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城市開發(fā)強度對通風環(huán)境的影響及風道識別——以武漢市為例

2020-06-02 08:37:46詹慶明
三峽大學學報(自然科學版) 2020年3期
關鍵詞:容積率柵格潛力

尹 杰 詹慶明

(1.三峽大學 土木與建筑學院, 湖北 宜昌 443002; 2.武漢大學 城市設計學院, 武漢 430072)

城市通風廊道是類似通道的通風路徑,在城市建成環(huán)境中利用空氣的流動特征,使城市外圍郊區(qū)新鮮潔凈的冷空氣通過通風路徑導入城市內部,同時城市污染的廢氣隨風稀釋排出.對于城市內部生態(tài)環(huán)境的循環(huán)有著良好的促進作用,尤其在炎熱的夏季,在城市中開辟通風廊道,降低空氣溫度.通暢的城市通風廊道有利于節(jié)能減排,能使城市居民的生活更舒適,減少城市居民因抵抗城市熱環(huán)境而產生的能耗活動.

城市風道研究的趨勢逐步向多源數據整合和多參數量化方向發(fā)展.利用多源數據如地理信息系統(tǒng)(GIS)數據、遙感影像的反演數據、WRF/urban微氣候模擬數據、CFD 數值模擬數據、氣象數據以及城市地形、用地、道路和建筑數據等進行模擬、分析和評價,為城市風道挖掘提供決策依據.國外學者主要針對多參數量化方面展開研究,阿道夫借助GIS 技術提出了一套被稱為形態(tài)學的方法,將復雜的城市建成環(huán)境形態(tài)抽象為形態(tài)指標參數,從而建立城市形態(tài)和風熱環(huán)境之間的量化關系[1-2].希西對城市形態(tài)指標進行了擴展,增加了形態(tài)指標的數量,并進行了圖層化,通過疊加分析建立形態(tài)指標與風壓、風速的關系,并有效提出了城市形態(tài)設計標準和優(yōu)化策略[3].

詹慶明以福州市區(qū)為例,建立了遙感反演(RS)、地理信息空間分析技術(GIS)和氣候學及生態(tài)學模型(WRF)綜合應用的研究方法,遙感反演可以識別出區(qū)域范圍內的風道作用空間和補償空間,對風道的背景環(huán)境進行功能劃區(qū),GIS的指標量化可以挖掘建成環(huán)境的通風路徑,并與WRF 氣象模擬分析出的通風路徑進行擬合,挖掘現有的通風廊道[4].城市風資源主要包括熱島環(huán)流和盛行風向,對不同的風源采用不同的挖掘方法,通過計算粗糙度長度和零平面位移高度可以挖掘熱島環(huán)流的通風路徑,計算迎風面積密度挖掘盛行風向的通風路徑[5].

1 建成環(huán)境開發(fā)強度對通風的影響

城市建成環(huán)境的空間形態(tài)指標包括建筑密度、容積率和建筑平均高度,同時也是城市開發(fā)強度規(guī)劃控制的指標,對開發(fā)強度指標的通風效能分析可以更好地被規(guī)劃師和建筑師理解,并應用到城市建設管理中.建筑作為三度空間(長度,寬度和高度)影響著城市的通風環(huán)境:建筑密度越大,建筑占地面積越大,空氣流動的空間就越小,風速受到阻礙而降低;容積率越高對風速的影響有兩種影響,一種是由于占地面積大而導致建筑面積增大,另一種是建筑高度增加而導致建筑面積變大,前者會降低空氣流速,后者在特殊情況下會增加風速,因為較高處風速較高的氣流會受到建筑阻擋而吹向地面,但同時也會形成一定范圍的風影區(qū);建筑高度較高表現為板式建筑和塔式建筑,前者會形成大范圍的風影區(qū),后者則相反.Kubota通過風洞實驗對多個街區(qū)地塊進行了試驗,將建筑模型放置于風場中,對不同建筑密度和容積率的建筑地塊的平均風速進行了相關性分析,發(fā)現建筑密度是影響地塊通風最重要的因素[6].

