合肥高密度住區建筑布局對通風效能的影響研究

■ 胡 春 HU Chun 王 薇 WANG Wei 夏斯涵 XIA Sihan

0 引言

近年來，伴隨著我國經濟的持續快速發展，城市住宅量同步快速增長，城市土地的有償使用和住宅的商品化，使得高密度成為居住區發展的必然方向。高密度發展這把雙刃劍，不但具有高效、經濟和集約的優勢，還引發了高密度住區風環境的人為因素變化，高密度住區風環境對人體舒適度、空氣質量以及安全和能耗問題有直接影響。由于住區形態對住區內部風環境影響較大，而住區形態中布局要素與風環境有著緊密的關聯性，因此，亟需研究不同布局形態對風環境的影響機制，同時，空間形態在項目建成后具有不可逆性，在規劃設計階段考慮其對風環境的影響顯得尤為重要。

當前，許多學者針對建筑布局與住區風環境的關聯性展開研究，主要有兩個類型：①對高度概括的簡單模塊進行模擬分析[1-5]；②對具體的工程實例進行模擬分析[6-8]。以上研究都證實了建筑布局與風環境的關聯性，第一種研究方式覆蓋面廣，對風環境特點的分析精準到位，但簡單模型難以體現當前住區布局的復雜性；且模型關聯一系列空間形態指標，各類形態指標交互影響，難以準確剖析具體某一因素如何對風環境產生影響。第二種研究方式針對性強，可以通過模擬分析優化實際項目，但難以深究不同布局類型的基本規律，缺少指導意義。

本文根據合肥市中心城區近五年的住區建設情況和相關文獻調研，在滿足相關國家規范的前提下，構建了8 種不同布局類型的典型模塊，基于合肥市氣象數據，進行CFD 模擬分析。8 個模塊的空間形態指標被嚴格限定，通過量化研究分析，深入挖掘總體布局與風環境的關聯性。

1 研究對象

1.1 合肥高層高密度住區發展現狀

容積率是衡量住區密度的重要指標，根據《合肥市城市規劃技術管理規定》，一環內高層住區容積率不超過4.0；一環外高層容積率不超過3.5。統計和分析“安居客”網站檢索得出的近五年合肥中心城區新建住宅的各類數據：新建住區總數共計150 項。根據網站數據，對空間分布進行分析（圖1），新建項目更多地分布于高新區、經開區和濱湖新區；對容積率進行分段分析（圖2），新建項目主要為高層高密度住區的開發，且容積率在2.5～3.0 區間內的住區數量占比最高，是近五年來新開發住區的容積率主要分布區間。

圖1 合肥近五年新建住區空間分布示意圖

圖2 研究樣本容積率分段分析圖

1.2 典型住區的選取

針對容積率在2.5～3.0 區間范圍內的住區樣本進行詳細統計和分析，從中提取出具有代表意義的高層高密度住區布局的典型模式，總結為以下幾項：從綠地形式上看，開敞空間較多，景觀尺度較為均勻；從布局形式上看，主要有行列式、錯列式和混合式；從建筑朝向上看，主要以正南向為主，兼有略偏東朝向。綜合以上研究結果，可將住區風環境研究模型歸納為8 種布局類型（圖3），分別為：周邊開敞行列式、中部開敞行列式；行列式+左右錯列、行列式+前后錯列；斜列式、中部開敞錯列式、左右錯列式和前后錯列式。

圖3 合肥市典型住區布局模式圖

1.3 典型模塊的構建

為研究各布局類型的風環境變化規律，將8 種布局類型簡化成為理想模塊，如圖4 所示。采用簡化的住區肌理模塊來研究布局對風環境的影響，具有較強的代表性和普遍意義，可以通過計算機模擬預先得到風場數據，從而對規劃設計提供指導。

圖4 典型住區模塊圖

考慮到未來城市化的發展趨勢，同時，根據前期調研的統計，確定了研究對象高層高密度住區的容積率為3.0；典型住區模塊的街區尺寸為180 m×160 m，街區尺寸控制在200 m 以下，有利于街區內居民的日常出行，也對鄰里間的和睦具有直接作用；建筑統一進深為16 m，高度為60 m，建筑前后間距為40 m，滿足《合肥市城市規劃管理技術規定》的要求，側向間距均滿足高層之間防火要求。各模塊的空間形態指標被嚴格限定，僅從總體布局視角分析與風環境的相關性影響，進而通過易于掌握的布局要點控制引導風環境，改善室外舒適度，減少能源消耗。

