風(fēng)環(huán)境視野下杭州基座與毗鄰式裙房布局分析

應(yīng)小宇 ，梁孝鑫 ，李思源 ，杜詩祺 ，GRACE Ding

（1. 浙大城市學(xué)院工程分院，浙江 杭州 310015；2. 悉尼科技大學(xué)建筑環(huán)境學(xué)院，澳大利亞 悉尼 NSW2007）

在當(dāng)前有限的土地資源條件下，高層建筑為主附加裙房的形式，因占地面積小利用率高，同時又可以帶來較高的商業(yè)附加值，已成為了城市發(fā)展的必然趨勢.

高層建筑同時也存在許多問題，日照間距和消防要求已成為規(guī)范的主要內(nèi)容，得到了充分考慮，而高層建筑和裙房的連接方式對建筑群周圍風(fēng)環(huán)境的影響沒有得到足夠的重視[1]，由此帶來的不良風(fēng)環(huán)境比比皆是，冬季強冷空氣使行人感到不適，多風(fēng)季節(jié)引發(fā)危險[2-3]；夏季室外靜風(fēng)區(qū)悶熱，不利于污染物和廢氣的消散. 因此，對于高層建筑不同裙房布局的風(fēng)環(huán)境研究從人身安全角度和城市規(guī)劃角度上都十分必要[4-6].

吳義章等[7]通過數(shù)值模擬方法對某高層建筑周圍的行人高度風(fēng)速場進行了計算，對行人在不同狀態(tài)下的風(fēng)環(huán)境舒適性作出了評價并提出了控制措施；Tsang等[8]通過風(fēng)洞實驗法從建筑規(guī)模、間距和裙房方面對高層建筑人行區(qū)域進行研究，得出裙房對風(fēng)環(huán)境的影響有利有弊，但是對于需要自然通風(fēng)的地區(qū)來講是不利的，加裙房后整體風(fēng)速降低，且裙房增大了不利風(fēng)環(huán)境區(qū)域；Dye[9]通過風(fēng)洞實驗得出裙房的存在可以降低最不利點風(fēng)速；王輝[10]對深圳前海三、四開發(fā)單元進行分析，得出開發(fā)單元風(fēng)環(huán)境主要受到建筑朝向、建筑平面形式、建筑體量、建筑立面構(gòu)成、沿街裙房立面細部要素的影響，討論了不同裙房平面對風(fēng)環(huán)境的影響，得出選取邊角越光滑的裙房，對風(fēng)環(huán)境影響越小.

總體來看，國內(nèi)目前對于高層建筑裙房的研究多集中于有無裙房和裙房的荷載與振動上. 針對某一地塊，結(jié)合當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)、周邊建筑、植被與地貌，探究裙房形體尺寸的改變及其與高層建筑主體的聯(lián)結(jié)方式是否會對當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境造成影響的研究并不深入.

本文將分析杭州錢江新城高層建筑聚集區(qū)中的風(fēng)環(huán)境問題. 選擇風(fēng)環(huán)境問題最突出的區(qū)域中某單體建筑為例，探究單一高層建筑裙房形體尺寸和主樓的連接方式對人行區(qū)域風(fēng)環(huán)境的影響.

1 地區(qū)模型的建立與風(fēng)環(huán)境模擬

1.1 實測過程

用地位于杭州市錢江新城，介于富春路和劇院路之間，北臨丹桂街，南臨新業(yè)路. 常年夏季風(fēng)為西南風(fēng)，冬季風(fēng)為西北風(fēng). 通過對地塊內(nèi)日常天氣風(fēng)速數(shù)據(jù)的研究及實地問卷，發(fā)現(xiàn)夏季風(fēng)環(huán)境問題在錢江新城四季路地塊比較突出，局部風(fēng)速過大，出現(xiàn)悶熱靜風(fēng)區(qū). 因此，選擇夏季風(fēng)向頻率最高的典型日，安排8人分布在該地塊內(nèi). 每人負責(zé)一個測點，采用Testo425風(fēng)速儀同時記錄室外行人高度（1.5 m）處的風(fēng)速. 由于實際風(fēng)速不穩(wěn)定，因此每人每隔1 min記錄一次，測量總時長為30 min，每個測點獲取30個風(fēng)速測量值.

