鄭州市居住區建筑布局對風環境的影響

梁 濤, 甘義猛, 陳珂珂, 何瑞珍

河南農業大學林學院，河南鄭州 450002)

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鄭州市居住區建筑布局對風環境的影響

梁 濤, 甘義猛, 陳珂珂, 何瑞珍*

河南農業大學林學院，河南鄭州 450002)

快速的城市化進程中，高密度城市中的不同建筑布局帶來的風環境改變的問題日益受到關注。研究選取鄭州市區不同方位上離市中心不同距離、不同布局的“寶景花園”“東郡香域巴黎”“帝湖花園”和“非常國際”4個住宅小區，并對其風速進行測量記錄,研究小區的建筑布局對風環境的影響。結果顯示：春季靜風狀態下，距離市中心由遠及近的小區風速有減小趨勢；不同布局特點的建筑風速大小有差異，呈現為點狀式>行列式>圍合式。

鄭州市；住宅小區；建筑布局；風環境

快速的城市化改變了氣候的下墊面，高層的出現增加了城市的粗糙度，使得市區的平均風速有減小的趨勢，同時也造成局部地區風速過大，甚至形成災害。如何通過規劃控制城市的規模和城市冠層高度成為亟需研究的問題。由于城市化的快速發展、人口快速增長、經濟發展指標的客觀要求，高層高密度的集約城市建筑形態已成為未來城市建筑布局發展的主要選擇。城市氣候環境的好壞及如何改善當前城市建筑布局的風環境引起了學界的廣泛思考。住宅小區戶外綠色空間是居民日常活動的主要場所，小區的風環境是影響其居住舒適性的重要因素之一。然而,當前隨著“城市熱島”問題、城市靜風問題和空氣顆粒物污染問題的頻發，如何實測分析小區風環境并以此為基礎探討景觀環境的優化，進而改善小區風環境成為值得關注的焦點[1-3]。

Gordon.B.Bonan在測量Crestview和Greenfild的居住區風速變化時發現，住宅的建筑布局對風速有明顯的減弱作用[4]。通常針對城市中的一塊綠色棲息地中的空氣溫度、濕度、風速、太陽輻射的滲透和表面輻射溫度進行測量，以確定綠色空間微氣候影響因素及對周邊地區的影響[5]。風環境的舒適性是建筑使用者對建筑進行評價的一項重要微氣候因子，住宅小區的風環境通常與小區室外熱環境、居民生活舒適度、建筑的安全節能水平有密切聯系[6-10]。

1　研究對象和研究小區概況

1.1研究對象鄭州市位于112°42′～114°13′E，34°16′～34°58′N，氣候類型為北溫帶大陸性季風氣候，春季盛行風向是東南風，年平均氣溫在14.0～14.3 ℃，年平均降雨量約為640.9 mm，主要氣候特點為春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雪。為此，在鄭州市主城區內抽樣了4個典型小區(圖1)。在相同條件下測量各小區中開敞空間的風速變化情況，并對12 h的瞬時風速測量值進行方差分析，對比得出各小區不同建筑布局對風速造成的影響。

1.2研究小區概況東部的測量區域包括“寶景花園”和“東郡香域巴黎”兩個地方，在“寶景花園”設立5個樣點，在“東郡香域巴黎”設立3個樣點；“帝湖花園”測量區規劃建筑位于河南省鄭州市中原區，在多層區共設立了9個樣點，在高層區共設立了3個樣點；“非常國際”位于河南省鄭州市金水區，小區共設立了6個樣點。將各測量區數據整理如表1。

2　研究方法和測量內容

主要以各樣點在同一時間定點測量為主，測量實驗采用路昌LM-8000溫度、相對濕度、風速、照度四合一環境測量儀對各測量點1天中12 h的每小時時段數據進行測量，研究小區內不同地點，如主干道、林蔭道以及湖邊或人工水池附近設置測量樣點，主要測量行人高度(距地 1.5 m)處的空氣溫度、相對濕度及風速風向等數據。具體測量時間為2015年4月22～24日(3 d的氣象臺天氣均為晴朗凈空，云量<2 oktas,平均風速<2 m/s)，測量時間段為8:00～ 19:00，測量間隔時間為1 h，測量持續時間10 min以上，每組數據內數據點采集時間間隔為10 s。測量樣點垂直高度 1.5 m 處的瞬時風速，每個數值讀取2次，取該時間段的平均值作為最終的試驗數值，并記錄該測量點的瞬時風向。得到的數據采用SPSS分析軟件進行數據處理，以此進一步分析總結，以研究小區內部風環境的差異，以及不同小區建筑布局，如建筑密度、容積率、建筑高度及建筑排列方式等情況對這些差異造成的影響。

圖1　鄭州市測量小區分布Fig.1　The layout of four measured residential districts in Zhengzhou City

