西安地區(qū)下沉式廣場(chǎng)風(fēng)環(huán)境研究
——以幸福林帶下沉式廣場(chǎng)為例

陶 鈺 狄育慧 蔣 婧

（1.西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710048；2.西安建筑科技大學(xué)西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710055）

0 引言

隨著我國(guó)城市空間不斷向立體化演進(jìn)，地下空間的開(kāi)發(fā)已成為國(guó)際上正在興起的穩(wěn)步發(fā)展趨勢(shì)。下沉式空間作為一種新型的城市公共空間，是聯(lián)系地下空間和地上空間的節(jié)點(diǎn)空間，是二者功能轉(zhuǎn)換的紐帶。下沉式公共空間的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為一種勢(shì)不可擋的趨勢(shì)，極大地豐富了城市公共空間，對(duì)城市建設(shè)具有重要意義[1-4]。

國(guó)外下沉式建筑已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)成熟的階段，國(guó)內(nèi)下沉式建筑的發(fā)展比國(guó)外晚了半個(gè)多世紀(jì)。LI C G 總結(jié)了城市地下空間利用的成功經(jīng)驗(yàn)提出了如何將地下空間作為擴(kuò)大區(qū)域城市功能影響的重要手段并加以治理的建議[5]，Li W 等著重分析了國(guó)際地下商業(yè)空間開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)與不足[6]，楊釗針對(duì)城市下沉式廣場(chǎng)的現(xiàn)狀與問(wèn)題提出現(xiàn)階段城市下沉廣場(chǎng)空間的空間構(gòu)成及空間環(huán)境要素的設(shè)計(jì)方法[7]。黨春紅等以西安幸福林帶項(xiàng)目為例，從人性化、舒適度、全齡化方面展開(kāi)研究，為其他下沉式商業(yè)街的理論研究和實(shí)踐設(shè)計(jì)提供借鑒[8]。另一方面，城市風(fēng)環(huán)境作為城市微氣候的主要組成部分，是影響室外空間熱舒適度感知和城市熱島效應(yīng)的重要因素[9,10]，而位于地下的公共空間由于受氣候、建筑結(jié)構(gòu)、建筑周?chē)奈h(huán)境的影響[11-13]，了解這類(lèi)空間的風(fēng)環(huán)境特征以及對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的調(diào)控就顯得尤為重要。

現(xiàn)有理論研究雖然指出下沉空間在城市立體化發(fā)展中的重要性，但大多研究仍是從建筑學(xué)或城市規(guī)劃學(xué)的角度對(duì)下沉空間本身的研究，缺乏從室外街區(qū)風(fēng)環(huán)境角度對(duì)下沉式開(kāi)放空間的研究。下沉部分具有活躍的自然通風(fēng)，能夠及時(shí)補(bǔ)給新鮮空氣，順暢排除污染物，促進(jìn)地下空間的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。為了滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)優(yōu)質(zhì)公共空間環(huán)境氛圍的追求，有必要對(duì)該類(lèi)型空間的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究。本文以西安市幸福林帶下沉廣場(chǎng)為研究對(duì)象，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)其風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，比較不同下沉高度對(duì)下沉廣場(chǎng)內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響，對(duì)了解和改善下沉式開(kāi)放空間的風(fēng)環(huán)境具有實(shí)際意義。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理?xiàng)l件

依據(jù)西安市氣象局對(duì)西安市2020年氣候數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，西安地理位置為東經(jīng)107.40～109.49，北緯33.42～34.45 度之間。年平均氣溫約為13.6℃，年平均濕度約為69.6%，年平均風(fēng)速為2.0m/s，全年盛行風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)。

1.2 模擬工況

研究對(duì)象為西安市碑林區(qū)幸福林帶C-2 段下沉式廣場(chǎng)，三維模型如圖1所示。廣場(chǎng)下沉面積793.5m 。廣場(chǎng)建筑尺寸為37.8m×22m×3.5m（長(zhǎng)×寬×下沉深度）。在設(shè)計(jì)下沉廣場(chǎng)時(shí)，下沉高度是否合理，直接影響到地下空間的自然通風(fēng)效果?？紤]到地下空間施工困難，而且一般地下建筑對(duì)高度都有相對(duì)要求（不能太高），所以本文中對(duì)下沉廣場(chǎng)高度變化時(shí)，分別選取常見(jiàn)的下沉高度為3.5m、4.5m、5.5m 三種工況進(jìn)行分析。