1.2 模擬邊界條件的設(shè)定

姚征等[11]對一些常見的CFD （computational fluid dynamics）通用軟件作了介紹和比較，計算機數(shù)值模擬是基于AUTODESK CFD平臺上開發(fā)的衍生軟件，如Phoenis、Fluent和Airpak. 一般而言，對于常見的建筑（群）風(fēng)環(huán)境模擬可以考慮采用Phoenics等軟件提高模型建立的速度與效率，因此本文采用Phoenics進行模擬. 相比于實測法與風(fēng)洞實驗法，計算機數(shù)值模擬操作簡便，結(jié)果精確直觀，可以獲得風(fēng)壓值、風(fēng)速比等一系列分析數(shù)據(jù). 近年來，計算機數(shù)值模擬技術(shù)越來越成熟，國內(nèi)外眾多學(xué)者通過計算機數(shù)值模擬法研究建筑周邊風(fēng)環(huán)境的狀況，Hang等[12]在不同街道高寬比和建筑面積密度的條件下利用計算機數(shù)值模擬法和風(fēng)洞試驗法模擬了高層建筑風(fēng)環(huán)境. Chan等[13]通過計算機數(shù)值模擬法探索街道建筑的形體尺寸對污染物擴散的影響.

初始風(fēng)作如下設(shè)定：由于地表摩擦的作用，接近地表的風(fēng)速隨著離地高度的減小而降低；只有離地300 m以上的地方，風(fēng)速才不受地表的影響，可以在大氣梯度的作用下自由流動. 因此，來流面風(fēng)速變化規(guī)律以指數(shù)率表示為

式中：V(z) 為任意高度z處的平均風(fēng)速；VG為標(biāo)準(zhǔn)高度zG處的平均風(fēng)速；α為地面粗糙度指數(shù).

根據(jù)歐洲COST和日本AIJ關(guān)于建筑物周圍人行風(fēng)環(huán)境的CFD模擬實際應(yīng)用指南[14-15]，再結(jié)合文獻[16]，設(shè)定如下：

1）zG為400 m，該高度處VG為13.000 m/s，α為0.25，地面52 m以上湍流強度為12%.

2） 入口邊界條件：調(diào)整計算域入口方向為浙江杭州夏季室外主導(dǎo)風(fēng)向西南風(fēng)向（SSW），入口風(fēng)速參考杭州冬季室外10 m高度的平均基準(zhǔn)風(fēng)速2.500 m/s.

3） 出口邊界條件：采用自由邊界，靜壓為0.

4） 地面粗糙度設(shè)置：根據(jù)周邊實際以及規(guī)劃情況，地面粗糙度指數(shù)取0.35.

1.3 模擬區(qū)域大小與建筑網(wǎng)格劃分

按實際三維尺寸建立模型，基地模型如圖1.場地大小658 m（長） × 723 m（寬） × 250 m（高），建筑群位于模擬區(qū)域的中心位置，因此模擬區(qū)域大小為3250 m × 3160 m × 1500 m.

1.4 風(fēng)環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)

在真實室外環(huán)境中，通過風(fēng)速絕對值大小來衡量建筑群布局是不合理的，因為不同布局的初始風(fēng)速各不相同. 因此，現(xiàn)階段通常用風(fēng)速比來衡量建筑布局對風(fēng)環(huán)境的影響程度. 風(fēng)速比[17]為

式 中：Vs為測點風(fēng)速；V0為初始風(fēng)速.