2 研究方法與思路

通過地理信息系統(tǒng)(GIS)將武漢市城市建筑環(huán)境抽象為二維柵格(柵格規(guī)模為100m×100m),通過劃分單元格,計算開發(fā)強度的形態(tài)指標參數,可以實現對整體建成環(huán)境的通風潛力評價,降低了仿真和模擬的成本,實現準確、實時和全覆蓋的通風潛力評估.通過計算流體力學(CFD)模擬各個通風單元的風場,并計算風速比、最高風速、平均風速和強風區(qū)面積比評價通風單元的通風效能.其中,風速比為近地層空氣流速與高層氣流流速比,可以揭示空氣經過城市時風速降低的程度;最高風速為通風單元內1.5m 高度的最高風速,氣流與建筑發(fā)生物理作用后,風速會增加;平均風速為通風單元內1.5m 高度的平均風速,作為通風單元的整體通風水平;強風區(qū)面積比為行人高度較高風速的占地面積與單元用地面積的比率.

首先,通風環(huán)境邊界條件分析是前期重要的準備工作,主要是風向和風速的頻率統(tǒng)計.旨在得到武漢市夏季主導風向,以夏季主導風向作為風道識別和通風潛力評價的初始邊界條件.其次,城市形態(tài)的CFD數值模擬分析是為分析城市開發(fā)強度對通風潛力影響的程度.使用Fluent空氣動力學專業(yè)軟件模擬城市室外風環(huán)境,該軟件模擬室外風環(huán)境具有較高的準確性,并將通風單元放置于相鄰8個單元的中心.通過平均風速、最大風速、強風區(qū)面積比和風速比等來描述各個范圍內通風環(huán)境的優(yōu)劣,依據開發(fā)強度與通風潛力指標的相關關系,運用皮爾遜相關系數法,計算指標對通風潛力貢獻程度的權重.最后,依據統(tǒng)計分析的權重,對建筑密度、容積率和平均高度柵格圖層進行加權相加,得到綜合的通風潛力評價圖,此圖作為風道識別的依據.

3 基于CFD的開發(fā)強度通風潛力分析

3.1 數據來源

研究的數據來源主要包括2010年建筑普查數據和2009~2010年氣象數據.采用CFD 數值模擬分析和GIS 空間分析相結合的方法對通風效能進行評價.CFD 數值模擬軟件包括Phoenics和Fluent軟件,課題選擇Fluent軟件,對案例城市中典型街區(qū)進行單元模擬,并通過ArcGIS量化街區(qū)單元的空間形態(tài)指標.

計算域中柵格數據以100m×100m 為單元格,柵格單元的面積規(guī)模為10000m2,在地理信息系統(tǒng)里面進行空間分析.柵格單元的容積率是指柵格單元的總建筑面積與柵格單元面積的比值,建筑密度是指柵格單元內建筑的占地面積與柵格單元面積的比值,平均建筑高度是指柵格單元內建筑高度的平均值,即柵格單元容積率除以建筑密度再乘以3m,從而實現對評價單位進行指標的量化分析.

在CFD 數值模擬中,模擬單元以300m×300m(包括該單元的相鄰單元),地塊數據以100m×100m為單元(300m×300m,取中間100m×100m 為研究對象)進行風場模擬,采用風速比(即柵格單元內部1.5m 高度的風速與背景風速的比值)、平均風速(柵格單元內部1.5m 高度所有風速節(jié)點的平均值)、最高風速(柵格單元內部1.5m 高度節(jié)點風速的最大值)和強風區(qū)面積比(柵格單元內部1m/s以上風速的覆蓋面積與柵格單元面積的比值),通風潛力采用4個指標綜合評價,相比單一指標能夠更加全面地評估通風的效能.

運用Matlab進行數理統(tǒng)計,通過空間分析、回歸分析和空間關聯性分析等分析方法,建立指標與通風潛力之間的量化關系.最后,通過GIS的疊加計算技術,綜合評價城市整體的通風潛力.以開發(fā)強度指標與通風效能的關聯程度為依據,從宏觀對整體城市范圍進行量化分級,以此作為風道挖掘的依據.