地點Site建成年代Buildtime建筑結構Buildingstructure建筑形態Architecturalform建筑距市中心距離Distancefromthebuildingtourbandistrict建筑布局方式Buildinglayoutmode“帝湖花園”高層“High-storybuildingsofDihuGarden”2007鋼筋混凝土結構高層塔樓較遠點狀式布局“帝湖花園”多層“Multi-storybuildingsofDihuGarden”2007鋼筋混凝土結構多層板樓較遠行列式布局“非常國際”“FeichangInternationalCommunity”2006鋼筋混凝土結構高層塔樓較近點狀式布局“東郡香域巴黎”“DongjunXiangyuPairs”2008鋼筋混凝土結構多層板樓中等行列式布局“寶景花園”“BaojingGarden”2003磚混結構多層板樓中等圍合式布局地點Site建筑寬高比Width-heightratioofthebuilding建筑密度Buildingdensity%建筑平均層數Averagelayernumberofthebuilding容積率Plotratio%綠地率Ratioofgreenspace%SVF(各樣點的開敞程度平均值Meanofopendegreeofeachsamplesite)“帝湖花園”高層“High-storybuildingsofDihuGarden”W/H=1/1或W/H=1/519.89336.5627.2047.82“帝湖花園”多層“Multi-storybuildingsofDihuGarden”W/H=3/139.8062.3919.8062.77“非常國際”“FeichangInternationalCommunity”W/H=1/119.11336.3048.2154.75“東郡香域巴黎”“DongjunXiangyuPairs”W/H=3/135.6362.1426.9060.44“寶景花園”“BaojingGarden”W/H=5/133.0461.9819.0543.10

注：SVF是Sky view factor的縮寫。

Note:SVFis the abbreviation of sky view factor.

3　結果與分析

測量結果主要用于說明建筑布局與風速的關系，實驗中所討論的建筑布局包括實驗小區樓層高度、所處位置(距市中心距離)、布局方式、綠化布局4個方面。由于各實驗小區的樓層高度都高于底部的綠化種植高度，因此研究不對綠化布局做重點討論(表2)。

3.1建筑高度與風速之間的關系5個小區根據建筑高度可以分為高層和多層兩種，“寶景花園”“東郡香域巴黎”“帝湖花園”多層同屬于多層布局形式，“帝湖花園”高層、“非常國際”屬于高層布局形式(圖2)。

由于測量的風速為瞬時風速，每次測量的風速大小并不呈現出一定的規律性，但總體而言多層建筑高度的風速大于高層建筑高度的風速，且通過建筑類型與風速的單因素分析可得高層建筑布局形式與多層建筑布局形式的建筑外部風環境具有顯著性差異(表3)。

3.2到市中心距離與風速的關系5個小區根據到市中心的距離可以分為近、中、遠3種，“帝湖花園”距離市中心較遠、“寶景花園”與“東郡香域巴黎”距離市中心中等，“非常國際”距離市中心較近。

由表4可知到市中心距離不同的小區，其風速變化模式也不同，且距離市中心遠的風速最大，其次是距離市中心近的，風速最小的是距離市中心中等的。具體分析其原因可知，鄭州市在測量日內主導風向為南風，并且距離市中心越遠，建筑密度以及建筑高度越小，越有利于導風。由于“帝湖花園”距離市中心較遠，且位于鄭州市的南部稍偏西的方向，因此風速最大；而“寶景花園”與“東郡香域巴黎”雖然距離市中心中等且位于鄭州市東南方向，但是其建筑布局較為封閉，導致其內部風流動不通暢，風速最小。為研究距離對風速是否具有影響，對不同距離居住區風速進行了方差分析。可知距離中等和遠之間沒有顯著性差異，但近跟中等、遠之間存在顯著性差異。

圖2　不同建筑高度的平均風速Fig.2　Average wind speed of different building heights

測定時間Time風速Windspeed∥m/s“非常國際”“FeichangInterna-tionalCommunity”“帝湖高層”“High-storybuildingsofDihuGarden”“帝湖多層”“Multi-storybuildingsofDihuGarden”“東郡香域巴黎”“DongjunXiangyuPairs”“寶景花園”“BaojingGarden”8:002.80.32.20.91.19:001.11.82.51.21.110:001.71.41.80.60.911:001.41.81.91.61.312:000.41.72.21.31.113:001.71.72.01.51.214:000.21.71.80.61.615:000.61.81.11.10.516:001.02.51.90.21.217:000.82.21.40.80.718:000.61.70.90.60.619:000.41.80.71.61.0

注：風速值為3 d所測風速的平均值。

Note: Wind speed is the mean in 3 d.

表3　建筑高度與風速方差分析

表4　到市中心距離對風速的影響

注：a、b表示的是到市中心不同距離風速方差分析的差異性，帶字母a的與帶字母b的之間是具有顯著差異性的，兩個帶字母b的不具有顯著差異性。

Note: a and b show significance of wind speed due to different distances from city center, and there is significant difference between the numbers with a and b, and insignificant difference between the numbers with b.

