胡 春,王 薇，朱珍英

(安徽建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，安徽 合肥 230022)

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，城市高密度住區(qū)日益增多，隨之產(chǎn)生的風(fēng)環(huán)境問題也日益突出：高層建筑造成大面積的風(fēng)影區(qū)，影響了下風(fēng)向建筑與室外環(huán)境的舒適度；氣流在高層建筑上部受阻后轉(zhuǎn)而下行，與近地面處氣流交匯，產(chǎn)生渦旋等復(fù)雜情況，不利于冬季污染物的擴(kuò)散，也妨礙了夏季的散熱；群體布局在外部環(huán)境中形成的狹管效應(yīng)，致使風(fēng)速過強(qiáng)，對(duì)居民的戶外活動(dòng)造成了危害。目前，居住區(qū)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)中仍僅以日照、綠化作為方案評(píng)價(jià)的指標(biāo)，缺乏對(duì)風(fēng)環(huán)境要素的定量計(jì)算。在追求住區(qū)氣候宜居性的背景下，如何提升住區(qū)的通風(fēng)效能和改善住區(qū)通風(fēng)環(huán)境，應(yīng)該成為建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)者關(guān)注的問題。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對(duì)住區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了大量的研究，主要有兩種類型：一是對(duì)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行模擬分析。比如，曹象明等[1]以西安市曲江新區(qū)為例，分析了風(fēng)環(huán)境與住區(qū)空間形態(tài)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性；錢義等[2]通過計(jì)算機(jī)模擬，研究武漢市某小區(qū)的建筑布局與風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系；張春靈等[3]運(yùn)用Airpak軟件，模擬并比較了兩個(gè)方案的風(fēng)環(huán)境效能，總結(jié)出布局方式和單體形態(tài)對(duì)風(fēng)環(huán)境的作用效應(yīng)。另一是對(duì)住區(qū)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行比較研究。例如，楊麗等[4]利用CFD技術(shù)模擬了四種居住區(qū)布局方式與風(fēng)環(huán)境的關(guān)系，并對(duì)入射角度不同的工況進(jìn)行了比較，總結(jié)出布局方式與風(fēng)環(huán)境的一般規(guī)律；胡一東等[5]基于上海的氣象數(shù)據(jù)，利用CFD軟件模擬不同布局形式的住區(qū)模型，分析各季節(jié)多種布局的通風(fēng)性能；葉宗強(qiáng)等[6]對(duì)西安住區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)調(diào)查，提取典型模式進(jìn)行風(fēng)環(huán)境的模擬評(píng)估，歸納總結(jié)出大型住區(qū)的規(guī)劃策略。從研究?jī)?nèi)容來看，以上研究準(zhǔn)確分析了住區(qū)布局的風(fēng)環(huán)境特點(diǎn)，但定性評(píng)價(jià)居多，量化分析內(nèi)容較少。本文采用數(shù)值模擬的方法，以合肥市某高層住區(qū)的兩套規(guī)劃方案為研究對(duì)象，針對(duì)夏季和冬季在1.5 m人行高度處的風(fēng)環(huán)境，進(jìn)行定量的比較分析，繼而從風(fēng)環(huán)境視角指導(dǎo)建筑布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 研究對(duì)象概述

本文選取合肥市政務(wù)區(qū)某住宅小區(qū)，東臨合作化南路，南向城市干道環(huán)湖北路，北接天鵝湖路。居住區(qū)地塊規(guī)整，占地約53 000 m2，容積率控制在3.2，東西向長約198 m，南北向長約210 m。

前期完成兩套規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，均為行列錯(cuò)落式，布局規(guī)整、有序。其中，方案A的布局如圖1所示，住區(qū)北部入口處為三層高沿街商鋪，板式拼接的兩棟33層住宅分立其兩端，兩棟33層點(diǎn)式高層毗鄰立于商鋪之南，又兩棟33層高層對(duì)稱布置于住區(qū)中部東西兩側(cè)，板式拼接的兩棟32層與一棟24層住宅并排布置。方案A的布局方式在住區(qū)中心形成了較大面積的廣場(chǎng)空間，有利于居民的戶外活動(dòng)；但南側(cè)的開敞度小，不利于將通風(fēng)和日照引入住區(qū)內(nèi)部。