圖1 下沉廣場(chǎng)三維模型Fig.1 3D model of sunken square

1.3 確定計(jì)算域

由于建筑物室外風(fēng)環(huán)境屬于繞流問(wèn)題[14]，針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，選擇合適的室外流場(chǎng)計(jì)算域可以很好的反映出建筑物周?chē)牧鲌?chǎng)特性。在確定合適的計(jì)算域前，首先考慮所選區(qū)域的阻塞率受到建筑物的影響不得大于5%，這里阻塞率指的是建筑物順風(fēng)向投影的面積與計(jì)算域該方向的面積比值。由于目前各種文獻(xiàn)中對(duì)計(jì)算區(qū)域選取大小還沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定，本文選取計(jì)算區(qū)域時(shí)結(jié)合相關(guān)資料[15]，確定模擬計(jì)算域的大小為：長(zhǎng)度×寬度×高度分別為原下沉廣場(chǎng)的4 倍、7 倍、4 倍。則計(jì)算域定為：長(zhǎng)×寬×高=160m×150m×14m，其中來(lái)流入口與建筑物迎風(fēng)面間距為3 倍的建筑物高度，出口與建筑物背風(fēng)面間距為6 倍建筑高度。

1.4 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

本文采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型進(jìn)行模擬計(jì)算，室外風(fēng)場(chǎng)來(lái)流邊界條件的確定主要由來(lái)流的速度分布、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度和湍流耗散決定[16]。由于受到近地面粗糙度的影響，來(lái)流風(fēng)會(huì)在與地面垂直的高度方向上產(chǎn)生速度梯度與速度邊界層，其速度分布的特點(diǎn)與距離地面高度、地面粗糙度有關(guān)[17]。一般表述速度邊界層這一分布特性的函數(shù)有對(duì)數(shù)邊界層分布函數(shù)法與指數(shù)邊界層函數(shù)法，本文參考了ASHRAE手冊(cè)中給出的指數(shù)邊界層函數(shù)法對(duì)入口來(lái)流速度來(lái)進(jìn)行定義，其表達(dá)式為式（1）：

式中，Vh為任意高度處的風(fēng)速，m/s；Vref為參考高度處的風(fēng)速，一般指氣象資料中給出的風(fēng)速值，m/s；Href為對(duì)應(yīng)參考風(fēng)速的高度，一般指氣象臺(tái)的測(cè)量高度，通常這個(gè)高度為10m；H為對(duì)應(yīng)Vh的任意高度，m。

我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB 5009-2001 按地面粗糙度將地貌分為四類(lèi)，從西安地理氣候特性來(lái)看，西安全年平均風(fēng)速為2.0m/s，模擬的下沉廣場(chǎng)位于城市市區(qū)，粗糙度取0.22，使用UDF 編程對(duì)入口速度邊界條件進(jìn)行定義。本文風(fēng)速采用2.0m/s，全年盛行東北風(fēng)，風(fēng)向趨于穩(wěn)定，所以本文在風(fēng)向選取上采用定風(fēng)向穩(wěn)態(tài)模擬，在建立模型時(shí)將下沉建筑與來(lái)流方向成一定角度（45°）。本模型上空面、兩側(cè)面設(shè)置時(shí)對(duì)其采用Symmetry 邊界條件，地面及建筑物表面設(shè)置為Wall 邊界條件，出流面邊界條件選擇Pressure outlet，在建模時(shí)計(jì)算域內(nèi)采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，下沉廣場(chǎng)構(gòu)造模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Model grid division

