基于風環境模擬對高層住區布局的優化

胡 春,王 薇，朱珍英

(安徽建筑大學 建筑與規劃學院，安徽 合肥 230022)

隨著城鎮化建設的加快，城市高密度住區日益增多，隨之產生的風環境問題也日益突出：高層建筑造成大面積的風影區，影響了下風向建筑與室外環境的舒適度；氣流在高層建筑上部受阻后轉而下行，與近地面處氣流交匯，產生渦旋等復雜情況，不利于冬季污染物的擴散，也妨礙了夏季的散熱；群體布局在外部環境中形成的狹管效應，致使風速過強，對居民的戶外活動造成了危害。目前，居住區建筑規劃設計中仍僅以日照、綠化作為方案評價的指標，缺乏對風環境要素的定量計算。在追求住區氣候宜居性的背景下，如何提升住區的通風效能和改善住區通風環境，應該成為建筑規劃設計者關注的問題。

近年來，國內學者對住區風環境進行了大量的研究，主要有兩種類型：一是對實際項目進行模擬分析。比如，曹象明等[1]以西安市曲江新區為例，分析了風環境與住區空間形態指標之間的關聯性；錢義等[2]通過計算機模擬，研究武漢市某小區的建筑布局與風場的關系；張春靈等[3]運用Airpak軟件，模擬并比較了兩個方案的風環境效能，總結出布局方式和單體形態對風環境的作用效應。另一是對住區簡化模型進行比較研究。例如，楊麗等[4]利用CFD技術模擬了四種居住區布局方式與風環境的關系，并對入射角度不同的工況進行了比較，總結出布局方式與風環境的一般規律；胡一東等[5]基于上海的氣象數據，利用CFD軟件模擬不同布局形式的住區模型，分析各季節多種布局的通風性能；葉宗強等[6]對西安住區風環境進行實測調查，提取典型模式進行風環境的模擬評估，歸納總結出大型住區的規劃策略。從研究內容來看，以上研究準確分析了住區布局的風環境特點，但定性評價居多，量化分析內容較少。本文采用數值模擬的方法，以合肥市某高層住區的兩套規劃方案為研究對象，針對夏季和冬季在1.5 m人行高度處的風環境，進行定量的比較分析，繼而從風環境視角指導建筑布局的優化設計。

1 研究對象概述

本文選取合肥市政務區某住宅小區，東臨合作化南路，南向城市干道環湖北路，北接天鵝湖路。居住區地塊規整，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。

前期完成兩套規劃設計方案，均為行列錯落式，布局規整、有序。其中，方案A的布局如圖1所示，住區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層點式高層毗鄰立于商鋪之南，又兩棟33層高層對稱布置于住區中部東西兩側，板式拼接的兩棟32層與一棟24層住宅并排布置。方案A的布局方式在住區中心形成了較大面積的廣場空間，有利于居民的戶外活動；但南側的開敞度小，不利于將通風和日照引入住區內部。

方案B的總平面如圖2所示。在保證容積率的情況下，對方案A 的規劃布局進行調整。取消南側中部的24層板式拼接住宅，以一棟3層的公共建筑取代，同時將正對小區主入口的兩棟點式高層連接，另兩棟點式高層各增加一棟改為板式拼接住宅。方案B的中心廣場面積較之方案A有所減少，但南向開敞。

合肥市近期建設的高層居住區多采用錯列式布局，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，本文選擇規劃設計過程中的這兩套方案進行CFD軟件模擬，探討不同組合模式的風環境特征，具有一定的現實意義。

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 風環境模型的構建

根據合肥市城鄉建設委員會編制的《合肥市民用建筑綠色設計方案編制深度規定》，選取CFD的Airpak軟件進行風環境模擬，Airpak軟件是面向暖通空調、建筑等領域的人工環境系統分析軟件，可以精確地模擬所研究對象內的空氣流動、傳熱和污染等物理現象[7]。

在CFD模擬計算中，建筑周圍的空氣流動一般屬于不可壓縮、低速湍流流場，采用RNGk-ε模型作為計算模型，該模型在鈍體繞流的拐角區域偏大，但整個計算區域的風速比值分布及背風負壓區域的計算值與試驗值較接近[8]。根據合肥氣象條件，夏季主導風向為正南風，風速為2.9 m/s；冬季主導風向為正東北風，風速大小為2.39 m/s，以此作為計算域邊界處風向和風速。計算域的尺寸對于模擬結果有重要影響，將來流方向和垂直方向設置為建筑物高度的4倍，出流方向為建筑物高度的6倍，并將模擬對象各方向100 m寬度范圍內的周邊建筑納入計算域內。Airpak軟件能夠根據用戶設置自動劃分網格，選取六面體結構化網格，并對建筑周邊活動區域進行加密。

3 模擬結果與分析

合肥地處夏熱冬冷地區，冬季寒冷、夏季炎熱的特點十分突出。夏熱冬冷氣候區在夏季，需要通過建筑自然通風的有效組織，在不使用空調的狀況下滿足人的舒適性標準，減小不可再生資源的消耗；冬季，在滿足適當的換氣量條件下，應采取合適的避風措施減少建筑能耗[9]。下面通過風環境的數值模擬，針對結果進行比較分析以選擇出最佳方案。

