寒地氣候環境下遼東灣新區金帛島空間形態評價與優化

黃木梓 | Huang Muzi

張伶伶 | Zhang Lingling

李雯霏 | Li Wenfei

金帛島位于遼東灣新區的最南端，北臨金帛灣，東以大遼河為邊界，南、西緊鄰渤海灣。規劃區總面積929.07hm2。通過填海造地打造了新的城市空間格局。核心區以濱海旅游、商務辦公、會展、療養度假功能為主，充分依托濱海優勢，打造高品質的新型海島生態住區。

從宏觀視角對遼東灣新區的氣候環境特征進行分析，用2015年遼東灣新區Landsat-5 TM衛星影像作為核心的數據來源，從盤錦及營口氣象局收集遼東灣新區的氣溫氣象數據，通過基礎因子的疊加方式，識別出遼東灣新區潛在的城市通風廊道，運用CFD模擬的方法對金帛島城市風道格局進行驗證與分析。

1 城市氣候環境的模擬與分析

首先建立遼東灣新區金帛島的三維空間模型，再驗證該區域城市風道格局構建的合理性，并找出存在的問題與不足，分析金帛島城市氣候與城市空間形態要素分布的關聯，形成對建筑群體空間的評價與優化。

1.1 城市三維空間模型的建立

建立遼東灣新區金帛島的建筑群體、道路、水系三個層次的空間模型，并導入phoenics軟件的運算區域內，在軟件中添加大地面（earth）以及綠化下墊面（plant）兩個層次，統一將綠化下墊面進行簡化（圖1）。

得到三個層次的空間模型后，在phoenics軟件中將濕度運算選項添加進模型信息要素中，并且設置激活外部風環境條件及太陽輻射模型。城市熱島形成的主要原因是在原有城市內有大量的構筑物，如混凝土、柏油路面等，他們的熱力屬性改變了下墊面的熱度，因為構筑物吸熱快，而其表面溫度明顯高于自然下墊面。

通過之前做過的相關項目為研究依據，將金帛島道路的換熱系數（heat transfer coeff）設定為10w/m2，道路表面反射系數（emissivity）為0.8；建筑的換熱系數（heat transfer coeff）設定為30w/m2，建筑物表面反射系數（emissivity）為0.9；草地表面反射系數（emissivity）為1.0；通常情況下，水體的溫度比空氣平均溫度低5℃，所以設定水溫（fixed temperature）為27℃[1]。

1.2 網格的劃分與邊界條件的設定

確定網格的范圍，首先依托金帛島的城市模型尺寸、高度等相關因子確定網格區域的體積和邊界位置，城市整體模型的尺寸為7070m×3479m，最高的建筑高度為150m，需要考慮運算的精確度和計算機的運算效率，最終我們將金帛島區域的網格空間范圍設置為9000m×6000m×300m，區域整體number of cells的數值選取為300×200×50，最后我們將建筑群體的三維空間模型放置在計算域的中心區域；對模型內的網格進行加密，進而使運算結果達到最佳效果。

金帛島位于營口市區西北側，氣候條件受營口影響較大，我們選取營口市氣象站的觀測數據，進行整理與總結，得出常年主導風向以及每個月的平均風速、平均最高溫度等作為城市設計的依據。最后根據全年的氣象數據進行分析，得出夏季和冬季的城市氣候環境問題較為明顯，故決定選取夏、冬兩個具有代表性的季節進行溫度、濕度、風環境等氣候因子進行模擬。

（1）太陽輻射條件

金帛島的夏季太陽輻射模擬采用的是營口市夏季月份的天氣數據作為計算條件，最終得出地球表面直接太陽輻射為600W/m2（圖2），同理冬季采用的是相應月份的天氣數據作為太陽輻射的條件進行計算。

