建筑布局與夏季舒適度相關性研究

黃葉梅 HUANG Yemei 彭英子 PENG Yingzi

0 引言

隨著城市建設加快，產生了許多城市氣候環境問題，危害人類身心健康和生存環境。在《倫敦的氣候》一書中首次提出了“城市熱島（Urban Heat Island）”效應的理念，從此開啟了城市氣候問題研究[1]。20 世紀以后，城市氣候問題在城市設計領域受到較多關注，但在城市規劃過程中的關注度相對較少[2-4]。

現今，建筑數量隨著城市規模的擴大而增多，在一定程度上阻礙了城市的通風，致城市空氣污染和熱島效應愈加突出[5-6]，城市氣候問題更明顯。因此，如何規劃出滿足人們適用性和舒適性的建筑布局形態顯得極其重要。目前的研究主要集中在單一建筑形態的通風效率、工程實例整體風熱環境和指定類型建筑布局形態的風熱環境舒適度這三方面[7-11]。K Steemers等[7]研究了6 個不同建筑高度與寬度，但容積率一定的建筑組合通風效率，指出通風效率最好的是板式建筑組合，最差的是院落式和聯排式建筑組合。黃怡等[8]對昆明某住區行列式和圍合式建筑布局的風熱環境舒適度進行整體研究，指出行列式和圍合式結合的風熱環境較好。胡一東等[9]研究了上海地區行列式、點式、圍合式三種建筑布局形式對風環境的影響，指出點式通風最佳，依次是行列式、圍合式。王珍吾等[10]研究了行列式、錯開式、斜列式和周邊式建筑布局的風環境舒適度，指出行列式、錯開式和斜列式的建筑布局風環境較好。Bo Hong等[11]研究了不同建筑布局形態對熱島效應的影響，指出合理的建筑布局是提高風熱環境舒適度的主要手段之一。

然而，以上關于建筑布局風熱環境的研究中，多種建筑布局形態影響人體舒適度的研究較少，建筑布局形態的確定存在一定的偶然性，很難得出不同建筑布局形態的對比規律。此外，目前建筑布局的三類典型形態中一般只研究了其中的一種，而實際上三類典型形態中有10 種常見基本形態[8,9,10,12]，另外7 種形態對人體舒適度的影響還有待研究。

本文以多種建筑布局形態舒適性為研究對象，通過對三類典型形態中的10 種常見基本形態理想模型的構建，采用城市微氣候仿真模擬軟件ENVI-met4.0 進行定量模擬。以期為規劃出滿足人們適用性和舒適性的建筑布局形態，構建宜居城市提供參考借鑒。

1 概況

1.1 建筑布局平面形態

從目前研究成果可知[8,9,10,12]，建筑布局平面形態最典型的是行列式、圍合式和點式（圖1）。

圖1 建筑布局三類典型形態示意圖

1.2 理想模型

由于建筑設計的相關規范[13-15]對建筑間的日照間距及防火間距等做了明確的確定，且容積率[16]一定時，不同的建筑布局形式會影響建筑外風熱環境舒適度。故本文以滿足日照間距、防火間距及容積率等參數為前提，研究理想模型設定如下：三類典型形態中的10 種常見建筑布局基本形態為行列式（建筑錯開式1、建筑錯開式2、單元錯開式1、單元錯開式2、）、圍合式（全圍合式、半圍合式1、半圍合式2、半圍合式3）和點式（規整式、自由式）（圖1）。地塊尺寸長×寬為226 m×168 m，容積率均控制為2.0，模型各參數詳見表1。模型內鋪裝材質相同，根據模型實際與城市設計理論戶外空間類型，在模型內公共空間、半公共空間均勻布置6 個傳感器（R1-R6），通過這6 個傳感器的各項數據（如溫度、風速和濕度）來計算舒適度指數，進而對不同建筑布局形態的舒適度進行評價。模型位于廣州肇慶，地理位置東經111°20′～112°52′，北緯22°45′～24°24′，研究采用聯合國環發署的SWERA（Solar and Wind Energy Resource Assessment Program）氣象數據作為對場地模擬分析數據庫。模擬日期為典型氣象日2015 年6 月22 日，模型設置開始時間凌晨5:00，初始溫度為26.5℃，高度10 m 處風速為3 m/s，風向為西北向135°，相對濕度為85%，總模擬時長24 h。

表1 模型參數設置一覽表

1.3 建筑布局室外人體舒適性的評價指標

人體舒適度指數[17-20]是從氣象角度來評價在不同氣候條件下人體的舒適感，根據人體與大氣環境之間的熱交換而制定的人體舒適度指數分級（表2）。

表2 人體舒適度指數分級[21]