3.3建筑布局對風速的影響5個小區的建筑可以分為點狀式布局、行列式布局和圍合式布局。不同建筑布局風速變化模式如圖3所示，并且總的風速大小為：行列式布局>點狀式布局>圍合式布局。行列式布局迎面風與來流風向垂直時，在建筑兩側形成再生風速得到增大，從而使外部的氣流能夠很好地進入居住區內部，產生較大的風速。點狀式布局中，由于迎風面與風向垂直，且建筑之間的空間是連通的，使整個居住區內部風環境較為流暢。圍合式布局空間較為封閉，風進入圍合空間后風速會很快衰減，且空氣流動速度也會減慢。經方差分析發現，不同建筑布局對小區風環境影響具有顯著性差異(表5)。

綜合上述原因，對比5個不同居住區瞬時風速逐時變化情況，可知不同居住區平均風速呈現出“帝湖多層”>“帝湖高層”>“非常國際”>“東郡香域巴黎”>“寶景花園”的變化情況。

3.4建筑布局與風頻的關系在與鄭州市盛行風向進行比對時，可以發現各小區里建筑的不同布局對各測量樣點的風向頻率有著不同的影響(圖4～8)。多數情況下，風頻是風環境的一個考量方面，由于風頻具有很大的不確定性，往往難以對其進行描述。比較圖中的各樣點風頻圖與鄭州市風玫瑰圖發現，多數樣點的實測風頻與鄭州市盛行風向是不一致的。試驗是在春季靜風條件下進行的，因此各測量小區上風向的建筑遮擋作用可以忽略不計。以“帝湖花園”多層小區為例，靠近湖邊的樣點四和樣點九的風頻主要是東南風向為主，樣點十由于地處帝湖二街這條小區主干道上，風向以西風為主，其余各樣點均是北風向或東北風向。研究發現，同一居住區下不同樣點的風向并不一致且與鄭州市盛行風向也不一致。在分析其他各小區的風頻圖時，可以得到類似的結論。

圖3　不同建筑布局的平均風速Fig.3　Average wind speeds of different building layouts

項目Items平方和Quadraticsumdf(自由度)Freedom均方MeansquareF顯著性Significance組間Amongthegroups1.19820.5993.8730.031組內Inthegroup5.104330.155總數Total6.30235

圖4　“帝湖花園”高層各樣點風頻圖Fig.4　Wind frequency diagrams at each site of high-story buildings of “Dihu Garden”

圖5　“非常國際”各樣點風頻圖Fig.5　Wind frequency diagrams at each site of “Dihu International Community”

圖6　帝湖花園多層各樣點風頻圖Fig.6　Wind frequency diagrams at each site of multi-story buildings of “Dihu Garden”

圖7　”東郡香域巴黎“各樣點風頻圖 Fig.7　Wind frequency diagrams at each site of “Dongjun Xiangyu Paris”

4　結論與討論

根據數據分析得出以下結論：在春季靜風狀態下，調研小區內多層建筑布局內部各個區域風速變化情況基本一致，無明顯差異，而高層布局內部各個區域風速變化差異顯著。在春季靜風狀態下， 調研小區之間多層建筑布局與高層建筑布局對風速的影響有顯著差異。高層布局情況下風速的平均值比多層布局情況下風速平均值大，高層建筑形成的狹長通道內的風速比實際風速要大幾倍甚至幾十倍；對于調研的多層小區而言，在春季靜風狀態下，無論是行列式布局、圍合式布局還是混合式布局，風速的變化情況基本一致，但在風速比較大的條件下，圍合式布局的風速最小，主要是圍合式布局自身形成了封閉空間，阻擋了風的侵襲。通過對該課題的研究發現，目前國內學者對該課題的研究大多采用的是

圖8　“寶景花園”各樣點風頻圖 Fig.8　Windfrequencydiagramsateachsiteof“BaojingGarden”模型構造與數值模擬相結合的研究手段，通過CFD軟件對特定模型下的風環境進行模擬，從而可以直觀辨別不同建筑布局風環境的變化情況。CFD由于沒有考慮建筑外部的綠化布局，模擬結果的準確性有待優化。因此，今后的研究中可以結合現場實測和CFD數值模擬，考慮綠化布局對風的拖拽作用，優化模擬實驗結果的準確性。

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Influence of Building Layout in Residential Region of Zhengzhou on Wind Environment

LIANG Tao, GAN Yi-meng, CHEN Ke-ke, HE Rui-zhen*

(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002)

In the rapid urbanization process, wind environment change problem brought by different architecture layouts in high-density city is concerned increasingly. Four residential districts with different layout characteristics at different directions of Zhengzhou City were selected, and they were “Baojing Garden”, “Dongjun Xiangyu Pairs”, “Dihu Garden” and “Feichang International Community”. The wind speed was measured and recorded, to find out the influence of different architecture layouts in the residential district on wind environment. Results disployed that under the condition of spring static wind, the wind speed had a decreasing trend in the residential district with the distance from far to near urban district. For different building layouts, wind speed was different, which showed as interspersed>linear>enclosed.

Zhengzhou City; Residential district;Architecture layout; Wind environment

國家自然科學基金項目(31470029)。

梁濤(1988- )，男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向：風景園林規劃與設計。*通訊作者，副教授，博士，從事3S技術及其應用研究。

2016-07-20

TU 241

A

0517-6611(2016)26-131-05