圖2 太陽輻射條件的設定

（2）外部風環境參數

在模擬風環境因素的前期，我們需要先確定其初始風速和風向：①風速選取夏季和冬季的平均風速值，夏季：3.6m/s；冬季：3.8m/s。由于寒地城市需要對冬季抵風防寒給予更多的關注，所以我們選取冬季最大平均風速為4.4m/s，并增加了實驗模擬的次數。②風向則是依據氣象數據統計，選取兩個季節的主導風向，夏季：SSW；冬季：NNE；依據金帛島的氣候條件，冬季島外近海海域結冰，海陸風的影響我們可以忽略不計，所以側重點考慮冬季風對其的影響。初始風速為3.8m/s，風向依據冬季盛行風，編輯輸入NNE。夏季將月平均最高溫度作為環境溫度，流入口溫度設定為32℃，初始風速為3.6m/s，風向依據夏季盛行風輸入SSW，水體溫度通常低于外界空氣溫度5℃，設定為27℃，內部相對濕度初始數值為80%。

1.3 氣候環境要素模擬過程與結果分析

（1）氣候環境要素模擬的過程

通過模型導入phoenics軟件，進而設定流體力學相關條件要求以及迭代運算得出計算結果。計算完成后可以按照溫度場、風場、濕度場分布狀況、場域等級等進行分項的數值顯示，可以依據數值大小用不同的顏色、模型高度來直觀顯示城市氣候環境的狀況。

①水平高度橫截面的選取。為了創造更具舒適度的城市居民活動空間，相對濕度和環境風速的影響至關重要，而且不同高度的水平橫截面其相對濕度和風速程度都是有所不同的，對模擬結果，我們選取的是與人體舒適感關聯性較強的1.5m水平截面的相對濕度和風速作為研究的依據。

②冬季氣候環境的模擬與分析。北方寒地地區冬季采暖所產生的污染物極易滯留在空氣當中，使得冬季風速、風向對城市居民健康情況和人體舒適度兩個方面影響極為強烈。所以金帛島的氣候環境模擬需要提前設定初始風速、風向、邊界面等條件，最終得到金帛島1.5m、9m和18m不同高度橫截面的冬季風速分布信息。

在居住組團內部也存在較大面積的靜風區域，這樣的區域同樣不適合居住，獨立的點式高層出現了較大的風速區，冬季里寒冷地區過大的風速將造成熱量的快速流失，所以獨立的多層建筑的風場與點式高層互相作用，形成紊流區，并且產生較混亂的狀態（圖3）。緩解此類現象，應在高層建筑附近種植防風的植被區域，在風速過高的區域內減少建筑物、構筑物的建設。

圖3 高層建筑周邊風的紊流區

③夏季氣候環境的模擬與分析。通過模型觀測夏季不同界面高度的風速云圖，可以得出綠網、水網、主要道路網構成的通風廊道系統是確保外圍空氣與組團內部的空氣流通的基礎，同時還能夠促進通風效率。

（2）結果分析

金帛島居住片區的總體風環境較好，但是在少數建筑圍合度較大的組團空間內部出現了V=0m/s的靜風區（圖4），這些區域在夏季不利于熱空氣的流通，應當改變建筑群體布局的角度，使得靜風區域減少。

圖4 居住組團內部靜風面積較大區域

2 商業建筑群體空間環境的改善

2.1 設置商業片區的風道系統

由于遼東灣水系空間充足，形態自由靈活，圍繞金帛島濱水景觀岸線布置商業綜合片區以及島內水系統可以設置多種建筑群體廊道空間，包括行列式建筑布局、密排建筑布局、點群式建筑布局以及圍合式建筑布局。

在設計金帛島商業建筑群體時，我們設置了建筑之間良好的通風廊道，這不僅要考慮水平方向上通風廊道的可能性，還應當將垂直方向上的通風廊道納入設計范疇，通過對建筑高度的組合變化，形成多元化的建筑空間形式，有利于風場的調控變化。

通過軟件我們得到金帛島商業片區夏季1.5m的風速分布云圖（圖5），南側建筑界面的空間連續性較低，建筑群的組合方式影響商業片區的局地環流情況，涼爽的西南風進入建筑群體空間，從夏季風和濕度的模擬結果，識別出3條主要風道，12條次要風道。

圖5 金帛島商業區夏季1.5m風速分布

冬季為了預防寒冷空氣進入，我們通常會利用建筑物、構筑物達到一定的擋風效果，也能夠防止紊亂的空氣流場產生。所以，合理的自然通風系統能加強風速流動，同時還可以帶走不利于居民生活的濕冷空氣。

