許 峰，陳 天

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津300072;2.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津300401)

城市路網(wǎng)是由城市中不同級(jí)別與性質(zhì)的道路共同構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，像人的血液系統(tǒng)一樣，將城市的各個(gè)組成部分連接為一個(gè)有機(jī)整體，從而保障城市生產(chǎn)、生活有序健康的運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，城市路網(wǎng)還是城市空間形態(tài)的“骨架”，直接決定了城市空間形態(tài)肌理的基本特征，并構(gòu)成了城市通風(fēng)系統(tǒng)的生態(tài)廊道，對(duì)形成城市內(nèi)部良好的微氣候有一定的影響作用。

隨著城市化快速發(fā)展，城市建設(shè)土地供應(yīng)面對(duì)越來(lái)越大的壓力，特別是在我國(guó)東部沿海城市供需矛盾尤為突出，部分城市開(kāi)始向海洋尋求發(fā)展，填海造陸，以適應(yīng)城市發(fā)展對(duì)土地的迫切需求。在對(duì)填海區(qū)域規(guī)劃建設(shè)的實(shí)踐中，人們注意到造陸區(qū)域與千百年自然形成的陸地不同，更容易受到沿海地區(qū)特殊風(fēng)環(huán)境的影響，因此，規(guī)劃設(shè)計(jì)與局部氣候環(huán)境相適應(yīng)的路網(wǎng)系統(tǒng)就有著重要的作用。

一、基本城市路網(wǎng)形式與風(fēng)環(huán)境的關(guān)系

作為區(qū)域規(guī)劃骨架，城市路網(wǎng)基本形式多見(jiàn)于以下3種。

1.棋盤(pán)式路網(wǎng)

棋盤(pán)式路網(wǎng)系統(tǒng)，是最常見(jiàn)的一種道路網(wǎng)類型，適用于地形平坦的城市，由兩組大約互相垂直的平行道路組成。這種路網(wǎng)系統(tǒng)可溯源到古希臘的希波丹姆模式，是一種推崇理性至上的哲學(xué)理論實(shí)踐，其有兩個(gè)明確的走向(兩個(gè)方向多呈直角正交關(guān)系)，相互交織形成網(wǎng)格。城市街坊形狀整齊，利于建筑的布置，由于有多條平行道路，使用效率高，便于后期土地出讓開(kāi)發(fā)的權(quán)籍界定，講究效率的國(guó)內(nèi)外新城建設(shè)多采用此種路網(wǎng)結(jié)構(gòu)。由于具有明確的方向性和良好的順暢性，這種路網(wǎng)結(jié)構(gòu)便于組織城市通風(fēng)設(shè)計(jì)，還可以依據(jù)城市盛行風(fēng)向?qū)ζ渥呦蜻M(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，通風(fēng)效率較高。

2.環(huán)形放射式路網(wǎng)

環(huán)形放射式路網(wǎng)起源于歐洲，多用于強(qiáng)調(diào)君權(quán)或者神權(quán)統(tǒng)治的大城市，城市有明顯的市中心或廣場(chǎng)，各條道路由此向外放射，并以此為核心建有外圍環(huán)形干道。這種路網(wǎng)結(jié)構(gòu)紀(jì)念性較強(qiáng)，雖然方便了市中心同外圍片區(qū)以及片區(qū)間的相互聯(lián)系，但易把外圍交通引入城市中心地區(qū)，造成交通過(guò)于集中，也易引起城市沿環(huán)道發(fā)展，呈同心圓式不斷向外擴(kuò)張。這種路網(wǎng)結(jié)構(gòu)方向性較差，在設(shè)計(jì)城市通風(fēng)時(shí)不利于明確主導(dǎo)方向，使得整體通風(fēng)效率不高，一般適用于寒冷地區(qū)的中小城市規(guī)劃建設(shè)。

3.自由式路網(wǎng)