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 三種下沉高度風(fēng)壓分布

圖3為不同下沉高度下（3.5m、4.5m、5.5m），下沉廣場(chǎng)風(fēng)壓分布狀況詳圖，其等值線(xiàn)間距為022～0.23Pa。從圖3可以看出，通過(guò)模擬得到的室外風(fēng)場(chǎng)的模擬結(jié)果流場(chǎng)符合一般的流場(chǎng)規(guī)律，即建筑迎風(fēng)面均出現(xiàn)正壓，背面和廣場(chǎng)入口一般出現(xiàn)負(fù)壓，且由于氣流在背風(fēng)面出現(xiàn)了一定的分離，產(chǎn)生了一定大小的渦流；下沉廣場(chǎng)入口處及背面渦旋區(qū)始終出現(xiàn)為負(fù)壓。對(duì)于本文研究的下沉區(qū)域，廣場(chǎng)內(nèi)正風(fēng)壓區(qū)域都呈現(xiàn)出中間大、兩端小的變化趨勢(shì)。其壓力分布有正壓和負(fù)壓，這是由于建筑物與來(lái)流風(fēng)向成一定角度，背風(fēng)面局部地區(qū)帶有一定渦流。隨著下沉高度的增加，下沉區(qū)域靠近入口處的正壓區(qū)域增大，背風(fēng)和下沉入口區(qū)域渦旋區(qū)域減小，當(dāng)下沉高度為5.5m 時(shí)，局部正壓比下沉高度3.5m、5.5m 都要大；綜合來(lái)看，下沉廣場(chǎng)在三種下沉高度下前后壓差基本處于3～4Pa 之間，有利于下沉廣場(chǎng)內(nèi)建筑自然通風(fēng)的引入。

圖3 三種工況下風(fēng)壓分布云圖Fig.3 Cloud map of wind pressure distribution under three operating conditions

建筑物不同表面間的風(fēng)壓差是形成建筑內(nèi)自然通風(fēng)的主要驅(qū)動(dòng)力，在整個(gè)下沉廣場(chǎng)建筑風(fēng)壓圖中選取下沉區(qū)域迎風(fēng)面最大風(fēng)壓區(qū)最大風(fēng)壓、下沉區(qū)域迎風(fēng)面?zhèn)让嬲龎簠^(qū)最大風(fēng)壓、下沉區(qū)域迎風(fēng)面部分負(fù)壓區(qū)最大負(fù)壓，沿截取壓力點(diǎn)再對(duì)下沉區(qū)域建筑兩側(cè)壓差進(jìn)行分析。下沉區(qū)域不同下沉高度各截面的風(fēng)壓差變化如圖4所示。從圖4可以看出，對(duì)于下沉區(qū)域建筑迎風(fēng)面來(lái)說(shuō)，隨著下沉高度的增加，下沉廣場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)壓差增大，說(shuō)明下沉高度越大，越有利于自然通風(fēng)。對(duì)于建筑迎風(fēng)面?zhèn)让鎭?lái)說(shuō)，隨著下沉高度的增加，下沉廣場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)壓差呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在4.5m 下沉高度處，說(shuō)明下沉高度有一個(gè)最適值，超過(guò)最適值再增加下沉高度，下沉區(qū)域內(nèi)建筑自然通風(fēng)逐漸變差。對(duì)于迎風(fēng)面部分負(fù)壓區(qū)來(lái)說(shuō)，隨著下沉高度的增加，下沉廣場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)壓差逐漸減小，原因是廣場(chǎng)內(nèi)負(fù)壓區(qū)隨著下沉高度的增加壓力在增大，前后壓差減小。綜上，增加廣場(chǎng)下沉高度有利于下沉區(qū)域建筑的自然通風(fēng)，特別是加大迎風(fēng)面的下沉高度。

圖4 三種工況下不同立面壓差Fig.4 Different fa?ade pressure differentials under three operating conditions

2.2 人行高度區(qū)域速度流場(chǎng)

圖5表示了三種不同下沉高度下距地面1.5m截面處的速度場(chǎng)，此水平區(qū)域?yàn)槿诵袇^(qū)，是人們經(jīng)常活動(dòng)最能感知的范圍和整個(gè)微氣候區(qū)域最關(guān)鍵的區(qū)域，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)“人行高度區(qū)”內(nèi)風(fēng)速大小引起的行人不舒適性等問(wèn)題做了大量研究，通過(guò)大量的測(cè)試及調(diào)查統(tǒng)計(jì)得出表1的關(guān)系[18]，結(jié)合表1對(duì)下沉廣內(nèi)人行區(qū)舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 室外風(fēng)速與舒適度評(píng)價(jià)Table 1 Outdoor wind speed and comfort evaluation

圖5 三種工況下風(fēng)速分布云圖Fig.5 Wind speed distribution cloud map under three operating conditions

