郭其錦，常方強(qiáng)，黃清祥

(1.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門 361000；3.中國(guó)京冶工程技術(shù)有限公司廈門分公司，福建 廈門 361000)

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)加快了城市化的進(jìn)程，城市中建筑物林立，不同建筑群布局形態(tài)各異[1]，影響城市中的空氣流動(dòng)，造成了各個(gè)區(qū)域的風(fēng)環(huán)境差異[2]。風(fēng)環(huán)境與人體的熱舒適度、活動(dòng)能力和空氣污染物濃度有著重要的關(guān)系。合理準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)風(fēng)環(huán)境，是城市氣候研究中的重要內(nèi)容。

當(dāng)前對(duì)城市風(fēng)環(huán)境的研究方法主要以實(shí)際測(cè)量與計(jì)算機(jī)模擬為主。在計(jì)算機(jī)模擬方面，計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)軟件經(jīng)過多年發(fā)展升級(jí)，大量應(yīng)用于居住區(qū)與街區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬。如郭衛(wèi)宏等[4]從總體布局、建筑形體、圍護(hù)界面3個(gè)層面，通過CFD模擬來(lái)進(jìn)行建筑自然通風(fēng)優(yōu)化的研究,為建筑風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供思路。劉鵬飛等[5]基于CFD技術(shù)對(duì)長(zhǎng)沙市太平街舊城區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析,對(duì)比了增加開敞空間和疏通街巷格局兩種局部更新方式對(duì)舊城區(qū)風(fēng)環(huán)境的改善效果。但采用CFD模擬城市風(fēng)環(huán)境存在一些缺點(diǎn)和不足，主要表現(xiàn)在硬件成本和時(shí)間成本較高，模擬的模型尺度較小。因此，一些學(xué)者試圖通過城市形態(tài)參數(shù)分析城市風(fēng)環(huán)境以彌補(bǔ)軟件模擬的缺點(diǎn)。如Ng等[6]引入迎風(fēng)面積密度這一概念，證實(shí)了迎風(fēng)面積密度與風(fēng)速比存在高度相關(guān)性，可用來(lái)評(píng)價(jià)城市風(fēng)環(huán)境。從以上研究來(lái)看，以往對(duì)風(fēng)環(huán)境的分析以小區(qū)域CFD模擬為主，大尺度區(qū)域模擬較少；對(duì)城市形態(tài)參數(shù)與風(fēng)速相關(guān)關(guān)系的分析以單因子城市形態(tài)參數(shù)為主，多因子城市形態(tài)參數(shù)綜合分析較少；研究的地區(qū)與時(shí)間多集中在南方和夏季，目的是為了改善城市通風(fēng)，對(duì)于北方和冬季的研究較少[7]。

本文以大慶市東城區(qū)為研究對(duì)象，結(jié)合CFD和多種城市形態(tài)參數(shù)評(píng)價(jià)嚴(yán)寒地區(qū)大尺度區(qū)域風(fēng)環(huán)境。利用CFD軟件模擬東城區(qū)中心區(qū)域建筑群的風(fēng)速狀況，計(jì)算風(fēng)速比；利用QGIS計(jì)算建筑密度、容積率、迎風(fēng)面積密度和天空開闊度4類城市形態(tài)參數(shù)；通過SPSS分析風(fēng)速比與城市形態(tài)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系；最后通過多因子線性擬合的風(fēng)速比計(jì)算方程和風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)東城區(qū)的風(fēng)環(huán)境。

1 研究區(qū)域概況

大慶市東城區(qū)西至油水分界線，南至明水泡北緣，東至龍鳳濕地及新301國(guó)道，北至北三路、世紀(jì)大道橫貫區(qū)域中央，面積約為112.40 km2。區(qū)域內(nèi)包括東風(fēng)新村、高新技術(shù)開發(fā)區(qū)、萬(wàn)寶、青龍山、龍鳳、王家圍子等6個(gè)片區(qū)，為大慶市重要的城市發(fā)展區(qū)之一。同時(shí)，依照我國(guó)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]的相關(guān)規(guī)定，該地區(qū)屬于嚴(yán)寒地區(qū)，相關(guān)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮冬季日照和防御寒風(fēng)的要求。區(qū)域內(nèi)喬灌木占地比例很低且常綠針葉林?jǐn)?shù)量很少，對(duì)風(fēng)環(huán)境影響較小。周邊地區(qū)為未開發(fā)的自然土地及部分油田開采區(qū)域,地面粗糙度很低，對(duì)城區(qū)內(nèi)部風(fēng)環(huán)境影響極小。

