基于超越阈值概率的某城市行人风环境评估

基于超越阈值概率的某城市行人风环境评估

0建立健全的评估规范现在，行人的环境已成为一个必然的问题。许多国家和地区已经制定了适当的规范和立法来评估它们。东京地方政府颁布条例中规定行人风环境的评估方法主要有风速比法陈勇等1空气动力学特性基于超越阈值概率的行人风环境评估,需要当地气象资料、空气动力学特性以及风环境评估标准等。当地气象资料一般为建筑(群)所在地区的我国B类地貌10m高度处的风速风向资料。空气动力学特性包括建筑(群)和地貌相关的特征参数。建筑(群)相关的特征参数主要是指其周围的行人高度风速分布,可采用风环境试验或CFD数值模拟获得;地貌相关的特征参数涉及到如何将行人高度风速转换为拟评估建筑(群)当地的B类地貌10m高度处的平均风速。风环境评估标准建立了风速强度与行人的不同感受和行为活动之间的联系。根据不同的行为活动,给出相应的风速阈值和超越概率限值。1.1基本概念设计u图2中给出了基于超越阈值概率的行人风环境评估流程,主要包括以下步骤1)通过风环境试验或CFD数值模拟,获取各风向角下行人高度风速与当地10m高度平均风速的比值。对于千米级摩天大楼,其最不利风环境平台行人高度处的小时平均风速U通过式(1)、(2)分别计算当地小时平均风速U式中:U2)选取适宜的风环境评估标准,从而确定行人不同行为活动所对应的行人高度处的小时平均风速阈值U式中,常数1.85为阵风风速U3)统计并分析拟评估建筑(群)所在的当地气象资料,确定16个风向角下良态风的风向频率及风速概率分布函数。通常情况下,气象资料为B类地貌下10m高度处的小时平均风速和平均风向。风向角θ下各测点风速U式中:θ为1,2,3,…,16,表示气象学中常用的16个风向角编号,从0°到360°各风向角间隔为22.5°;A4)将16个风向角下的风速阈值超越概率P5)比较全风向角下的风速阈值超越概率与风环境评估标准中的风速阈值超越概率限值P1.2试验风向和风速模型均有一定的风对当地的风速风向气象资料进行统计分析,获得良态风的极值风速概率分布函数,并计算行人高度风速UWeibull双参数分布是一种普遍认可的良态风极值风速概率分布模型,利用大连地区的气象资料来拟合Weibull概率分布函数的参数A基于表1的风向频率,图3中给出了大连地区的全年风玫瑰图及其与千米级摩天大楼朝向的对应关系。由图可知,大连地区的年主导风向为北风,其次为西南风和南风。此外,图3中还给出了模型截面的尺寸标注及风速测点(1~18)的布置情况。需要说明的是,由于文献[8-9]中风环境试验和CFD数值模拟的风向角间隔为15°(图3),与气象资料的风向角间隔22.5°不同。因此,在计算风速阈值超越概率时,为考虑最不利风向角的影响,进行如下规定:当气象风向角与试验风向角相同时,直接采用该风向角下的行人高度风速分布来计算风速阈值超越概率;当二者不同时,将气象风向角下的行人高度风速取相邻两个试验风向角下的行人高度风速较大值。1.3行人风环境评估为评估行人风环境,首先需要建立风速强度与行人的感受之间的关系,即行人风环境评估标准。风环境评估标准主要考虑两方面:1)行人不同行为活动的舒适性,如坐、站立、行走时的舒适性风速阈值及其对应的超越概率限值;2)避免行人因风速较大而引起危险所要求的风速阈值及其超越概率限值。自20世纪70年代以来,学者们根据不同的试验数据统计分析结果,先后提出了多种风环境评估标准,诸如:Isyumov等陈勇等考虑到Lawson标准被应用较多,以及NEN8100标准作为国家标准的层面具有更为广泛的适用性,因此分别选取上述标准来评估千米级摩天大楼最不利风环境平台的行人风环境。表2中给出了上述两个标准针对行人的不同感受和不同行人活动对应的小时平均风速阈值及其超越概率限值。除表2中的小时平均风速阈值外,Lawson标准还可根据3s阵风风速来评估行人风环境,主要考虑了瞬时风速的影响。Lawson标准采用阵风等效平均的处理方法,将阵风风速除以一个转换系数得到阵风等效小时平均风速考虑到在正常使用状态下,千米级摩天大楼各塔楼之间的水平通行主要依靠连接平台的内部通道,而平台的室外通道则主要用于火灾或爆炸等紧急状态下的安全疏散。因此,室外平台对风舒适性的要求相对较低。为此,文中从普通行走、快速行走及风安全性方面评估室外平台的行人风环境。2风环境评估结果的分析2.1行人风舒适性和风安全性评估按照Lawson标准和NEN8100标准,得到了摩天大楼基准模型(3m高挡风板)最不利风环境平台上18个测点(图3)的舒适性评估结果,见图4,即普通行走和快速行走时超越概率及其与超越概率限值的比较。在Lawson标准中,普通行走和快速行走的风速阈值分别为8、10m/s,超越概率限值为5%;而NEN8100标准关于普通行走和快速行走的风速阈值均为5m/s,超越概率限值分别为10%、20%。由图4a可知,采用Lawson标准进行评估时,各测点的平均风速超过10m/s的概率主要集中在5%~10%附近,最大值达到19%,满足快速行走要求的区域约占最不利风环境平台面积的22%;风速超过8m/s的概率主要集中在20%附近,基本不满足普通行走的要求,行人风舒适性差。