環渤海典型圍合式住宅組團風環境模擬及布局研究★

孫 磊

(南京大學建筑與城市規劃學院，江蘇 南京 210093)

環渤海城市處于寒冷地區，圍合式布局能產生較大的風影區，有利于環渤海的冬季防風，因此開展圍合式布局與風環境的關聯性研究具有重要價值。

當下，關于城市住宅的風環境模擬主要分為以下兩種類型，第一種是簡化形體與環境條件，建立數個理想原型進行比選實驗，例如劉政軒等人建立了長沙市10棟相同住宅樓的4種布局原型，以風速比、空氣齡為評價指標進行對比，得出最佳布局。第二種是針對某具體案例進行CFD風環境模擬，將模擬的數值與現今的風環境評價指標進行對比，進而分析案例設計，例如葉宗強等人對西安某居住區的研究。

本文選取了環渤海地區的3個典型圍合式住區，作為3種基本模塊，并設計9種比選模塊。以1.5 m人行高度平均風速比為核心指標，對比模塊的風環境。案例滿足如下條件：1)具有高度的圍合特征、通過底層架空進入組團；2)具有不同的密度和形態特征(見表1)。

1 典型案例中的圍合模塊

筆者提取三個案例中的典型圍合組團(見圖1)，結合案例所在城市的風環境，從開口位置、開口大小、剖面關系三個角度簡要分析。

1.1 案例所在城市的風環境

北京的冬季主導風向為北風，平均風速2.8 m/s，夏季的主導風向為南風，平均風速1.9 m/s；濟南的冬季主導風向為南偏東75°，平均風速3.2 m/s，夏季主導風向為西南風，平均風速2.8 m/s[2]。

表1 典型案例的基本信息

1.2 案例形體特征

北京菊兒胡同：1)組團從東、西側架空進入，在冬季主導風向(北)不開口，北側設置開敞樓梯間；2)兩個開口的大小相等；3)使用坡屋頂，南北側建筑高于東西側。

北京海運倉社區：1)垂直于冬季主導風向(北)布置架空主入口，夏季主導風向(南)開次入口；2)開口大小不相等；3)使用坡屋頂，四向建筑等高。

濟南自由城公寓：1)南、北、西三側底層架空。開口沿夏季主導風向布置，避開冬季主導風向；2)開口大小不相等；3)采取退臺的策略，冬季主導風向(南偏東75°)建筑高于西側，夏季主導風向(東南)建筑低于西北側。

2 模擬條件設定

2.1 實驗模型設定

本文設計了12種比選模塊。其中模塊1、模塊2、模塊3為案例原型；模塊1-1、模塊2-1、模塊3-1調整了圍合院開口位置；模塊1-2、模塊2-2、模塊3-2修改了開口大小關系；模塊1-3、模塊2-3、模塊3-3修改了圍合院的建筑高度，如圖2所示。

2.2 風環境模擬及評價標準

本文基于Airpak軟件對3個案例進行風環境模擬(見圖3)，將平均風速比作為評價指標。對特定的模擬對象和來流方向，風速比不會隨來流風速的變化而變化，故能較為客觀的反映圍合模塊的防風性，平均風速比RZ的計算公式為：

RZ=VZ/V0。

其中,VZ為行人高度1.5 m的平均風速，本文提取模塊內0 m～3 m空間的平均風速；V0為未受建筑物干擾的平均風速，本文取來流風速，軟件的邊界及網格尺寸均滿足計算精確度。一般來說，組團風速比越大，代表組團在該風環境下的通風性能較好；組團風速比越小，代表組團在該風環境下的防風性能較好。環渤海位于寒冷地區，應重點考慮住宅組團冬季的防風性能，兼顧夏季的通風性能，因此冬季風速比低、夏季風速比高的模塊，較為符合環渤海的氣候特征。

3 模擬結果與分析

表2 12種模塊的冬夏季平均風速比及冬季最大風速比

3.1 三種圍合原型的風環境對比

橫向對比模塊1、模塊2、模塊3的風速比(見表2)，可見圍合模塊的風環境與容積率并無線性關系，高密度圍合式住區依然可以通過設計手法，創造出良好的風環境。

在模塊1這組實驗中，模塊1-2的數據最符合環渤海風環境，這說明菊兒胡同在開洞設計上存在較大優化空間；在模塊2、模塊3兩組實驗中，原方案(模塊2，模塊3)的數據較符合環渤海氣候，即說明該兩則案例的形體設計較好的適應了環渤海風環境(見圖4)。

3.2 9種變體模塊的風環境對比

3種原型模塊及其9種變體模塊的冬、夏季風速圖像如圖5所示。

1)洞口位置對組團風環境的影響。

模塊1-1：將模塊1的兩個開口自東西向調整為南北向(正對冬、夏季主導風向)，冬季與夏季的風速比均顯著提高。

模塊2-1：將模塊2背對冬季主導風向的開口移動到主導風向上，冬季風速比顯著提高。

模塊3-1：將模塊3的一處開口移動到冬季主導風向，冬季風速比顯著提高；由于另外兩處開口依舊正對夏季主導風向，故夏季風速比無明顯變化。

以上的數據表明：在環渤海區域，當一個組團有多個開口時，避免在冬季主導風向上開口，能夠有效加強組團冬季防風性能；同時宜考慮在夏季主導風向上設置開口，以兼顧夏季通風。

2)開口大小對組團風環境的影響。

模塊2-1：當取消模塊1在冬季進風側(北)的開敞樓梯間時，組團冬季風速比明顯降低。此數據表明，在冬季主導風向上應避免設置較大的洞口。

模塊2-2：將模塊2背對冬季主導風向的開口尺寸(南)從3 m調整為6 m，冬季風速比無明顯變化，夏季風速比有較明顯提高。此數據表明，正對主導風向的開口大小對組團風環境的影響較大；背對主導風向的開口大小，對組團風環境影響較小。

模塊3-2：將模塊3南側開口從4 m調整為8 m，北側開口從12 m調整為8 m，模塊冬季風速比提升0.03，夏季風速比降低0.04。此數據表明，改變進出風口大小帶來的組團風環境變化，還受到開口與來流風向的夾角影響。

3)屋頂形式及高差對組團風環境的影響。

模塊1-3：將模塊1北側(進風側)抬高一層，冬季風速比略微降低。

模塊2-3：將模塊2的坡屋頂改為平屋頂，組團冬季風速比有略微降低。

模塊3-3：取消模塊3的高度變化，冬季風速比略微上升，夏季風速比略微下降。

以上數據表面屋頂形式、建筑高差對組團平均風速比的影響幅度較小，應基于日照需求，合理布置。

4 結語

通過典型案例的分析，表明了圍合式布局在環渤海地區當代住宅設計中具有多樣的存在形式；對12種圍合模塊的風環境模擬，證明了圍合式布局的開口、高度關系與圍合組團風環境存在密切的相關性。受制于篇幅，本文僅從案例的實際出發，探討幾種典型的優化策略對組團帶來的風環境影響，為將來適應環渤海區域氣候的圍合式住區設計提供參考。未來在建筑風環境研究領域，應該通過更精確的變量實驗，探求適應區域風環境的形體設計方法。