2 CFD模擬計(jì)算

2.1 模擬軟件和計(jì)算模型的選擇

CFD軟件數(shù)量較多且各有適用范圍及特點(diǎn)，其中PHOENICS是一款模型建立簡(jiǎn)單，參數(shù)設(shè)置直接，仿真預(yù)測(cè)高效，且快速、直觀、準(zhǔn)確率高的軟件，本文使用PHOENICS推出的FLAIR模塊進(jìn)行CFD 模擬。考慮到模擬選取的案例是城市街區(qū)，建筑群形態(tài)與布局多樣，因此選取較為精確的RNGk-ε模型進(jìn)行計(jì)算。RNGk-ε模型和普通的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，在模擬氣流運(yùn)動(dòng)尤其是湍流漩渦中，有更高的可信度和精度。該模型的控制方程如下：

(1)

其中，u、v、w分別表示流體在x、y、z方向的速度。

(2)

(3)

(4)

其中：ρ為空氣密度；xi、xj表示i、j方向的坐標(biāo)位置；ui、uj表示i、j方向的速度；p為流體壓力[9]；t為時(shí)間;k為湍流動(dòng)能;ε為湍流耗散率;Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能生成項(xiàng)；μeff為有效渦旋黏度；模型常數(shù)αk=αε=1.39，C1ε=1.44，C2ε=1.68[10]。

2.2 模擬條件設(shè)置

PHOENICS軟件模擬條件設(shè)置的內(nèi)容包括繪制建筑模型、計(jì)算域設(shè)定、網(wǎng)格劃分、風(fēng)參數(shù)設(shè)定和邊界條件設(shè)定。模擬前的參數(shù)設(shè)置通常有兩類可供參考，一類為歐洲科技研究領(lǐng)域合作組織COST推薦的設(shè)定[11]，另一類為日本建筑設(shè)計(jì)學(xué)會(huì)AIJ推薦的設(shè)定[12]。本次模擬參考AIJ推薦的設(shè)定，具體設(shè)定如下：

(1)繪制建筑模型：根據(jù)建筑實(shí)際尺寸通過CAD軟件繪制建筑模型。

(2)計(jì)算域設(shè)定：建筑覆蓋區(qū)域小于整個(gè)計(jì)算域面積的3%；計(jì)算域水平方向邊界距離建筑覆蓋區(qū)域5H(H為所模擬區(qū)域中的建筑物高度最大值)以上；計(jì)算域高度為3H。

(3)網(wǎng)格劃分滿足以下要求：網(wǎng)格劃分采用PARSOL處理方法。建筑覆蓋區(qū)域網(wǎng)格較為密集，周邊區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量逐漸減少，尺寸逐漸增大。建筑覆蓋區(qū)域水平方向每3 m一個(gè)網(wǎng)格，1.5 m高度即行人高度內(nèi)每0.5 m一個(gè)網(wǎng)格。

(4)風(fēng)參數(shù)設(shè)定：初始風(fēng)向?yàn)榇髴c市夏季主導(dǎo)風(fēng)向西南風(fēng)(距離正南45°)和冬季主導(dǎo)風(fēng)向西北風(fēng)(距離正北45°)。大慶市常年主導(dǎo)風(fēng)力為3～4級(jí)，冬季風(fēng)速高于夏季，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)設(shè)置初始10 m高度夏季風(fēng)速為4 m/s，冬季風(fēng)速為5 m/s。

(5)入口邊界條件設(shè)定：研究區(qū)域?qū)儆诖髿鈱拥撞康娜巳夯顒?dòng)區(qū)域，區(qū)域中空氣為不可壓縮流體，因此設(shè)定邊界條件為速度入流邊界。邊界層中受地面粗糙度影響形成梯度風(fēng)，不同高度的風(fēng)速計(jì)算方程如下：

