楊 娟，王之昊，田 真

（蘇州大學(xué) 金螳螂建筑學(xué)院，江蘇 蘇州 215123）

1 香港穗禾苑

巴馬丹拿事務(wù)所成立于1938年，是東南亞地區(qū)內(nèi)歷史最悠久、規(guī)模最龐大的建筑及工程事務(wù)所。香港穗禾苑住宅小區(qū)是由該事務(wù)所于1980年設(shè)計的經(jīng)濟適用高層公屋住宅，該小區(qū)位于沙田東南面山坡上，俯瞰整個沙田市中心，該公屋住宅類似國內(nèi)的經(jīng)濟適用住宅或者公共租賃住宅，小區(qū)內(nèi)戶型可租可售。穗禾苑小區(qū)占地9.1萬m2，總建筑面積18.3萬m2，是香港20世紀(jì)70年代末期開始的“居者有其屋”計劃下設(shè)計最理想的屋苑之一[1]。

如圖1所示，穗禾苑建筑群由9棟高層住宅樓、幼兒園、學(xué)校、活動中心及商場等組成，每棟住宅樓均為36層。建筑組群采取每3棟住宅樓形成一個組團，3個組團的建筑布局形式相近，采用品字型布局，但品字型開口不同，分別面向東西兩個方向開口。9棟高層住宅基本上面向主導(dǎo)風(fēng)向。各個組團中心庭院的布景形式不同。北邊的組團布置了一個健身公園，中間的組團是一個帶噴水池的公園，南邊的組團設(shè)計了一個錦鯉池。微風(fēng)徐來，花香撲鼻，景色宜人，水聲潺潺，提升了建筑的空間品質(zhì)。

高層住宅的標(biāo)準(zhǔn)層平面每層8戶，整個建筑單體平面呈風(fēng)車狀。在每個樓梯間里，走廊端部的兩戶與走廊邊上的一戶錯開半層。如圖1平面圖所示，3、6、9、12四戶在一個標(biāo)高上，剩下的八戶在一個標(biāo)高上，錯層設(shè)計，避開了相鄰幾戶的干擾，營造了私密的入戶空間。電梯每三層?？恳淮?，提高了電梯的工作效率。每層中間的走廊不是封閉的，中間有一個大的公共平臺（見圖2），可供人們室外活動。在電梯不?？康膬蓪樱瑯翘葑呃葥醢逄幵O(shè)置了大圓洞，可供不同樓層間的人們相互對望，增加生活的情趣[2]。作為政府公屋，戶型套內(nèi)建筑面積約37.3～56.6 m2，為2室2廳1廚1衛(wèi)，或3室2廳1廚1衛(wèi)設(shè)計，戶型設(shè)計相當(dāng)經(jīng)濟和緊湊。

穗禾苑設(shè)計方案在1981年榮獲香港建筑師學(xué)會“銀獎”。穗禾苑小區(qū)雖落成已經(jīng)近40 a，但由于良好的維護與定期整修，整個小區(qū)運行情況良好，完全看不出是一個樓齡接近四十年的經(jīng)濟適用房小區(qū)。過渡季節(jié)及初夏，小區(qū)及室內(nèi)涼風(fēng)習(xí)習(xí)，幾乎不用開空調(diào)也能達到較好的熱舒適度，為人所稱道。

圖1 穗禾苑總平面圖及單體建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面示意圖

圖2 穗禾苑外觀及單元公共空間

2 香港穗禾苑風(fēng)環(huán)境分析

根據(jù)香港氣象數(shù)據(jù)，夏季工況主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)，東偏南22.5°，參考高度處（H=10 m)風(fēng)速2.7 m/s。冬季工況取主導(dǎo)風(fēng)向東北風(fēng)，東偏北 22.5°，參考高度處（H=10 m)風(fēng)速 2.9 m/s。運用ladybug對香港的氣象數(shù)據(jù)進行分析，探討香港自然通風(fēng)的潛能。分析結(jié)果如圖3所示，在風(fēng)速大于1 m/s，溫度小于32℃，相對濕度處于30%～80%的條件下，香港全年40.82%的時間段具有自然通風(fēng)的潛能，即在全年8 760 h中有3 576 h可以通過自然通風(fēng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度。采用計算流體動力學(xué)（CFD，Computational Fluid Dynamics）的方法對建筑周圍風(fēng)環(huán)境狀況進行模擬評價，本次模擬采用的是綠建斯維爾公司開發(fā)研制的Vent軟件 （Open Foam計算核心）。在計算軟件Vent進行三維流動數(shù)值模擬從而得到建筑周邊的流場和建筑表面的壓力分布。為了簡化模型，對模型做了適當(dāng)?shù)暮喕?，忽略了部分對風(fēng)壓分布影響較小的建筑構(gòu)件。為評價不同組團開口對風(fēng)環(huán)境影響，分別對南部的東向開口組團及中部的西向開口組團進行單獨分析。

