基于大氣污染物變化的沈陽(yáng)市奧體中心區(qū)域空間形態(tài)優(yōu)化研究

師曉帆

(遼寧省生態(tài)環(huán)境事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110161)

1 引言

在城鎮(zhèn)化高速發(fā)展的背景下，難以避免產(chǎn)生各種各樣的城市問(wèn)題，如城市大量集聚的大氣污染物就嚴(yán)重影響了城市居民的生產(chǎn)生活環(huán)境。把風(fēng)環(huán)境模擬技術(shù)引入城市空間營(yíng)造中，基于流體力學(xué)理論，應(yīng)用ENVI-met軟件對(duì)設(shè)計(jì)地塊進(jìn)行模擬分析。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)地塊的通風(fēng)環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，并提出優(yōu)化原則與優(yōu)化目標(biāo)。后期對(duì)方案在城市布局與形態(tài)層面、道路系統(tǒng)層面、街區(qū)與建筑布局層面等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化地塊空間布局、改善其風(fēng)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)大氣污染物擴(kuò)散的目的。

2 研究區(qū)與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

奧體中心區(qū)域位于遼寧省沈陽(yáng)市渾南新區(qū)，是渾南新區(qū)城市空間特征較為代表性的區(qū)域，也是大氣環(huán)境污染較為嚴(yán)重的區(qū)域之一。該區(qū)域存在不少高密集建筑群，通風(fēng)也相對(duì)不佳。該地塊北鄰渾河，南鄰渾南大道，東臨富民南街，西鄰青年大街，周邊均為城市主干道，多條主干道相交位置，擁有渾南地區(qū)最大的人流與車流，大氣污染物問(wèn)題較周邊區(qū)域嚴(yán)重。

2.2 模擬軟件

研究采用ENVI-met三維城市微氣候模擬軟件，軟件版本是ENVI-met4.4.4，其模擬的水平分辨率為2～10 m的尺度網(wǎng)格，網(wǎng)格模數(shù)為150×150，模擬時(shí)間一般為24～48 h。ENVI-met是由三維的模型，包括土壤、大氣以及植被模型組成，其在三維模型內(nèi)主要可以設(shè)置建筑、植被、水體、下墊面以及污染源等，由一個(gè)垂直方向的二軸以及2個(gè)水平方向的x，y軸組成。

2.3 研究方法

運(yùn)用ENVI-met軟件模擬奧體中心區(qū)域的現(xiàn)狀大氣污染物濃度?；诂F(xiàn)狀濃度分布情況分析大氣污染物分布特點(diǎn)，在實(shí)地調(diào)研基礎(chǔ)上歸納總結(jié)，提出優(yōu)化目標(biāo)。結(jié)合奧體中心區(qū)域空間形態(tài)特征，從城市布局與形態(tài)層面、道路系統(tǒng)層面、街區(qū)與建筑布局層面等提出優(yōu)化設(shè)計(jì)策略進(jìn)行空間形態(tài)優(yōu)化。最后運(yùn)用ENVI-met軟件模擬奧體中心區(qū)域的優(yōu)化后大氣污染物濃度，驗(yàn)證優(yōu)化策略的有效性。

3 研究區(qū)大氣污染物濃度現(xiàn)狀與優(yōu)化目標(biāo)

3.1 大氣污染物現(xiàn)狀濃度模擬

本節(jié)對(duì)奧體中心區(qū)域進(jìn)行大氣污染物濃度分布模擬。依據(jù)沈陽(yáng)全年氣候條件，在參數(shù)設(shè)置上風(fēng)向選擇冬季主導(dǎo)風(fēng)向北風(fēng)風(fēng)向，在風(fēng)速上選擇沈陽(yáng)冬季平均風(fēng)速2.9 m/s作為邊界條件。在污染源布置上以周邊道路做為線源污染為主，地塊內(nèi)部適當(dāng)布置點(diǎn)源污染為輔。

從模擬結(jié)果可以看出，道路的線源污染難以擴(kuò)散，同時(shí)區(qū)域內(nèi)部部分建筑同時(shí)背風(fēng)面存在大氣污染物集聚的現(xiàn)象，容易使得空氣難以流動(dòng)，容易造成有害空氣污染物的堆積，尤其在沈陽(yáng)冬季的采暖期內(nèi)，大氣污染物容易積聚于街區(qū)內(nèi)，難以迅速擴(kuò)散，將對(duì)居民的健康產(chǎn)生危害。

