基于風環境評價的中學校園綜合體布局形態分析

張 峙，應小宇 ，汪繼起 ，潘躍進 ，邢 然，潘孟濠 （. 浙江中和建筑設計有限公司, 浙江 紹興000；. 浙大城市學院, 浙江 杭州 005；.杭州市教育資產運營管理中心, 浙江 杭州 0000）

現行的校園建筑設計規范大多局限于日照及消防問題，未考慮建筑的布局形態可能對其周邊風環境造成的不好影響。不合理的建筑布局形態會導致春秋季節污染物難以擴散、夏季不利于散熱、冬季氣流過大使人感到不適等問題。

基于風環境影響設計的建筑形態可以減少建筑能耗、改善建筑及其周邊小氣候等[1]，適宜的風環境有利于師生的學習和活動，對中小學生的成長也較為重要。因此本文結合校園綜合體案例，將其簡化并歸為幾種典型的布局形式，通過計算機軟件進行風環境模擬分析[2]，得出較為合理的校園綜合體建筑布局形態及設計策略。希冀可為校園綜合體建筑布局形態設計提供一定的參考和評價依據。

浙江省杭州市為夏熱冬冷地區，江干區是快速城市化中典型的高密度住宅區域。這種高密度的區域更需要注重室外的風環境[3]，所以選擇該區域進行研究。該中學總用地面積32 200 m2，辦學規模為 24 個教學組團，周邊道路車流量較小，除東側為小學校園外，周邊其他建筑均為住宅。

1 風環境模擬模型的建立

1.1 模擬區域的大小

目前關于計算機模擬區域大小并無明確要求。很多研究人員都采用“試錯法”來確定模擬區域的大小，因為區域的大小會影響模擬結果[4]。Chang等[5]建議建筑模型與模擬區域邊緣的距離至少 5 倍于建筑模型高度。最終確定模擬區域的大小為 1 200 m×1 100 m×250 m（長、寬、高），網格范圍為 1 200 m×1 100 m×250 m。

1.2 建筑模型的設定

建筑模型根據各種案例中的校園綜合體建筑布局，簡化為 A、B、C、D 共 4 種典型的布局形式，見圖 1[6]。各不同布局形態的模型在滿足現有規范所規定的日照間距、消防等條件下，保持其同高度、同層數、同面積進行風環境模擬分析計算。GB 50099—2011《中小學校設計規范》中要求，教學樓間距≥ 25 m，所以模型中建筑間距為 25 m。本文研究的是以杭州地區氣象數據為基礎的建筑風環境分析，在《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》提供數據中，杭州地區的夏季的主導風向為 SSW，冬季的主導風向為NNW[7]。真實環境下的風速與風向有一定的隨機性，而本地區在不考慮地形影響的情況下，冬夏兩季主導風向明顯且主導風向的風頻率明顯高于其他風向。為簡化模型計算，在分析中以 NNW 與 SSW 作為冬、夏兩季的主要風向。

圖 1 4 種典型的校園綜合體布局類型

1.3 風環境評價標準

在實際室外環境中，通過比較風速絕對值來比較建筑不同布局是比較困難的，因為每種布局的初始來風風速就已經不同，因此研究人員大都使用風速比來衡量建筑布局對風環境的影響程度。風速比是測點（人行高度 1.5 m）風速的絕對值與同高度下初始來風風速絕對值的比值[8]。計算公式如式（1）所示。

式中：R—風速比；

Vs—測點風速，m/s ；

v—初始來風風速，m/s。

相關研究表明，當某區域風速比＞2.0 時，行人會感覺風過于強烈；風速比＜0.5 時，該區域風速過低，不利于空氣流動[9]。因此本文中評價風環境標準為風速比介于0.5～2.0 之間[10]。

2 模擬結果及分析

在模擬中共設置 6 個主要風速測點，見圖 2。以 A 布局為例，分別以 C 1～C 6 命名，其中 C 1、C 2、C 3 表示 3 個由建筑體量圍合而成的活動庭院，C 4 表示為操場區域，C 5、C 6 分別代表夏季迎風區域和冬季迎風區域。通過研究這幾個測點在夏季以及冬季的風速與初始風速的比值即風速比基本可以說明建筑布局對風環境的影響情況，圖 3，圖 4 分別為 4種布局夏季、冬季的風速布局。

