仿真科普｜驾驭风场，筑风为友：CAE风环境仿真技术驱动建筑可持续设计 原创

  随着城镇化进程加速和“双碳”目标推进，绿色建筑与宜居环境成为城市发展的核心议题。“十四五”规划明确提出“提升城市建设智慧化水平，发展智能建造”，对建筑能效与环境适应性提出了要求。^[1]在这一背景下，建筑风环境仿真技术正成为优化人居环境、保障建筑安全的关键支撑。CAE风环境仿真技术，通过高精度数值模拟还原真实风场与建筑的相互作用，为建筑可持续设计提供科学决策依据。

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  文件《建筑设计环境准则》明确要求建筑方案阶段需进行环境影响评估，涵盖风环境对行人安全、能耗、自然通风的影响分析，并需提出优化措施，同时强调节能设计，要求通过仿真优化建筑布局降低热岛效应，提升室外风舒适性。^[2]

“热岛效应” 图源网络

海南省《绿色建筑设计规程》文件，要求建筑群体布局长度超30米时，需设置通风过街楼，并应运用计算流体力学（CFD）手段对场地风环境进行模拟预测，完成模拟报告，据此完成规划设计。^[3] 

  可见，CAE风环境仿真技术可在设计阶段精准预测建筑群风场分布，为规划布局与结构安全提供科学依据。

  当传统风洞试验面临周期长、成本高的困境，建筑风环境仿真的优点在于：

（1）费用省、周期短、效率高；

（2）可方便探讨各种参数变化对结构性能的影响；

（3）基本不受结构尺度和构造的影响，可尽可能真实地模拟实际结构以及所处的环境，克服试验中难以满足雷诺数相似的困难；

（4）数值模拟的结果可利用丰富的可视化工具，提供风洞试验不便或无法提供的绕流流场信息。^[4]

01 建筑风环境仿真的关键技术

1.流体力学仿真

  计算流体动力学（CFD）技术通过求解控制流体运动的纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations），在计算机上对建筑物周围风流动所遵循的动力学方程进行数值模拟。^[5]在输入精确的地理环境模型、建筑设计模型（BIM）、边界层风速风向数据后，CFD可计算整个三维流场内所有点的关键物理量（压力、速度、湍流动能），输出建筑物表面的风压分布、区域内通风状况、行人高度的风速舒适度等关键设计参数。

  CFD揭示了风力如何与建筑形态产生交互的最基本物理图像，是风环境仿真的基石。

Ansys Fluent 模拟描绘了格拉斯哥建筑环境周围的风向和气流

2.流-固耦合仿真

  风不仅作用于建筑表面产生压力，更会引发结构振动（如高层建筑的摆动、幕墙的变形、桥梁的颤振）。流体力学仿真（CFD）仅能计算风力载荷，但要评估结构在这些时变载荷下的动态响应（应力、变形、稳定性、振动频率），则需要在CFD基础上耦合结构力学分析模块（如FEA有限元分析），这种多物理场仿真技术称之为流-固耦合仿真（FSI）。

  流-固耦合仿真（FSI）：计算流体域的流场压力实时作用于固体结构网格上，结构的变形或振动也反过来影响流体边界的形状及流动状况。

  即在CFD模拟风荷载的基础上，将荷载数据传递至结构力学求解器，计算建筑结构（尤其是柔性构件如幕墙、屋顶、索结构）的变形与振动响应；结构变形反过来又影响周围流场形态，形成双向反馈循环。这种闭环反馈对于准确分析风致结构变形、振动疲劳乃至极端风荷载下的结构安全性至关重要。^[6]

3.噪声仿真

  气流经过钝体如建筑物、桥塔、风电机组时，会产生显著的空气动力学噪声（气动噪声或风噪声）。此类噪声源于复杂的流动现象，尤其是湍流及其相互作用（涡脱落、撞击等）。准确预测该噪声涉及复杂的技术路径：需利用CFD计算得到的非稳态流场数据（速度、压力脉动），作为声学仿真的激励源。通过求解声波方程（如线性欧拉方程）或采用声类比方法（如FW-H方程），模拟由湍流边界层分离、旋涡脱落、气流冲击等引起的噪声产生与传播过程。

4.疲劳仿真

  建筑物在其全生命周期内会承受数万甚至数十万次风荷载循环作用。这种随机、往复、幅度变化的风致应力会对关键受力构件（如焊缝、螺栓节点、支撑结构）造成累积损伤，可能导致材料在远低于静力强度的应力水平下发生疲劳断裂。