從金帛島冬季的1.5m風速分布云圖（圖6）可以看出，北部建筑群體的空間界面連續性低，造成其擋風效果的弱化，幾處點式高層的周邊出現較大面積風速積聚區域。從冬季風環境模擬的結果來看，應當對其進風口、迎風面以及高層建筑的形式進行調整與優化。

圖6 金帛島商業區冬季1.5m風速分布

2.2 預留商業建筑間的引風口

預留和調整金帛島濱水建筑引風口是改善街區總體風環境的基礎，引風口能夠引入均勻、合適的氣流，對街區內部風環境舒適性有絕對性的意義。通過對金帛島商業建筑群體空間的風環境模擬的結果進行分析，片區的風速還是存在不穩定的情況，主要是因為片區外圍的建筑對盛行風向的阻擋作用還不夠。因此應當對商業片區的城市設計方案及建筑單體形態進行優化設計，增加金帛島商業片區的建筑密度，提高建筑基底的覆蓋率。

通過以上研究及模擬，我們對方案進行調整，優化了進風口的數量和位置，并結合金帛島夏季西南風、冬季東北風的盛行風向，增大了南向開口的尺度，提高開口的數量，減少北向引風口的面積，增加北部建筑界面的連續性（圖7）。

圖7 引風口的調整

3 居住片區建筑布局形式的選擇

3.1 建筑群體布局形式的優化

局地氣候會對建筑使用舒適度產生較大的影響，而建筑群體布局形式能在一定程度上對其利用和改善，如抵御惡劣天氣危害、創造適宜的建筑小氣候環境。在金帛島建筑群體布局上，需要保證寒地建筑群體布局的特殊地域因素，即夏季需要有利于建筑群體間的通風與防曬，冬季則需爭取日照的最大化模式。

（1）獲取良好的日照

由于金帛島位于寒地范圍圈，冬季晝短夜長，良好的建筑朝向是能夠獲取較多陽光的先決條件。相關研究表明，在其他條件相同的情況下，南北朝向的要比東西朝向的建筑熱耗低5%左右。朝向東南的建筑可以在清晨氣溫較低時接受陽光的照射，提升室內的溫度，在氣溫較高的午后避免陽光直射[2]。

（2）戶外熱環境的提升

城市熱環境是指在城市空間內客觀存在的熱場和人對熱場主觀感覺的總和。居民出行是離不開戶外環境的，通過改善戶外熱氣候環境質量，創造安全、舒適的戶外空間環境，對于增加城市居民的社會交往和增強城市活力都具有十分重要的意義。

當前國內外研究中，熱環境的評價標準大致可分成三類：①安全標準——不影響人的身體健康；人的熱調節系統不失調，人體生理機制不損失或死亡；②工效標準——環境熱狀況影響人的敏感度，從而影響人從事體力勞動和腦力勞動的效率；③舒適標準——冷熱濕度，熱感覺舒適。在此區域內人體調節機能的應變最小[3]。

（3）空間風環境的改善

①促進通風的建筑布局。斜列式、錯列式以及自由式的建筑布局形式是可以避免建筑相互擋風，使得風能更好地分散，較并列式、周邊式而言更利于通風。斜列式與自由式可在一定的限制情況下，根據朝向、地形和地勢等條件靈活布置；錯列式則需要加大前后排建筑間距，對通風是有利的；周邊式的布局形式總會使得部分建筑的前、后區域處于負壓區，不利通風，同時總會存在部分東西向的建筑形式，不利夏季防曬；而采用并列式時，應使建筑與主導風向成一定角度布置，利于整體的系統通風。

②擋風作用的圍合布局。在現實的城市規劃設計中，圍合式的建筑布局易產生大面積的靜風區域，不利于區域內污染物擴散。我們對圍合式的建筑空間進行模擬實驗，通過軟件的實驗結果（圖8）可以看出，不同高度的影響下庭院內部的空間均形成了一定的靜風區，內部風場形成渦旋，缺乏與外界空氣之間的流通。采用單一的圍合式布局是不能夠滿足現代多樣的城市空間氣候環境需求，應針對寒冷地區的氣候特殊性，逐步關注局部地段風環境的分析。

