基于建筑室外風(fēng)環(huán)境的長春市高層住區(qū)建筑布局優(yōu)化策略

孫睿珩

(長春工程學(xué)院建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院，長春 130021)

0 引言

目前我國城市化進(jìn)程發(fā)展迅猛，城市人口激增，為滿足其所帶來的居住問題，高層住區(qū)在城市中大量興建，由此產(chǎn)生的高層住區(qū)風(fēng)環(huán)境問題日益顯現(xiàn)，特別是嚴(yán)寒地區(qū)，由于冬季寒風(fēng)凜冽且時(shí)間持續(xù)長，室外風(fēng)環(huán)境處理不當(dāng)對人體熱舒適性的影響尤為突出，集中體現(xiàn)在過高的建筑密度、容積率、建筑高度、不合理的建筑布局、組合方式造成局部強(qiáng)風(fēng)和惡性氣流，嚴(yán)重影響了居民室外活動(dòng)的舒適性和安全性。如何通過規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)手段營造舒適安全的高層住區(qū)風(fēng)環(huán)境，已經(jīng)逐漸被業(yè)界及設(shè)計(jì)師重視。本文采用CFD即計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法，對嚴(yán)寒地區(qū)典型城市長春市的高層住區(qū)萬科城進(jìn)行建筑風(fēng)環(huán)境模擬，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，對存在的風(fēng)環(huán)境問題提出相應(yīng)的優(yōu)化策略，以期為嚴(yán)寒地區(qū)高層住區(qū)創(chuàng)造節(jié)能、生態(tài)、宜居的室外風(fēng)環(huán)境提供有指導(dǎo)性的參考。

1 研究方法

1)利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)CFD(Computational Fluid Dynamics)，變量為不同建筑布局形式，其他實(shí)驗(yàn)條件為不變量，模擬出室外風(fēng)環(huán)境的特點(diǎn)。

2)生成風(fēng)環(huán)境分析圖，直觀地表達(dá)出室外風(fēng)環(huán)境所存在的問題并針對模擬結(jié)果提出建設(shè)性優(yōu)化策略。

3)模擬軟件選取PHOENICS。

2 建筑室外風(fēng)環(huán)境的影響因素

2.1 建筑高度

建筑高度的變化對室外風(fēng)環(huán)境的影響表現(xiàn)在隨著建筑高度的增加，建筑背風(fēng)面風(fēng)速、風(fēng)影區(qū)面積增加，并且渦流上升的范圍隨之增加。對高層住區(qū)而言，在前期場地規(guī)劃階段，建筑間距主要由日照間距和防火間距決定，使得樓宇之間的建筑室外風(fēng)環(huán)境更加復(fù)雜(表1，圖1)。主要表現(xiàn)為遮擋建筑迎風(fēng)面的風(fēng)速小于被遮擋建筑迎風(fēng)面的風(fēng)速，風(fēng)影區(qū)內(nèi)的風(fēng)速變化很小。當(dāng)遮擋與被遮擋建筑之間的建筑間距變大，被遮擋建筑的迎風(fēng)面風(fēng)速變化增加，形成的背風(fēng)面風(fēng)影區(qū)面積變大而風(fēng)速值增加幅度較小。

表1 不同建筑高度風(fēng)速表

圖1 不同高度建筑室外風(fēng)環(huán)境示意

2.2 風(fēng)向入射角度

室外風(fēng)環(huán)境另一個(gè)影響因素是建筑的迎風(fēng)面與風(fēng)向之間的入射角度，也稱為風(fēng)向投射角(表2，圖2)。不同的風(fēng)向入射角，風(fēng)環(huán)境不同。當(dāng)入射角度為0°時(shí)風(fēng)速值、風(fēng)影區(qū)面積值最大，渦流效應(yīng)最顯著，風(fēng)環(huán)境差；當(dāng)入射角度增至60°時(shí)，風(fēng)速值變化較小，而風(fēng)影區(qū)面積、渦流效應(yīng)顯著縮小，風(fēng)環(huán)境得到改善。這種關(guān)系表明，建筑間距在確保日照及防火間距滿足規(guī)范條件下，建筑朝向應(yīng)適當(dāng)與風(fēng)向形成入射角度，避免強(qiáng)風(fēng)直接吹向建筑迎風(fēng)面可以有效改善風(fēng)環(huán)境[1]。