3.2 現(xiàn)狀問(wèn)題總結(jié)

3.2.1 街區(qū)形式問(wèn)題

奧體中心區(qū)域的街區(qū)劃分存在部分街區(qū)尺度過(guò)大的問(wèn)題，對(duì)內(nèi)部的通風(fēng)產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)，在朝向上，部分街區(qū)未能順應(yīng)城市主導(dǎo)風(fēng)向布置，對(duì)主導(dǎo)風(fēng)向產(chǎn)生一定程度的遮擋。導(dǎo)致地塊內(nèi)部形成大面積的靜風(fēng)區(qū)域，一方面阻礙了來(lái)流順利進(jìn)入街區(qū)內(nèi)，另一方面使得氣流難以從街區(qū)內(nèi)流出，導(dǎo)致街區(qū)內(nèi)局部的風(fēng)通路的阻塞。同時(shí)奧體中心區(qū)域緊鄰作為城市天然氧源的渾河，渾河又是城市天然風(fēng)廊之一，空氣質(zhì)量較好。內(nèi)部街區(qū)的形態(tài)對(duì)新鮮空氣以及風(fēng)的導(dǎo)入能力有待提高。內(nèi)部缺少主次分明的開放空間組成的導(dǎo)風(fēng)路徑。

3.2.2 建筑形式問(wèn)題

奧體中心區(qū)域內(nèi)部的建筑多為長(zhǎng)條型板式建筑，迎風(fēng)面積較大，對(duì)來(lái)風(fēng)產(chǎn)生了較大阻礙，同時(shí)建筑的布置位置等也有不足。

3.3 優(yōu)化原則與目標(biāo)

3.3.1 優(yōu)化原則

通過(guò)對(duì)渾南新區(qū)的大氣污染物與城市空間形態(tài)的分析得知，城市空間形態(tài)對(duì)大氣污染物的濃度有著重要影響?；谇罢鹿?jié)具體優(yōu)化策略，本章對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)奧體中心區(qū)域的優(yōu)化應(yīng)從城市布局與形態(tài)、道路系統(tǒng)、街區(qū)與建筑布局3個(gè)層面進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化過(guò)程中，從經(jīng)濟(jì)利益上保證原新舊方案容積率基本不大，并使街區(qū)大氣污染物濃度降低。

3.3.2 優(yōu)化目標(biāo)

對(duì)渾南新區(qū)奧體中心區(qū)域進(jìn)行空間形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，要在多個(gè)層面進(jìn)行考量。奧體中心區(qū)域大氣污染物濃度偏高，并且通風(fēng)能力相對(duì)較差。在研究中應(yīng)分析現(xiàn)區(qū)域存在的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)空間形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使大氣污染物濃度有效降低，改善大氣環(huán)境。本次優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)大氣污染物濃度有效降低為優(yōu)化城市大氣環(huán)境的體現(xiàn)，同時(shí)盡量避免在建筑之間產(chǎn)生大氣污染物的沉積。

4 空間形態(tài)優(yōu)化

奧體中心區(qū)域優(yōu)化設(shè)計(jì)為街區(qū)中尺度城市設(shè)計(jì)，在優(yōu)化策略運(yùn)用上，運(yùn)用了城市布局與形態(tài)層面、道路系統(tǒng)層面、街區(qū)與建筑布局層面3個(gè)層面的優(yōu)化策略。

4.1.1 城市布局與形態(tài)層面優(yōu)化

基地緊鄰渾河，渾河是天然的氧源綠地，為基地內(nèi)部提供源源不斷的新鮮空氣。在綠地優(yōu)化方法上，在基地內(nèi)部布置進(jìn)氣口，與渾河與渾河綠地相結(jié)合，并結(jié)合通風(fēng)廊道形成有機(jī)的綠地體系。同時(shí)在部分適宜進(jìn)行屋頂綠化的公共建筑的屋頂進(jìn)行綠化設(shè)計(jì)，在豐富第五立面的同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)大氣污染物的消減作用。

