基于道路氣流特征的城市廣義通風(fēng)廊道模擬研究——以衡陽縣為例

王桂芹，胡燕，鄭伯紅

基于道路氣流特征的城市廣義通風(fēng)廊道模擬研究——以衡陽縣為例

王桂芹1，胡燕1，鄭伯紅2

(1. 湖南科技大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2. 中南大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410075)

隨著城市可持續(xù)發(fā)展及城市品質(zhì)提升的關(guān)注，旨在緩解城市熱島效應(yīng)的通風(fēng)廊道構(gòu)建成為研究熱點。結(jié)合城市氣候知識、地理信息技術(shù)及城市空間模型，以衡陽縣為例，在城市通風(fēng)路徑研究的基礎(chǔ)上，探索基于城市道路氣流特征及綠地空間布局優(yōu)化的城市廣義通風(fēng)廊道構(gòu)建的基本思路，并依托FLUENT數(shù)字模擬平臺，多尺度評估分析通風(fēng)廊道設(shè)計方案，反饋于廣義通風(fēng)廊道的規(guī)劃設(shè)計，提出相應(yīng)的空間規(guī)劃策略和管控措施，為城市廣義通風(fēng)廊道研究提供思路。

道路氣流特征；廣義通風(fēng)廊道；模擬研究

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，城市高密度地區(qū)的迅速發(fā)展成為新的發(fā)展趨勢，并且愈演愈烈。然而，這些城市地區(qū)存在大量與風(fēng)有關(guān)的環(huán)境問題，比如熱量和污染物的堆積。城市通風(fēng)廊道在緩解城市熱環(huán)境、促進(jìn)污染物擴散方面具有積極的作用[1]。道路作為城市連續(xù)的開放空間，對人行高度水平的城市風(fēng)環(huán)境改善至關(guān)重要，城市道路通風(fēng)廊道的規(guī)劃設(shè)計一般結(jié)合城市綠地、河湖水系、城市開敞空間等組合成復(fù)合多元的具有通風(fēng)散熱的廣義通風(fēng)廊道[2]。大量學(xué)者基于城市道路與城市通風(fēng)散熱的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)研究。HE等[3]通過設(shè)置情景模式利用CFD模擬進(jìn)行了在高密度城市地區(qū)道路型式對行人高度風(fēng)環(huán)境影響的參數(shù)化研究；Hsieh等[4]利用GIS及CFD模擬分析了城市主要通風(fēng)走廊的布局，并提出緩解城市熱島效應(yīng)的策略；錢龍[5]利用Phonices模擬分析了山區(qū)路網(wǎng)與城市風(fēng)環(huán)境的關(guān)系；柏春[6]論證了基于氣候特征的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與城市風(fēng)環(huán)境的關(guān)系，劉沛等[7]以廣東省南雄市為例，利用CFD進(jìn)行了濕熱地區(qū)廣義通風(fēng)廊道的模擬研究，通過整合城郊氧氣庫、綠地、濱河水體等要素構(gòu)建城市廣義通風(fēng)廊道，并利用CFD反饋模擬評估了通風(fēng)廊道設(shè)計方案，指導(dǎo)規(guī)劃設(shè)計。根據(jù)已有城市通風(fēng)廊道的研究成果，由于城市下墊面的異質(zhì)性以及城市空間形態(tài)的復(fù)雜性，城市單一通風(fēng)廊道的構(gòu)建是不可能的，城市多級通風(fēng)廊道的構(gòu)建是現(xiàn)實可行的[8]。研究基于多源數(shù)據(jù)信息，如城市氣候觀測、城市基礎(chǔ)通風(fēng)條件、城市空間形態(tài)、城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃等，并綜合運用GIS空間數(shù)據(jù)分析、CFD數(shù)值模擬技術(shù)等技術(shù)手段，對基于道路氣流特征的多級通風(fēng)廊道進(jìn)行模擬研究，保證研究的系統(tǒng)性和整體性，力求全面反映衡陽縣城市的通風(fēng)潛力及風(fēng)環(huán)境特征。