由圖5結(jié)合表1可以看出，下沉高度為3.5m、4.5m、5.5m 時(shí)，距地面1.5m 截面速度分布基本都在2m/s 以下，下沉廣場(chǎng)內(nèi)最大風(fēng)速出現(xiàn)在下沉區(qū)域入口樓梯底部與來(lái)流風(fēng)向成45°夾角，貼近下沉區(qū)域起始端的地帶，相鄰間隔區(qū)域風(fēng)速呈小范圍增長(zhǎng)趨勢(shì)，滿(mǎn)足人的舒適性。進(jìn)一步分析可知，在廣場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速較大區(qū)域，下沉高度為3.5m 時(shí)形成較明顯的渦旋區(qū)，且漩渦數(shù)量比4.5m、5.5m 都要多，但渦流區(qū)域都很小，速度變化基本控制在0.2m/s以?xún)?nèi)；下沉高度為3.5m、4.5m 時(shí)，距地面1.5m 截面速度均大于5.5m 時(shí)的速度分布，但均滿(mǎn)足人的舒適性，最大風(fēng)速也都出現(xiàn)在下沉區(qū)域入口樓梯底部與來(lái)流風(fēng)向成45°夾角，貼近下沉區(qū)域起始端的地帶；這兩個(gè)工況與5.5m 比較，其渦旋區(qū)范圍要大，但密度較小，速度增長(zhǎng)趨勢(shì)較為平緩。下沉高度3.5m 與4.5m 比較而言，下沉高度為3.5m 時(shí)，距地面1.5m 處風(fēng)速分布平均值更大，吹風(fēng)感會(huì)更強(qiáng)烈，但局部產(chǎn)生的較大風(fēng)速會(huì)對(duì)人產(chǎn)生不適影響。

從圖5中可以看出，三種不同下沉高度的速度場(chǎng)均符合一般流場(chǎng)規(guī)律，即隨著下沉高度的變化，下沉區(qū)域會(huì)形成不同大小的渦流區(qū)，但區(qū)域的面積不是很大，密度也較小。引起下沉區(qū)域渦流區(qū)的原因是，近地面的風(fēng)吹向周?chē)ㄖ砻妫捎诘孛嫘螤畹淖兓?，一部分風(fēng)沿下沉高度方向向下運(yùn)動(dòng)，且受到墻體壁面的沖擊導(dǎo)致回流。綜合來(lái)看，通過(guò)合理的下沉高度能夠改善地下空間通風(fēng)環(huán)境，下沉高度為4.5m 時(shí)，下沉區(qū)域人行高度風(fēng)速適宜，建筑自然通風(fēng)效果最好，但也應(yīng)避免下沉廣場(chǎng)內(nèi)由建筑自然通風(fēng)帶走的污染物在過(guò)大的渦旋區(qū)堆積，直接降低廣場(chǎng)內(nèi)空氣品質(zhì)。

3 結(jié)論

以西安地區(qū)幸福林帶下沉式廣場(chǎng)為研究對(duì)象，對(duì)廣場(chǎng)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)下沉式廣場(chǎng)的風(fēng)壓云圖、速度云圖分析了這種建筑形式三種下沉高度工況的改變對(duì)下沉廣場(chǎng)風(fēng)環(huán)境的影響；通過(guò)改變下沉高度，截取各立面前后壓差分析不同下沉廣場(chǎng)高度下下沉區(qū)域建筑的自然通風(fēng)潛能。通過(guò)上述研究的內(nèi)容得出了以下結(jié)論：

（1）下沉式廣場(chǎng)這種建筑形式下沉高度的改變并不影響流場(chǎng)的一般特性。

（2）當(dāng)下沉式建筑與來(lái)流風(fēng)成一定角度時(shí)，增加下沉廣場(chǎng)的高度，廣場(chǎng)內(nèi)迎風(fēng)面正壓區(qū)增大，背風(fēng)面渦旋區(qū)域增大。

（3）改變下沉高度的速度場(chǎng)，來(lái)流風(fēng)在建筑迎風(fēng)面下沉區(qū)域都會(huì)形成一定大小的渦旋，應(yīng)避免下沉廣場(chǎng)內(nèi)由建筑自然通風(fēng)帶走的污染物在過(guò)大的渦旋區(qū)堆積，降低廣場(chǎng)內(nèi)空氣品質(zhì)。

（4）對(duì)于建筑迎風(fēng)面來(lái)說(shuō)，隨著下沉高度的增加，廣場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)壓差在增大，有利于下沉區(qū)域建筑的自然通風(fēng)。對(duì)于建筑迎風(fēng)面部分負(fù)壓區(qū)來(lái)說(shuō)，隨著下沉高度的增加，廣場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)壓差在減小。

（5）下沉高度為3.5m、4.5m、5.5m 時(shí)都能滿(mǎn)足人行高度區(qū)的舒適性。