表2 不同風(fēng)向入射角度風(fēng)速表

圖2 不同風(fēng)向入射角度建筑室外風(fēng)環(huán)境示意

2.3 建筑布局形式

不同的建筑布局也是影響建筑室外風(fēng)環(huán)境的重要因素。嚴(yán)寒地區(qū)高層住區(qū)的布局形式有行列式、錯(cuò)列式、半圍合式、圍合式。通過對不同布局形式的風(fēng)環(huán)境分析可知，半圍合式的風(fēng)速值最大，圍合式的風(fēng)速值最小[2]。行列式由于存在風(fēng)的狹管效應(yīng)導(dǎo)致比較明顯的局部瞬間氣流加劇，并且在背風(fēng)面的風(fēng)影區(qū)內(nèi)存在較多的渦流效應(yīng)(表3)。

表3 不同建筑布局形式風(fēng)速表 單位：m/s

綜合對以上室外風(fēng)環(huán)境影響因素的分析可總結(jié)出：改善建筑室外風(fēng)環(huán)境可以通過適當(dāng)?shù)亟档徒ㄖ叨取⒖s小建筑間距、增加建筑與風(fēng)向之間的角度、建筑布局形式盡量采用圍合式這幾種方式。

3 高層住區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬與優(yōu)化策略

3.1 高層住區(qū)室外風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

選取的典型嚴(yán)寒地區(qū)高層住區(qū)——長春萬科城一期工程作為模擬對象，該項(xiàng)目位于南關(guān)區(qū)凈月組團(tuán)，春水街與天富路交匯處，用地面積約6.68 hm2，容積率2.96，建筑密度18.1%。由10棟高層建筑組成，其中6棟為塔式高層，4棟為板式高層。

模擬軟件選取CFD中的PHOENICS，將項(xiàng)目平面CAD文件導(dǎo)入軟件中，模塊選用FLAIR，因高層建筑高度較高，建筑間距較大，故選取10 m×10 m的網(wǎng)格劃分，風(fēng)向選取長春市冬季盛行風(fēng)向——西南風(fēng)，風(fēng)速為冬季室外平均風(fēng)速3.9 m/s[3]。輸入?yún)?shù)條件后，由PHOENICS生成冬季風(fēng)速矢量圖(圖3)及風(fēng)速現(xiàn)狀圖(圖4)計(jì)算結(jié)果。如圖顯示，風(fēng)速值由弱到強(qiáng)對應(yīng)的顯示顏色由淺到深。結(jié)果顯示，因?yàn)樵撔^(qū)是由多個(gè)板式高層、塔式高層、多層公寓及沿街道布置的低層商鋪組成的相對圍合的空間，所以風(fēng)速較高區(qū)域位于場地西側(cè)和南側(cè)，為高層的迎風(fēng)面，建筑邊緣轉(zhuǎn)角位置角隅風(fēng)效果明顯，位于基地北側(cè)的板式高層，由于長度及高度值大，迎風(fēng)面積大，風(fēng)速值同樣較高，且轉(zhuǎn)角處角隅風(fēng)明顯，建筑的背風(fēng)面形成范圍很大的風(fēng)影區(qū)。

圖3 長春萬科城一期冬季風(fēng)速矢量圖

圖4 長春萬科城一期冬季風(fēng)速現(xiàn)狀圖

3.2 優(yōu)化策略

根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果評價(jià)的圖示，可以直觀地顯示出計(jì)算區(qū)域內(nèi)風(fēng)速過大所造成的風(fēng)環(huán)境不利的區(qū)域，針對其提出風(fēng)環(huán)境優(yōu)化策略(圖5)。網(wǎng)格尺寸為10 m×10 m，顏色的由淺到深對應(yīng)風(fēng)速值的由小到大。

