1. 空中の物体に風が吹き付けられると、風は4辺に分かれる

 風が吹くとビルの足もとに強い風、ビル風が発生しますが、その原因はなぜか?科学的にご説明しましょう。ここでは、物体に吹き付ける風がどうなるか、段階的にご説明します。

1. 空中に浮かんだ直方体の物体に風が吹き付けた場合(図-1)、つまり地面が無い場合です。空気の流れは直方体をよけるように、風上側の4辺をかすめて流れていきます。このとき上下左右ともほぼ対称な風の流れが生じています。
ビル風の発生原因はなぜか?物体に風が吹き付けると4方に流れていきます。

図-1 空中に浮かんだ直方体の周りの風の流れ

2. 直方体が地上にあれば地面で風が遮られて、地上付近の風速が増す。

 次にこの直方体が地上にあったら、この直方体周辺の風はどうなるでしょう。図-1で下側の辺に向かった風(青)は地面にさえぎられて地面付近で左右に分かれるしかありません。このため、風の流れは模式的に示すと図−2のように下側の辺に向かう流れ(青)は、地面に添って建物左右の辺を通過して行くため建物の足もとではやや風が強くなっています。建物の両側方(両脇)には、一般的にビル風の強い場所、風速増加域が発生しており、風の流れはこうした現象によるものです。
 実際の風の流れは風が一カ所に集中すると、その場所での抵抗が増して、流れが分散しますので、単純に図-2のようにはなりません。

実際の風の流れはもっと風上側から緩やかに向きを変えて建物側面を通過していきます。このため

建物風上側壁面のすぐそばで速い流れが観察されることはありません。

下図はあくまでもわかりやすい模式図としてご覧ください。

直方体に風が吹き付けて、もしこの直方体が地上にあったら、直方体周辺の風はどうなる。一部は地面にさえぎられて地面付近で左右に分かれ、結果として建物の足もとではやや風が集中するため強くなります。

図-2 地表面に建つ直方体の風の流れ

3. 上空では風速が速いので、高層ビルは大きな風のエネルギーを受ける

 さらに、ビル風の風速は建物の高さと相関が高いと言われています。なぜならビルに吹き付ける風は、図-3のように高さと正の相関がある(地上より上空の方が風速が速い)からです。一般に市街地の風は高さの0.2〜0.25乗に比例しており、地上1mでの高さの風速が1m/sあるとすると、高さ100mでは2.51〜3.16m/s程度であると考えられます。このため高層建築ほど受ける風のエネルギーは大きくなり、その結果、強いビル風を発生させるのです。
ビル風は建物の高さと相関が高く、一般に市街地の風は高さの0.2〜0.25乗に比例しており、地上1mでの高さの風速が1m/sあるとすると、高さ100mでは1.78m/s程度であると考えられます。このため高層建築ほど受ける風のエネルギーは大きくなり、その結果、強いビル風を発生させる。

図-3 高層建築に吹き付ける風の風速分布

4. ビルに風が当たると周辺より圧力の高い空気だまりが生じ、そこから風が吹き出す

 上記1、2ではビル風がビルの辺をかすめて流れていくと述べましたが、厳密に言いますと、風の速度はいつも一様に保っているわけではありません。実際、ビルの前面(風上側)はたいてい弱風帯となっており、風がよどんでいます。
 実は空気は圧縮性流体のため、風が吹き付けると建物の前面に圧力の高い空気の塊ができているのです。これは建物前面の圧力分布の解析結果からも確認できます。
 そしてこの空気の圧力は最も速い風速である上空の風が原動力となって、建物が高いほど圧力が高くなり、その結果高層ビルの足もとで強風が吹く結果となっているのです。このことから高層ビルほどビル風問題が大きいことが納得できます。

 もう一度整理しますと次の図-4のようになります。下記の@ABの

  1. ビルに風(上空は強い風)が吹き付ける。
  2. 風速が圧力に変換されて、気圧の高い空気の塊ができる。
  3. 建物の前面の3辺(左右の角、建物の軒)から風が吹きだす。
  4. 地上付近の左右の角では、(風速は大きくないにもかかわらず、圧力エネルギーで)強い風が吹きだす。

 これがビル風となって地上付近にいる人に感じられるということです。
ビル風現象は「ベルヌーイの定理」からも説明可能です。「圧力水頭,速度水頭の和は一定」なので、風速が低減し空気がよどんでいる建物風上側では圧力が高くなっています。この高い圧力の空気、すなわち建物風上側の角から強風が吹き出します。これがビル風です。

図-4 風が吹き付ける建物の前面にできる圧力の高い空気だまりが風を吹き出す

 この風速増加域は、地上部付近だけでなく、建物の上層階部分でも存在しています。マンションのバルコニーの強風が問題となるため実験やシミュレーションで確認することがあり、それらの結果は、図-4のような結果を示しています。

5. 「吹き下ろしの風」がすぐにビル風となるわけではありません。

 吹き下ろしの風がビル風の原因と思われている方が多いようですが、建物近傍で吹き下ろしの風が観察されるのは、建物の風上側の正面だけです。ここは前述の通り、弱風帯です。つまり

「吹き下ろしの風が勢いにのって、建物側方で急降下して、地上付近のビル風となる」わけではない。

あるいは

「ビルの近傍では、吹きおろし(鉛直方向下向き)の強い風が吹く」わけではない。

ということです。風洞実験で下図のような気流は観測されたことはありません。風洞実験、コンピュータシミュレーションのいずれの結果においても、風速増加域の風はほとんど水平に近い角度です。

ビル風=吹き下ろし と考えている方が多いようですが、全く誤りです。風洞実験、コンピュータシミュレーションのいずれの結果においても、ビル風の主体である風速増加域においては風の方向はほとんど水平に近い角度として観測されており、鉛直方向下向きの強い風は存在していません。

図-5 風が建物の近くで急降下してビル風となるわけではない

6. 建物周りの風速分布のコンピューターシミュレーション結果

 高さ45m(15階建て相当)のビルに到来する風の流れを次の動画でご覧ください。(図-6)
ここでわかることは次の通りです。

  1. 建物の風上側は風速が遅くなり、建物側方では風速が速くなっている。
  2. 建物の風上側の前面では風向は下向きか逆向きとなっており、風速はあまり速くはない。
  3. 建物側方では風向はほとんど水平にちかく、風速は速い。
  4. 建物側方で吹き下ろしの風は見られない。

ビル風のコンピューターシミュレーション結果より、高さ45m(15階建て相当)のビルに到来する風の流れは、建物の風上側は風速が遅くなり、建物側方では風速が速くなっており、建物側方では風向はほとんど水平かやや斜め下向きに近く、吹き下ろしの風は見られません。 ビル風の断面図を動画で見られます

図-6   15階建てビルに到来する風の流れ(クリックすると動画が見られます)

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