姚昊翊，吳 笛 ，任昕瑜，張海麟（.云南師范大學能源與環(huán)境科學學院， 云南 昆明 650504；. 廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院， 廣東 廣州 50000）

當前，我國城市的快速發(fā)展及人口的迅速膨脹使得很多城市新建了大量住宅小區(qū)發(fā)達地區(qū)在土地資源十分寶貴的情況下，大多數(shù)只能采取緊湊型（高容積率、高建筑密度）的開發(fā)模式。這種模式雖然有利于提高能源的利用率，但可能會惡化住宅小區(qū)周圍的小氣候[1]，通風不暢便是惡果之一。住宅小區(qū)室外風環(huán)境的好壞關(guān)乎小區(qū)的宜居性，住宅小區(qū)布局的優(yōu)化有利于改善空氣質(zhì)量，促進污染物消散。隨著“綠色建筑”概念的推廣，住宅小區(qū)風環(huán)境已成為評價“綠色建筑”等級的一個重要指標，促使國內(nèi)外學者對風環(huán)境進行了大量的研究[2]。國內(nèi)研究者總結(jié)了 4 種理想化的城市住宅小區(qū)布局模式，整理風環(huán)境模擬數(shù)據(jù)得出住宅小區(qū)容積率與風環(huán)境的變化規(guī)律[3]。有的研究者通過實際測量及調(diào)查居住區(qū)的室外風環(huán)境，提取出不同容積率、不同建筑密度、不同空間高度的典型布局模式，通過風環(huán)境的模擬評估來探討能夠提升居住區(qū)環(huán)境品質(zhì)的規(guī)劃策略[4]。馬來西亞學者 Tetsu Kubota[5]等人通過風洞實驗研究了居住建筑形態(tài)和風速的關(guān)系，研究結(jié)果顯示在同樣的容積率和建筑密度下，高層公寓的平均風速比都高于獨立式住宅。

總體而言，之前的研究主要采用風速、風壓指標來評價風環(huán)境的好壞[6]，模型多采用理想狀態(tài)下的行列式、錯列式、圍合式等較為單一的布局模式來研究[3,7]，較少涉及與住宅小區(qū)規(guī)劃設(shè)計密不可分的容積率、建筑密度等指標，很少關(guān)注風速比和風速不均勻系數(shù)這兩個風環(huán)境評價標準。為了更好地分析住宅小區(qū)室外風環(huán)境與住宅小區(qū)布局模式的關(guān)系，本文以風速比和風速不均勻系數(shù)作為評價指標，以夏熱冬冷地區(qū)住宅小區(qū)為例，采用 AirPak 軟件對該地區(qū)不同容積率和建筑密度的小區(qū)進行數(shù)值模擬。旨在探索住宅小區(qū)布局模式與風速比、風速不均勻系數(shù)之間的定量關(guān)聯(lián)規(guī)律，探討如何在保證土地使用效率前提下促進住宅小區(qū)風環(huán)境優(yōu)化，為住宅小區(qū)布局規(guī)劃策略提供一種思路。

1 住宅小區(qū)風環(huán)境的評價和數(shù)值模擬方法

1.1 風速比評價方法

風速比評價標準中，引入風速比 Ri作為風環(huán)境舒適度參數(shù)來評價風環(huán)境的優(yōu)劣。風速比 Ri反映了由于存在建筑物的干擾而引起建筑物周圍風速變化的程度[3,8]。Ri＞ 1 則表示氣流通過該點以后，風速被放大了，通風增強；如 Ri＜ 1則表示氣流通過該點以后，風速被減小了，通風變?nèi)鮗9]。風速比的計算公式如式（1）所示。

式中：Ui—該處建筑物附近流場中i點位置行人高度處（1.5 m 高）的風速，m/s；

Ui0—空曠處流場i點位置行人高度處（1.5 m 高）的風速，m/s。

由于大氣邊界層滿足“水平均勻性”，Ui0等于行人高度處（1.5 m 高）的來流風速，

因此，理論上來流風速可取任意值[10]。

1.2 風速不均勻系數(shù)評價法

小區(qū)內(nèi)部氣流組織的好壞可直接影響小區(qū)通風的效果，其中，風速不均勻系數(shù)是氣流組織性能的評價指標之一[11]。均勻的風速給人更加舒適的感覺，可增強小區(qū)內(nèi)部的安全性。該方法是在所研究的區(qū)域內(nèi)選取 n 個測點，分別測得各點的風速，其算數(shù)平均值計算公式如式（2）所示。

