随着城市化进程加快，人们在城市中的公共活动趋向于多元化、复杂化。经调研发现，展览建筑中庭院易产生强风区和静风区，前者的强气流在冬季或强风季易引发风险，后者在过渡季不利于污染物扩散，在夏季不利于散热^[1]。庭院是展览建筑中使用频率较高、人流量较密的区域，同时承载着室外展览、艺术集市、植物展示等多样功能。因此，庭院空间在展览建筑布局中至关重要。此类布局设计往往在符合消防规范前提下依赖建筑师经验，不论是技术指标还是环境优化都没有相关的指导。

因此，有必要通过对知名展览建筑的技术经济指标进行收集、归纳。将首层建筑面积和庭院面积的关系参数化，把“设计经验”转化为“数据经验”，并对多种展览建筑布局形式的庭院风环境进行分析，从建筑设计和风环境的视角出发探讨方案阶段的总图布局问题。

随着计算机模拟技术的快速发展，FLUENT、Phoenics等流体动力学软件因其较高的可靠性和较为全面的性能被广泛应用于风环境研究^[2]。2002年文献[3]提到“Phoenics软件经历过上千个算例的实验验证，能保证计算结果的准确性”。目前，风环境的研究主要表现为两种类型：第一种是基于简单模块(围合式、行列式等)的风环境特征研究^[4-5]; 第二种是偏向实际案例的风环境分析评价, 即结合某一案例，根据模拟结果提出优化方案^[6-7]。从方案设计阶段来看，前者覆盖面广、概括力强，对庭院风环境特点的剖析更到位，但由于其内容定性大于定量，评估缺乏准确性。后者具有较强的针对性，但由于研究评价重于设计指导，缺乏普遍的指导意义。基于此，从实际案例出发，归纳简单模块，利用计算机技术模拟演绎，能更有效地解决庭院风环境中的突出问题。

在中国的建筑热工设计分区中，以夏热冬冷地区的气候相对较复杂，因此对环境调控的需求也更加迫切^[8]。本文以夏热冬冷地区为例，探索不同庭院面积和布局下展览建筑首层面积与庭院风环境的关系，通过实践指导实践^[9-10]，这是风环境研究的重要方向。

1 研究数据与模拟条件的设定 1.1 数据视角下知名展览建筑案例的庭院尺寸

为了进行对比研究，本文在普利克奖得主作品、建筑网站(archdaily、gooood等)和建筑相关期刊中，选取48例国内外知名展览建筑作为研究对象(表 1)，其中建筑首层部分为灰白色区域，庭院部分为网格区域。

根据表 1所示首层建筑面积X和庭院面积Y，并利用Excel软件回归计算(图 1)，得出函数关系式为

$ Y=4 \times 10^{-5} X^{2}-0.1097 X+924.98 $

(1)

参考《MedCalc常用统计分析教程》所述：在回归方程中决定系数R²>0.3才有意义^[11]。本回归方程的R²=0.75，说明首层建筑面积和庭院面积存在相关性。此函数在展览建筑方案设计阶段具有较大的指导意义。

该非线性二次函数适用于首层建筑面积在0 m²到14 000 m²之间的展览建筑，当首层建筑面积在7 000 m²以下时，曲线两侧散点的离散度较低，该函数能较准确地表达首层建筑面积与庭院面积的相关性。基于该函数关系式，设定12组实验组进行风环境模拟，以探求不同体量展览建筑对庭院风环境的影响。

1.2 实验模型及尺寸设定

为满足夏季散热和冬季防风的要求，杭州地区公共建筑的庭院布局宜以南、西和东向为主^[12]。上述建筑案例可归纳为并列式、L型围合、U型围合、口型围合以及分段围合等5类典型布局，根据庭院位置不同，可衍生出14种平面形式(图 2)，其中白色部分为建筑，网格部分为庭院。

模拟中测点选择分为3类，第一类位于庭院角落，距离边界1 m位置的测点a、b、c、d，此类测点位于庭院空间的边界，风速易受布局形态影响；第二类测点i则位于庭院空间的几何中心，人流量较大；考虑第一类测点存在壁面边界层的影响，第三类测点选择中心i与庭院四角连线的中点e、f、g、h。对3类共9个测点综合分析，能客观反应庭院风环境状况。

从上述案例中发现，展览建筑的首层面积集中在2 000 m²至13 000 m²区间。因此，为进一步探讨首层面积和庭院面积与庭院风环境的相关性，将首层面积从2 000 m²至13 000 m²分为12组实验组，利用式(1)，输入首层建筑面积X_n，计算得出庭院面积Y_n(表 2)。

1.3 计算域与边界条件设定

据2020年杭州地区各展览馆官网数据统计显示(图 3)，受冬夏两季天气影响，杭州地区近年来室外展览活动集中在5、6月和10、11月，因此本文重点关注春秋季的庭院风环境。据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》^[13]，将风速、风向等设置如下：以杭州的春季平均风速(风向：SSW；风速：2.7 m/s)、秋季平均风速(风向：NNW；风速：2.65 m/s)作为气象条件。