方案B的總平面如圖2所示。在保證容積率的情況下，對(duì)方案A 的規(guī)劃布局進(jìn)行調(diào)整。取消南側(cè)中部的24層板式拼接住宅，以一棟3層的公共建筑取代，同時(shí)將正對(duì)小區(qū)主入口的兩棟點(diǎn)式高層連接，另兩棟點(diǎn)式高層各增加一棟改為板式拼接住宅。方案B的中心廣場(chǎng)面積較之方案A有所減少，但南向開敞。

合肥市近期建設(shè)的高層居住區(qū)多采用錯(cuò)列式布局，方案A和方案B是其中較為典型的兩種模式，基于典型性和差異性的原則，本文選擇規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中的這兩套方案進(jìn)行CFD軟件模擬，探討不同組合模式的風(fēng)環(huán)境特征，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 方案A總平面圖Fig.1 The general planning of scheme A

圖2 方案B總平面圖Fig.2 The general planning of scheme B

2 風(fēng)環(huán)境模型的構(gòu)建

根據(jù)合肥市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)編制的《合肥市民用建筑綠色設(shè)計(jì)方案編制深度規(guī)定》，選取CFD的Airpak軟件進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬，Airpak軟件是面向暖通空調(diào)、建筑等領(lǐng)域的人工環(huán)境系統(tǒng)分析軟件，可以精確地模擬所研究對(duì)象內(nèi)的空氣流動(dòng)、傳熱和污染等物理現(xiàn)象[7]。

在CFD模擬計(jì)算中，建筑周圍的空氣流動(dòng)一般屬于不可壓縮、低速湍流流場(chǎng)，采用RNGk-ε模型作為計(jì)算模型，該模型在鈍體繞流的拐角區(qū)域偏大，但整個(gè)計(jì)算區(qū)域的風(fēng)速比值分布及背風(fēng)負(fù)壓區(qū)域的計(jì)算值與試驗(yàn)值較接近[8]。根據(jù)合肥氣象條件，夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)檎巷L(fēng)，風(fēng)速為2.9 m/s；冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)檎龞|北風(fēng)，風(fēng)速大小為2.39 m/s，以此作為計(jì)算域邊界處風(fēng)向和風(fēng)速。計(jì)算域的尺寸對(duì)于模擬結(jié)果有重要影響，將來流方向和垂直方向設(shè)置為建筑物高度的4倍，出流方向?yàn)榻ㄖ锔叨鹊?倍，并將模擬對(duì)象各方向100 m寬度范圍內(nèi)的周邊建筑納入計(jì)算域內(nèi)。Airpak軟件能夠根據(jù)用戶設(shè)置自動(dòng)劃分網(wǎng)格，選取六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)建筑周邊活動(dòng)區(qū)域進(jìn)行加密。

3 模擬結(jié)果與分析

合肥地處夏熱冬冷地區(qū)，冬季寒冷、夏季炎熱的特點(diǎn)十分突出。夏熱冬冷氣候區(qū)在夏季，需要通過建筑自然通風(fēng)的有效組織，在不使用空調(diào)的狀況下滿足人的舒適性標(biāo)準(zhǔn)，減小不可再生資源的消耗；冬季，在滿足適當(dāng)?shù)膿Q氣量條件下，應(yīng)采取合適的避風(fēng)措施減少建筑能耗[9]。下面通過風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬，針對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析以選擇出最佳方案。

3.1 夏季情況

運(yùn)用Airpak軟件對(duì)兩個(gè)方案的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，得到夏季小區(qū)1.5 m人行高度處風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果如圖所示(圖3—圖5)。

從兩個(gè)方案風(fēng)速云圖(圖3)和矢量圖(圖4)的模擬結(jié)果來看：A、B兩個(gè)方案在1.5 m高度處的最大風(fēng)速分別為4.3 m/s和4.2 m/s，其中較高風(fēng)速區(qū)域，基本位于迎風(fēng)面第一排建筑之間的峽口處和角部。然而兩個(gè)方案中低風(fēng)速區(qū)的空間分布有著顯著的差異，方案A中各高層建筑的背風(fēng)面均出現(xiàn)較大面積的渦旋或無風(fēng)區(qū)，下風(fēng)向的四棟高層完全處于風(fēng)影區(qū)內(nèi)，降低了夏季居民對(duì)外部空間的使用率；而北端臨街建筑的風(fēng)影區(qū)連接成片，對(duì)城市街區(qū)的風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生極大的影響。B方案在A方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了建筑布局的調(diào)整，戶外活動(dòng)區(qū)域的渦旋和無風(fēng)區(qū)驟減，且具有均好性，整體風(fēng)環(huán)境明顯優(yōu)越于方案A。