圖3 香港自然通風(fēng)潛力分析圖

2.1 Vent CFD 模擬軟件

目前CFD計算方法方法主要采用有限差分法和有限體積法。一般情況下，兩者的數(shù)學(xué)本質(zhì)及其表達是相同的，只是物理含義有所區(qū)別，有限差分基于微分的思想，有限體積基于物理守恒的原理。Vent2016軟件采用有限體積法，同時采用壓強校正法（SIMPLE）處理連續(xù)性方程，將運動方程的差分方程代入連續(xù)性方程建立起基于連續(xù)性方程代數(shù)離散的壓強聯(lián)系方程，求解壓強量或壓強調(diào)整量。Vent CFD計算需要將CFD數(shù)學(xué)模型中的高度非線性的方程離散為可用于求解的方程，這個過程需要用到差分方法。Vent采用二階迎風(fēng)格式對方程進行離散，二階迎風(fēng)格式的準(zhǔn)確性可滿足一般流體模擬計算的要求[3]，同時滿足《建筑通風(fēng)效果測試與評價標(biāo)準(zhǔn)（JGJ/T 309-2013）》對于模擬算法的要求。

2.2 香港穗禾苑建筑組群通風(fēng)效果分析

速度場主要是查看人行高度處風(fēng)速分布情況，根據(jù)評價要求，方便評價是否有超過5 m/s的情況。該項目模擬結(jié)果如圖4-圖7所示。

圖4 南部組團東向開口夏季東南風(fēng)速度矢量及風(fēng)速系數(shù)放大圖

圖5 中部組團西向開口夏季東南風(fēng)速度矢量及風(fēng)速系數(shù)放大圖

圖6 南部組團東向開口冬季東北風(fēng)速度矢量及壓強云圖

從夏季的模擬結(jié)果來看，東向開口組團及西向開口組團建筑周邊行人高度處夏季室外風(fēng)速有小部分區(qū)域低于0.5 m/s，場地風(fēng)速均低于5 m/s，場地內(nèi)各棟建筑交界處因為峽谷風(fēng)效應(yīng)，使得風(fēng)速較快，風(fēng)速放大系數(shù)可能大于2。模擬中未包括小區(qū)綠化樹木模型，實際情況下小區(qū)內(nèi)部綠化環(huán)境優(yōu)美，可通過喬木與灌木結(jié)合能夠合理引導(dǎo)風(fēng)的流動，減小風(fēng)速放大系數(shù)，消除不利情況。從結(jié)果對比情況來看，東開口組團由于迎向夏季東南風(fēng)向，使得各棟建筑室外都有較好的風(fēng)環(huán)境，靜風(fēng)區(qū)域較小，而西開口組團因為最北面建筑處于東南及南面兩棟建筑的影響，靜風(fēng)區(qū)域較大。在各棟單體建筑中，因為風(fēng)車型的平面布局，使得中部的開口及邊翼的展開起到了較好的“捕風(fēng)”功能，促進了夏季風(fēng)的流動。另外建筑建筑師設(shè)計了一條南北方向的主要風(fēng)廊以及東西向次要的風(fēng)廊，以此通過風(fēng)廊來進一步導(dǎo)風(fēng)到各個住宅戶型單元。

在室外活動場所，每個組團都增添水景設(shè)施或者采用滲水路面或者綠化磚，減少了局部熱島效應(yīng)[4]。大部分建筑前后存在一定壓差，滿足《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中的夏季建筑前后風(fēng)壓壓差大于0.5 Pa的規(guī)定[5]。

