考慮步行環境優適原則的局地風環境調試研究
——以杭州某高校局地建筑群為例

姚欣雨，戴 潔，洪鑫源，何瓏俏，趙一芳，許俊娜

（浙江樹人學院，杭州 310015）

隨著社會、經濟的高速發展，城市集聚度與日俱增，建筑的集聚明顯改變了城市的局地風環境。我國當前大部分城市的氣候特征表現為典型的靜風狀況，但總有少數風廊會出現大風或者巨大風，這種狀況并不是由于自然大氣環境的改變而造成的，而是與城市本身建設狀況密切相關。Portsmouth市的1位老太太在16層大廈的拐角處被強風刮倒，200 m高的京廣中心附近行人屢被大風吹倒，還有致使高層玻璃被強風破壞而跌落砸到行人的問題頻頻出現。由此可見，不合理的城市風環境不僅降低了城市的通風與自凈能力，加劇城市空氣污染與熱島效應，影響建筑微氣候，而且在超常局地風速產生時，建筑之間會產生較強峽谷風，影響行人的舒適與安全。

1 風環境舒適度相關領域研究

通過對風環境相關文獻的調查研究發現，目前風環境影響研究在工程學等領域，已有多位學者利用計算流體力學（CFD）法、風洞試驗法等對建筑與風環境相關關系進行了實驗，并取得相關成就。但在規劃設計領域，雖然也有不少學者提出了以個案為主的研究，但尚未有系統的成果。在城市微氣候的研究中，我國起步較晚，其中建筑學、城鄉規劃學及風景園林這3大學科更關注的主要是調節微氣候環境的各種措施，我國在街區尺度進行城市微氣候的研究也主要集中在這3個學科。本次研究將以冬冷夏熱地區某高校建筑群為測試對象，利用模型仿真與Phoenics軟件測試進行模擬分析，從而找到風廊形成規律，并嘗試通過對周邊環境元素的改變，改善行人高度的局地風環境的舒適度，提出解決辦法。

2 風環境舒適性的評價標準

在城市風環境研究中，作為承受主體的行人對于風環境的感知是測試風環境優劣的關鍵依據，人體感受舒適度范圍為風速5 m/s以下，而風速10 m/s以上人的行為受到嚴重影響，另外在GB/T 50378—2014《綠色建筑評價標準》中，提出了建筑風環境的相關要求，該標準重點針對室外人行區域的舒適性、建筑區域的滯風、渦旋現象等問題提出相關指標要求：①人行區域距地1.5 m高處的風速小于5 m/s；②地面1.5 m高處的風速與開闊地面同高度風速之比小于2；③嚴寒、寒冷地區冬季保證除迎風面之外的建筑物前后壓差不大于5 Pa；④夏季、過渡季要求建筑前后壓差大于1.5 Pa，以有利于室內自然通風。根據這些風環境指標，在設計階段可以根據局地的氣象條件，對建筑物的室外風環境做出模擬，從而分析建筑群中建筑的布局關系對室外風環境的影響，并通過分析對比，提取風環境中主要的影響因子，從而進行更進一步的深入分析。

3 建筑群風環境測試——以浙江省某高校建筑群建筑風環境為樣本

自然界的風環境是錯綜復雜的，本實驗將建筑群從城市復雜建成環境中剝離出來進行仿真模擬，以討論單一的影響因子對于風環境的影響程度，因此本樣本建筑群模型以獨立于城市建成區的方式建立。

3.1 基本概況

本測試樣本位于浙江省杭州市某高校南校區內，北側是城市支路，南側是校區內的核心廣場，東側和西側分布禮堂、實驗大樓等建筑。測試對象主要問題是，在常規的大氣氣象條件下，該建筑群北側經常出現較強峽谷風，并時常伴有極端大風，特別是在風雨天氣狀態下，局地將出現15 m/s以上的極端風力環境，對行人造成極大的困擾。以下將通過數字模擬的方式重現該區域的局地微氣候狀態。

3.2 建筑物幾何模型的建立

本項目通過建立SU數字模型，采用Phoenics軟件實現室外風環境的數字仿真模擬實驗。該實驗通過對該樣本建筑群北側不同氣象條件下風環境的變化建模分析，了解該類型建筑群風環境的形成規律。本實驗設定風向為SOUTH-EAST，風速為5 m/s，風的類型為Open flat terrain，grass，few isolated obstacles，選 擇Turbulence models：KEMODL。在對分析網格進行調整后，迭代值設為500進行計算。

在前述條件下通過模擬分析，取樣本區域Z軸離地高度1.5 m水平面作為行人感受高度的風環境仿真區域，該區域所形成的平均風速為3.36 m/s（圖1），在建筑群周邊區域的風速相對較小，甚至出現較多的靜風區，而在圖信大樓的北側形成了明顯的強風區，風速最大達到7 m/s。該建筑北面強風區的風壓大約在-30～-5 Pa。在周邊風速處于舒適度小于5 m/s的前提下，行人步行至圖信大樓北側，則明顯感覺風力加強，這與實際空間中的風環境調研狀態相吻合。而在環境風速處于大風環境時，體感尤為明顯，當環境風速增加至7 m/s時，則觀測點的風速增強至10 m/s，超過了行人舒適度范圍。