2 模擬條件設定

2.1 邊界條件與計算域

本研究主要基于Fluent 軟件模擬計算平臺，進行風環境的風速和氣流模擬。根據合肥氣象數據，夏季盛行南風，平均風速2.9 m/s，冬季盛行東北風，平均風速2.39 m/s。對于住區研究主要針對居民室外活動場地的風環境情況，因此，顯示均為1.5 m人行高度處的模擬結果。計算域選擇以研究邊界區域外擴4H的矩形范圍，H為建筑物高度的最大值。

2.2 測點布置

為考察各個模塊的風速，分別在8 個模塊中設置了30 余個測點以記錄不同室外空間位置的模擬數據，以模塊1 為例，測點布置參見圖5。測點主要分為三大類：①為反映住宅東西向間距室外空間的風環境特征，將測點布置于住宅側向間距的中點，如測點1～6；②為反映住區中央開放空間的風環境狀況，將測點布置在東西側距與南北間距連線的交點，如測點7～14；③為模擬住宅南北間距室外空間的風環境舒適度，將測點放置于住宅南北間距的中部位置，如測點15～38。上述三類測點的模擬數據，基本可以表達住區外部空間風環境的分布狀況，即以此為基礎，量化分析風速，研究各模塊的風環境狀態。

圖5 測點位置及編號示意圖

2.3 評價標準

研究表明，人對于環境風速存在適應區，風速與人的感受之間較為具體的關系如表1 所示。

表1 風速與舒適度關系表

3 結果與分析

3.1 夏季風環境比較分析

對比8 個模塊在1.5 m 高度處的風速和風壓云圖（圖6、7），可以看出，不同布局形態下室外空間通風狀況與主要風環境參數都存在顯著差異（表2）。根據夏季對住區通風的需求，將模塊分解為界面和內部，從進風和導風兩個方面研究布局對風環境的影響，進風是對住區界面的處理，導風則是對住區內部開敞空間的探討。

表2 夏季典型模塊靜風區面積比、風速數值統計表

圖6 夏季室外風環境風速云圖

3.1.1 各模塊風環境典型性特征分析

在夏季主導風向的氣候條件下，人行高度1.5 m 處，各模塊中第一排建筑迎風面的正風壓較高，前后表面壓差值較大；兩側出現最大風速，風速值在3 m/s 以上；建筑背風面風速較小，有大面積靜風區和渦旋；面寬較大的板式住宅風影區面積明顯大于點式住宅，故點式住宅有利于夏季通風；而氣流流經住區到達北部后風速驟減，所以，住區內北部空地的風速情況不如南部。

因氣流入射角度為正南向，與建筑主要迎風面相互垂直，氣流不能充分改善住宅南北間距空地的風環境。從氣流走向看，宅間空地的風向分布規律性強，走向基本上與流經的建筑邊緣一致，即南北間距處空地室外風向為東西方向，建筑側向間距內的風向為南北向。各棟建筑迎風面角部是風速與風向的轉換區，不僅風速在此處產生較大的數值差異，風向在此處也有明顯轉變。

3.1.2 各模塊風環境差異性特征分析

各模塊靜風區面積比模塊1 最高，模塊8 其次，均超過地塊面積的60%，而模塊2 最低，為52.7%；8 個模塊的平均風速與最高風速差異較小，均屬于舒適風速區，其中，模塊2 的平均風速略大于其他模塊，為1.509 m/s，而模塊6 最低；模塊8的最高風速略高，模塊4 最低。

行列式布局的兩個模塊中，模塊1 的靜風區面積比、平均風速兩項指標都大于模塊2，兩個模塊的進風界面寬度均為50 m，但模塊1 將其分解為兩個進風口，氣流不能充分進入住區內部，這是導致二者風環境差異巨大的主要原因。可見，寬敞開闊的進風界面能夠有效提高住區內部的通風舒適度，這對于行列式布局尤為重要。

模塊3 和4 的布局較為類似，其中，模塊4 的靜風區面積、平均風速略大于模塊3，總體上二者差異不大，這兩種模塊均構建了開敞的進風口以及寬闊的導風空地，導風空地猶如“呼吸器”一般，順暢地將氣流引入住區內部。這兩個模塊中，南部區域產生了較大面積的強負壓，風壓值＜-3Pa 的面積明顯更大一些，風速在負壓區內有明顯的降低，在跨越建筑物一段距離后才得以恢復。

模塊5 加大了建筑南北向之間的間距，弱化了風影區的影響，氣流更加暢通，所以風環境條件較好；模塊6 的中央導風空地雖然尺度小，但也有效地改善了中部圍合區域的風速條件；模塊7 和8 在建筑角隅部風壓差值較大，形成強風區；模塊7 中的氣流被左右錯列的建筑所阻擋，整體通風效果較差，后排區域部分建筑表面的壓差值不足0.5 Pa，將會影響部分房間的室內通風；模塊8 的進風口雖然寬闊，但整體布局緊湊，導風空地有限，氣流受到明顯干擾，削弱了自然通風的能力。