圖3 方案A、B夏季1.5 m高度處風(fēng)速矢量圖Fig.3 The vectors of wind velocity graphics at the height of 1.5 m in summer for scheme A and B

圖4 方案A、B夏季1.5 m高度處風(fēng)速云圖Fig.4 The contours of wind velocity graphics at the height of 1.5 m in summer for scheme A and B

從風(fēng)壓云圖(圖5)的模擬結(jié)果來看，A、B兩個(gè)方案均能滿足《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[10]中50%以上可開啟外窗，室內(nèi)外風(fēng)壓差大于0.5 Pa的要求。比較兩個(gè)方案，迎風(fēng)面和背風(fēng)面壓差值較大的區(qū)域均位于迎風(fēng)面第一排建筑；在A方案中，北部的四棟高層處于風(fēng)影區(qū)內(nèi)，又因排布較為密集，使氣流運(yùn)動(dòng)受阻，部分戶型的前后風(fēng)壓變化微弱；B方案僅少數(shù)戶型壓差值小，套數(shù)明顯少于A方案，更有利于夏季室內(nèi)的自然通風(fēng)。

表1是夏季A、B兩個(gè)方案中各風(fēng)速區(qū)的面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過面積數(shù)據(jù)比較可以看出，方案A無風(fēng)區(qū)(<0.5 m/s)的面積是方案B的4倍，低風(fēng)速區(qū)(0.5～1.0 m/s)的面積達(dá)6 540 m2，約為B方案的3倍；方案B在1.5 m/s以上各風(fēng)速區(qū)的面積是A方案的3～6倍。兩個(gè)方案產(chǎn)生懸殊差異的原因在于：A方案南側(cè)三棟高層并列布置，加大了建筑對(duì)氣流的阻擋作用，導(dǎo)致建筑背風(fēng)向的低風(fēng)速區(qū)面積較大；而B方案經(jīng)過建筑布局調(diào)整，在迎風(fēng)界面處構(gòu)建了一段線性的開敞空間，成為夏季氣流運(yùn)行的通道，即通風(fēng)廊道，充分改善了住區(qū)內(nèi)部的通風(fēng)效果。將居住區(qū)與建筑的主要開口設(shè)于迎風(fēng)面，并且在迎風(fēng)口處布置點(diǎn)式建筑，或利用建筑間距形成迎風(fēng)道，這樣能夠很好地將外部的新鮮空氣最大化地導(dǎo)入居住區(qū)內(nèi)[11]。

3.2 冬季情況

運(yùn)用Airpak軟件對(duì)兩個(gè)方案的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，得到冬季小區(qū)1.5 m人行高度處風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果如圖所示(圖6—圖8)。

通過A、B兩個(gè)方案冬季在1.5 m高度處的風(fēng)速矢量圖(圖6)可以看出，A、B兩個(gè)方案都存在有不同面積大小的渦旋和無風(fēng)區(qū)。渦旋對(duì)住區(qū)風(fēng)環(huán)境十分不利，一方面，它會(huì)卷起塵土；另一方面，不利于空氣污染物的擴(kuò)散，尤其是近年來合肥地區(qū)霧霾十分嚴(yán)重，有害物質(zhì)在住區(qū)內(nèi)部大量堆積，會(huì)對(duì)居民的生活和身體健康造成極大影響。

根據(jù)風(fēng)速云圖(圖7)，兩個(gè)方案的最大風(fēng)速都是位于住區(qū)中部的峽口處和角部；方案A的最大風(fēng)速為3.5 m/s，風(fēng)速放大系數(shù)為1.5；方案B為3.2 m/s，風(fēng)速放大系數(shù)為1.1，均滿足《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[10]中的要求。由于建筑布局的差異，方案B中板式高層形成的風(fēng)影區(qū)面積明顯大于A方案，而在冬季，風(fēng)影區(qū)是適合居民進(jìn)行戶外活動(dòng)的場(chǎng)所。