圖1 基地模型Fig. 1 Base model

Kubotaa等[18]研究表明：當(dāng)某區(qū)域的風(fēng)速比大于2.00時，行人會感覺風(fēng)過于強烈；風(fēng)速比小于0.50時，該區(qū)域內(nèi)空氣流動程度過低，不利于人的健康，且場地內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)渦旋以及無風(fēng)區(qū). 本文中風(fēng)速比評價標(biāo)準(zhǔn)為0.50～2.00.

1.5 現(xiàn)場實測與Phoenics模擬結(jié)果

通過現(xiàn)場實測及Phoenics模擬對數(shù)值模擬模型結(jié)果進行驗證. 在實地風(fēng)速測量中，針對使用頻次較高的行人通道選取有裙房建筑和無裙房建筑的入口處、建筑拐角處共8個實測點進行風(fēng)速測量，得到現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)如圖2所示. 圖中：測點1、3、4、5、7為拐角處，測點2、6、8為人行入口處.

圖2 實際測量平均風(fēng)速與離散程度Fig. 2 Actually measured average wind speed and dispersion degree

由圖2可知：有裙房建筑周邊風(fēng)環(huán)境較無裙房建筑更為復(fù)雜，波動值卻明顯更小，說明裙房的遮擋使得周邊無風(fēng)區(qū)域增多（如測點1、2、3與測點4、5、6的對比）；而同為有裙房的建筑，周邊風(fēng)環(huán)境狀況差異較大，風(fēng)影區(qū)大小與長短也不同（如測點4、5與測點7、8的對比）. 該現(xiàn)象形成的原因可能是：底部裙房和建筑核心體之間的連接方式的不同；裙房規(guī)模尺寸的不同，如裙房與主樓的位置、裙房高度、裙房迎風(fēng)面寬度、裙房進深[19-21]. 圖3為Phoenics的模擬結(jié)果，可見模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相符. 將Phoenics模擬圖中建筑背風(fēng)側(cè)風(fēng)速急劇減小且風(fēng)向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的區(qū)域定義為建筑風(fēng)影區(qū)[22].

圖3 原建筑風(fēng)環(huán)境模擬Fig. 3 Wind environment simulation of original buildings

由于測點6西北側(cè)高層建筑周邊風(fēng)環(huán)境變化顯著且裙房平面較為規(guī)整，因此選擇該建筑作為主要研究對象，來探究裙房形式對建筑周邊人行高度處風(fēng)環(huán)境的影響.

2 主樓與裙房連接方式的影響

建筑平面布局如圖4所示：為便于研究將原建筑柱網(wǎng)統(tǒng)一為7.8 m × 7.8 m，保持主樓位置、尺寸與底部裙房面積基本不變，將原主樓與裙房的布局模式設(shè)定為基座式. 改變?nèi)狗颗c主樓的連接方式，形成分離模式與毗鄰模式. 風(fēng)向設(shè)定仍為夏季SSW，選擇建筑入口、拐角處與人行區(qū)域共8個風(fēng)環(huán)境較為復(fù)雜的測點作為研究對象，并進行模擬，模擬結(jié)果如圖5所示.

3種平面布局風(fēng)速比如圖6所示. 整體風(fēng)速比大小為基座式 < 分離式 < 毗鄰式，曲線緩和程度為毗鄰式 < 基座式 < 分離式. 基座式裙房周圍整體風(fēng)速均勻但平均風(fēng)速比低，風(fēng)影區(qū)最長，不利于夏季散熱與污染物消散；分離式裙房對于降低建筑周邊風(fēng)速效果最明顯，但周圍風(fēng)場最為復(fù)雜且風(fēng)影區(qū)最大，易形成渦流區(qū)，不利于行人活動；毗鄰式風(fēng)影區(qū)小，風(fēng)速均勻，利于提升風(fēng)環(huán)境質(zhì)量.

綜上，對于杭州高層建筑密集地塊，毗鄰式裙房在一定程度上屬于較優(yōu)裙房方案，基座式為錢江新城地塊最常見的裙房形式，故將對以上兩種布局進一步研究，以供設(shè)計者優(yōu)化當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境.