圖 2 測點分布圖

圖 3 4 種布局夏季的風速分布

圖 4 4 種布局冬季的風速分布

圖 5 給出了夏季各布局下室外人行高度（1.5 m）處的風速比等值線圖。

圖 5 4 種布局測點夏季風速比

從圖 5 中可以直觀地看出，C 1 測點風速比大小為 A 布局＜C 布局=D 布局＜B 布局，C 2 測點風速比大小為 A 布局＜B 布局＜D 布局＜C 布局，C 3 測點風速比大小為 A 布局＜B 布局＜C 布局＜D 布局，且在朝向夏季主導風向開放的測點風速比都＞0.5。這說明面向夏季主導風向開放的測點區域風速都較高，利于夏季的散熱，提供舒適的風環境。C 4 測點由于位于風影區，所以風速比都＜0.5，通風較差。C 5 測點位于迎風面，在場地內幾乎未被遮擋，所以風速比在各布局中相差不大，C 6 測點的風速比只有 D 布局＞0.5。各類型布局中 A 布局中各測點的數值相差最大，風速比變化范圍為 0.17～1.13，說明氣流經過該布局的建筑時，風速受布局影響明顯，與之相對的 C 布局的各測點數值相差最小，風速比變化范圍為 0.29～1.09，說明氣流經過該布局的建筑時，風速受布局影響較小。由圖 5 中風速比平均值曲線可看出，D 布局的各測點平均值在所有布局中最高為 0.68；其次是 C 布局，平均值為 0.62；A 布局的平均值最低為 0.45，這種布局在夏季室外氣流較小，通風效果相較其他布局形式最差。比較 C 1～C 3 的 3 個測點可知，隨著測點面向主導風向數量的增加，風速比也隨之增加，所以活動區域盡量多地迎向夏季主導風向。

圖 6 為冬季各布局下室外人行高度（1.5 m）處的風速比等值線圖。

圖 6 4 種布局測點冬季風速比

由圖中可知，C 布局各測點的數值相差最小，風速比變化范圍為 0.09～0.59，說明氣流經過該建筑時，風速受到布局影響較小。這其他 3 種布局形態的建筑各測點的數值差都相對較大，其中 A 布局最大，風速比變化范圍為0.11～0.65，說明氣流經過該建筑時，風速受到布局影響在 4種布局中相對明顯。觀察圖中風速比平均值曲線可看到，A布局的各測點平均值是最高為 0.38。D 布局測點平均值最低為 0.28，其次是 C 布局平均值 0.29，這 4 種布局在冬季的風速比都＜0.5，氣流都較弱，由此說明這 4 種布局形式對冬季的主導風都具有較好的阻擋作用。在分析中還發現基地北面的住宅對冬季主導風已經有了一定的削弱作用，以至迎風的C 6 測點風速比相較夏季迎風的 C 5 測點要小很多。

綜合圖 5 與圖 6 分析，A 布局在夏季時除測點 C 5 外，各個測點處通風效果最差，冬季時平均風速比在 4 種布局中最大，但依然有較好的阻擋冬季風效果。B 布局在夏季通風效果也較差，在冬季對冬季主導風也有不錯的阻擋作用；C布局與 D 布局類似，在夏季風環境下有良好的通風，冬季對冬季主導風阻擋效果與 D 布局接近，但未面向夏季主導風向的 C 3 測點風速比在夏季＜0.5。杭州地區為夏熱冬冷地區，在夏季應該引導主導風向帶走熱量，而冬季需要阻擋主導風帶走熱量，創造一個舒適人行區域風環境。所以在該地區，這四種布局中優先考慮 D 布局，其次考慮 C 布局。通過這些不同布局的風環境模擬分析，在夏熱冬冷地區校園綜合體建筑設計中建筑面向夏季主導風向區域應該盡量開放或架空[11]，同時也需要適當考慮冬季對主導風的阻擋。在夏季，操場區域產生了部分的風影區，可將建筑在靠操場一側底層架空或將操場擺放在夏季主導風向一側來解決這一問題。

由于體量之間的相互遮擋，位于風影區的風速較低。在夏季時過低的風速對空氣流動不利，在其中活動的人也會感覺到不舒適，所以在這些風影區建議安排綠化。在冬季時風影區風速較低反而較好，所以在冬季風下的風影區可以作為活動場地。

3 結 語

通過風環境模擬工具，分析 4 種典型布局形態的校園布局，對比在人行高度（1.5 m）處的風速比和相應的風向分布，得到風環境優劣狀況與不同校園布局形態之間的關系。以上結論為校園綜合體建筑布局形態提供了一定的參考依據。試驗分析揭示了校園綜合體建筑的布局形態對其周邊風環境的影響，尤其是人行高度風環境的影響。除風環境影響下的建筑布局形態之外，還對室外的景觀、活動場地的設置提出了優化建議。得到的具體結論為以下幾點。

（1）夏季時 A 布局中各測點的數值相差最大，風速比變化范圍為 0.17～1.13，且測點風速比平均值最低，僅為0.45；D 布局的各測點平均值在所有布局中最高為 0.68；其次是 C 布局，平均值為 0.62。冬季時 4 種布局的測點風速比平均值大小：D 布局＜C 布局＜B 布局＜A 布局。所以綜合考慮，在這幾種布局形態中，杭州地區校園綜合體建筑設計優先考慮使用 D 布局，其次為 C 布局，不建議采用 A 布局。

（2）在夏熱冬冷地區校園綜合體建筑設計中建筑面向夏季主導風向區域應該盡量開放或架空，同時也需要適當考慮冬季對主導風的阻擋。

（3）在夏熱冬冷地區，夏季風速較大，冬季風速較小的測點區域，適合做室外活動場地，夏季風速較小，冬季風速較大的區域，可以種植一些高低結合的立體綠化，既能阻擋冬季一定的風也能合理地利用室外用地。