1 研究區(qū)域的基礎(chǔ)通風(fēng)條件

1.1 風(fēng)熱環(huán)境

衡陽縣屬亞熱帶季風(fēng)氣候，春夏多雨，秋冬干燥，冬寒夏熱，四季分明。在《建筑氣候區(qū)劃》中屬于ⅢB(夏熱冬冷)氣候區(qū)，《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》對該地區(qū)的要求是充分考慮夏季防熱，可不考慮冬季保暖。1月平均氣溫比較低，只有4.6 ℃，7月平均氣溫較高，溫度為29.3 ℃，城區(qū)年平均氣溫為18.5~20.2 ℃，冬季盛行偏北風(fēng)，夏季盛行偏風(fēng)，全年主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)，平均風(fēng)速為2.0 m/s，最大風(fēng)速25 m/s。

1.2 空間形態(tài)

衡陽縣城市空間特色明顯，屬于典型丘陵地貌形態(tài)，一水貫城，地勢東北高，西南低，老城區(qū)及西渡具有較高的建筑密度，綠地空間明顯不足，外圍生態(tài)環(huán)境良好，有大量山體和農(nóng)田環(huán)繞，東北部的高覆蓋率山體植被是城市新鮮空氣的來源。在城市常年主導(dǎo)風(fēng)的影響下，東北方向的新鮮空氣沿道路、綠地和開敞空間縱深蔓延，城市內(nèi)部空間地勢相對比較平坦，主要道路構(gòu)成了城市的主要通風(fēng)廊道(圖 1)。

圖1 城市空間要素

2 研究方法與思路

研究基于計算流體動力學(xué)分析方法(Comput- ational Fluid Dynamics, CFD) FLUENT，求解步驟包括：創(chuàng)建幾何模型，啟動FLUENT求解器，導(dǎo)入網(wǎng)格模型，網(wǎng)格質(zhì)量自檢(確定是否可以求解)，顯示網(wǎng)格，選擇求解器及運行環(huán)境，決定計算模型，設(shè)置材料特性，設(shè)置邊界條件，調(diào)整用于控制求解的有關(guān)參數(shù)，初始化流場，開始求解，收斂，求解結(jié)果后處理[9]。由于城市數(shù)字模型涉及數(shù)據(jù)量繁雜，利用FLUENT運算之前，需要對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以促進(jìn)收斂。

研究采用FLUENT模擬技術(shù)對基于城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃及城市通風(fēng)路徑構(gòu)建的城市多級風(fēng)道進(jìn)行模擬運算，為城市廣義通風(fēng)廊道的構(gòu)建提供思路，具體的研究思路如圖2所示。

圖2 研究思路框架圖

2.1 宏觀尺度對城市風(fēng)系統(tǒng)的模擬分析

2.1.1 數(shù)字模型建立

在不影響區(qū)域氣流大致走向的前提下，以衡陽縣主要干、次道為界限，忽略了縣城內(nèi)部的一些支路，基于城市空間要素的提取，綜合考慮建筑高度、建筑密度等因素，部分地塊合并為整體，同時參考曹靖等[10]在安慶市中心城區(qū)以及李鹍等[11]的武漢城市模型簡化方法，對衡陽縣城的中心城區(qū)模型進(jìn)行了相關(guān)整合(圖3) 。

2.1.2 邊界條件設(shè)置

FLUENT模擬時，參數(shù)的設(shè)置是CFD模擬的關(guān)鍵步驟之一，參數(shù)設(shè)置的正確與否直接影響計算結(jié)果的成敗。模型中的各種要素都應(yīng)該在參數(shù)的設(shè)置中體現(xiàn)出來。由于模型自身存在導(dǎo)熱性以及與外界存在熱量交換的特性，應(yīng)該考慮對流換熱系數(shù)(表1)。