圖4 3種形式建筑平面布局Fig. 4 Three types of layout plane of buildings

圖5 3類風(fēng)環(huán)境模擬Fig. 5 Three types of wind environment simulation diagram

圖6 3種平面布局風(fēng)速比Fig. 6 Wind speed ratio for three types of plane layouts

3 裙房不同參數(shù)對風(fēng)環(huán)境的影響

原基座式裙房為5層，高24.0 m，迎風(fēng)面寬度70.2 m，進深54.6 m，主樓高度141.0 m. 原毗鄰式類房為5層，高24.0 m，迎風(fēng)面方向?qū)挾葹?0.8 m，進深46.8 m，主樓高度141.0 m.

3.1 裙房位置變化的影響

將裙房與主樓的位置關(guān)系分為中心式、偏心式、邊緣式3種，原建筑類型屬于中心式，現(xiàn)將裙房和主樓的位置關(guān)系作為單一變量，選用模擬對象柱跨，裙房往左、右各偏移1跨（7.8 m）分別形成偏心式1、偏心式2，同理左、右各偏移2跨（15.6 m）分別形成邊緣式1、邊緣式2，平面布局如圖7所示. 經(jīng)過Phoenics模擬，結(jié)果如圖8所示.

由圖8可知：當(dāng)裙房由邊緣式1偏移為邊緣式2的過程中，毗鄰式與基座式的風(fēng)影區(qū)寬度由窄變寬，風(fēng)影區(qū)長度由短變長，風(fēng)影區(qū)形狀向著裙房移動反方向扭曲，扭曲程度為毗鄰式 > 基座式；建筑風(fēng)影區(qū)寬度為邊緣式1 < 偏心式1 < 中心式 < 偏心式2 <邊緣式2；建筑風(fēng)影區(qū)長度為邊緣式1 < 偏心式1 <中心式 < 偏心式2 < 邊緣式2；總體風(fēng)速比毗鄰式均優(yōu)于基座式，曲線和緩程度為基座式 > 毗鄰式；當(dāng)裙房由邊緣式1向邊緣式2偏移，毗鄰式和基座式的風(fēng)速比大小均為邊緣式1 > 偏心式1 > 中心式 > 偏心式2 > 邊緣式2；毗鄰式布局中邊緣式1與偏心式1的風(fēng)速比均在1.50左右，風(fēng)環(huán)境滿足舒適性需求，風(fēng)環(huán)境得到了相應(yīng)優(yōu)化.

對于杭州高層建筑密集地塊，不論是基座式裙房布局還是毗鄰式裙房布局，裙房的偏移利于改善建筑周邊風(fēng)環(huán)境，風(fēng)影區(qū)形狀向著裙房移動反方向扭曲，扭曲程度為毗鄰式 > 基座式. 在實際生活中考慮主樓與裙房的偏移關(guān)系時，應(yīng)結(jié)合風(fēng)環(huán)境進行考慮. 可選用與主樓合適的偏移關(guān)系，同時也要結(jié)合建筑周邊人群使用的相應(yīng)功能，將人群活動設(shè)施，如廣場等布置在優(yōu)化區(qū)，在負優(yōu)化區(qū)種植綠化和植被，進一步解決由于風(fēng)速比較低造成的空氣不流通的問題.

圖7 5種類型建筑平面布局Fig. 7 Five types of plane layout of buildings

圖8 5種平面布局風(fēng)速比Fig. 8 Wind speed ratio of five types of plane layouts

3.2 裙房高度變化的影響

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，錢江新城地塊高層辦公樓裙房高度主要分布區(qū)間為2～5層，因此將裙房高度作為變量，選取9.6 m （2層）、14.4 m （3層）、19.2 m（4層）、24.0 m （5層）四種類型高度對基座式與毗鄰式裙房建筑進行模擬，建筑布局如圖9所示，經(jīng)過Phoenics模擬，結(jié)果如圖10所示.