在模拟条件下，建筑模型设定为4层，高度20 m，建筑间距满足消防规范。模拟区域的边缘距离建筑模型100 m^[14]；最小网格尺寸为1 m，背景网格尺寸为4 m^[15]；模拟采用k-ε湍流模型，收敛精度为0.000 1，迭代次数为6 000次，计算达到收敛即停止，此精度下，同一项目在进行多次实验以及缩小网格重复实验中，误差近0。

1.4 风环境评价标准的建立

现有的风环境评估方法中，风速比评估的评价指标较客观，是以某测点实际风速与无干扰状态下理想风速的比值大小来反映建筑物对风环境的影响程度，其计算公式为

$ R_{0}=\frac{V_{0}}{V} $

(2)

式中：R₀为风速比，V₀为实际风速，V为理想风速。

文献[16]的研究和GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》中提出：风速比介于0.5~2.0之间比较舒适。

然而在现有的评价标准仍存在风速标准无差异化等局限性^[17]。因此，在综合考虑室外观展空间特殊需求的基础上，参考人行高度的Beaufort指数^[18-19]中“风速>2.68 m/s时会产生锦旗飞舞、纸尘飞扬等现象”和“风速 < 0.3 m/s为静风区”^[15]，采用0.3 m/s~2.68 m/s作为适宜风速标准；庭院中风速变化的幅度过大会影响观展体验，甚至产生安全隐患。为满足展览建筑室外观展的需求，提出以下标准：

评价标准一：风速比。杭州市年平均风速为2.7 m/s，因此风速比介于0.11~0.99之间较适宜。

评价标准二：风速稳定性。测算庭院各测点风速的方差能够直观地得到风速的变化情况，从而反映该庭院各区域之间的风速变化是否稳定，其计算公式为

$ M=\frac{\left(V_{\mathrm{a}}-\bar{V}\right)^{2}+\left(V_{\mathrm{b}}-\bar{V}\right)^{2}+\cdots+\left(V_{i}-\bar{V}\right)^{2}}{n} $

(3)

式中：M为方差值，V_a，V_b，…，V_i为测点风速，V为测点风速的平均值，n为测点数量。当各测点方差值越小，则风速稳定性越好；反之，则风速的稳定性越差^[20]。

2 研究结果与分析 2.1 春季风影响下模拟结果分析

图 4为不同面积条件下，14种平面形式在春季风影响下室外人行高度(1.5 m)处风环境模拟结果，图 5为组1的可视化结果。统计分析每种方案的9个测点数据，以及适宜风环境区域的面积占比。

据图 4曲线可得，14种平面形式中大部分区域的风速比均在阈值以内，首层建筑面积的变化会对部分布局的风环境产生巨大影响。随着首层建筑面积的增大，并列式(南北庭院)、并列式(东西庭院)和L形围合(东南庭院)的适宜区域占比迅速下降，因此以上3种平面形式比较适合小体量的展览建筑。与之相反的是，口型围合随着首层建筑面积的增加，适宜风环境区域占比有明显的提升。

U型围合(东向庭院)、分段围合(西向庭院)、分段围合(东向庭院)的适宜风环境区域占比在99%左右，可提供理想的室外观展空间。对比其他U型围合布局可得：在春季风条件下，西向和南向庭院均存在静风区，不利于空气流通；而分段围合通过设置通风廊道在一定程度上解决了这个问题，但是要避免将开口置于主导风的来向一侧，否则仍会产生“狭管效应”，造成不利影响和安全隐患。

由于存在适宜风环境区域占比差异较小的情况，庭院风环境优劣还需对3类测点作进一步分析。

第一类是角落测点a、b、c、d，见图 6，两条红色虚直线分别表示风速比0.99和0.11的上下限阈值，4个测点的风速比均在阈值以内的是U型围合(西向庭院)和分段围合(东向庭院)，其边界风环境较适宜。

第二类是中心测点i，分析图 7可得，上述3类适宜风环境占比达99%的布局仅有分段围合(西向庭院)在阈值以内。并列式和L型围合的中心位置风环境良好，U型和口型围合均存在中心风速较低的问题，但分段围合的风速明显改善。

第三类测点是中心与四角连线的中点e、f、g、h，其风速比基本上在阈值以内，风环境较为适宜。

风速比在阈值以内的面积占比能够为庭院风环境评价提供重要参考，而测点风速的方差能够描绘该区域风速的变化情况，如春季庭院测点风速方差(图 8)所示，U型围合(东向庭院)和口型围合的测点风速方差值在0.3以下，风速变化较稳定；而L型围合(西南庭院)和并列式(东向庭院)的方差值较高，风速变化较大。说明在春季风作用下，上风向有遮挡的庭院风速变化更小，更适合进行观展活动。