自由式路網(wǎng)沒(méi)有固定的幾何形狀，一般是由于地形地勢(shì)原因造成用地受限，道路選線順應(yīng)具體的地形地貌，是因地制宜加以組織而成的。這種路網(wǎng)充分結(jié)合自然地形，節(jié)約道路工程造價(jià)。缺點(diǎn)是道路占地面積較大，交通效率不高，多出現(xiàn)在山地、瀕水等自然地貌較為復(fù)雜的地區(qū)。自由式路網(wǎng)的通風(fēng)效率雖然不如棋盤(pán)格式路網(wǎng)，但能夠適應(yīng)多個(gè)方向的通風(fēng)需要，適合用于主導(dǎo)風(fēng)向不明顯，且地形風(fēng)、水陸風(fēng)較為豐富的地區(qū)。

二、填海地區(qū)特殊風(fēng)環(huán)境

填海造陸地區(qū)所具有的特殊風(fēng)環(huán)境即海陸風(fēng)，是由于海、陸加熱快慢不均造成風(fēng)向晝夜變化顯著的風(fēng)，是沿海地區(qū)大氣邊界層中特有的一種局地中小尺度地形性環(huán)流，海風(fēng)從海面吹向陸面，陸風(fēng)從陸面吹向海面[1](見(jiàn)圖 1)。

圖1 海陸風(fēng)形成示意

海陸風(fēng)對(duì)沿海一帶的天氣有很大的影響，它不僅對(duì)大范圍的空氣運(yùn)動(dòng)有作用，而且可以改變局地氣候[2]。研究發(fā)現(xiàn)，中緯度地區(qū)的海陸風(fēng)主要集中在歐洲、北美、澳大利亞和東亞[3]。

根據(jù)于恩洪等人對(duì)渤海灣西部的觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，在渤海灣西岸，全年均可觀測(cè)到由海、陸間氣溫差引起的海陸風(fēng)，且夏季強(qiáng)于冬季，海風(fēng)強(qiáng)于陸風(fēng)。天津塘沽地區(qū)的海陸風(fēng)出現(xiàn)頻率全年平均為41.2%，各月頻率從17%～59%不等。同時(shí)，城市熱島效應(yīng)使海風(fēng)加強(qiáng)，陸風(fēng)減弱[4]?？梢?jiàn)，海陸風(fēng)對(duì)沿海地區(qū)的開(kāi)發(fā)建設(shè)有顯著影響。

三、東疆港路網(wǎng)規(guī)劃及風(fēng)環(huán)境模擬

天津在北方經(jīng)濟(jì)中心、國(guó)際港口城市的規(guī)劃定位指引下，近年加快了北方國(guó)際航運(yùn)中心的建設(shè)。在已形成南疆、北疆港區(qū)相呼應(yīng)的基礎(chǔ)上，向東填海造陸建設(shè)總面積達(dá)70平方公里的東疆港區(qū)。項(xiàng)目整體分為兩期進(jìn)行，東疆一島約30平方公里的工程已經(jīng)完工，正在開(kāi)發(fā)建設(shè)中。未來(lái)，將啟動(dòng)?xùn)|疆二島計(jì)劃，填海造地約40平方公里，作為由保稅港區(qū)向自由貿(mào)易港區(qū)升級(jí)的空間載體。

1.東疆港填海區(qū)路網(wǎng)規(guī)劃

東疆港填海區(qū)總體定位為航運(yùn)服務(wù)、濱海居住、國(guó)際物流、國(guó)際展示貿(mào)易等主要功能，擬靠自由貿(mào)易和現(xiàn)代高端服務(wù)業(yè)為引擎，匯聚商業(yè)人氣，打造中國(guó)北方自由貿(mào)易港區(qū)和臨海新城。

根據(jù)功能布局，特別是考慮港口碼頭與物流運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展需求，規(guī)劃方案主要采用了棋盤(pán)式路網(wǎng)結(jié)構(gòu)原型，與填海區(qū)域形狀相結(jié)合，適當(dāng)調(diào)整變化了道路走向。由東疆港填海區(qū)規(guī)劃路網(wǎng)圖(見(jiàn)圖2)可以看出，主要道路與填海岸線平行或垂直。這樣的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)劃分街坊比較整齊方正，有利于后期的土地開(kāi)發(fā)建設(shè)，空間使用效率比較高。