圖8 圍合式建筑1.5m、9m、18m風速分布

（4）“高低錯落”的處理方式

在建筑群體空間布局中，避免建筑高度的不斷升高，同時高層建筑的周邊也會出現局部的高風速空間，應當通過建筑群體布局高度的調整、降低建筑高度等方式加以改進。

通過高度不同的建筑群體空間風速分布云圖、風場圖可以看出，建筑周圍的靜風區面積明顯減少，前高后低的建筑布局形式，使得建筑之間未形成較大的旋渦區域，加快空氣的交換流通，東西向形成了連續的通風廊道（圖9）。

圖9 高度變化的建筑群體風場

（5）高層建筑風場的優化

通過模型檢測模擬發現，高層建筑周邊易產生比較復雜的風環境，地面以及立面會產生具有一定危險性的高速風。通常情況下，兩棟高度具有很大差異的相鄰建筑都會產生比較明顯的風效應。研究表明，由于高層建筑比周邊環境高出許多，近地面風速也會隨之急劇增大，建筑周邊環境與風場相互影響，便會產生對居民生活以及建筑自身具有負面影響的惡性風流[4]。

在寒冷地區，惡性的風環境同樣會降低人體戶外活動的熱舒適度，這是北方冬季居住區產生低質量戶外活動空間的原因之一。實驗模擬通過在高層建筑底部空間增設裙房的方法，能夠極大地防止惡性風場的出現，緩沖過大風速對人體的影響。

3.2 建筑朝向的選擇

金帛島上建筑群體朝向的選擇需要考慮通風及日照等因素，冬季天氣寒冷，建筑需要獲得充足的太陽輻射，同時避免冬季風的風速過大。這不僅是因為冬季來自北向的寒空氣會對建筑熱工環境產生不利的影響，還因為北向的居住空間較難獲得足夠的日照，所以建筑北向要盡量減少開口；在夏季，滿足自然采光的前提下需要防止過多的太陽輻射帶來的熱量，充分結合自然通風的效果，利用金帛島濱水區的濕熱效應達到空氣濕度的平衡。

基礎信息建立完畢，再利用Ecotect軟件的Weather Tool模塊進行分析，對于建筑最佳朝向進行選擇，輸入該地區最熱和最冷的月份，并對營口市（近金帛島片區）全年氣象數據進行編輯整理（圖10）。

圖10 逐時數據的編輯

通過模擬以及相關氣象資料的整理與編輯，可知全年每個月份的太陽輻射量，金帛島最熱月份是6、7、8三個月份，最冷月份為12、1、2三個月份，同時根據全年過熱期和過冷期內的太陽輻射情況計算金帛島建筑最佳朝向，為設計提供依據。

3.3 建筑間距的控制

設計過程中建筑間距的確定需要綜合考慮通風與日照的因素。首先，風對建筑間距產生的影響不可忽視，金帛島四面環水，春季大風天氣較多，冬季寒潮依然存在，良好的通風環境有利于將內部過多的濕氣進行疏散，防止因天氣寒冷、濕度過高而帶來的不適反應。

太陽輻射也對建筑間距控制有較大的影響，1980年建設部規定：各地區可根據住宅建筑的布局形式，綜合考慮分別確定房屋的間距。原則上，房屋的日照間距應當按照當地冬至日住宅底層日照不小于1個小時的要求來計算[5]。金帛島地處寒冷地區，所以冬季的日照時間應當多一些，計算依據一般可以選在冬至日正午的太陽位置作為研究數據。

結語

本文首先通過CFD軟件模擬的方法對遼東灣金帛島內濕度、熱、風等城市氣候環境進行依次模擬，運用模擬結果，對城市氣候環境的問題區域提出優化的策略。通過設置商業建筑群體的通風廊道體系、控制迎風面邊界、預留引風口等設計方法改善商業建筑群體的空間環境；最后通過對城市居住片區多種空間組合形式的氣候環境進行模擬，進而對建筑群體布局形式加以優化，控制建筑的朝向和間距；達到城市空間氣候舒適性的目的，進而將金帛島的建筑空間形態進行優化，并得出在寒地氣候的影響下城市空間的基本策略。

資料來源：

文中所有圖片均為作者自繪。