劉姝宇 謝祖楊 宋代風(fēng) 沈小潔

摘要：城市氣候惡化的客觀現(xiàn)實(shí)與國(guó)家新型城鎮(zhèn)化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略為城市住區(qū)建設(shè)提出應(yīng)對(duì)城市氣候問題、優(yōu)化室外熱環(huán)境的艱巨任務(wù)。以廈門市高層住區(qū)為例，通過數(shù)值模擬與統(tǒng)計(jì)分析方法，探討住區(qū)布局與室外熱環(huán)境之間的作用機(jī)理，為住區(qū)設(shè)計(jì)形態(tài)生成提供必要依據(jù)。結(jié)果表明，通過布局優(yōu)化改善室外熱環(huán)境的思路具可行性;多指標(biāo)均值綜合得分評(píng)價(jià)體系可作為室外熱環(huán)境分析的有效工具;建設(shè)用地方位、組團(tuán)規(guī)模、建筑排布、綠地布局等均可對(duì)室外熱環(huán)境產(chǎn)生重要影響。

關(guān)鍵詞：室外熱環(huán)境;布局;作用機(jī)理;高層住區(qū);廈門

中圖分類號(hào)：F293.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1001-9138-（2019）06-0034-38 收稿日期：2019-05-08

快速城市化進(jìn)程致使我國(guó)當(dāng)前多地城市氣候問題突顯。在新型城鎮(zhèn)化背景下，以低碳節(jié)能、生態(tài)宜居城市建設(shè)為目標(biāo)，針對(duì)城市氣候優(yōu)化的城市與住區(qū)設(shè)計(jì)研究成為學(xué)界熱點(diǎn)。如何營(yíng)造良好的室外熱環(huán)境不僅是綠色住區(qū)設(shè)計(jì)需要著重考慮的問題，而且也為低碳生態(tài)城市設(shè)計(jì)理論的研究提供必要切入點(diǎn)。我國(guó)幅員遼闊、氣候條件多樣，故具指導(dǎo)意義的研究成果必然緊密結(jié)合各地氣候條件與地域特征。本研究以廈門市為例，深入探討閩東南沿海城市高層住區(qū)布局對(duì)室外熱環(huán)境的作用規(guī)律，助力綠色住區(qū)與低碳生態(tài)城市建設(shè)。

1研究思路

我國(guó)學(xué)者陸續(xù)針對(duì)不同氣候條件下的建筑布局與微氣候作用機(jī)理展開探討，推進(jìn)相關(guān)事業(yè)發(fā)展。而，鑒于設(shè)計(jì)實(shí)踐工作特點(diǎn)，氣候優(yōu)化常非設(shè)計(jì)實(shí)踐首要任務(wù)，這在很大程度上影響了研究成果轉(zhuǎn)化。各地不同類型建筑群形態(tài)與微氣候環(huán)境控制問題仍待深入探討。面對(duì)閩東南沿海地區(qū)氣候條件與其他夏熱冬暖地區(qū)的顯著差異（即，夏季高溫、高濕、高輻射、時(shí)空分布不均等），本研究以形態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)際工作需求為導(dǎo)向，基于對(duì)住區(qū)設(shè)計(jì)步驟的分解，引入?yún)?shù)化思維，采用定量和定性相補(bǔ)充的方法，在高層住區(qū)設(shè)計(jì)與室外熱環(huán)境控制之間建立橋梁。

2研究?jī)?nèi)容

2.1框架條件獲取

課題組通過對(duì)住區(qū)用地規(guī)模、住宅建筑物尺寸統(tǒng)計(jì)，界定典型地塊尺寸（即，384m*258m的橫向地塊、258m*384m的縱向地塊）與典型建筑物平面尺寸（即，60m*15m的板式建筑、30m*22m的點(diǎn)式建筑）;基于廈門市土地利用強(qiáng)度相關(guān)規(guī)定設(shè)定住宅建筑層數(shù)（18層）。鑒于容積率對(duì)土地開發(fā)經(jīng)濟(jì)利益的決定性影響，基于設(shè)計(jì)實(shí)踐實(shí)際條件，將容積率定為上限2.3，并在此條件下獲得相應(yīng)板式建筑和點(diǎn)式建筑的建筑物數(shù)量。

據(jù)此開展布局方案設(shè)計(jì)，在排除難以不實(shí)際的、部分對(duì)稱的布局之后，獲得272種布局，通過基于PHOENICS軟件的數(shù)值模擬，獲得上述布局近地面1.5m高處的熱環(huán)境分布情況。