针对方差曲线中某些曲线较复杂的问题，可以从各测点平均风速比及其方差中找到定性的规律。如表 3所示，U型围合(东向庭院)和口型围合的方差最小，风速变化最稳定；L型围合(西南庭院)、并列式(东向庭院)、分段围合(南向庭院)的方差较大，风速变化最大；其余布局的方差差距较小，且存在实际方差值因首层面积变化而改变的情况。

从模拟结果分析可以得出，在夏热冬冷地区春季风影响下，庭院布局中所产生的“狭管效应”会带来高风速区域，其中以南北庭院所产生的效果较显著，而东西庭院则能够起到改善作用；L型围合(东南庭院)在首层建筑面积>6 000 m²时，适宜区域面积占比减小，因此该种形式比较适合小体量的展览建筑。U型围合(东向庭院)、分段围合(西向庭院)、分段围合(东向庭院)的适宜风环境区域占比均达到99%。在进一步的测点分析中发现，分段围合(东向庭院)的四角测点在阈值以内，边界风环境较适宜，分段围合(西向庭院)其中心测点在阈值以内，人流最密集区域的风环境较适宜，而U型围合(东向庭院)的测点方差值均较小，能够提供较平稳的庭院风环境，有利于开展室外展陈活动。

2.2 秋季风影响下模拟结果分析

图 9为不同面积条件下，14种平面形式在秋季风影响下室外人行高度(1.5 m)处风环境模拟的结果，图 10为组1的可视化结果。统计分析每种方案的9个测点数据，以及适宜风环境区域的面积占比。(秋季的数据图表仅展示最重要的部分，结论以文字为主。)

在秋季风影响下，并列式(南北庭院) 仍表现出较不利的庭院风环境。当首层建筑面积小于7 000 m²时，并列式(东西庭院)的风环境较为舒适，随着面积增加，风环境质量逐渐下降。U型围合(东向庭院)、分段围合(西向庭院)、分段围合(东向庭院)适宜风环境区域占比基本稳定在99%左右，可以提供较理想的室外观展空间，该结论与春季的模拟结果相同。

对3类测点风速比图分析后发现，四角测点a、b、c、d的风环境在U型围合(西向庭院)和分段围合(东向庭院)中均为良好；中心测点i的风环境在并列式和L形围合的庭院中较为良好，在U型和口型围合的庭院中最差，在分段围合的庭院中有所改善；中心与四角连线的中点e、f、g、h均在阈值以内，风环境良好。

测点风速方差曲线呈现出更复杂的趋势(图 11)。秋季的方差值相较于春季更低，14种平面形式的庭院风速更加稳定。口型围合的测点风速方差值最低，风速变化最稳定；U型围合的东向庭院比南向庭院的方差值更小，风速变化更稳定。而并列式(东向庭院)和分段围合(南向庭院)的方差值较高，测点风速变化较大。

从模拟结果中可以得出，在夏热冬冷地区秋季风影响下，适宜风环境区域占比的分析结果与春季相同。在进一步的测点分析中发现，分段围合(东向庭院)的边界风环境较适宜，分段围合(西向庭院)中心区域的风环境较适宜，而U型围合(东向庭院)的测点方差值均较小，能够提供较平稳的庭院风环境，有利于开展室外展陈活动。

3 结论

本文通过适宜风环境的面积占比和测点风速的稳定性来评价建筑布局对庭院室外风环境的影响，为创作具备良好风环境的展览建筑提供设计参考。以夏热冬冷气候条件(以杭州为例)为依据进行风环境模拟，得出以下结论：

1) 国内外知名展览建筑共同反映出首层建筑面积与庭院面积存在非线性的一元二次函数关系，表达式为：Y=4×10^-5X²-0.109 7X+924.98, (R²=0.75)。该函数的适用于首层建筑面积在2 000 m²~13 000 m²之间的展览建筑，当首层建筑面积在7 000 m²以下时，该二次函数最能准确地表达首层建筑面积与庭院面积的相关性。

2) 在夏热冬冷地区春秋季的风速条件下，U型围合(东向庭院)、分段围合(西向庭院)、分段围合(东向庭院)的适宜风环境区域占比基本稳定在99%左右，可以提供较理想的室外观展空间。

3) 上述3种平面形式中，分段围合(东向庭院)的边界风环境较适宜；分段围合(西向庭院)中心区域的风环境较适宜；而U型围合(东向庭院)的测点方差值均较小，庭院整体风环境较平稳，最适宜开展观演、文娱等室外展陈活动。

4) 口型庭院的布局在展览建筑中较为常见，经模拟计算发现，其庭院整体风环境最平稳，但是边界容易产生静风区，不利于空气流通，因此可以通过体块打断、设置架空层等方式引入气流，营造更适宜的庭院风环境。

本文以首层建筑面积与庭院面积为切入点，主要研究对象为用地规模在10 000~20 000 m²之间的规则建筑形体，因为室外风环境较容易受到此类建筑群体的影响。目前尚未对复杂建筑形体、异形庭院空间、庭院数量和建筑架空层等其他影响因素进行具体的研究和探讨，这将是下一步研究的方向。