3.1 夏季情況

運用Airpak軟件對兩個方案的風環境進行模擬，得到夏季小區1.5 m人行高度處風場模擬結果如圖所示(圖3—圖5)。

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

圖3 方案A、B夏季1.5 m高度處風速矢量圖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

從風壓云圖(圖5)的模擬結果來看，A、B兩個方案均能滿足《綠色建筑評價標準》[10]中50%以上可開啟外窗，室內外風壓差大于0.5 Pa的要求。比較兩個方案，迎風面和背風面壓差值較大的區域均位于迎風面第一排建筑；在A方案中，北部的四棟高層處于風影區內，又因排布較為密集，使氣流運動受阻，部分戶型的前后風壓變化微弱；B方案僅少數戶型壓差值小，套數明顯少于A方案，更有利于夏季室內的自然通風。

表1是夏季A、B兩個方案中各風速區的面積統計結果，通過面積數據比較可以看出，方案A無風區(<0.5 m/s)的面積是方案B的4倍，低風速區(0.5～1.0 m/s)的面積達6 540 m2，約為B方案的3倍；方案B在1.5 m/s以上各風速區的面積是A方案的3～6倍。兩個方案產生懸殊差異的原因在于：A方案南側三棟高層并列布置，加大了建筑對氣流的阻擋作用，導致建筑背風向的低風速區面積較大；而B方案經過建筑布局調整，在迎風界面處構建了一段線性的開敞空間，成為夏季氣流運行的通道，即通風廊道，充分改善了住區內部的通風效果。將居住區與建筑的主要開口設于迎風面，并且在迎風口處布置點式建筑，或利用建筑間距形成迎風道，這樣能夠很好地將外部的新鮮空氣最大化地導入居住區內[11]。

3.2 冬季情況

運用Airpak軟件對兩個方案的風環境進行模擬，得到冬季小區1.5 m人行高度處風場模擬結果如圖所示(圖6—圖8)。

通過A、B兩個方案冬季在1.5 m高度處的風速矢量圖(圖6)可以看出，A、B兩個方案都存在有不同面積大小的渦旋和無風區。渦旋對住區風環境十分不利，一方面，它會卷起塵土；另一方面，不利于空氣污染物的擴散，尤其是近年來合肥地區霧霾十分嚴重，有害物質在住區內部大量堆積，會對居民的生活和身體健康造成極大影響。

根據風速云圖(圖7)，兩個方案的最大風速都是位于住區中部的峽口處和角部；方案A的最大風速為3.5 m/s，風速放大系數為1.5；方案B為3.2 m/s，風速放大系數為1.1，均滿足《綠色建筑評價標準》[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影區面積明顯大于A方案，而在冬季，風影區是適合居民進行戶外活動的場所。

冬季，門窗洞口的冷風滲透是建筑能耗增加的主要原因，而冷風滲透則是由于室內外空氣存在壓力差所導致。分析冬季1.5 m高度處的風壓云圖(圖8)，兩個方案的最大風壓差值都是位于迎風面第一排建筑表面，壓差值達10 Pa以上，后排建筑的壓差值都在5 Pa以下，均滿足《綠色建筑評價標準》[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。

圖5 方案A、B夏季1.5 m高度處風壓云圖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方案各風速區面積統計 (單位：m2)

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

方案風速/(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兩個方案中各風速區的面積統計結果，通過面積數據比較可以看出，方案B在低風速區段面積與方案A相差不大，在1.5～2 m/s風速區面積較大，在2.5～3 m/s風速區段面積遠小于A方案。究其原因，方案A在迎風界面處的空間布局通透開敞，不利于冬季的防風；而方案B雖因狹管效應產生局地強風，但合理利用風影區，在冬季能夠為居民提供舒適的戶外活動場所。

表2 冬季A、B方案各風速區面積統計 (單位：m2)

4 結論

1)在方案選擇方面：基于優化風環境的目的，建議選擇方案B。從夏冬兩季的模擬結果來看，方案B的整體風環境優于方案A。B方案中存在的問題，可以通過綠化來加以改善。為避免冬季風速過高，在住區的東北向界面處，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，在通風廊道兩側，選擇種植低矮的灌木和樹冠小的喬木。同時，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；避免布置兒童游樂區等活動場所；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。

2)在建筑形態方面：板式建筑對氣流的阻擋明顯，在背風面形成縱深較長、面積較大的風影區，建筑前后表面的風壓差值較小；而點式建筑的背風面風影區較短、較小，風壓差值也優于板式建筑。在規劃設計階段，應注意避免板式建筑的長度過長，這對于減少建筑背風面風影區有明顯的效果。

3)在空間布局方面：方案B在保證建筑容積率的前提下，調整了建筑布局，構建了有效的通風廊道，使得氣流可以順暢地通往住區內部，實現了夏季整體風環境的提升。在規劃設計中還應注意保證通風廊道的寬度和長度，使氣流能夠充分作用于地塊，實現整體區域內風的通暢流動，減少靜風區面積。