2.規(guī)劃主導(dǎo)風(fēng)向的選擇

準(zhǔn)確的氣候條件數(shù)據(jù)是城市規(guī)劃設(shè)計(jì)重要的參考依據(jù)，對(duì)城市功能空間布局有著直接的影響。同時(shí)，參考主導(dǎo)風(fēng)向?qū)Τ鞘薪ㄔO(shè)區(qū)微氣候的作用，也是規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。由于東疆港為填海造陸而成，而塘沽又處于北半球的海陸風(fēng)盛行區(qū)(見(jiàn)表1)。因此，東疆港的規(guī)劃設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單地套用天津市的風(fēng)環(huán)境參數(shù)，而應(yīng)具體考慮海陸風(fēng)對(duì)規(guī)劃區(qū)的建設(shè)影響。

表1 塘沽濱海地區(qū)海陸風(fēng)基本情況[5]

圖2 東疆港填海區(qū)區(qū)位及規(guī)劃路網(wǎng)

根據(jù)陳彬等人的研究成果，由于海陸間溫度差而造成的海陸風(fēng)是垂直于海岸線吹的，因此，海岸線走向不同，海陸風(fēng)的風(fēng)向也不同。依據(jù)海岸線的走向，與塘沽氣象站附近海岸線成90°角的海風(fēng)應(yīng)是東南東風(fēng)，而與漢沽鹽場(chǎng)氣象站附近的海岸線成90°角的海風(fēng)應(yīng)是東南風(fēng)[6]。因此，東疆港填海區(qū)規(guī)劃應(yīng)充分考慮東南東海風(fēng)與西北西陸風(fēng)帶來(lái)的影響。

3.規(guī)劃路網(wǎng)風(fēng)環(huán)境軟件模擬

為研究海陸風(fēng)對(duì)現(xiàn)有路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響，筆者利用PHOENICS軟件對(duì)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，以深入探討風(fēng)場(chǎng)的變化。

(1)選擇數(shù)學(xué)模型。常用的數(shù)學(xué)模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和大渦模擬LES模型等。大渦模擬主要是用非穩(wěn)態(tài)的Navier-Stokes方程來(lái)直接模擬大尺度渦，不直接計(jì)算小尺度渦，而且對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置要求很高，迭代計(jì)算時(shí)間也很長(zhǎng)。相比較而言，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在數(shù)值計(jì)算中波動(dòng)小、精度高，在低速湍流數(shù)值模擬中應(yīng)用廣泛，因此本次模擬選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[7]。

(2)確定物理模型及計(jì)算區(qū)域。目前技術(shù)條件下，利用軟件模擬風(fēng)環(huán)境研究，為減少計(jì)算節(jié)點(diǎn)，加快計(jì)算收斂的速度，往往對(duì)實(shí)際建筑群進(jìn)行簡(jiǎn)化。因此，在計(jì)算中一般忽略建筑物的微小凹凸，而將其簡(jiǎn)化為具有較規(guī)則形狀的體塊。對(duì)應(yīng)計(jì)算區(qū)域的選擇，一般沿來(lái)流方向取矩形區(qū)域。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，模擬計(jì)算區(qū)域尺寸按以下原則進(jìn)行設(shè)置:計(jì)算區(qū)域在來(lái)流方向設(shè)定為規(guī)劃用地總寬度的3倍;出流方向?yàn)橛玫乜倢挾鹊?倍;計(jì)算域長(zhǎng)度為用地縱向長(zhǎng)度的4倍;高度為建筑群最高建筑高度的3倍[8]。

(3)處理邊界條件。一是來(lái)流面梯度風(fēng)的選取，由于地面建筑物等對(duì)來(lái)流的摩擦作用，風(fēng)速會(huì)隨離地面高度的減小而降低。通常情況下，城市中離地面300～500米以上的高度，風(fēng)速才不受地表粗糙度的影響，可以在大氣梯度作用下自由的流動(dòng)。來(lái)流面風(fēng)速的變化規(guī)律以指數(shù)率表示，即