人體的熱平衡機能、體溫調節、內分泌系統、消化器官等人體的生理功能，受到空氣溫度、濕度、氣壓、光照、風速等多種氣象要素的綜合影響。一般而言，氣溫、相對濕度、風速這三個氣象要素對人體感覺影響最大，人體舒適度指數就是根據這三項要素而建成的非線性方程。人體舒適度指數計算公式為：

其中Ssd為人體舒適度指數，t為平均氣溫（℃），f為相對濕度（%），v為風速（m/s）。

2 結果與討論

2.1 舒適度比較分析

對不同建筑布局形態的舒適度進行比較分析，其分析的時間點分別為6:00、10:00、14:00 及18:00（圖2）。

由圖2a 可知，6:00 在不同建筑布局中，感應器的舒適度指數大多在59.39～67.99 之間，處于人體舒適度的0 級，人體感覺最為舒適，最可接受，只有圍合形態中部分感應器在56.55～58.3 之間，處于人體舒適度的-1 級，人體感覺略偏涼，較為舒適。行列式、圍合式和點式這三類建筑布局形態中，感應器的舒適度指數范圍分別是59.39～65.00、56.55～67.99、60.66～63.81。大部分情況下，行列式和點式布局舒適性較好，圍合式舒適性相對較差。

由圖2b 可知，10:00 在不同建筑布局中，感應器的舒適度指數大部分在71.02～74.98 之間，處于人體舒適度的1 級，出現人體感覺偏暖的狀態，但較為舒適。少部分舒適度指數范圍在66.78～69.36 之間，處于人體舒適度0 級，人體感覺最為舒適，最可接受。極少部分舒適度指數范圍在76.02～78.78 之間，處于人體舒適度2 級，人體感覺不舒適，應注意防暑降溫。行列式、圍合式和點式這三類建筑布局形態中，感應器的舒適度指數范圍分別是69.81～72.89、68.85～76.02、67.71～69.32。點式布局較為舒適，其次是行列式，圍合式相對較差。

圖2 不同建筑布局形態人體舒適度

由圖2c 可知，14:00 在不同建筑布局中，感應器的舒適度指數主要集中在70.15～75.84 及76.15～79.96之間，分別處于人體舒適度的1、2 級，人體感覺分別為舒適與不舒適，對于不舒適的情況則應注意防暑降溫。少部分舒適度指數在79.08～90.65 之 間，處于 人體舒適度的3、4 級，極不舒適，應注意防暑降溫，以防中暑。行列式、圍合式和點式這三類建筑布局形態中，感應器的舒適度指數范圍分別是73.30～79.08、72.62～90.65、69.31～73.49。點式布局較為舒適，其次是行列式，圍合式相對較差。

由圖2d可知，18:00在不同建筑布局中，感應器的舒適度指數主要集中在64.47～69.86 及71.04～75.31 之間，分別處于人體舒適度的0、1 級，人體感覺分別是最為舒適與較舒適。少部分舒適度指數在76.36～83.00 之間，處于人體舒適度的2、3 級，人體感覺炎熱，不舒適，應注意防暑降溫。行列式、圍合式和點式這三類建筑布局形態中，感應器的舒適度指數范圍分別是69.81～74.82、67.59～83.71、64.47～70.52。故點式布局整體舒適性優于行列式，圍合式相對較差。

顯然，由模擬結果分析得出，大部分情況下，不同建筑布局的整體舒適性較好，而在14:00，人體舒適度指數大多為2 級，處于不舒適狀態。因此，這一時間點的數據將被用來分析和比較不同建筑布局的舒適性，以確定相對較舒適的建筑布局形態。

2.2 模擬結果比較分析

對14:00 三類10 種建筑布局的溫度、風速與濕度模擬結果進行分析（圖3～5）。

圖3 14:00 不同建筑形態1.5 m 高度處的溫度模擬結果圖

圖3 是14:00 不同建筑的溫度模擬結果圖。由圖3 可知，不同建筑布局的溫度在28.1～37.78℃之間，高于30.90℃為不可接受的溫度[22]，即為高溫區。建筑點式布局中的最高溫度比其它布局的最高溫度低3.11℃～8.34℃，且無高溫區；大部分情況下，建筑圍合式布局的最高溫度比其他布局形式的最高溫度高5.03～8.34℃，且高溫區面積相對較多；建筑行列式布局的整體溫度介于點式與圍合式之間，但單元錯開式1、單元錯開式2 的最高溫度比圍合式中的全圍合式、半圍合式1 的最高溫度高1.64℃，且高溫區面積較多。