圖3 城市數(shù)字模型

表1 宏觀尺度 CFD模擬參數(shù)設(shè)定

2.2 建筑物可分辨風(fēng)場數(shù)值模擬

通過大量實際調(diào)研、地形圖資料以及Google衛(wèi)星影像，衡陽縣老城區(qū)的建筑基本呈行列式布局模式，部分點式建筑點綴。分別選取了行列式(圖4)、點群式(圖5)建筑群利用FLUENT中RNG-湍流模型對該建筑物進(jìn)行可分辨風(fēng)場的數(shù)值模擬，對通風(fēng)能力進(jìn)行評價。模擬中使用有限體積法，采取symmetry 壁面模式及 SIMPLE壓力—速度耦合模式，求解部分采用欠松弛技術(shù)進(jìn)行迭代，初始風(fēng)速設(shè)置為2 m/s。具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖4 行列式建筑模型

圖5 點群式建筑模型

表2 建筑物尺度CFD模擬參數(shù)設(shè)定

3 城市通風(fēng)廊道的構(gòu)建

3.1 通風(fēng)路徑劃分

風(fēng)道是指空氣動力學(xué)粗糙度較低、氣流阻力較小的區(qū)域。改善空氣質(zhì)量，促進(jìn)氧氣彌散以及污染物的擴散，防止熱應(yīng)力出現(xiàn)，必須盡量消除風(fēng)環(huán)流，同時盛行風(fēng)向城市中心流通的通道需要確保暢通尤為關(guān)鍵[12]。風(fēng)道的形成基于城市道路、地表的粗糙程度、建筑物的高度和建筑密度等因素。

基于ARCGIS的坡度、坡向及高程分析，綜合考慮建筑密度、道路走向及地形地貌，建立城市通風(fēng)路徑。衡陽縣地形北高南低，東北部城郊大量的山體綠地覆蓋，可以作為城市“新鮮氧氣庫”，城市道路與綠化空間串聯(lián)起來作為城市的通風(fēng)廊道，在主導(dǎo)風(fēng)的作用下，大量新鮮氣流被導(dǎo)入城區(qū)，城市的綠地斑塊作為降溫節(jié)點，整個城市的空間環(huán)境可以形成通風(fēng)口—廊道—節(jié)點的有機熱環(huán)境效應(yīng)模式，最大化的發(fā)揮基于道路氣流特征的綠地?zé)岘h(huán)境效應(yīng)。

圖6 建筑密度

建筑密度主要分為以下4個主要群組(圖6)： 1) 50%以上的高密度城區(qū)，建筑密集，綠地空間匱乏，通風(fēng)環(huán)境較差；2) 30%~50%的中高密度城區(qū)，綠地空間布置連續(xù)性、系統(tǒng)性有待加強，道路通風(fēng)廊道體系不順暢；3) 10%~30%的中密度城區(qū)，高新產(chǎn)業(yè)聚集，道路開闊順暢，綠化水平高，通風(fēng)環(huán)境良好；4）由綠地構(gòu)成的低密度城區(qū)，是供應(yīng)中心城區(qū)的“新鮮空氣庫”及通風(fēng)環(huán)境優(yōu)化的“導(dǎo)風(fēng)口”。

3.2 基于城市道路氣流特征的通風(fēng)廊道設(shè)計

本文建立城市通風(fēng)潛力格局與城市道路及綠地系統(tǒng)規(guī)劃的對等關(guān)系[13]，建立基于城市道路氣流特征的城市廣義通風(fēng)廊道，以案例地區(qū)的道路系統(tǒng)規(guī)劃以及綠地系統(tǒng)規(guī)劃為藍(lán)本，在城市通風(fēng)路徑研究的基礎(chǔ)上，在城市建成區(qū)內(nèi)部構(gòu)建貫通城市，并與外圍郊野直接溝通的大型廣義通風(fēng)廊道(圖7)。