由于武漢市為“多中心組團”的空間結構,所以各個組團的容積率圍繞核心區(qū)呈現出同心圓模式的空間結構.建筑密度分布圖中(如圖1(b)所示),青山區(qū)東側建筑密度最高,且明顯高于武漢市主城區(qū)其他片區(qū),建筑密度最大值超過了80%,其次為漢口的硚口區(qū)、江漢區(qū)、江岸區(qū)的長江沿岸建筑密度也相對較高,洪山區(qū)的東湖周邊開發(fā)程度相對較弱.平均高度分布圖中(如圖1(a)所示),75m 以上的建筑主要集中在城市中心沿長江一帶,青山區(qū)和洪山區(qū)建筑平均高度較低.在容積率分布圖中(如圖1(c)所示),漢口城區(qū)的建設強度要高于武昌和漢陽城區(qū),青山區(qū)和洪山區(qū)容積率普遍偏低.總體看來,漢口城區(qū)的建筑密集程度要高于武昌和漢陽城區(qū),因此漢口的通風環(huán)境相對較差,應是城市通風廊道識別的主要區(qū)域.

圖1 武漢市主城區(qū)開發(fā)強度分布及行政區(qū)劃

3.2 通風邊界條件分析

統(tǒng)計武漢市氣候數據(包括2009年和2010年的武漢市風向數據),在夏季(6、7、8、9月份)風向頻率數據和全天風向頻率數據的基礎上,夏季武漢市的盛行風向為東南風、南風和西南風.其中,西南風的頻率要高于南風和東南風,選擇西南風作為夏季主導風向(如圖2所示),作為CFD 數值模擬、GIS通風潛力評價與風道識別的邊界條件.

圖2 夏季全天風向頻率

3.3 通風單元的CFD 數值模擬

篩選武漢市主城區(qū)12個通風單元,地塊單元大小為100m×100m,分別按照建筑密度、容積率和平均高度3個開發(fā)強度指標進行篩選,每個指標包括4個通風單元.其中,建筑密度包括20% ~30%、30%~40%、40%~50%和50%~60%四個分區(qū);容積率包括0.3~0.8、0.8~1.5、1.5~3.0和3.0~6.0四個分區(qū);平均高度包括3~18m、18~25m、25~50 m 和高于50m四個分區(qū).建筑密度(Building Density)、容積率(FloorArea Ratio)和平均高度(Building Average Height)三者之間存在著聯系,當容積率一定時,建筑密度越高,平均高度越低;當平均高度一定時,建筑密度越高,容積率越高;當建筑密度一定時,平均高度越高,容積率越高.通風單元風速模擬分布圖如圖3所示.

初始風向為西南風(距離正北225°),初始風速為5m/s.通風區(qū)域的規(guī)模為300m×300m(將通風單元周邊的柵格一并劃入模擬區(qū)域,其中周邊柵格的建筑布局形式為行列式),計算域中建筑迎風面至邊界的距離為地塊邊長的1.5倍,背風面至邊界的距離為邊長的3倍.網格的大小保持在計算域各個坐標軸線長度的0.05倍以內.其中,風速計高度為10m,氣象站地形因素參數為0.14,氣象站邊界層厚度為270m.

圖3 通風單元風速模擬分布圖

12案例形態(tài)指標與通風效能見表1.通風效能指標主要包括風速比、平均風速、最高風速和強風區(qū)面積比.風速比是選取柵格內1.5m 高度5個節(jié)點的風速平均值與背景風速的比.平均風速和最大風速的計算域為柵格內1.5m 高度的風場.強風區(qū)面積比是柵格單元1.5m 高的風場中風速超過1m/s的覆蓋面積與柵格單元總面積的比.