式中:UZ為距地面高度Z處的水平方向風(fēng)速;U0為參考高度Z0處的風(fēng)速;Z0為參考高度，一般取10米;α為由地形粗糙度所決定的冪指數(shù)，考慮填海區(qū)的建設(shè)強(qiáng)度，一般可取0.16[9]。二是出流面的邊界條件，假設(shè)出流面上的流動(dòng)已充分發(fā)展，已恢復(fù)為無(wú)建筑群體阻隔時(shí)的正常流動(dòng)，出口面壓力可設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。三是上空面及側(cè)面的邊界條件，由于選取的計(jì)算區(qū)域較大，故建筑群體上空面和側(cè)面的空氣流動(dòng)幾乎不受影響，因此設(shè)為自由滑移表面。

(4)模型建立?？紤]到計(jì)算工作量以及實(shí)際建設(shè)情況，本文模擬選取東疆港一島為測(cè)試范圍，并根據(jù)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)圖建立了簡(jiǎn)化體塊模型，同時(shí)，省略了其中的綠化植被對(duì)低層風(fēng)界面的影響。綜合考慮孫韌、黃利萍、許啟慧等人的研究成果，選取的典型模擬邊界條件為海風(fēng)，在10米高度，風(fēng)速為5.0米/秒，風(fēng)向?yàn)闁|南東，陸風(fēng)風(fēng)速為5.1米/秒，風(fēng)向?yàn)槲鞅蔽鳌?/p>

(5)計(jì)算結(jié)果及分析。圖3和圖4顯示的是在海風(fēng)條件下，1.5米高度的風(fēng)速云圖和風(fēng)速向量圖。選擇離地面1.5米高度的流場(chǎng)進(jìn)行考察，是因?yàn)?.5米高度處是人們比較敏感的感受區(qū)。由圖3可見(jiàn)，由于來(lái)流方向與路網(wǎng)大約成35度夾角，流場(chǎng)內(nèi)絕大多數(shù)地區(qū)的風(fēng)速均在5米/秒以下;在生活區(qū)局部高大建筑的迎風(fēng)面的拐角處風(fēng)速較高，可達(dá)到5米/秒;在西側(cè)物流倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)大體量建筑的背風(fēng)面，即南北向主干道上，與來(lái)風(fēng)夾角大約為125度，形成了比較強(qiáng)的風(fēng)影區(qū)，風(fēng)速大約為2.5米/秒，明顯低于東西向道路內(nèi)的風(fēng)速。另外，在海風(fēng)情況下，體量較小、分散布置的建筑自然通風(fēng)情況明顯好于體量較大、規(guī)整排列的建筑。同時(shí)，由于東西向形成了多條通風(fēng)廊道，且風(fēng)速較大，在相反方向陸風(fēng)影響下，西側(cè)的物流倉(cāng)儲(chǔ)用地對(duì)東側(cè)居住生活服務(wù)區(qū)造成污染影響的幾率較大。

圖3 海風(fēng)條件下1.5米高度風(fēng)速場(chǎng)云

圖4 海風(fēng)條件下1.5米風(fēng)速向量

由于整個(gè)地塊南部路網(wǎng)順應(yīng)地形較靈活，北部路網(wǎng)方向有所扭轉(zhuǎn)，所以截取北部組團(tuán)、中部組團(tuán)以及南部組團(tuán)進(jìn)行風(fēng)速向量比較分析。由圖4可見(jiàn)，(a)北部組團(tuán)由于主干道路方向扭轉(zhuǎn)為幾乎與來(lái)風(fēng)方向平行，所以風(fēng)速影響較小，分散的小體量建筑群通風(fēng)狀態(tài)良好;(b)中部組團(tuán)風(fēng)場(chǎng)顯示，路網(wǎng)密度大的組團(tuán)通風(fēng)狀態(tài)優(yōu)于路網(wǎng)密度小的組團(tuán)，特別是在居住區(qū)，通風(fēng)條件良好，形成的風(fēng)影區(qū)較弱，湍流風(fēng)速在3米/秒以下;另外，圍和型建筑明顯不利于通風(fēng)，內(nèi)部風(fēng)影區(qū)比較固定，受來(lái)流方向影響較小;相同走向道路，道路斷面寬度也會(huì)對(duì)風(fēng)影區(qū)構(gòu)成影響，相比較而言，狹窄的道路斷面會(huì)形成更強(qiáng)的風(fēng)影區(qū);(c)南部組團(tuán)順應(yīng)地形變化，路網(wǎng)為弧形，與來(lái)流方向角度小的通風(fēng)良好，只是在道路拐角處風(fēng)影區(qū)會(huì)有所變化，這是風(fēng)受到建筑物阻礙轉(zhuǎn)向時(shí)正好順著建筑物的斜坡吹進(jìn)了街道。與之相同，在陸風(fēng)條件下，1.5米高度風(fēng)場(chǎng)變化也顯示了這些特點(diǎn)。