圖5 長春萬科城冬季風(fēng)環(huán)境評價(jià)圖

3.2.1 建筑朝向、布局及平面形式優(yōu)化

應(yīng)盡量避免高層建筑垂直于盛行風(fēng)向，使盛行風(fēng)向與建筑呈一定的入射角度可以有效削弱風(fēng)力；從建筑布局角度，對于嚴(yán)寒地區(qū)，宜采用半圍合式建筑布局，利用建筑自身的遮擋作用來抵御冬季寒風(fēng)。從模擬結(jié)果看，萬科城一期項(xiàng)目內(nèi)高層建筑南北朝向，長春市冬季盛行風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，場地的西南角布置了塔式高層，其建筑朝向與盛行風(fēng)向角度接近45°，并且由于塔式高層較板式高層更合理的長寬比，有效地減弱了角隅風(fēng)，但西側(cè)及西南角的兩棟塔式高層建筑之間沒有底層商鋪，建筑間缺少必要的圍合，所以在建筑轉(zhuǎn)角及左側(cè)活動(dòng)場地內(nèi)人行高度處的風(fēng)速值仍較大，風(fēng)環(huán)境不理想；南側(cè)的小區(qū)出入口位置及高層與底層商鋪之間的開口造成了很強(qiáng)的風(fēng)狹管效應(yīng)，并在主入口后側(cè)高層住宅的作用下，風(fēng)力加強(qiáng)，嚴(yán)重影響了右側(cè)園區(qū)內(nèi)活動(dòng)場地的人行高度處風(fēng)環(huán)境。針對模擬結(jié)果，該小區(qū)風(fēng)環(huán)境優(yōu)化策略可以針對西側(cè)、西南角塔式高層之間以及南側(cè)出入口與塔式高層之間開口位置合理設(shè)置底層商鋪來增強(qiáng)圍合度，利用建筑本身的遮擋作用，削弱風(fēng)力，并設(shè)置綠植、擋風(fēng)板、建筑小品等設(shè)施進(jìn)一步削弱人行高度處的強(qiáng)風(fēng)，為園區(qū)場地內(nèi)人行高度處提供較舒適的風(fēng)環(huán)境。

3.2.2 風(fēng)場及功能布局優(yōu)化

顏色最深(黑色)區(qū)域風(fēng)速值≥6.85 m/s，風(fēng)速較強(qiáng)，舒適度差，為保證安全及改善人行高度處舒適度，不宜布置室外活動(dòng)場地，可以利用植被，如低矮灌木結(jié)合停車位布置及高大喬木作為風(fēng)屏來抵御強(qiáng)風(fēng)；深灰色區(qū)域風(fēng)速值≥5.33 m/s，雖較黑色區(qū)域風(fēng)速值有所降低，但風(fēng)速值仍較大，并且渦流效應(yīng)明顯，行人高度處風(fēng)環(huán)境舒適度仍不理想，需要注意垃圾及揚(yáng)塵隨風(fēng)吹起所引起的環(huán)境衛(wèi)生問題，可通過種植高大喬木配合低矮灌木的立體植被來削弱風(fēng)力；淺灰色區(qū)域風(fēng)速值≥3.23 m/s，風(fēng)速值進(jìn)一步降低，風(fēng)環(huán)境得到充分改善，可以充分利用此區(qū)域布置居民的室外活動(dòng)場地；顏色最淺的白色區(qū)域?yàn)榻ㄖ筹L(fēng)面風(fēng)影區(qū)，風(fēng)速值在0.07～2.36 m/s之間，同樣可作為冬季室外活動(dòng)場地。

3.2.3 綠化配置及防護(hù)措施優(yōu)化

可利用植物及各種建筑小品的遮擋作用作為調(diào)節(jié)改善局部風(fēng)環(huán)境的重要手段。可選擇在小區(qū)出入口、建筑間開口處、建筑的角部種植比較高大的喬木樹種作為園區(qū)行道樹，有效削弱強(qiáng)風(fēng)對行人舒適度的影響；也可充分利用低矮的喬木來減小風(fēng)影區(qū)內(nèi)的渦流，結(jié)合停車位、健身場地營造好的室外活動(dòng)場地；建筑小品的選用，如景觀墻、亭、連廊等也有阻擋氣流，降低風(fēng)速的作用并能夠削弱風(fēng)狹管效應(yīng)造成的瞬時(shí)強(qiáng)風(fēng)。

4 結(jié)語

嚴(yán)寒地區(qū)高層住區(qū)的冬季室外風(fēng)環(huán)境，直接影響著居民的生活環(huán)境和生活品質(zhì)，同時(shí)對降低冬季采暖能耗、改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境及營造良好的室外舒適微氣候意義重大。通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法，對嚴(yán)寒地區(qū)典型城市——長春市的高層住區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究、分析，提出有效的優(yōu)化策略，以期為長春市高層住區(qū)未來的建設(shè)提供有效的建議。