2.2評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

通過對(duì)既有評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)的梳理，基于對(duì)問題闡述全面性、表達(dá)方式直觀性的考慮，本研究構(gòu)建了含空氣溫度（TAIR）、體感溫度（TAPR）、濕球黑球溫度（WBGT）、預(yù)測(cè)平均投票數(shù)（PMV）、風(fēng)速（Velocity）等指標(biāo)的“多指標(biāo)均值綜合得分評(píng)價(jià)體系”，以綜合評(píng)價(jià)各布局的室外熱環(huán)境優(yōu)劣。在表達(dá)方面，整體上通過匯總分值獲得綜合評(píng)分，以便開展整體性量化分析;細(xì)節(jié)上，通過雷達(dá)圖示法直觀反映布局在各分項(xiàng)上的優(yōu)劣。

2.3建模與數(shù)值模擬

首先，進(jìn)行時(shí)段選取論證、軟件校準(zhǔn)與參數(shù)調(diào)試。針對(duì)廈門市思明區(qū)海韻園二期高層住區(qū)開展的室外熱環(huán)境實(shí)測(cè)成果證實(shí)，該地區(qū)夏季最不利熱環(huán)境狀況出現(xiàn)在下午14點(diǎn)前后。故，數(shù)值模擬時(shí)段被設(shè)定為下午14點(diǎn)。

根據(jù)相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)與本研究具體需要，選擇PHOENICS軟件中的能量方程TEMPERATURE、湍流方程KEMODL、輻射方程IMMERSOL開展數(shù)值模擬。環(huán)境參數(shù)方面，溫度、濕度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)等基本氣象框架條件的設(shè)定以廈門市氣象資料為準(zhǔn)（見表1）。為增強(qiáng)仿真效果，本研究在模型中加入恒溫土壤層（土壤層溫度設(shè)為30℃）。

3成果分析

3.1規(guī)律探討

3.1.1建設(shè)用地方位

在集中式布局中，隨著建設(shè)用地自西向東移動(dòng)，室外熱環(huán)境逐漸變差，但變化趨勢(shì)不明顯（見表2）。原因在于，當(dāng)建筑群居于地塊西側(cè)時(shí)，被風(fēng)帶走的輻射熱量位于建筑群背風(fēng)面，并未被統(tǒng)計(jì)在計(jì)算范圍內(nèi)。

對(duì)板式建筑群而言，隨著建設(shè)用地自北向南變化，室外熱環(huán)境變好。原因在于，板式建筑群風(fēng)阻大，來風(fēng)的熱量驅(qū)散能力弱;熱環(huán)境主要影響因素為太陽(yáng)輻射。當(dāng)建設(shè)用地置于綠地北部時(shí)，南面綠地受到太陽(yáng)輻射加溫作用聚集大規(guī)模熱量;當(dāng)建設(shè)用地置于綠地南部時(shí)，北面綠地在建筑物陰影中，同時(shí)建筑群熱量較少被風(fēng)帶出。

對(duì)點(diǎn)式建筑群而言，隨著建筑群由北往南移動(dòng)，整體室外熱環(huán)境先變壞后變好，總體以布局于北部為佳。原因在于，點(diǎn)式建筑面寬較窄，風(fēng)能從南面吹入建筑群，雖能帶走南側(cè)部分熱量，但無法在建筑物背風(fēng)面形成優(yōu)良風(fēng)場(chǎng)，導(dǎo)致北面熱量淤積。故，將點(diǎn)式建筑群置于北部時(shí)，建筑群輻射熱量易被風(fēng)帶出地塊（見圖1）。

3.1.2組團(tuán)規(guī)模

當(dāng)建筑物過于集中（即建筑組團(tuán)數(shù)量為1）或過于分散（即建筑組團(tuán)數(shù)量大于6）時(shí)，室外熱環(huán)境均不佳;而當(dāng)建筑組團(tuán)數(shù)量適中（3-4個(gè)）時(shí)，室外熱環(huán)境較好（見圖2）。即，由中等規(guī)模建筑組團(tuán)（3-4棟板式建筑物或4-6棟點(diǎn)式建筑物）組成住區(qū)的室外熱環(huán)境表現(xiàn)最好。原因在于，建筑物過于集中易形成大規(guī)模輻射熱源，同時(shí)熱量不易被風(fēng)帶走;建筑物過于分散布置則易阻礙來風(fēng)，擾亂風(fēng)環(huán)境，導(dǎo)致排熱不利。