圖7 城市通風(fēng)廊道設(shè)計

依據(jù)風(fēng)道的管控及相關(guān)設(shè)置要求，參考武漢、長沙等城市的風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)置體系，研究提出衡陽縣中心城區(qū)的通風(fēng)廊道體系為“新鮮空氣庫+3級風(fēng)道”的組成結(jié)構(gòu)。新鮮空氣庫是位于城市上風(fēng)向的大型楔形綠地[14]，把大量新鮮空氣輸入城區(qū)；1級通風(fēng)廊道為結(jié)合城市主要干道、城市林蔭帶以及串聯(lián)起的大面積綠地公園，總體上形成的平行于城市主導(dǎo)風(fēng)方向，通風(fēng)潛力較大的地區(qū)以及依托自然生態(tài)基質(zhì)，由河流、濱河綠化與周邊低密度開發(fā)區(qū)域融合而成的生態(tài)開敞區(qū)域。2級通風(fēng)廊道主要沿城市次干道、林蔭地帶及建筑兩側(cè)空地形成，切割城市熱場，連通城市氧源及建筑密集區(qū)，促進(jìn)城市內(nèi)部氣流循環(huán)以達(dá)到新鮮空氣內(nèi)滲的目標(biāo)；3級通風(fēng)廊道由建筑群體內(nèi)部的小型綠地、道路構(gòu)成，由于下墊面在接收太陽輻射產(chǎn)生的壓力差，促使綠源風(fēng)的內(nèi)部擴散。

本文建立一個沿沅水流域的“環(huán)形通風(fēng)廊道”、順應(yīng)主導(dǎo)風(fēng)向的6條“軸線”1級通風(fēng)廊道，基于城市主要干道系統(tǒng)的2級通風(fēng)廊道，搭建了三維模擬區(qū)域空間的通風(fēng)廊道系統(tǒng)(圖8)。對依托于城市道路及綠地系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計方案所構(gòu)建的綠地通風(fēng)廊道，在城市通風(fēng)理論的相關(guān)支撐下，利用CFD軟件進(jìn)行模擬與反饋，對于科學(xué)引導(dǎo)城市規(guī)劃的編制以及論證綠地的熱環(huán)境效應(yīng)提供了有益途徑。

圖8 城市通風(fēng)廊道空間模型

4 基于CFD模擬的城市通風(fēng)道設(shè)計的反饋及空間管控

4.1 城市通風(fēng)路徑的建立

通過衡陽縣地形的高程、坡度、坡向以及模型分析，通風(fēng)路徑被分割基于以下要素的組合：城市道路、山體環(huán)境、建筑空間及城市空間，在城市東北部有清水壟公園以及大量的農(nóng)田，植被覆蓋率高是城市新鮮氧氣庫的來源，谷床、沅水以及主要道路為城市通風(fēng)提供了最佳的路徑(圖9)。

圖9 城市通風(fēng)路徑

綜合考慮通風(fēng)路徑、道路、建筑高度、建筑密度等因素，為確保充足的通風(fēng)，城市建設(shè)應(yīng)該堅持下面的指導(dǎo)方針：1) 限制城區(qū)東南方向高樓大廈的建設(shè)，建筑街道的街寬比控制在小于1，增加道路氣流空間的均衡感及寬敞流動感，如新正街和清江路；2) 順應(yīng)主導(dǎo)風(fēng)向的道路兩側(cè)確保是低建筑密度軸，不應(yīng)該是密集的防風(fēng)林；3) 道路應(yīng)該與綠色空間有機串聯(lián)，形成城市的綠色通風(fēng)走廊。遵循這些指導(dǎo)方針可以確保通風(fēng)良好，對城市空氣質(zhì)量產(chǎn)生積極影響。

4.2 宏觀尺度模擬分析

區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)通過街道向城市縱深蔓延，在主城區(qū)東北部，由于街道順應(yīng)了主導(dǎo)風(fēng)的走向，建筑空間比較分散，氣流運行活躍，風(fēng)受到阻力比較小，幾條主要街道的風(fēng)速比較大，形成了明顯的通風(fēng)走廊，并且東西方向及南北方向的主干道氣流運行都比較順暢，基本沒有出現(xiàn)死風(fēng)區(qū)。中心城區(qū)內(nèi)部，由于建筑密集，路網(wǎng)密度大且布局不規(guī)則，沒有順應(yīng)主導(dǎo)風(fēng)的走向，所以風(fēng)速比較小。氣流經(jīng)過城市中心區(qū)，幾條通風(fēng)廊道氣流疊加，在城市外圍風(fēng)速驟然增加，風(fēng)環(huán)境良好。

