēng)速閾值Uthr,GEM對(duì)應(yīng)于城市街區(qū)的陣風(fēng)等效小時(shí)平均風(fēng)速氣動(dòng)信息;二者均可用于城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境的評(píng)估。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式五:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式,本實(shí)施方式所述一種基于風(fēng)洞試驗(yàn)的城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法的步驟六和步驟七中各風(fēng)向角下Weibull分布函數(shù)的參數(shù),包括風(fēng)向頻率Aθ、尺度參數(shù)cθ和形狀參數(shù)kθ,是由城市街區(qū)所在當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料統(tǒng)計(jì)分析得到的。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式六:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式,本實(shí)施方式所述一種基于風(fēng)洞試驗(yàn)的城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法的步驟五和步驟八中小時(shí)平均風(fēng)速閾值Uthr和最大容許超越概率Pmax均由Lawson評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)給出。該風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)行人的不同感受將風(fēng)環(huán)境評(píng)估分為舒適性評(píng)估和危險(xiǎn)性評(píng)估,同時(shí)又根據(jù)行人的不同活動(dòng)和不同評(píng)估場(chǎng)所進(jìn)行細(xì)分,對(duì)應(yīng)于不同的小時(shí)平均風(fēng)速閾值Uthr和最大容許超越概率Pmax。通過比較各測(cè)點(diǎn)的超越概率P(U>Uthr,M)或P(U>Uthr,GEM)與最大容許超越概率Pmax,實(shí)現(xiàn)對(duì)舒適性水平和危險(xiǎn)性水平的準(zhǔn)確定量評(píng)估。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。
實(shí)施例:
以大連地區(qū)為例,詳述氣象資料的統(tǒng)計(jì)分析方法。氣象資料通常包括10m高度處的小時(shí)平均風(fēng)速和平均風(fēng)向。氣象資料風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析是為了獲得良態(tài)風(fēng)風(fēng)速的概率分布函數(shù),用于計(jì)算各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速U超過城市街區(qū)風(fēng)速閾值Uthr,M或Uthr,GEM的概率,從而評(píng)估城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境的質(zhì)量。
Weibull雙參數(shù)分布是一種普遍認(rèn)可的良態(tài)風(fēng)極值風(fēng)速的概率分布模型,本發(fā)明即通過大連地區(qū)的氣象資料來擬合Weibull概率分布函數(shù)的參數(shù)。根據(jù)大連市氣象服務(wù)中心提供的大連地區(qū)2004年~2014年10m高度處逐小時(shí)平均風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)資料,共計(jì)有效樣本95981個(gè),經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析并換算得到16個(gè)風(fēng)向角的小時(shí)平均風(fēng)速、風(fēng)向頻率及Weibull分布參數(shù)值,如表3所示。附圖5給出了大連地區(qū)的全年風(fēng)玫瑰圖。
表3基于氣象資料的小時(shí)平均風(fēng)速和Weibull分布參數(shù)
由表3即可得到式(7)和式(8)中各風(fēng)向角下的風(fēng)向頻率Aθ、尺度參數(shù)cθ和形狀參數(shù)kθ。結(jié)合式(9)和式(10)和城市街區(qū)風(fēng)速閾值Uthr,M或Uthr,GEM,即可計(jì)算得到全風(fēng)向角下的超越概率P(U>Uthr,M)或P(U>Uthr,GEM);之后,通過比較超越概率P(U>Uthr,M)或P(U>Uthr,GEM)與最大容許超越概率Pmax,來評(píng)估城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境的舒適性與安全性。
以上所述,僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制,雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上,然而并非用以限定本發(fā)明,任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi),當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例,但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容,依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì),在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單的修改、等同替換與改進(jìn)等,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。