3.1.3建筑排布

組團(tuán)內(nèi)建筑排布對(duì)室外熱環(huán)境的影響與建筑物平面形態(tài)相關(guān)。即，對(duì)板式建筑群而言，東西向條狀排布的熱環(huán)境較好;對(duì)點(diǎn)式建筑群而言，塊狀排布的熱環(huán)境較好（見表3）。

板式建筑群東西向條狀排布時(shí)的室外熱環(huán)境最優(yōu)，原因如下。其一，東西向條狀排布時(shí)，建筑物南北立面距離被拉大，南北墻面的長(zhǎng)波輻射吸收較少，建筑間熱輻射熱量易于擴(kuò)散;其二，建筑群排布整齊，易形成具光滑邊界的風(fēng)廊，促使更多熱量被風(fēng)帶走。

點(diǎn)式建筑群塊狀排布時(shí)的室外熱環(huán)境最優(yōu)，原因如下。其一，南北向存在輻射影響的墻面較少，導(dǎo)致長(zhǎng)波輻射吸收熱量較少;其二，綠地破碎化程度較低，通風(fēng)條件較好，地塊中熱量殘留更少。

3.1.4綠地布局

綠地布局對(duì)室外熱環(huán)境影響規(guī)律如下。

第一，以整體室外熱環(huán)境優(yōu)化為目標(biāo)，集中布局優(yōu)于分散布局（見圖3）。其一，綠地集中布局常加大組團(tuán)間距，輻射熱易于散去;其二，分散布局常導(dǎo)致建筑物分散，難以形成良好風(fēng)場(chǎng)、導(dǎo)致氣流紊亂，使輻射熱難于散去。

第二，以住區(qū)自身室外熱環(huán)境優(yōu)化為目標(biāo)，穿越式集中綠地方向不宜順應(yīng)來風(fēng)方向。結(jié)果顯示，集中綠地不順應(yīng)來風(fēng)方向布局的熱環(huán)境得分明顯高于集中綠地順應(yīng)來風(fēng)方向的布局。原有在于，集中綠地順應(yīng)來風(fēng)方向時(shí)，氣流沿開放空間順暢流經(jīng)場(chǎng)地，未能深入組團(tuán)帶走熱量;集中綠地不順應(yīng)來風(fēng)方向時(shí)，氣流被迫流經(jīng)建筑群，易于帶走輻射熱（見表4）。

3.2實(shí)證研究

本研究嘗試基于研究成果對(duì)前文實(shí)測(cè)高層住區(qū)展開實(shí)證研究，以檢驗(yàn)成果的合理性與有效性。出于經(jīng)濟(jì)利益、可行性等考慮，以容積率保持不變、住宅建筑位置不變?yōu)榍疤?，布局調(diào)整主要包括適當(dāng)移動(dòng)裙房、縮小裙房占地面積、減小道路面積與整合綠地等。布局優(yōu)化前后的模擬結(jié)果顯示，基于所獲規(guī)律的布局調(diào)整在很大程度上改善了整體室外熱環(huán)境（見表5）。

4結(jié)語(yǔ)

本研究既驗(yàn)證了住區(qū)布局對(duì)室外熱環(huán)境的顯著影響，又論證了通過布局優(yōu)化改善室外熱環(huán)境思路的可行性。

鑒于室外熱環(huán)境與風(fēng)環(huán)境的非穩(wěn)態(tài)特性，室外環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法必然與室內(nèi)研究存在差別。囊括多個(gè)環(huán)境性能指標(biāo)的“多指標(biāo)均值綜合得分評(píng)價(jià)體系”可為室外熱環(huán)境分析提供可能。該體系既能提供便捷反映對(duì)象環(huán)境質(zhì)量的整體評(píng)分水平，又能直觀反映各性能之優(yōu)劣。

建筑學(xué)的核心任務(wù)在于創(chuàng)造形態(tài)。為了獲取布局形態(tài)與環(huán)境性能的關(guān)聯(lián)性，本研究通過理想實(shí)驗(yàn)初步獲取了建設(shè)用地方位、組團(tuán)規(guī)模、建筑排布、綠地布局等形態(tài)要素與室外熱環(huán)境間的作用規(guī)律。關(guān)于形態(tài)與環(huán)境性能之間更深入、更細(xì)致的作用機(jī)理及其原因分析則有待進(jìn)一步深入探討。