圖4 是14:00 在不同建筑的風速模擬結果圖。由圖4 可知，不同建筑的風速在0.01～5.77 m/s 之間。建筑點式布局的整體風速比其他布局形態的整體風速高1.13～1.49 m/s，且風速高于1.40 m/s 的面積相對較多；圍合式布局的高風速區面積比行列式布局的高風速區面積多些，但大部分情況下，行列式布局的整體風速較圍合式布局的整體風速分布更均勻，且單元交錯式1、單元交錯式2的風速高于1.40 m/s 的面積，比圍合式中的全圍合式、半圍合式1 的面積多。

圖4 14:00 不同建筑形態1.5 m 高度處的風速模擬結果圖

圖5 是14:00 在不同建筑的濕度模擬結果圖。由圖5 可知，不同建筑的濕度范圍是50.05%～75.65%。建筑點式布局的整體濕度比其他布局的最高濕度低5.53%～12.27%。大部分情況下，建筑圍合式布局的最高濕度比其他布局形式的最高濕度高5.53%～6.74%，且濕度大的面積相對較多；建筑行列式布局的整體濕度介于點式與圍合式之間，但行列式中的單元交錯式1、單元交錯式2 的最高濕度區面積比圍合式中的全圍合式、半圍合式1 的最高濕度區面積多些。

圖5 14:00 不同建筑形態1.5 m 高度處的濕度模擬結果圖

為了進一步分析14:00 在不同建筑布局形態對人體舒適性的影響，將不同建筑布局形態人體舒適度指數列于表3 中。由表3 可知，建筑點式布局中，各感應器的舒適度指數在69.31～73.49 之間，比其它布局形態的舒適度指數小1～18，處于人體舒適度指數的0、1 級，為可接受的舒適狀態；圍合式布局形態中，感應器的舒適度指數范圍為72.62～90.65，處于人體舒適度指數的1～4 級，大多為不可接受的很不舒適狀態，其中，半圍合式2 感應器的舒適度指數最高，為82.51～90.65，相較其他布局形態，其舒適性為最不舒適；行列式布局形態中，感應器的舒適度指數范圍為73.3～79.08，處于人體舒適度指數的1、2 級，大多為不可接受的不舒適狀態，且大部分情況下，行列式中的建筑錯開式1、建筑錯開式2 感應器的舒適性比圍合布局形態的舒適性好，其舒適度指數相對小1～10，但圍合式中的全圍合式、半圍合式1部分公共空間的感應器（R2、R4、R6）舒適度指數，比行列式中的單元錯開式1、單元錯開式2 部分公共空間的感應器舒適性好，且其舒適度指數相對小1～4。故建筑點式布局的舒適性最好，其次為行列式中的建筑錯開式1、建筑錯開式2，最后是圍合式中的全圍合式、半圍合式1，整個研究范圍內，行列式布局中的單元錯開式與圍合式布局中的半圍合式3的舒適性比圍合式布局中的半圍合式2 舒適性好。

表3 14:00 不同建筑布局形態人體舒適度指數

3 結語

本文以多種建筑布局形態的舒適性為研究對象，通過對三類典型形態中的10 種常見建筑布局基本形態理想模型的構建，采用ENVI-met4.0進行定量模擬，得出以下結論：①多種建筑布局在6:00 時，舒適度指數范圍在57～68 之間，即建筑整體舒適性較好，與建筑布局形態無關。10:00 和18:00 時，建筑布局舒適度指數范圍在65～84 之間，點式布局與行列式布局的整體舒適性較好，舒適性最差的是圍合式布局形態，故人體舒適度與建筑布局形態有關。而多種建筑布局在14:00 時，舒適度指數范圍在70～91 之間，點式布局的整體舒適性較好，行列式與圍合式布局的部分舒適性不好，故人體舒適度與建筑布局形態有關。②在14:00 時，不同建筑布局形態的人體舒適性存在差異。具體情況如下：建筑點式布局（規整式、自由式）的舒適度指數相對較小，且在69.31～73.49 之間，其舒適度最好，最可接受；其次為行列式中的建筑錯開式1、建筑錯開式2；最后是圍合式中的全圍合式、半圍合式1。整個研究范圍內，行列式布局中的單元錯開式與圍合式布局中的半圍合式3 的舒適度比圍合式布局中的半圍合式2 舒適度好。