4.1.2 道路系統(tǒng)層面優(yōu)化

窄街區(qū)密路網(wǎng)有利于加強(qiáng)通風(fēng)能力，在設(shè)計(jì)中調(diào)整街區(qū)走向與尺度，通過(guò)對(duì)基地內(nèi)部的路網(wǎng)進(jìn)行加密，使得對(duì)地塊原有的大街區(qū)進(jìn)行分割，同時(shí)使之形成兩個(gè)小街區(qū)，更利于通風(fēng)能力的提高。

4.1.3 街區(qū)與建筑布局層面優(yōu)化

(1)設(shè)置通風(fēng)廊道。在基地內(nèi)部依托道路，布置四條通風(fēng)廊道，使風(fēng)可以從基地內(nèi)部貫通。同時(shí)對(duì)通風(fēng)廊道周邊的建筑高度進(jìn)行控制，形成倒梯形的街道峽谷斷面。

(2)適當(dāng)布置開放空間。在基地內(nèi)部調(diào)整開放空間與建筑的位置關(guān)系，首先對(duì)通風(fēng)廊道節(jié)點(diǎn)處布置開放空間，強(qiáng)化通風(fēng)廊道的通風(fēng)效應(yīng)。其次對(duì)于高密度街區(qū)內(nèi)部，設(shè)置開放空間，以保證街區(qū)形態(tài)不至于過(guò)于密集而導(dǎo)致大氣污染物的集聚。

(3)建筑布局優(yōu)化。在基地內(nèi)部對(duì)現(xiàn)有建筑形式進(jìn)行優(yōu)化。首先對(duì)部分建筑的形式進(jìn)行優(yōu)化，使其從大迎風(fēng)面的形式，通過(guò)打破、變形等方式，轉(zhuǎn)變?yōu)樾∮L(fēng)面的建筑布局形式。同時(shí)對(duì)于高層建筑與群房關(guān)系影響行人區(qū)通風(fēng)的建筑進(jìn)行調(diào)整。

4.2 優(yōu)化后奧體中心區(qū)域大氣污染物濃度模擬

通過(guò)調(diào)整奧體中心區(qū)域存在的街區(qū)形式問(wèn)題與建筑形式問(wèn)題。進(jìn)行街區(qū)的空間形態(tài)改造，對(duì)街區(qū)的尺度和走向進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)開放空間進(jìn)行梳理，對(duì)通風(fēng)廊道進(jìn)行設(shè)立。同時(shí)調(diào)整建筑形態(tài)與綠地景觀布置，增加大氣污染物的擴(kuò)散。在這樣的城市街區(qū)空間優(yōu)化策略的調(diào)整下，街區(qū)大氣污染物濃度較優(yōu)化前相比，整體街區(qū)空間中，幾乎不存在的大氣污染物高濃度區(qū)，而且同樣位于高度5 m的水平截面，出現(xiàn)大氣污染物不連續(xù)的空間現(xiàn)象，明顯較優(yōu)化前的大氣污染物濃度降低(圖1)。

圖1 奧體中心區(qū)域改造后大氣污染物濃度模擬(圖片來(lái)源：ENVI-met)

從圖1中模擬結(jié)果可以看出，奧體中心區(qū)域在改造后的道路線源污染大幅度減少，并且建筑背風(fēng)區(qū)的大氣污染物濃度也顯著降低。本文對(duì)奧體中心區(qū)域運(yùn)用前文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出有利于降低大氣污染物濃度的街區(qū)空間布局形態(tài)，優(yōu)化后的效果達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。

5 結(jié)論

研究選取沈陽(yáng)市渾南新區(qū)奧體中心區(qū)域，以城市規(guī)劃視角出發(fā)，通過(guò)對(duì)城市空間形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行應(yīng)用，優(yōu)化奧體中心區(qū)域的空間形態(tài)，以區(qū)域大氣污染物濃度變化作為優(yōu)化效果的反映。通過(guò)對(duì)城市布局與形態(tài)、道路系統(tǒng)、街區(qū)與建筑布局3個(gè)層面的優(yōu)化，形成新的城市空間形態(tài)。通過(guò)驗(yàn)證后的奧體中心地區(qū)大氣污染物濃度變化，證明優(yōu)化策略具有可行性。