四、結(jié) 語(yǔ)

本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Phoenics對(duì)東疆港一島風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行了模擬，形成了海陸風(fēng)對(duì)規(guī)劃路網(wǎng)影響域的空間結(jié)構(gòu)綜合分析，研究分析得到以下結(jié)論。

(1)填海區(qū)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，具體考慮海陸風(fēng)等局部環(huán)流條件對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)的影響，明確填海區(qū)域不同季節(jié)的盛行風(fēng)向，合理確定填海區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的形式與方位(主要是與盛行風(fēng)向的角度關(guān)系)，有目的地調(diào)控海陸風(fēng)控制下填海區(qū)的建筑風(fēng)場(chǎng)變化。

(2)在填海用地規(guī)劃為工業(yè)、生活綜合用地時(shí)，應(yīng)著重考慮海陸風(fēng)影響下的功能區(qū)干擾問(wèn)題，滿足交通功能要求下，合理進(jìn)行路網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)，避免工業(yè)區(qū)、倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)對(duì)生活、辦公區(qū)形成污染干擾。

(3)路網(wǎng)密度對(duì)通風(fēng)總斷面的大小以及通風(fēng)的均勻性有一定作用，進(jìn)而影響整體通風(fēng)效率。在常規(guī)風(fēng)速條件下，窄路密網(wǎng)的形式更有利于在生活區(qū)形成比較適宜的外部風(fēng)環(huán)境。

(4)當(dāng)建筑為圍合式布局時(shí)，一般會(huì)在內(nèi)部形成較強(qiáng)的風(fēng)影區(qū)，受到路網(wǎng)變化及來(lái)流變化的影響較小，適合布置在冬季受寒風(fēng)不利影響較強(qiáng)的地區(qū)。

[1]宋潔慧，盧海琦，劉 旭，等.海陸風(fēng)研究進(jìn)展概況[J].科技信息，2008(23):32.

[2]于恩洪，陳 彬，白玉榮.渤海灣西部海陸風(fēng)的空間結(jié)構(gòu)[J].氣象學(xué)報(bào)，1987(3):379-381.

[3]邱曉暖.珠江口西側(cè)海陸風(fēng)研究[D].廣州:中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2010.

[4]陳 彬，于恩洪.渤海灣西部海陸風(fēng)的天氣氣候特征[J].海洋通報(bào)，1989(1):23-29.

[5]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M]西安:西安交通大學(xué)出版社，2003:332-380.

[6]孫 韌，劉彩霞，王長(zhǎng)友，等.海洋性氣候?qū)μ旖蚴袨I海地區(qū)空氣質(zhì)量的影響及預(yù)報(bào)[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，2004(4):32-34.

[7]楊 潔，涂光備，易傳雄，等.設(shè)有空中花園的高層住宅建筑自然通風(fēng)的研究[J].暖通空調(diào)，2004，34(3):1-5.

[8]王 菲，肖勇全.應(yīng)用PHOENICS軟件對(duì)建筑群風(fēng)環(huán)境的模擬和評(píng)價(jià)[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(5):39-42.

[9]黃利萍，苗峻峰，劉月琨，等.天津地區(qū)夏季海陸風(fēng)對(duì)城市熱島日變化特征影響的觀測(cè)分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，2013(4):417-425.

[10]許啟慧，苗峻峰，劉月琨，等.渤海灣西岸海風(fēng)時(shí)空演變特征觀測(cè)分析[J].海洋預(yù)報(bào)，2013(1):9-19.

[11]柏 春.城市路網(wǎng)規(guī)劃中的氣候問(wèn)題[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(4):21-34.