城市主城区立体模型的构建与风环境模拟以广州(2)

2.1 以40 m建筑间距作为风道宽度低限

对于平原型城市,建筑物之间的间距决定了风道的基本宽度。在进行风道识别时,注重建筑物之间的间距而不是道路的宽度,比道路路网在确定风道时更为科学准确。利用ArcGIS按一定单体建筑物间距要求,可聚合产生新的建筑单元,新聚合面形状接近自然边界,弥补了格网法建模边界过于机械的不足。

我国将城市道路分为快速路、主干路、次干路和支路,其中大城市快速路红线宽度在50—60 m之间,主干路40—55 m,次干路和支路则为30—50 m和15—30 m。由于40 m风道的下限宽度几乎包括了次干路以上的道路以及非建筑低地,覆盖面广。对于城市尺度风道的辨识,该风道宽度下限标准能突出主要矛盾,综合反映城市尺度风道的相互作用及其风道体系。

根据40 m的间距合并原则,相应地对整个模型面积低于1600 m2或长短轴低于40 m的图斑、空洞进行剔除。按容差40 m简化边界面,移除多余的弯曲(图1)。

2.2 以容积高度为建筑聚合单元高度赋值

在确定了平面概括单元后,高度的表达有多种方法。若将单元总面积作为总用地面积,得到的城市高度将远远低于实际建筑物高度。但若用建筑基地总面积,高度表达相对正常,这种方法已得到广泛地应用[21-25]。

本文先根据单体建筑提取所在地形的高程,高程累加建筑高度得到建筑的绝对高度,再通过40 m聚合面上各自然单元建筑基地面积的容积高度来表达高度。

式中,H、hi、Si、S′分别是区域内建筑物容积高度、第i栋建筑的高度、第i栋建筑的基地面积、建筑基底总面积。

2.3 垂向高度的提高

用40 m间距聚合后,经过删除与融合,共有 2145块建筑斑块。小比例尺模型建筑高度的概括必然产生模型的扁平化。格网或自然单元面积越大,扁平化越明显。在风洞模拟中,如要增大雷诺数,就得增强表面的粗糙度或对垂向比例进行放大。长期以来,适当地加高垂向比例即选择变形比例尺是通常的做法[26-36]。基于上述原理,本文不是简单地同比例拔高所有合并单元,而是利用格网法的特点,通过面积大小不同聚合单元的赋值,实现差异性拔高。具体方法是：在前面40 m的聚合面进行容高表达的基础上,再对≥7层的建筑按40 m间距进行合并并赋容积高度。由于高于7层(21 m)建筑的聚合面面积远小于所有建筑的合并,容高高度会有所提高。最后,为了突出高层建筑、标志性建筑对城市风场的影响,叠加突出显示超过100 m的单点建筑。

基于综合DEM数据,概括后的城市模型高度由基底为DEM形成的非建筑面和3个建筑高度面组成。利用40 m建筑间距,对所有单点建筑物聚合构成底层;对≥7层单点建筑物聚合构成中层;最后叠加超过100 m的高层建筑为高层。突出显示高层建筑、标志性建筑的方法在上海的模型概括中也得到了应用[37]。

2.4 构建建筑和地形综合的城市模型

使用ArcGIS平台中高级编辑(Advanced Editing)下的平滑和概括功能,大幅度减少不必要的节点,规则其平面形状、辅助进行拓扑错误检查。主建成区北部为300 m的白云山(最高海拔为382 m)、火炉山丘陵,中部以及西南部、西北部地形以平原为主,高差基本在30 m以内,东南部地形由海拔稍高的零散区域组成。宏观地形对城市风场的影响是城市尺度模型模拟中的重要方面,但鉴于计算机性能与CFD的限制,难以反映具有坡面的白云山复杂地形。本文通过5、20、40 m和20—320 m四个绝对高度以台阶形式对白云山进行简化。研究区域内,海拔高度在5 m以上的区域仍占主体,白云山部分只占约1/3。此外,利用3D Analyst Tools将DEM数据转换成等高线,对山体的简化只采用80 m的等高距,其他地形的简化则采用10 m的等高距。转换后的等高线若有不闭合,需要进行闭合操作。

模型简化与高度赋值均在ArcGIS平台中完成,该平台自带三维建模组块ArcScene可以较好显示广州市主建成区的立体形态,但输出格式有限且不能接入到网格划分软件ICEM CFD中,因此需要将模型导出为CAD格式在Rhino软件中进行三维建模。Rhino软件中无法识别高度属性,需要手动根据简化的城市平面形态进行拉伸。对计算后的容积率高度取整,并按不同的高度分别导出为CAD格式,构建完成建筑和地形综合的城市模型(图2)。

3 网格划分及边界条件的设置

3.1 计算域的构建

对于城市风环境计算域构建尚无统一的标准。COSTAction732(2007)建议计算域的厚度为6H(H为模型的最高高度),宽度应以模型两侧边界向外各延伸5H距离,入口一侧距离模型为5H,出口一侧距离模型为10H[38]。日本建筑设计科学院(AIJ)关于建筑风环境的指南中建议计算域的入口为3—5H,厚度为4H,两侧宽度为3—5H,出口5—7H[25]。本文在日本建筑设计科学院(AIJ)建议的基础上出口侧最终确定为10H,计算域两侧宽度均为5H,厚度采用4H,入口侧也为5H。

文章来源：《广州化工》 网址: http://www.gzhgzz.cn/qikandaodu/2021/0613/1551.html