壓力場主要通過不同高度處的壓力分布等值線圖以及建筑表面風(fēng)壓分布圖來進行評價和計算建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓力差。從冬季的模擬結(jié)果來看，整體上室外行走空間風(fēng)速不超過5 m/s，大量的喬木與灌木結(jié)合能夠合理引導(dǎo)風(fēng)的流動，減小風(fēng)速，消除不利情況。由于香港主導(dǎo)風(fēng)向是東風(fēng)，穗禾苑布局排列方式造成9棟高層建筑都是迎風(fēng)建筑。所以在冬季建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面壓差較大，不利于冬季保溫，不可以確保冬季建筑前后壓差不大于5 Pa，因此應(yīng)重視東側(cè)建筑和高層建筑的東向外窗氣密性。西部開口組團南側(cè)建筑因處于背風(fēng)處，整體風(fēng)速較低。從夏季及冬季建筑組團分析情況來看，東向開口3棟建筑均處于可迎風(fēng)情況，而西向開口冬夏季總有一棟建筑處于背風(fēng)處。因而東向開口整體室外風(fēng)速較為均勻而且風(fēng)速放大系數(shù)較小而占優(yōu)，但是優(yōu)勢并不明顯，因此整體上兩種組群布置方式差別不大。

2.3 穗禾苑建筑組群通風(fēng)方案比較

由于穗禾苑小區(qū)屬于政府公屋，在整體上需要節(jié)省用地并降低成本，因此如何實現(xiàn)最小占地以及最小的公攤面積的要求使得建筑師創(chuàng)造性地設(shè)計了一個風(fēng)車型的建筑平面，同時利用公共走道連接各戶型。整體上，穗禾苑的平面布局能夠改善空氣質(zhì)量，提高室內(nèi)外新鮮空氣的流通，促進自然風(fēng)循環(huán)，營造出高品質(zhì)的通風(fēng)環(huán)境。錯層設(shè)計使建筑各個方向均勻設(shè)有開口，不僅避免了相鄰幾戶的相互干擾，而且中間的公共平臺與通風(fēng)廊道起到了引導(dǎo)風(fēng)向的作用。穗禾苑的建筑平面設(shè)計中有一條南北向主要通風(fēng)廊道，可以通過改變通風(fēng)廊道的方向，分別通過旋轉(zhuǎn)平面的最簡單方式來調(diào)整通風(fēng)廊道的方位來評估其他方案的優(yōu)劣。方案一，將平面鏡像，使通風(fēng)廊道的進風(fēng)方向和出風(fēng)方向與現(xiàn)有情況恰好相反；方案二，把平面順時針旋轉(zhuǎn)90°，使主通風(fēng)廊道呈東西向布置，與該區(qū)域冬季主導(dǎo)風(fēng)向幾乎保持一致。

從圖8圖9與圖4對比看，旋轉(zhuǎn)90°后夏季室外通風(fēng)情況為最佳，室外風(fēng)速放大系數(shù)最小。其主要原因在旋轉(zhuǎn)后東南角通風(fēng)開口與風(fēng)廊道最大，側(cè)翼展開距離也最大，因而通風(fēng)潛力與“捕風(fēng)”能力也最大，在室外可提供更好的通風(fēng)環(huán)境。另外從圖9風(fēng)速矢量圖可以看出，呈品字型排列的三棟建筑內(nèi)風(fēng)廊處風(fēng)速流向比較統(tǒng)一，而現(xiàn)有設(shè)計及鏡像方案中三棟建筑通風(fēng)廊道內(nèi)風(fēng)速流向各異。

從圖10、圖11與圖6對比看，方案一與方案二均比現(xiàn)有設(shè)計更好。主要原因是通過現(xiàn)有平面的鏡像或者旋轉(zhuǎn)90°，使得建筑組團東北角面向東北風(fēng)的開口更大，因而冬季的主導(dǎo)風(fēng)可通過風(fēng)廊順利輸送到建筑下風(fēng)側(cè)，可以減少迎風(fēng)面風(fēng)壓，從而減少冬季迎風(fēng)面門窗的冷風(fēng)滲透。

圖8 方案一夏季東南風(fēng)速度矢量圖

圖9 方案二夏季東南風(fēng)速度矢量圖

圖10 方案一冬季東北風(fēng)壓強云圖

圖11 方案二冬季東北風(fēng)壓強云圖

3 穗禾苑建筑單體室內(nèi)風(fēng)環(huán)境分析

從以上模擬結(jié)果可知，整體上穗禾苑具有良好的自然通風(fēng)效果，但也存在著夏季局部區(qū)域風(fēng)速偏低，同時各棟建筑冬季東北風(fēng)風(fēng)壓較大?，F(xiàn)有設(shè)計與方案二（旋轉(zhuǎn)90°）相對鏡像方案更佳?，F(xiàn)有設(shè)計與旋轉(zhuǎn)方案的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境云圖與空氣齡圖見圖12、圖13。