由圖10可知：隨著裙房高度的增加，建筑風(fēng)影區(qū)先變短后變長，風(fēng)影區(qū)范圍內(nèi)風(fēng)速較小區(qū)域增多，最小風(fēng)速主要位于建筑背后風(fēng)影區(qū)，建筑兩邊風(fēng)速較大區(qū)域面積變大，長度變長.

通過模擬發(fā)現(xiàn)基座式裙房的高度變化對風(fēng)速比影響不大，但基座式裙房布局與毗鄰式普遍存在以下相同規(guī)律：隨著層高增加，平均風(fēng)速增大，當(dāng)裙房層高為4層時，整體風(fēng)環(huán)境狀況較好；當(dāng)裙房高度由3層變?yōu)?層時，測點1、5、8處的風(fēng)速比有明顯的差異，其余曲線之間差異均不明顯.

圖9 4類裙房高度建筑布局Fig. 9 Podium layouts with four types of heights

圖10 4類高度布局風(fēng)速比Fig. 10 Wind speed ratio of four types of heights

綜上所述，杭州高層建筑密集地塊裙房無論是基座式還是毗鄰式，高度設(shè)計范圍最好為15.0～20.0 m，該地區(qū)應(yīng)盡量避免建造更高的裙房，這是由于裙房高度越高，產(chǎn)生的建筑風(fēng)影區(qū)越大，導(dǎo)致風(fēng)速降低，不利于污染物的擴散.

3.3 裙房迎風(fēng)面寬度變化的影響

根據(jù)調(diào)研，錢江新城地塊建筑裙房迎風(fēng)面寬度主要集中在40.0～70.0 m，故將迎風(fēng)面寬度作為單一變量，原基座式與毗鄰式裙房為9跨（70.2 m），兩邊各偏移一跨，選用模擬對象柱跨，選取5跨（39.0 m）、7跨（54.6 m）建模并模擬，平面布局如圖11所示，經(jīng)過Phoenics模擬，結(jié)果如圖12所示.

由圖12可知：隨著裙房迎風(fēng)面寬度的增加，基座式裙房風(fēng)影區(qū)長寬變化不大，毗鄰式裙房建筑風(fēng)影區(qū)的長度與寬度隨著跨數(shù)的增加先增大后變??；基座式和毗鄰式整體平均風(fēng)速比均為7跨 < 5跨 <9跨；當(dāng)裙房迎風(fēng)面寬度為9跨時，裙房周圍的風(fēng)環(huán)境較好，風(fēng)速得到提升，風(fēng)環(huán)境狀況良好；對于風(fēng)速比增大程度，基座式裙房差異不大，而毗鄰式裙房當(dāng)裙房迎風(fēng)面寬度增大時，拐角處風(fēng)速變化高于人行區(qū)域風(fēng)速變化，且迎風(fēng)面拐角處風(fēng)速變化 < 背風(fēng)面拐角處風(fēng)速變化.

圖11 3種寬度建筑平面布局Fig. 11 Plane layouts with three types of windward side widths

圖12 3種迎風(fēng)面寬度風(fēng)速比Fig. 12 Wind speed ratio with three types of windward side widths

3.4 裙房迎風(fēng)面進深變化的影響

錢江新城地塊建筑裙房進深主要集中在40.0～70.0 m，故將裙房迎風(fēng)面進深作為單一變量，選用模擬對象柱跨，選取5跨（39.0 m）、6跨（46.8 m）、7跨（54.6 m）、8跨（62.4 m）、9跨（70.2 m）對基座式與毗鄰式裙房建模并模擬，平面布局如圖13所示，經(jīng)過Phoenics模擬，結(jié)果如圖14所示.

由圖14可以發(fā)現(xiàn)：基座式與毗鄰式的建筑風(fēng)影區(qū)由長變短，風(fēng)影區(qū)寬度基本保持不變；建筑兩側(cè)風(fēng)速較大區(qū)域隨著裙房迎風(fēng)面進深長度增加先增后減；基座式整體平均風(fēng)速比5跨 < 9跨 < 6跨 < 8跨 <7跨；毗鄰式整體風(fēng)速比5跨 < 9跨 < 8跨 < 6跨 <7跨；隨著裙房迎風(fēng)面進深增加，基座式與毗鄰式的風(fēng)速比增大程度均為先增長后減小，在7跨時達到最大.