圖10 城市宏觀尺度風(fēng)環(huán)境模擬

宏觀尺度模擬顯示(圖10)，大致形成了順應(yīng)主導(dǎo)風(fēng)向的道路綠地通風(fēng)廊道，清江路通風(fēng)廊道、蒸陽大道、新正街、向陽路等道路主要通風(fēng)廊道。雖然通風(fēng)廊道的系統(tǒng)性有待加強，但是氣流向老城區(qū)內(nèi)部滲透，改善了老城區(qū)內(nèi)部的風(fēng)環(huán)境。清水壟公園—米子公園—船山廣場—英南健身公園形成了城市主要的通風(fēng)廊道，主要道路順應(yīng)城市主導(dǎo)風(fēng)向，與綠地開敞空間的結(jié)合，對于改善城市風(fēng)環(huán)境起到重要的作用，成為城市通風(fēng)最良好的區(qū)域。由向陽路串聯(lián)的貓形山公園、半山公園，綠源中心與道路的有機融合，連通位于城市中心的中洲公園，打通了城市弱通風(fēng)量地區(qū)。城市西面雖然規(guī)劃了大面積的虎形山公園，由于沒有與城市的主導(dǎo)風(fēng)向以及城市道路貫通結(jié)合，所以對于城市風(fēng)環(huán)境的影響還是有限。

建立通風(fēng)廊道的主要措施就是整合城市的道路骨架系統(tǒng)、綠地及水體進(jìn)行有機的串聯(lián)，順應(yīng)城市的主要風(fēng)向，優(yōu)化城市建筑空間總體布局，保護和預(yù)留城郊的“新鮮氧氣庫”，引導(dǎo)城市通風(fēng)。本階段只能提取宏觀尺度的城市風(fēng)環(huán)境，主要模擬了基于城市一級、二級通風(fēng)廊道作用下的風(fēng)場分布，基于道路氣流特征的三級通風(fēng)廊道的識別，還需要應(yīng)用FLUENT對典型建筑組團進(jìn)行較為全面的模擬計算與分析。

4.3 建筑尺度模擬分析

基于宏觀尺度的模擬分析結(jié)果，重點選擇衡陽縣的典型建筑組團內(nèi)部進(jìn)行深入細(xì)化的模擬研究，識別城市3級通風(fēng)廊道，仿真分析建筑尺度的通風(fēng)環(huán)境。

FLUENT模擬結(jié)果顯示(圖11和圖12)，建筑與道路平行于主導(dǎo)風(fēng)，由于路網(wǎng)具有明確的方向性與導(dǎo)向性，引導(dǎo)氣流順利進(jìn)去建筑群體空間，在中間建筑物比較稀疏的區(qū)域，風(fēng)速驟然增加，風(fēng)環(huán)境良好；而在建筑物密集區(qū)，氣流運行受阻，在建筑背面形成渦流區(qū)以及小風(fēng)區(qū)。降低行列式建筑的迎風(fēng)面系數(shù)，道路走向與主導(dǎo)風(fēng)向平行，便于組織城市通風(fēng)設(shè)計。

圖11 行列式建筑群風(fēng)環(huán)境模擬

圖12 點群式建筑群風(fēng)環(huán)境模擬

氣流運行遇到點群式建筑，建筑迎風(fēng)面系數(shù)小，對氣流阻礙作用力小，部分氣流繞行，與來流發(fā)生碰撞，風(fēng)速驟然提高，另外部分氣流改變角度小，繼續(xù)前行。由于自由式路網(wǎng)及建筑群空間布置靈活，氣流多次反射撞擊，在建筑群體空間，形成了明顯的3級通風(fēng)廊道，可以滿足建筑群內(nèi)部多個方向的通風(fēng)需求，但是在建筑的背面也會形成明顯的風(fēng)影區(qū)，“點群式建筑”對于氣流呈現(xiàn)為阻礙與引導(dǎo)的綜合效應(yīng)。