  疲劳仿真就是在结构响应分析（特别是基于CFD模拟得到的载荷谱）基础上，引入材料的疲劳性能数据（S-N曲线或断裂力学模型），对关键部位进行疲劳寿命评估。^[7]

“建筑材料环境” 图源网络

02 CAE风环境仿真技术在建筑设计领域的应用

1.抗震与抗风分析

  通过计算流体动力学（CFD）和流-固耦合（FSI）仿真，精确模拟台风、强风作用下的建筑整体及局部（如幕墙、屋顶）风压分布与风致响应。识别风敏感区域（角区、女儿墙），优化结构布置与阻尼系统设计，提升抗风安全性。

Ansys Fluent 中的分析显示了格拉斯哥建筑物周围的风速

2.通风设计优化

  宏观尺度可针对建筑群体（街区、校园），微观尺度聚焦单体建筑布局，建立详细的CFD三维模型，输入当地气象数据。 结合不同风况（主风向、风向频率），精确模拟气流通过开窗或特定通风系统（如通风塔、双层幕墙风道）的路径与流量，评估通风效率、空气龄、污染物扩散路径。指导建筑形态与开窗策略设计、中庭设计、通风口布局、机械辅助通风系统配置，确保室内空气质量（IAQ）达标，尤其在人员密集场所（交通枢纽、医院）。^[8]

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3.疲劳与耐久性评估

  基于风荷载时程数据与材料S-N曲线（应力-寿命曲线），运用疲劳分析算法（如雨流计数法）预测建筑构件（螺栓、焊缝、玻璃夹具）在长期风荷载作用下的累积损伤与寿命，发现潜在的结构耐久性问题，并指导结构优化和运维方案制定，是实现结构长寿命与运营安全性的核心环节。

4.噪声控制优化

  预测建筑周边及内部风噪声分布，识别噪声源（如百叶、通风器）空间分布，及其在风环境下产生噪声的声压级大小，评估其对周边敏感区域（如住宅、医院、学校）的影响。指导选用低噪声构件、优化几何造型（如导流鳍片）、设置声屏障，有效降低室内外噪声污染，提升声环境舒适度。

03 神工坊^®应用案例

• 基于swOpenFOAM的智慧风场平台

  某风电整机领域的头部企业，为实现对风场风机发电量的实时精准评估，对风资源分析的分辨率提出了极高的要求，并需要开展大规模的仿真分析。然而，现有的硬件和软件资源无法满足现场高效运作的需求。

  基于SimForge™平台，该企业成功完成了仿真求解模块的高性能改造及部署，整体性能得到显著提升，提升了4.2倍。这一重要改进为风资源工程师提供了强大的支持，使他们能够顺利完成超过2000个风资源项目的设计和评估任务。

  此外，该企业还依托超算平台，自主研发了风功率预报系统——孔明。该系统已正式发布并推广，凭借其卓越的性能和实用性，已成为行业内的标杆应用。

  从保障结构安全、延长建筑寿命，到营造健康舒适环境、降低运营能耗，CAE建筑风环境仿真技术为建筑师与工程师提供了驾驭风场、实现“人-建筑-气候”和谐共生的科学手段。在“双碳”目标指引下，依托SimForge™高性能仿真云平台，让CAE仿真更高效地赋能绿色建筑规模化落地，提升宜居性与舒适度的同时，助力城市低碳转型。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. “十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划 [2022].[EB/OL].

[2] GB 50016-2023建筑设计环境准则[EB/OL].https://www.360docs.net/doc/214767590.html

[3] 海南省 绿色建筑设计规程（2023试行）.[EB/OL].https://www.renrendoc.com/paper/295523407.html

[4] 薛祖杰. 基于CFD的复杂超高层建筑双向流固耦合研究[D]. 重庆大学,2012. DOI:10.7666/d.y2152722.

[5] 赵彬,林波荣,李先庭,等. 建筑群风环境的数值模拟仿真优化设计[J]. 城市规划汇刊,2002(2):57-58,61. DOI:10.3969/j.issn.1000-3363.2002.02.015.

[6] Kareem, Ahsan. "Dynamic response of high-rise buildings to stochastic wind loads." Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 42.1-3 (1992): 1101-1112.

[7] 罗然. 疲劳损伤后Q460和Q690高强钢力学性能研究[D]. 西南科技大学,2022.

[8] Blocken B. Computational Fluid Dynamics for urban physics: Importance, scales, possibilities, limitations and ten tips and tricks towards accurate and reliable simulations. Building and Environment. 2015