而采用NEN8100标准评估时,各测点的超越概率值普遍达到45%,远大于限值10%和20%,平台上所有区域都不满足普通行走和快速行走的要求,行人风舒适性很差。由图4b可知,基于阵风等效小时平均风速评估的各测点的超越概率均小于5%,满足快速行走的风舒适性要求(图中蓝线)。而少部分测点则不能满足普通行走的要求(图中红线)。对比图4a、4b的Lawson标准评估结果可知,基于小时平均风速的超越概率明显大于基于阵风等效小时平均风速的超越概率,说明平台行人高度处的湍流度较小,风环境主要由平均风速控制。摩天大楼基准模型最不利风环境平台的行人风安全性评估也分别采用上述两种评估标准,表3中给出了18个测点的风速阈值超越概率P与超越概率限值P由表3可知,基于小时平均风速的风安全性评估结果表明:室外平台出现因风速过大而导致行人发生危险的可能性较大。特别是采用NEN8100标准时,接近90%的区域不满足风安全性要求;当采用Lawson标准时,38.9%的平台区域超过风安全性的超越概率限值0.022%。测点1处的超越概率分别达到超越概率限值P上述评估中,均采用了NEN8100标准和Lawson标准。在相同的行人感受和行为活动中,两种标准得到了不同的评估结果。以下对这两种标准的严格程度进行定量比较,从而获得适用于千米级摩天大楼的风环境评估标准。不同行人感受和不同行为活动时两种风环境评估标准所得的评估结果见表4,表中数据为18个测点的风速阈值超越概率平均值(图4和表3)与超越概率限值P由表4可知,采用NEN8100标准评估时,超越概率平均值与P综上所述,虽然不同评估标准在评估风环境时存在严格与宽松之分,但千米级摩天大楼的行人风舒适性与风安全性的评估结果均表明,室外平台的行人风环境较差。因此,有必要采取一些措施以改善行人风环境。2.2超越概率和风环境采用Lawson标准,分别从舒适性水平和安全性水平定量评估了不同气动措施(5m挡风板、5m挡风板+1m导流板、5m挡风板+1m抑流板等,具体见文献[8])对摩天大楼行人风环境的改善效果。图5~8中分别给出了不同风环境改善措施模型的小时平均风速和阵风等效小时平均风速的评估结果,及其与基准模型(3m挡风板)的比较。图中虚线为Lawson标准的超越概率限值P由图5可知,不同工况下大部分测点均不满足普通行走要求。总体上,采用不同的气动措施可将基准模型所有测点的小时平均风速超过8m/s的概率平均值从17%降低至12%,对舒适性水平稍有改善,但还远未达到P从图6基于阵风等效小时平均风速的评估结果可以看出,除测点1外,不同的风环境改善措施模型的阵风等效小时平均风速超过8m/s的概率均小于5%,基本满足普通行走要求。而由图8可知,各模型均满足快速行走要求。在Lawson标准中,当小时平均风速或阵风等效小时平均风速超过20m/s的概率小于0.022%时,即满足风安全性要求。不同工况下各测点的风安全性超越概率分别见图9、10。由图9可知,与基准模型相比,所有气动措施均使行人高度处的小时平均风速超过20m/s的概率明显降低。18个测点的超越概率最大值由0.37%降低至0.17%~0.22%,降幅超过42%,风环境显著改善。除测点1、3、7、13外,其余测点的风速阈值超越概率均小于0.022%,即平台大部分区域都满足风安全性要求。由图10可知,不同改善措施下阵风等效小时平均风速超过20m/s的概率均小于0.022%,尤其是5m挡风板和5m挡风板+1m抑流板的风速阈值超越概率均接近0。3室外平台的“危险”水平基于上述对18个测点的行人风环境评估结果,采用Kriging插值方法获得基准模型及不同风环境改善措施模型的最不利风环境平台(具体见文献[9])上的行人风舒适性与风安全性的实用分区,如图11所示。图中,“普通行走”水平、“快速行走”水平分别是指满足Lawson标准行人风环境要求;“安全”水平是指该区域的风环境不满足舒适性要求,但行人不会因风速过大而出现安全隐患;“危险”水平是指该区域的风环境不满足Lawson标准的“安全性水平”要求,应考虑采用辅助措施以改善行人风环境。图11为室外平台各区域行人高度处的风环境分区,可以看出,增加挡风板高度、增设导流板或抑流板等措施均能有效增大室外平台满足快速行走要求的区域面积,但是基本不能满足普通行走要求,因此上述气动措施虽一定程度上改善了风舒适性水平,但效果有限。基准模型室外平台的绝大部分区域均不能满足风舒适性水平,且较多区域处于“危险”水平。采用不同的气动措施后,平台上的“安全”水平有效改善。“危险”区域逐渐转变为“安全”或“快速行走”区域,其面积大为减小,即平台上更多的区域能满足紧急状态下安全疏散的使用要求。对于室外平台上的“危险”区域,考虑到本文气动措施的局限性,可在以后的研究中采用双层挡风板或遮风板+挡风板等措施来改善平台行人风环境。除上述气动措施外,还可以采取一些辅助措施,如适当种植树木以降低行人高度处风速和湍流强度,达到改善行人风环境的目的。4室外平台的功能要求1)与Lawson标准相比,采用NEN8100标准所得到的风速阈值超越概率与超越概率限值的比值更大,即对风环境要求更严格。考虑到千米级摩天大楼室外平台的使用功能要求,推荐采