在建筑群體與道路的空間組織方面，與主導(dǎo)風(fēng)向平行，路網(wǎng)與建筑的群體空間順暢組織，保持盛行風(fēng)向通風(fēng)口的開敞，擴寬與盛行風(fēng)向平行的街道，是保障氣流運行順暢的有利條件。城市建筑組團內(nèi)部的道路作為通風(fēng)廊道，對于促進(jìn)建筑組團空間氣流的微循環(huán)起到重要的作用。要注意協(xié)調(diào)建筑布局與街道走向的關(guān)系，建筑物采取高低錯落的布局方式，減少迎風(fēng)面建筑寬度，建議在城市道路兩側(cè)設(shè)置一定寬度的綠化帶，種植稀疏、低矮通透的植物，有利于遮陰和空氣流動。

5 結(jié)論

1) 研究基于城市通風(fēng)路徑及城市道路、綠地空間布局構(gòu)建了城市多級通風(fēng)廊道體系，并利用FLUENT中的RNG-湍流模型通過多尺度數(shù)值模擬技術(shù)反饋驗證，結(jié)果表明道路規(guī)劃設(shè)計對于通風(fēng)廊道的設(shè)置具有積極的意義，拓展了城市廣義通風(fēng)廊道的構(gòu)建思路。

2) 城市廣義通風(fēng)廊道的建設(shè)應(yīng)有機整合道路、城市綠地、建筑布局等要素，協(xié)調(diào)道路走向與主導(dǎo)風(fēng)向的關(guān)系，確保新鮮氧氣庫的氣流滲入，加強通風(fēng)走廊的連通性及順暢性。

3) 建筑層級風(fēng)道的構(gòu)建應(yīng)該減少迎風(fēng)面建筑的長度，拓寬進(jìn)風(fēng)口寬度，保證氣流順暢進(jìn)入建筑組團內(nèi)部，可以通過整齊建筑沿街立面、長街短巷等手段減弱建筑對風(fēng)的拖曳力，促進(jìn)氣流在建筑組團內(nèi)部運行順暢，切實改善街區(qū)微氣候環(huán)境。

城市通風(fēng)廊道的構(gòu)建涉及建筑密度、街區(qū)形態(tài)及城市氣候等多要素，可以嫁接遙感、生態(tài)、地理信息系統(tǒng)等相關(guān)知識，系統(tǒng)科學(xué)的形成城市氣候評價地圖，多學(xué)科、多技術(shù)手段的結(jié)合共同支撐城市通風(fēng)廊道方案的形成。

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Simulation study on urban generalized ventilation corridor based on roads airflow characteristics in Hengyang county

WANG Guiqin1, HU Yan1, ZHENG Bohong2

(1. School of Architecture and Art Design, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. School of Architecture and Art, Central South University, Changsha 410083, China)

With the concern of urban sustainable development and urban quality improvement, the construction of ventilation corridors to alleviate the urban heat island effect has become a research hotspot. Combined with urban climate knowledge, geographic information technology and urban space model, taking Hengyang county as an example, on the basis of urban ventilation path research, the objective of this paper is to explorethe basic ideas of constructing urban generalized ventilation corridor based on urban road airflow characteristics and green space layout optimization. Relying on the FLUENT digital simulation platform, this paper carried out multi-scale evaluation and analysis of ventilation corridor design scheme, which feeds back to the planning and design of generalized ventilation corridor, and proposed corresponding spatial planning strategies and control measures to provide ideas for the research of urban generalized ventilation corridor.

roads airflow characteristics; generalized ventilation corridor; simulation study

TU984

A

1672 ? 7029(2020)06 ? 1586 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190813

2019?09?12

湖南省自然科學(xué)基金資助項目(2018JJ3171)；湘潭市哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃研究課題(2020ZK08)；湖南省社會科學(xué)成果評審委員會課題(XSP19YBC018)；湖南省教育廳教研教改項目(2019-482)

鄭伯紅(1966?)，男，廣東韶關(guān)人，教授，博士，從事城市微氣候與城市生態(tài)環(huán)境研究；E?mail：2543930211@qq.com

(編輯 陽麗霞)