冬季，門窗洞口的冷風(fēng)滲透是建筑能耗增加的主要原因，而冷風(fēng)滲透則是由于室內(nèi)外空氣存在壓力差所導(dǎo)致。分析冬季1.5 m高度處的風(fēng)壓云圖(圖8)，兩個(gè)方案的最大風(fēng)壓差值都是位于迎風(fēng)面第一排建筑表面，壓差值達(dá)10 Pa以上，后排建筑的壓差值都在5 Pa以下，均滿足《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[10]中的要求。與方案A相比，方案B的壓差值較小，更有利于冬季的防風(fēng)。

圖5 方案A、B夏季1.5 m高度處風(fēng)壓云圖Fig.5 The contours of wind pressure graphics at the height of 1.5 m in summer for scheme A and B

表1 夏季A、B方案各風(fēng)速區(qū)面積統(tǒng)計(jì) (單位：m2)

Tab.1 The wind velocity area statistics in summer for scheme A and B

方案風(fēng)速/(m·S-1)v<0.50.5≤v<11≤v<1.51.5≤v<22≤v<2.52.5≤v<33≤v<3.5v≥3.5A2 955.66 540.43 949.4961.9708.9438.2337.1221.4B735.12 022.52 003.71 956.93 583.22 786.71 659.5977.5

圖7 方案A、B冬季1.5 m高度處風(fēng)速云圖Fig.7 The contours of wind velocity graphics at the height of 1.5 m in winter for scheme A and B

圖8 方案A、B冬季1.5 m高度處風(fēng)壓云圖Fig.8 The contours of wind pressure graphics at the height of 1.5 m in winter for scheme A and B

表2是冬季A、B兩個(gè)方案中各風(fēng)速區(qū)的面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過面積數(shù)據(jù)比較可以看出，方案B在低風(fēng)速區(qū)段面積與方案A相差不大，在1.5～2 m/s風(fēng)速區(qū)面積較大，在2.5～3 m/s風(fēng)速區(qū)段面積遠(yuǎn)小于A方案。究其原因，方案A在迎風(fēng)界面處的空間布局通透開敞，不利于冬季的防風(fēng)；而方案B雖因狹管效應(yīng)產(chǎn)生局地強(qiáng)風(fēng)，但合理利用風(fēng)影區(qū)，在冬季能夠?yàn)榫用裉峁┦孢m的戶外活動(dòng)場(chǎng)所。

表2 冬季A、B方案各風(fēng)速區(qū)面積統(tǒng)計(jì) (單位：m2)

4 結(jié)論

1)在方案選擇方面：基于優(yōu)化風(fēng)環(huán)境的目的，建議選擇方案B。從夏冬兩季的模擬結(jié)果來看，方案B的整體風(fēng)環(huán)境優(yōu)于方案A。B方案中存在的問題，可以通過綠化來加以改善。為避免冬季風(fēng)速過高，在住區(qū)的東北向界面處，選擇種植樹冠寬大、成片的高大喬木來減弱氣流速度；為減弱夏季渦旋氣流的影響，在通風(fēng)廊道兩側(cè)，選擇種植低矮的灌木和樹冠小的喬木。同時(shí)，在渦旋形成地帶，注意減少垃圾箱的布置，避免垃圾和塵土上揚(yáng)；避免布置兒童游樂區(qū)等活動(dòng)場(chǎng)所；住宅樓出入口前的道路盡量貼近建筑，盡可能避開渦旋中心區(qū)。

2)在建筑形態(tài)方面：板式建筑對(duì)氣流的阻擋明顯，在背風(fēng)面形成縱深較長、面積較大的風(fēng)影區(qū)，建筑前后表面的風(fēng)壓差值較小；而點(diǎn)式建筑的背風(fēng)面風(fēng)影區(qū)較短、較小，風(fēng)壓差值也優(yōu)于板式建筑。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，應(yīng)注意避免板式建筑的長度過長，這對(duì)于減少建筑背風(fēng)面風(fēng)影區(qū)有明顯的效果。

3)在空間布局方面：方案B在保證建筑容積率的前提下，調(diào)整了建筑布局，構(gòu)建了有效的通風(fēng)廊道，使得氣流可以順暢地通往住區(qū)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了夏季整體風(fēng)環(huán)境的提升。在規(guī)劃設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意保證通風(fēng)廊道的寬度和長度，使氣流能夠充分作用于地塊，實(shí)現(xiàn)整體區(qū)域內(nèi)風(fēng)的通暢流動(dòng)，減少靜風(fēng)區(qū)面積。