早在“十三五規(guī)劃”期間，我國(guó)就從基礎(chǔ)設(shè)施、城市建筑、水資源、人群健康以及防災(zāi)減災(zāi)體系等方面制定了氣候適應(yīng)性規(guī)劃內(nèi)容，基于城市韌性建設(shè)新理念開展適應(yīng)性規(guī)劃行動(dòng)方案。我國(guó)幅員遼闊，并且各地氣候環(huán)境差異較大，如東南沿海地區(qū)城市建筑和基礎(chǔ)設(shè)施主要面臨著臺(tái)風(fēng)、暴雨內(nèi)澇以及風(fēng)暴潮等災(zāi)害影響。開展韌性城市建設(shè)困難多、難度大，需要多部門協(xié)同參與。

 

臺(tái)風(fēng)煙花登陸期間城市暴風(fēng)雨

 

 

為提高城市的災(zāi)害抵御和預(yù)防能力，國(guó)內(nèi)有研究基于當(dāng)前韌性城市建設(shè)實(shí)踐，總結(jié)出一套“監(jiān)測(cè)-預(yù)警-模擬”的氣候適應(yīng)性規(guī)劃技術(shù)體系，覆蓋了氣候韌性城市規(guī)劃的不同階段以及不同參與方，具體包括：1）利用先進(jìn)測(cè)量技術(shù)、大數(shù)據(jù)及人工智能識(shí)別技術(shù)對(duì)城市氣候進(jìn)行多維度監(jiān)測(cè)，搜集城市氣候基礎(chǔ)資料；2）基于歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，提供城市不同精細(xì)度的氣候?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息；3）采用多種城市氣候?yàn)?zāi)害評(píng)估技術(shù)，提前模擬甚至預(yù)測(cè)災(zāi)害侵襲城市的具體場(chǎng)景，為城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及應(yīng)急管理提供科學(xué)決策。

 

 

 

?01利用仿真軟件助力城市韌性評(píng)估

 

從城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)角度而言，基于前期搜集的氣象數(shù)據(jù)、城市GIS信息以及仿真軟件的技術(shù)，可以評(píng)估氣候變化給建筑帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)以及可能發(fā)生的災(zāi)害，為建筑設(shè)計(jì)階段、加固改造階段以及后期城市災(zāi)害應(yīng)急管理階段提供統(tǒng)計(jì)分析、可視化災(zāi)害情景分析等參考。針對(duì)臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的強(qiáng)風(fēng)、暴雨以及風(fēng)暴潮等氣象災(zāi)害，中南建筑設(shè)計(jì)院—達(dá)索系統(tǒng)賦能創(chuàng)新中心研究團(tuán)隊(duì)采用數(shù)字化仿真技術(shù)為建筑方案、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維提供項(xiàng)目全生命周期的解決方案，為氣候韌性城市評(píng)估及后續(xù)建設(shè)運(yùn)營(yíng)提供仿真技術(shù)基礎(chǔ)。

 

 

氣候變化背景下城市微氣候數(shù)字化分析

 

 

 

 

?02項(xiàng)目場(chǎng)地登陸臺(tái)風(fēng)災(zāi)害分析

 

以史為鑒，基于歷史臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)和臺(tái)風(fēng)災(zāi)害分析模型，助力氣候韌性建筑方案評(píng)估。針對(duì)沿海具體建筑項(xiàng)目場(chǎng)地，分析項(xiàng)目地址臺(tái)風(fēng)氣候，評(píng)估建筑方案可行性和合理性。根據(jù)中國(guó)氣象局公布的臺(tái)風(fēng)年鑒資料，開展項(xiàng)目場(chǎng)地臺(tái)風(fēng)氣候統(tǒng)計(jì)分析。如基于歷史臺(tái)風(fēng)路徑強(qiáng)度資料，統(tǒng)計(jì)出登陸城市的熱帶風(fēng)暴樣本數(shù)據(jù)并繪制路徑分布特征。

 

 

 

 

 

歷史實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)統(tǒng)計(jì)分析

 

根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)分析，可以總結(jié)出項(xiàng)目場(chǎng)地的臺(tái)風(fēng)統(tǒng)計(jì)災(zāi)害以及臺(tái)風(fēng)事件特征，如典型臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)軌跡、登陸臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)和強(qiáng)度等。結(jié)合已有建筑荷載規(guī)范、工程臺(tái)風(fēng)災(zāi)害模型以及氣象數(shù)字仿真技術(shù)可以充分評(píng)估項(xiàng)目場(chǎng)地臺(tái)風(fēng)災(zāi)害。

臺(tái)風(fēng)三維結(jié)構(gòu)示意

 

典型臺(tái)風(fēng)包括臺(tái)風(fēng)眼、螺旋風(fēng)雨區(qū)和外圍大風(fēng)區(qū)，其中臺(tái)風(fēng)眼外圍區(qū)域常伴隨著猛烈的暴風(fēng)雨。利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)多尺度模擬技術(shù)可以重現(xiàn)臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的風(fēng)速?gòu)?qiáng)度和風(fēng)向，評(píng)估登陸區(qū)域臺(tái)風(fēng)災(zāi)害。在未來，研發(fā)團(tuán)隊(duì)將采用新氣象氣候?qū)W技術(shù)評(píng)估一定重現(xiàn)期內(nèi)未來氣候變化對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸強(qiáng)度影響，在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段考慮未來建筑運(yùn)營(yíng)期間可能發(fā)生的“黑天鵝”氣候事件。

 

臺(tái)風(fēng)登陸風(fēng)場(chǎng)模擬

 