對于杭州高層建筑密集地塊，當(dāng)裙房迎風(fēng)面進深長度在50.0、60.0 m時，最大風(fēng)速比可達到1.98，且局部也不出現(xiàn)無風(fēng)區(qū)，風(fēng)環(huán)境狀況良好.

圖13 5種進深建筑平面布局Fig. 13 Plane layouts with five types of windward side depths

圖14 5種進深風(fēng)速比Fig. 14 Wind speed ratio with five types of windward side depths

4 結(jié)束語

通過對杭州高層建筑密集地塊常見的基座式與毗鄰式裙房進行深入分析，對比在行人高度（1.5 m）處的風(fēng)速比和測點周圍的風(fēng)環(huán)境分布情況，改變?nèi)狗康奈恢?、高度、迎風(fēng)面寬度、進深，得出兩種裙房類型對于風(fēng)環(huán)境影響的普遍規(guī)律. 該規(guī)律適用于杭州高層建筑密集地塊的基座式與毗鄰式裙房，主樓高度為110.0～160.0 m，為裙房高度為10.0～24.0 m，迎風(fēng)面寬度為40.0～70.0 m，迎風(fēng)面進深為40.0～70.0 m. 具體如下：

1） 基座式裙房周圍整體風(fēng)速均勻但平均風(fēng)速較低，風(fēng)影區(qū)最長，不利于夏季散熱與污染物消散；毗鄰式裙房風(fēng)影區(qū)小，整體風(fēng)速均勻，利于提升當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境質(zhì)量. 在杭州高層建筑密集地塊進行高層辦公建筑裙房設(shè)計時，毗鄰式裙房布局優(yōu)于基座式.

2） 裙房的偏移有利于提升建筑周邊風(fēng)環(huán)境質(zhì)量，實際考慮裙房與主樓位置關(guān)系時，應(yīng)慎重考慮當(dāng)?shù)亟ㄖ翰贾茫⒔Y(jié)合周邊環(huán)境與人群使用情況布置，結(jié)合風(fēng)環(huán)境選用與主樓合適的偏移關(guān)系.

3） 杭州高層建筑密集地塊的裙房高度設(shè)計范圍最好是15.0～20.0 m之間，該地區(qū)應(yīng)盡量避免建造更高的裙房，這是由于隨著裙房高度增加，風(fēng)影區(qū)的面積也隨之增大，不利于空氣的流動和污染物消散.

4） 杭州高層建筑密集地塊的迎風(fēng)面寬度設(shè)計范圍為70.0 m左右時，裙房周圍風(fēng)環(huán)境較好；裙房迎風(fēng)面進深長度在50.0～60.0 m時，風(fēng)環(huán)境狀況最好. 今后設(shè)計高層建筑時，設(shè)計者可通過改變?nèi)狗康奈恢?，高度，迎風(fēng)面寬度與進深來改善高層建筑人行區(qū)域風(fēng)環(huán)境.

本文只考慮了當(dāng)前地塊的夏季風(fēng)環(huán)境的情況，缺乏對秋冬季節(jié)的研究；本文只重點分析了基座式裙房與毗鄰式裙房的影響因素，未對分離式進行深入研究；本文雖然解決了杭州地區(qū)高層建筑密集地塊的風(fēng)環(huán)境優(yōu)化問題，但仍較有局限性，設(shè)計者需要應(yīng)用本文的研究思路與分析方法，重新進行模擬；同時本文對風(fēng)環(huán)境影響因素的研究也有一定局限性，未考慮裙房細部如開口、檐口、立面的研究，

致謝：浙大城市學(xué)院扈軍老師提供了專業(yè)的軟件指導(dǎo).