表1 12案例形態(tài)指標與通風效能

續(xù)表1 12案例形態(tài)指標與通風效能

為了比較各個方案的通風潛力與開發(fā)強度的相關關系,建筑密度對比采用0.2~0.6的4個區(qū)間方案;建筑高度對比采用3~50m 的4個區(qū)間方案;容積率對比采用0.3~6.0的4個區(qū)間方案.對比的開發(fā)強度指標逐漸提高,另外兩個開發(fā)強度指標保持一致.建筑密度與通風潛力的相關程度最高,其次為建筑平均高度,容積率相關程度不明顯.

3.4 基于因子分析的通風潛力與開發(fā)強度的關聯強度

統(tǒng)計分析通風潛力與開發(fā)強度相關性強度(如圖4所示)發(fā)現建筑密度與通風潛力總體呈現負相關,但是最高風速與建筑密度呈現弱正相關;容積率與通風潛力總體呈現負相關;建筑平均高度與通風潛力總體呈現正相關,但是最高風速與平均高度呈現弱負相關.可見,4個通風潛力評價指標與開發(fā)強度的相關性不一致,為了克服指標數量過多且指標間的相關性不一致的問題,提高分析結果的準確性和合理性,采用因子分析法對4個通風潛力評價指標進行降維,降維后的綜合得分值盡可能地保留了原始數據的信息,再利用降維后的綜合得分值與開發(fā)強度指標進行相關性分析,從而得到開發(fā)強度指標對通風潛力影響的程度和權重.

圖4 通風潛力與開發(fā)強度相關程度散點圖

選取公因子的標準是公因子特征值大于1或者公因子方差累積貢獻率大于80%,獲取2個公因子(F1和F2),且其累計方差貢獻率達到80.79%,以提取的各因子方差貢獻率占因子方差貢獻率之和的百分比作為權重,與各公因子得分進行加權求和,結果即為通風潛力綜合得分.得分越高,通風潛力越強,得分越低,通風潛力相對越弱.

利用SAS軟件得出因子得分系數矩陣,根據因子得分系數wij(見表2),乘以各個通風單元案例的通風潛力數值Xj(見表1,公式1),計算得到公因子得分F1和F2,以提取的各因子方差貢獻率占因子方差貢獻率之和的百分比作為權重(εi),與各公因子得分進行加權求和,結果即為通風潛力綜合得分(見表3,公式2).

表2 公因子得分系數矩陣

表3 公因子得分及綜合得分

利用皮爾遜相關系數方法計算開發(fā)強度指標(建筑密度、容積率、平均高度)與通風潛力綜合得分的相關強度,計算結果(如圖5所示)為:建筑密度與通風潛力綜合得分呈強負相關,相關系數為-0.8427,當建筑密度低于35%時,通風潛力綜合得分為正;容積率與通風潛力綜合得分呈弱正相關,相關系數為0.1661,當容積率超過1.5時,部分案例的通風潛力得分值為正;平均高度與通風潛力綜合得分呈強正相關,相關系數為0.6806,當建筑平均高度超過15m時,大部分案例的通風潛力綜合得分為正值.根據相關系數計算各個開發(fā)強度指標對通風潛力影響的權重,建筑密度權重占到50%,容積率和平均高度分別為10%和40%.

圖5 通風潛力綜合得分與開發(fā)強度相關程度散點圖

4 基于GIS的城市風道探測與識別

將武漢市主城區(qū)建成環(huán)境抽象為100m×100m的柵格單元,分別計算建筑密度、容積率和建筑平均高度3項指標,彌補了單因素評價的不足,實現對武漢市主城區(qū)的整體開發(fā)強度評價.基于CFD 數值模擬統(tǒng)計計算風速比、平均風速、最高風速和強風區(qū)面積比,通過因子分析和皮爾遜相關系數法統(tǒng)計開發(fā)強度指標與通風潛力變量之間的關聯強度.在此基礎上,將開發(fā)強度柵格圖層進行重分類并賦值,通過GIS柵格計算器,對3 項開發(fā)強度指標進行加權求和,計算得到通風潛力的綜合評價圖.

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