圖1 現狀建筑群風速分析圖

3.3 改變相關的環境元素對強風環境進行改善

面對錯綜復雜的自然環境和人工環境的共同作用，無法如實還原真實環境，也無法將所有的影響因子都考慮周全，但是作為影響因素的對比研究，只需要提取其中的關鍵因素加以分解測試，就能夠從復雜元素中提取部分關鍵的影響元素，從而對風環境的優化提出更具針對性的措施。根據目前國內外對風環境研究的主要觀點，大致梳理出以下幾點比較典型的改善途徑：①改善建筑材質屬性（籬笆），降低空間的蓄熱能力，并增強散熱能力；②增加水體和綠化的空間分布（防風林帶），不僅能有效改善風環境的舒適度，也能在夏天滿足遮蔭面積的需求，調節微氣候，從而提升整體環境的舒適感；③選擇合理的建筑錯動（天棚、附設建筑）；④合理的建筑高度和體量組合，不合理的高度差不僅會導致迎風建筑氣流極易進入道路空間，且由于高度和體量差帶來的日照差異，影響了微氣候。⑤選擇適當的迎風界面/入口（擋風墻），不同迎風口對風環境和微氣候的影響存在較大的差異。

結合上述的常規改善途徑和本測試樣本的可行性，嘗試分別從風廊內部和外部2個大的方面進行改變，而風廊內部則選取行人高度的水平向元素和垂直向元素2個維度進行分析，嘗試討論環境元素對風環境的影響程度，從而實現行人高度風環境的優化改造。以下是對樣本進行改善的3個方案。

3.3.1 方案一：廊道頂棚刪減

根據對風廊內部水平環境元素的分析，圖信大樓與禮堂之間的走廊頂棚可能是造成風環境極端化的重要原因之一，因此方案一首先刪減走廊頂棚。在保持與前述現狀模型一致的環境條件下，通過模擬分析的方法，得出通過刪減廊道頂棚的確可以分散強風走廊的風速和壓力。在相同區間跨度的風壓和風速下，其所顯示的高速風區有所減小，最大風速減小到約6.00 m/s，但是效果并不十分顯著。

3.3.2 方案二：改變圍墻密實度

根據對風廊內部垂直環境元素的分析，要改變建筑的開口方式在實際操作中難度較大，因此考慮建筑北面長距離的密實圍墻，因其也可能成為風環境的重要影響因素。方案二因此改變圍墻形式，將外圍墻體鏤空，增加南北向通風空隙。在相同的環境條件下，通過仿真模擬分析，得出通過改變廊道的密實程度雖然可以分散走廊的風速和壓力，但效果同樣不是非常明顯，在相同閾值的風壓和風速下，平均風速保持在3.36 m/s，最大風速約為7.33 m/s。其對局地風環境的影響不大。

3.3.3 方案三：設置廣場樹陣

根據對風廊外部環境元素的分析，考慮風環境成因的空間因素，圖信大樓東南面的廣場開闊空間是造成風環境極端化的重要原因，因此在圖信大樓的東面種植平均高度15 m的喬木樹陣。通過仿真模擬分析，得出通過增加樹陣可以有效分散走廊的風速和壓力。在相同閾值的風壓和風速下，風壓和風速都明顯減小了，相對風壓區間縮小到約-6.0～-2.0 Pa；最大風速減小到5.24 m/s，且大部分區域都處于3～5 m/s的舒適風速范圍之內（圖2）。由測試可見，該方案對于風廊風環境的改變最為明顯。

圖2 設置樹陣后風速分析圖

4 建筑群風環境影響因子分析

以上某高校的建筑群的特殊風環境狀態為研究主體，結合建筑群的風環境仿真模擬，討論建筑群風環境影響因素以及改變的方式。通過測試，方案三增加樹陣的方式，對建筑風環境的改善最為有效。其次是方案一走廊頂棚刪減，而方案二改變圍墻密實度則遜色于方案一和方案三，但也對建筑風環境改善有一定作用。

從結果來看，相對獨立的一組建筑群在改變其部分環境元素的前提下，風環境將會產生不同的變化，作為對已建成區域風環境的改善來說，建設的成本和可行性是其中需要重點考慮的一個內容，結合各類復雜的社會因素，本文提出并測試了以上3種方案，從分析結果可以總結出以下幾點。

一是從風的行進路線上考慮，風環境的成因中入口和通道是重要的因素，而改善的方法宜從根源治理，即優先考慮入口因素，解決入口的布局方式，能從根源解決問題，并且更為有效，這從方案三對風環境的改變足以看出入口的重要性。

二是對于已建成建筑群來說，空間的基本尺度已經固定，對其局部構建（考慮建設成本及可行問題，建筑的改建無法大規模進行）的改變對風環境的影響不大，因此，改善的方式應從大尺度上的布局來考慮，方案一和方案二在尺度上遠不如方案三的規模大，而結果顯示較大規模的布局的確能夠顯示更好的改善效果。

三是從改造的可能性和可行性來討論，相對于建筑本身的改建，環境元素的改變，如植被、水體、景墻等，對風環境能夠起到較為有效的改善，且更容易實施。

5 結束語

綜上所述，城市的建成環境復雜多樣，其對自然環境的影響有積極的也有消極的，甚至有可能是災難性的，作為城市聚居主體的人對于室外環境的感受直接影響城市的活力。本文通過對樣本區域風環境的測試分析，通過數值模擬的方式找出改善風環境適宜度的途徑。對于已建成區域的風環境改善來說，可以通過改變建筑物外立面或者風廊行進路線上的構筑物、風廊區域的環境景觀軟硬件、周邊附屬物等方式，在一定程度上改善風環境，從而調節局地微氣候，提升行人高度微環境的舒適度。但同時，也需要反思，對于處于規劃設計階段的項目方案，如果能夠在方案階段就考慮項目的微氣候問題，以及該項目對于所在區域的微氣候影響，就能夠減少更多的局地微氣候災害，提升城市整體的微氣候環境，從而大幅提升城市的活力。本文僅以冬冷夏熱地區某城市的某建筑群為樣本，從幾種方式上探討了建成環境中局地風環境的改善路徑問題，拋磚引玉，希望能有更多更深入的研究來提升城市環境的宜居性和活力。