均方根偏差如式（3）所示。

不均勻系數(shù)如式（4）所示。

由此公式求得的風速不均勻系數(shù)越小，表示該區(qū)域的氣流分布越均勻，舒適度越高。

1.3 數(shù)值模擬方法

本文采用 AirPak 軟件對長沙地區(qū)高層和低/多層不同布局模式的小區(qū)室外風環(huán)境進行了數(shù)值模擬研究，空氣流湍流模擬采用 k-ε 湍流模型，網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格?？諝饬鳛槔硐肓黧w，入口邊界采用速度入口邊界條件[12]。本研究中地面粗糙指數(shù)為 0.22，邊界層厚度為 370.0 m。在模擬模型中建筑物周圍行人高度處（1.5 m 高）均勻選取 50 個測點，計算出 50 個測點的風速比并建立頻率分布直方圖和散點圖進行分析，更直觀地呈現(xiàn)出住宅小區(qū)在不同平面布局情況下室外風環(huán)境的優(yōu)劣狀況。

2 模型的建立

對住宅小區(qū)室外風環(huán)境進行數(shù)值模擬時，首先需建立一個有限的三維計算域。結(jié)合相關(guān)文獻中計算域的經(jīng)驗取值范圍，確定計算域左、右邊界相隔建筑群邊界的距離分別為模型寬度的 3 倍，迎風向距離為模型寬度的 3 倍，出流面和建筑下風向距離為寬度的 6～9 倍，模型比例 1:1[13]。計算域大小的確定對數(shù)值模擬計算結(jié)果有影響。其次確定計算域各邊界的邊界條件，從而模擬實際的風環(huán)境流動場。

3 容積率與建筑密度

容積率是住宅小區(qū)的關(guān)鍵指標，關(guān)乎居住品質(zhì)。一般而言，在建筑層數(shù)一定的情況下，小區(qū)容積率越大，綠地率就越低，代表建筑密度相應提高，住戶的居住環(huán)境隨之變差。反之，小區(qū)建筑層數(shù)不變的情況下降低容積率，綠地率就會提高，居住區(qū)環(huán)境就會得到改善[14]。

住宅小區(qū)建筑群的組合方式受到容積率及城市天際線的影響，建筑高度及建筑密度有一定的變化。高層建筑和低/多層建筑組合布局的建筑群與高度差別不大的建筑群相比，環(huán)境條件有很大不同。研究發(fā)現(xiàn)，建筑物周圍風環(huán)境的影響因素除了有建筑物所處地區(qū)的地理位置和氣候環(huán)境，還包括建筑物的平面形式、高度、建筑物之間的距離及相對位置的排列[15]。由于風速隨著建筑物高度的增加而不斷增大，高層建筑和低層/多層建筑的組合布局方式直接影響群體建筑之間的風場變化。不同建筑物在同一空間相應區(qū)域內(nèi)各自形成不同氣流場，相互之間產(chǎn)生干擾[16]。

4 建筑密度與容積率對風環(huán)境的影響

4.1 建筑密度與容積率對平均風速比的影響

本文選取 16 個容積率和建筑密度不同的實際工程案例作為研究對象，用 AirPak 建立小區(qū)布局模型。在小區(qū)內(nèi)部行道、中庭、邊庭等行人經(jīng)常到達之處，均勻選取 50 個測點，測點距離地面 1.5 m 處，即行人頭頸部位能感覺得到風的位置。分別以 N、NE、E、SE、S、SW、W、NW 8 個方向為來流方向以進行各個案例小區(qū)的室外風環(huán)境模擬，統(tǒng)計8 個風向下 50 個測點的風速，以得到各個項目的 400 個測點風速數(shù)據(jù)。

根據(jù)模擬結(jié)果計算出各測點的風速比，進而求出平均風速比。平均風速比區(qū)間為[0,2.1]，以 0.1 為區(qū)間間隔值。整理后結(jié)果如表 1 和表 2 第二列所示。統(tǒng)計結(jié)果中，風速比 Ri越大，說明測試點的通風越好。當測試點的風速 = 入流風速（即無模型時該點的風速）時，風速比 =1；風速比 ＞ 1 的時候，說明該點的風速較入流風速有增大。

表 1 低/多層住宅小區(qū)的技術(shù)經(jīng)濟指標、風速比和風速不均勻系數(shù)統(tǒng)計表

表 2 高層住宅小區(qū)的技術(shù)經(jīng)濟指標、風速比和風速不均勻系數(shù)統(tǒng)計表

由表 1 及表 2 第二列可知，低/多層建筑組合的住宅小區(qū)風速比 R 值分布比較集中，平均風速比 R 相對較?。桓邔咏ㄖM成的住宅小區(qū)風速比 R 值分布較為分散，數(shù)值跨度更大，平均風速比 R 較大。其中，高層建筑組成的住宅小區(qū)風速比超過 1 的測點數(shù)量顯著增多，表明該模擬區(qū)域內(nèi)實際風速 ＞ 來流風速的地方增多。以建筑密度作為 X 軸，以平均風速比 R 作為 Y 軸，整理并繪制出以上 16 個工程項目的散點圖如圖 1 所示。