圖7 夏季室外風環境風壓云圖

可以得出結論：在建筑布局方面，開闊的進風口是實現夏季自然通風的首要條件，間距大的進風口正壓區能夠吸納更多的風量，能為實現暢通的住區內部風環境創造優渥的條件。開敞的內部空間決定了住區內部的導風效能，通過構建迎向主導風向、單方向且空間連續的廊道，引導氣流進入住區；同時，加大建筑南北向間距，生成有效的導風空地，促進氣流的流通。其中，通風廊道的導風效果較為顯著。開闊的進風口和導風空地這兩項要素對于改善住區內部夏季通風條件和微氣候，具有十分重要的作用和意義。

3.2 冬季風環境比較分析

對比冬季與夏季的風速、風壓云圖，發現各模塊兩季的風環境狀況截然相反，這也反映了夏熱冬冷氣候區節能設計的難度，“冬季采暖”和“夏季致涼”二者均需滿足，偏廢一項都意味著失敗。8 個模塊在1.5 m高度處的室外風環境有著顯著的差異（圖8、9），各模塊的主要風環境參數見表3。

表3 冬季典型模塊高風速區面積比及風速數值統計表

圖8 冬季室外風環境風速云圖

圖9 冬季室外風環境風壓云圖

3.2.1 各模塊風環境典型性特征分析

避免過高風速是合肥冬季風環境的規劃目標。從各模塊風速云圖中可以看出，冬季主導風向為東北風，與建筑朝向成45°，寒冷的氣流可以不受阻擋地進入住區內部，猶如脫韁的野馬奔襲直入，所以，8 個模塊中均出現風速大于5 m/s 的局地強風。這些強風區主要位于迎風界面處的建筑角隅部，給建筑圍護結構造成較強的風壓，增加了窗和墻的風滲漏，使室內環境采暖負荷加大[9]，并且會產生“風聲呼嘯”的噪音，影響居民的日常生活。

3.2.2 各模塊風環境差異性特征分析

考察各模塊的強風區面積比，其中，模塊2 最大，達9.98%，模塊6 最小，為5.69%；冬季靜風區面積明顯小于夏季，其中，模塊7 最高，模塊6 和模塊3 次之，均超過20%；8 個模塊的平均風速均屬于舒適風速區，其中，模塊8 最高，為2.581 m/ s，模塊1 最低，為1.828 m/ s；各模塊的最高風速差異不大，但均超過綠標中要求的5 m/ s。

模塊1 和模塊2 在東側迎風界面處的布局一致，模塊1 的北向界面連續封閉，有效阻擋了寒風的進入。模塊2 位于北向迎風界面處，開口寬闊，中央開放綠地更是天然的導風廊道。因此，活動區域的強風區面積達2 400 m2，夏季的納涼空地成為冬日里居民避之不及的場所。

模塊3 的北側迎風界面排布較為密集，建筑對風的遮擋大，有效減少了疾風區的出現。而模塊4 中，北側前后錯列布局形成了寬闊的進風口，冷風可以毫無阻擋地進入住區內部，建筑迎風面與背風面風壓差過大的部位較多。

模塊5 東側界面兩列建筑雖能構成屏障，但因南北向間距較大，布局略顯通透，故高風速區面積較大；模塊6 的北側界面進風口寬度較大，但前后兩排建筑間距較小，合力成為屏障阻擋了大部分寒流，僅在建筑角部形成小面積強風區，東側界面也是同理，故強風區面積最小；模塊7 利用迎風界面處建筑布局的連續性，阻擋了部分寒流的侵入；模塊8 由于進風口寬大，并且開口位置與主導風向配合不當，冷風毫無阻擋，疾風區面積最大。

可以得出結論：冬季阻風應充分考慮封閉寒流主導向，一是分解建筑群斑塊，形成連續封閉的迎風界面，使住區達到避風節能的目的；二是控制半封閉迎風界面的開口方向和位置，使之與主導風向配合得當，避免造成局部范圍內寒風的流速加劇，影響居民的室外活動。

4 相關性分析

4.1 形態因素的選取和量化

良好的住區風環境能夠創造舒適的外部環境和低能耗的室內空間，若能在規劃設計階段通過引導性指標來控制住區空間形態，對于改善風環境有著重要的意義。根據上述對8 個模塊風環境模擬結果的分析可知，夏季，住區布局的通風效能主要受迎風界面和導風空地的影響；冬季，布局的阻風效應主要受迎風界面的影響。反映在具體的空間形態指標上：迎風口平均高寬比、平均迎風面積比能夠體現迎風界面的寬闊程度和建筑連續性；街谷平均長寬比可以描述氣流在住區內部的流通程度；而天空開闊度和布局緊湊度能夠展現住區形態的全局特征。因8 個模塊的容積率、建筑密度和錯落度均無差異，故不再討論這三個指標與通風情況之間的關系。