 

三維臺(tái)風(fēng)登陸全過程仿真

 

 

基于建立的熱帶風(fēng)暴統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，篩選出直接侵襲項(xiàng)目場(chǎng)地的歷史臺(tái)風(fēng)事件。利用三維建模三維臺(tái)風(fēng)仿真技術(shù)和自主開發(fā)的建筑數(shù)值風(fēng)洞批量模擬技術(shù)，快速分析不同臺(tái)風(fēng)風(fēng)向角下建筑表面風(fēng)壓分布情況，為建筑方案外形合理性評(píng)估以及多方案比選優(yōu)化提供參考依據(jù)。

 

不同風(fēng)向角下基于CFD的建筑方案比選分析

 

 

 

?03城市微氣候仿真評(píng)估技術(shù)

 

臺(tái)風(fēng)侵襲期間，城市建筑布局引起的峽谷效應(yīng)可能會(huì)改變既有建筑的風(fēng)壓分布，引發(fā)建筑結(jié)構(gòu)的安全性問題，甚至可能會(huì)引發(fā)城市通風(fēng)廊道的損壞，加重城市基礎(chǔ)設(shè)施的損毀。

 

 

城市三維快速建模工具

 

研究團(tuán)隊(duì)綜合利用公開城市GIS信息和無人機(jī)傾斜攝影獲得的實(shí)際地形和城市建筑點(diǎn)云信息，結(jié)合二次開發(fā)的建筑參數(shù)化腳本語(yǔ)言，開發(fā)城市三維快速建模工具和網(wǎng)格劃分輔助工具，能夠建立微氣候環(huán)境分析所需的城市建筑信息模型。

城市建筑快速三維建模

 

 

中南建筑設(shè)計(jì)院—達(dá)索系統(tǒng)賦能創(chuàng)新中心研究團(tuán)隊(duì)采用CFD城市設(shè)計(jì)分析手段，對(duì)城市街區(qū)尺度范圍風(fēng)環(huán)境進(jìn)行仿真分析，評(píng)估不同季節(jié)以及天氣條件下城市通風(fēng)廊道、街道風(fēng)環(huán)境以及擬建設(shè)項(xiàng)目受臺(tái)風(fēng)的影響程度。通過城市尺度-建筑場(chǎng)地尺度耦合分析，從不同精細(xì)度可視化建筑周圍風(fēng)環(huán)境分布，為建筑方案設(shè)計(jì)、城市氣候適應(yīng)性規(guī)劃與調(diào)節(jié)提供有力微氣候評(píng)估技術(shù)參考。

 

城市建筑群風(fēng)荷載快速評(píng)估

 

城市微氣候動(dòng)態(tài)評(píng)估

 

 

 

?04城市建筑暴雨災(zāi)害評(píng)估技術(shù)探索

 

疾風(fēng)來，驟雨落，臺(tái)風(fēng)登陸往往伴隨著強(qiáng)降雨。臺(tái)風(fēng)暴雨造成的洪澇災(zāi)害，波及范圍廣，來勢(shì)兇猛，破壞性大。洪澇災(zāi)害來臨時(shí)，建筑外部的圍護(hù)結(jié)構(gòu)容易被水流席卷而去，維護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響到人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。借助流固耦合分析技術(shù)，能夠分析在水流沖擊下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力安全性。

 

洪水沖擊下圍護(hù)結(jié)構(gòu)流固耦合彈性變形模擬

 

臺(tái)風(fēng)登陸還會(huì)引起沿海地區(qū)水位上升，形成沖向海岸的風(fēng)暴潮。采用CFD仿真手段，針對(duì)項(xiàng)目建筑場(chǎng)地開展臺(tái)風(fēng)氣象條件下潮水沖擊影響，模擬海浪侵襲海邊建筑的全過程。根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)建筑方案進(jìn)行優(yōu)化，減小海水倒灌以及風(fēng)暴潮對(duì)沿海建筑場(chǎng)地的影響。

潮水沖擊沿海建筑情景仿真分析

 

 

暴風(fēng)雨通常會(huì)影響城市建筑的正常使用功能和安全性，如造成建筑外立面局部風(fēng)化水蝕、外墻表面的鹽害和霜害以及內(nèi)墻表面的霉菌生長(zhǎng)造成的表面污染，從而影響建筑的美觀和溫濕性能，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致建筑屋面大量積水而發(fā)生局部破壞問題。采用項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)的城市級(jí)CFD暴雨模擬技術(shù)，可以評(píng)估不同降雨事件下風(fēng)驅(qū)雨導(dǎo)致的建筑外立面雨水沖刷量分布，從而為建筑溫濕性能評(píng)估、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及屋面優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

 

雨滴軌跡及建筑表面雨水沖刷量評(píng)估

 

 

 

體育場(chǎng)館屋面匯水過程動(dòng)態(tài)仿真分析

 

 

?05總結(jié)

 

CFD仿真探索疾風(fēng)驟雨，氣候韌性建設(shè)助力國(guó)泰民安。氣候頻發(fā)與城市高密度發(fā)展背景下，基于韌性城市建設(shè)新理念的建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)在未來智慧城市戰(zhàn)略推進(jìn)下將變得愈加重要。

 

 

研發(fā)團(tuán)隊(duì)將基于韌性設(shè)計(jì)新理念，持續(xù)探索氣候韌性城市建設(shè)關(guān)鍵前沿技術(shù)，深度融合現(xiàn)有工程技術(shù)與數(shù)字化設(shè)計(jì)仿真技術(shù)，不斷幫助客戶挖掘城市建筑價(jià)值。