圖 1 低/多層和高層小區(qū)建筑密度與平均風速比關(guān)系圖

如夏季時住宅小區(qū)內(nèi)部風速過低，人們就更容易感到潮濕悶熱。尤其是我國位于長江中下游的夏熱冬冷氣候區(qū)，夏季高溫高濕，低風速的情況下無法良好地散熱除濕，將會影響人們的舒適度，甚至損害健康。相反，住宅小區(qū)內(nèi)部風速過高會增強行人的吹風感，舒適性降低，嚴重的將引發(fā)危害，因此，在常年靜風的地區(qū)不宜設(shè)置大量高密度的低/多層建筑組成的住宅小區(qū)。但在大風頻率較高的地區(qū)要考慮采取適當降低建筑高度、加大建筑密度或者種植高大喬木等措施來幫助冬季防風。

同時，在具有同樣的地理條件、氣象條件和建筑密度的地區(qū)，高層建筑組成的住宅小區(qū)風速要 ＞ 低/多層建筑組成的住宅小區(qū)。

綜上所述，相對于低/多層住宅小區(qū)，高層住宅小區(qū)在規(guī)劃設(shè)計時由于建筑密度小而更容易形成集中的開放空間（如公共活動場地等），方便構(gòu)造通風道/區(qū)，因此高層住宅小區(qū)更容易獲得通暢的室外通風。但出于經(jīng)濟效益的考慮，低/多層住宅小區(qū)內(nèi)建筑密度更高，且內(nèi)部道路更加精細曲折，使得住宅小區(qū)內(nèi)部風速降低，甚至導致整個小區(qū)風環(huán)境惡化。值得注意的是，高層建筑周邊更容易形成巷道風和邊角大風，增大風速不均勻系數(shù)，降低小區(qū)內(nèi)局部行人的舒適度，甚至引起風害。

4.2 建筑密度與容積率對風速不均勻系數(shù)的影響

同樣選取以上 16 個不同容積率和建筑密度的實際工程項目建立模型，計算 50 個測點、8 個風向共 400 個測點行人高度處（1.5 m 高）的風速。模擬結(jié)果中得到的測點風速經(jīng)過整理并計算出所有測點在各風向下的算數(shù)平均值，再求出各測點風速的均方根偏差，最后計算出各案例內(nèi)部的風速不均勻系數(shù)，整理結(jié)果如表 1 及表 2 第三例所示。統(tǒng)計結(jié)果中，風速不均勻系數(shù)越大，說明測試點風速越不均勻，可能造成舒適性的下降。

由表 1 及表 2 第三列可知，低/多層組合的住宅小區(qū)風速不均勻系數(shù)K值分布區(qū)間略小于高層建筑組合住宅小區(qū)，最終得到的平均風速不均勻系數(shù) K 也較小，表明區(qū)域內(nèi)風速沒有發(fā)生突變，較均勻舒適。用以上 16 個項目的建筑密度作為橫坐標 X，用計算出的平均風速不均勻系數(shù) K 作為縱坐標 Y，繪制散點圖如圖 2 所示。

圖 2 低/多層和高層小區(qū)建筑密度與風速不均勻系數(shù)關(guān)系圖

圖 2 中，X 軸表示住宅小區(qū)的建筑密度，Y 軸表示小區(qū)內(nèi)部各測點的平均風速不均勻系數(shù)。由此可知，一個住宅小區(qū)無論是由低/多層建筑組成抑或高層建筑組成，建筑密度都反比于平均風速不均勻性，即隨著建筑密度的增大，平均風速不均勻系數(shù)減小。即，住宅小區(qū)建筑密度越大，小區(qū)內(nèi)部的氣流分布越均勻。高層住宅小區(qū)的內(nèi)部平均風速不均勻系數(shù) ＞ 低/多層住宅小區(qū)，即高層住宅小區(qū)內(nèi)部的風環(huán)境變化更大，氣流分布不均勻，行人在小區(qū)內(nèi)部行走忽而無風忽而有強吹風感等不舒適體驗的可能性更大。

5 結(jié) 語

通過介紹風環(huán)境模擬方法、風速比評價方法和風速不均勻系數(shù)評價法，根據(jù)實際工程案例模型對不同容積率（建筑高度）和建筑密度對建筑群內(nèi)部風環(huán)境的影響狀況進行分析比較，可為建筑群規(guī)劃提供了布局方法的參考。主要結(jié)論如下所示。

（1）在具有同樣地理條件、氣象條件和建筑密度的地區(qū)，相對于高層建筑組成的住宅小區(qū)，低/多層建筑組成的住宅小區(qū)的風速要小。因此在靜風區(qū)面積大的城市或地區(qū)不宜設(shè)置高密度的低層住宅樓。

（2）高層住宅小區(qū)內(nèi)部通道和形體轉(zhuǎn)折的區(qū)域容易產(chǎn)生巷道風和邊角大風，小區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)風速不均勻的可能性更大，要注意采用高層和低/多層結(jié)合布置的辦法或者局部架空、種植高大喬木以減小這種風速不均勻。

（3）住宅小區(qū)采用低/多層與高層的組合的情況下，夏季背風面布置高層建筑、夏季迎風面布置低/多層建筑的布局模式，能夠使住宅小區(qū)內(nèi)部風速均勻，且風影區(qū)變小。