相關指標的內涵解讀如下：①迎風口平均高寬比：表征迎風界面的開闊程度，比值＜0.5 則寬闊，大于2則閉塞。②街谷平均長寬比：比值約為3 稱短街谷，約為5 稱中等街谷，約為7 稱長街谷。③平均迎風面積比：衡量建筑對氣流的阻擋，比值越小，阻擋越小，有利于通風。④平均天空開闊度：選用ArcGIS 平臺的天際線分析工具計算，表征建筑因素的遮蔽影響；在計算單點天空開闊度的基礎上，統計地塊天空開闊度的平均值。⑤布局緊湊度：選用ArcGIS 平臺的平均最近鄰工具計算，表征建筑的聚集或離散程度。

以上5 項空間形態指標均能對住區的風環境造成影響，將數據進行標準化處理，轉化為無量綱數值以便于分析比較，各模塊空間形態指標量化見表4。

表4 空間形態指標量化表

4.2 形態因素與風環境參數的相關性分析

為篩選與住區風環境關系較為明顯的形態因素，利用Pearson 相關性分析方法，將夏冬兩季各模塊1.5 m高度處風環境參數與空間形態指標進行分析。其中，風環境狀況由靜風區面積比、強風區面積比和平均風速等指標共同表征。

4.2.1 形態指標與夏季風環境的相關性分析

結果如表5 所示：夏季，平均天空開闊度、布局緊湊度是影響靜風區面積比的主要因素，布局越緊湊，越不利于環境通風；平均迎風面積比、平均天空開闊度是影響平均風速的主要因素。其中，平均天空開闊度與表征風環境參數的兩項指標都存在顯著的相關性，說明住區內部越開闊，氣流越暢通，所以，靜風區面積越小，平均風速越高。其他形態指標沒有通過顯著性水平檢驗，因此，與風環境參數不具有相關性。相關性分析是基于8 個模塊的環境參數和形態要素，存在著一定的局限性。

表5 夏季風環境參數與形態指標的相關性

分析286 個測點樣本的風速與單點天空開闊度的相關性，從表6 中的數據可知，二者之間存在顯著的正相關關系，即單點天空開闊度越高，風速越大。

4.2.2 形態指標與冬季風環境的相關性分析

結果如表7 所示：冬季，街谷平均長寬比、平均迎風面積比、平均天空開闊度三項指標是影響疾風區面積的主要因素，街谷越深，建筑對氣流的阻擋越小，越容易形成疾風區；平均天空開闊度是影響地塊平均風速的主要因素，迎風口越開闊，地塊內風速越高。其中，平均天空開闊度與疾風區面積比、平均風速都存在顯著的相關性，說明住區內部越開闊，出現高風速區的面積越大，平均風速越高。而其他形態指標沒有通過顯著性水平檢驗，因此，與風環境參數不具有相關性。對各測點風速與單點天空開闊度的分析如表6 所示，二者并無顯著相關性。

表6 測點風速與天空開闊度的相關性

表7 冬季風環境參數與形態指標的相關性

根據以上分析，不同季節，住區空間形態因素影響風環境參數的程度不同。但天空開闊度這一指標在夏、冬兩季，同時與多項風環境參數有著較強的顯著相關性，說明可以將天空開闊度作為評估住區通風的引導性指標加以重視。在合肥地區的項目前期規劃中，通過對天空開闊度的控制，能夠達到改善夏季通風和冬季阻風的目的。

5 結語

合肥地處夏熱冬冷地區，夏季炎熱、冬季寒冷的氣候特點十分明顯，合肥地區的住區規劃布局應綜合考慮夏季通風散熱和冬季阻風防寒。通過對以上8 種不同類型的居住模塊通風模擬結果的比較分析，可以總結出以下結論：①夏季，進風和導風是改善住區風環境的重要因素。在建筑布局上，注重構建迎風界面處開闊的進風口和住區內部開敞的導風空地，其中，可采用單一方向、空間連續的廊道引導風向，或采用寬闊的南北向宅間空地作為導風空地。②冬季，封閉寒流主導向是冬季阻風的先決要素。一是形成連續封閉的迎風界面；二是控制半封閉迎風界面的開口方向和位置，與主導風向配合得當，避免寒風在住區內部流速加劇。③天空開闊度在本文設定的條件內與多項風環境參數相關性極強，可以將天空開闊度作為控制住區風環境的引導性指標。