從圖12圖13模擬結(jié)果和圖14室內(nèi)換氣次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，可得出如下主要結(jié)論：

（1）現(xiàn)有設(shè)計與旋轉(zhuǎn)方案夏季室內(nèi)主要空間通風(fēng)狀況良好，空氣換氣次數(shù)高。在夏季室外風(fēng)速為東南風(fēng)2.7 m/s的情況下，12個戶號室內(nèi)換氣次數(shù)為39～181 ACH，平均換氣次數(shù)達到了89 ACH。

（2）無論是現(xiàn)有設(shè)計還是旋轉(zhuǎn)方案，建筑西北角即圖1平面圖中的戶號10、11和12因為處于整個戶型平面的負壓區(qū)，雖然建筑平面設(shè)置了連廊作為風(fēng)廊，但是因為所處的位置不佳因而換氣次數(shù)比其他戶號小。戶號3與6亦因東南側(cè)被遮擋，換氣次數(shù)低于迎風(fēng)側(cè)戶號。

（3）整體而言，現(xiàn)有設(shè)計與旋轉(zhuǎn)方案在夏季室內(nèi)通風(fēng)情況差距較小，但旋轉(zhuǎn)方案冬季室外整體風(fēng)壓較小。通過對各戶的夏季室內(nèi)換氣次數(shù)比較（見圖14），可以發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)戶型90°后，提升了部分換氣次數(shù)較低戶號的室內(nèi)換氣次數(shù)(戶號1、6、8、11、12)，因而在風(fēng)速較小的條件下可提升室內(nèi)通風(fēng)換氣量，因而比現(xiàn)有設(shè)計更優(yōu)。

圖12 設(shè)計方案夏季東南風(fēng)室內(nèi)風(fēng)速云圖與室內(nèi)空氣齡圖

圖13 旋轉(zhuǎn)90°方案夏季東南風(fēng)室內(nèi)風(fēng)速云圖與室內(nèi)空氣齡圖

圖14 現(xiàn)有及旋轉(zhuǎn)方案夏季各戶號室內(nèi)換氣次數(shù)

4 結(jié)語

巴馬丹拿設(shè)計的風(fēng)車形的穗禾苑戶型，住宅樓內(nèi)部都有一條通風(fēng)廊道。從CFD模擬結(jié)果可以看出，通風(fēng)廊道的設(shè)計比以往設(shè)計方案中的封閉走廊，室內(nèi)外通風(fēng)效果要增強很多。針對風(fēng)車形戶型平面，可通過戶型平面凹入與凸出，利用通風(fēng)廊道，采用的“通風(fēng)”與“捕風(fēng)”的方法來組織高層住宅走廊的氣流，減少風(fēng)影區(qū)的覆蓋區(qū)域，使得建筑周圍獲得相對較好的自然通風(fēng)環(huán)境。這種布局能夠引導(dǎo)氣流斜向進入建筑群內(nèi)部，減少氣流的阻力，能夠使氣流流線間距拉長，有利于高層住區(qū)的通風(fēng)，加強了室外的自然通風(fēng)能力。同時，如果讓通風(fēng)廊道與冬季室主導(dǎo)風(fēng)向一致，東北風(fēng)不會在建筑墻面向上大量聚集，使外墻壓強減小，減少冷風(fēng)滲透量，有利于冬季的保溫防寒效果。

從對比方案的模擬結(jié)果來看，當(dāng)住宅樓內(nèi)部主要通風(fēng)廊道與該區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向在一個方位上，可改善建筑組群內(nèi)風(fēng)環(huán)境，加強室內(nèi)自然通風(fēng)，因此采用旋轉(zhuǎn)后的公共風(fēng)廊道布局方式比現(xiàn)有方案更優(yōu)。當(dāng)然該建筑建于上個世紀(jì)八十年代，當(dāng)時基于CFD計算的分析方法還未開始，而在今天通過基于CFD模擬的住宅風(fēng)環(huán)境比較與優(yōu)化方法獲得了更為廣泛的認可。

自然通風(fēng)是高層住宅設(shè)計中改善室內(nèi)環(huán)境舒適度的一種有效手段，不同的規(guī)劃布局、窗口布置、窗戶選型以及室外綠化都會對小區(qū)和室內(nèi)的風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響[6]。因此，在進行方案設(shè)計時，通過CFD模擬分析與比較，可更好地將自然通風(fēng)與建筑設(shè)計相結(jié)合，有利于實現(xiàn)更好的建筑室內(nèi)外自然通風(fēng)。