(5)

其中：V為10 m高度處風(fēng)速；VZ為Z高度處的風(fēng)速；Z為離地高度；α為地面粗糙度，模擬區(qū)域位于市區(qū)且區(qū)域內(nèi)以高度較低的建筑為主，因此α取值0.24。

(6)出口邊界條件設(shè)定：一般情況下，在建筑風(fēng)環(huán)境模擬中出口邊界壓力與速度不明時(shí)，應(yīng)將出口邊界設(shè)定為自由出口，不受限制。

(7)上空面與兩側(cè)面邊界條件設(shè)定：計(jì)算域頂部與兩側(cè)距離建筑物較遠(yuǎn)，氣流受到建筑物影響很小，因此將其設(shè)置為自由滑動(dòng)面。

2.3 街區(qū)形態(tài)特征

選取東城區(qū)中心片區(qū)建筑群進(jìn)行CFD模擬。該區(qū)域?yàn)槲挥诮?jīng)六街與緯二路兩側(cè)的商業(yè)區(qū)和住宅區(qū)，東西長(zhǎng)約2.5 km,南北長(zhǎng)約2 km,其軸測(cè)圖如圖1所示。區(qū)域內(nèi)建筑群布局形態(tài)各異，有行列式、半圍合式與圍合式布局，街道的寬度與走向也不同，因此適合作為城市風(fēng)環(huán)境模擬的區(qū)域。根據(jù)建筑群形態(tài)差異，區(qū)域大致可分為3個(gè)部分：北側(cè)多為行列式布局，建筑為南北朝向；西南側(cè)多為行列式布局，建筑為西南-東北朝向；東南側(cè)建筑群以圍合式、半圍合式布局為主，且有多棟高層建筑，建筑物較密集。

圖1 模擬區(qū)域的軸測(cè)圖

2.4 模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果中的行人高度處風(fēng)速云圖如圖2所示。整體風(fēng)速情況如下：夏季模擬區(qū)域內(nèi)整體風(fēng)速偏低，西南-東北朝向行列式布局的建筑群風(fēng)速較低，圍合度較高的建筑群風(fēng)速較低，南北朝向行列式布局的建筑群風(fēng)速較高。冬季模擬區(qū)域內(nèi)整體風(fēng)速偏高，西南-東北朝向行列式布局的建筑群風(fēng)速較高，南北朝向行列式布局的建筑群風(fēng)速較高，圍合度較高的建筑群風(fēng)速較低。

圖2 行人高度處(1.5 m高度)風(fēng)速云圖

從模擬結(jié)果可以看出，模擬區(qū)域風(fēng)速變化的基本特征為：建筑密度與迎風(fēng)面積越小，區(qū)域風(fēng)速越高；建筑圍合程度越低，區(qū)域風(fēng)速越高；建筑物排布越平行于風(fēng)向(建筑物長(zhǎng)邊方向與風(fēng)向夾角越小)，區(qū)域風(fēng)速越高。

3 大慶市東城區(qū)風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)

3.1 風(fēng)速比與城市形態(tài)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系分析

為了更好地了解風(fēng)速與城市形態(tài)間的關(guān)系，進(jìn)而通過優(yōu)化城市形態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)速，需要了解風(fēng)速與城市形態(tài)參數(shù)間的定量關(guān)系。城市形態(tài)參數(shù)通過QGIS軟件中的UMEP插件運(yùn)算生成，該插件的運(yùn)算速度遠(yuǎn)快于CFD模擬同尺度區(qū)域風(fēng)環(huán)境的速度，對(duì)硬件配置要求也較低。本文選擇的城市形態(tài)參數(shù)包括建筑密度、容積率、迎風(fēng)面積密度和天空開闊度，其中由于近地面層的通風(fēng)情況對(duì)人群活動(dòng)的影響較大，計(jì)算迎風(fēng)面積密度時(shí)需要將近地面層單獨(dú)考慮。參考Ng等[6]的研究成果，計(jì)算迎風(fēng)面積密度時(shí)只計(jì)算建筑高度15 m范圍內(nèi)的迎風(fēng)面投影面積與網(wǎng)格地塊面積的比值。同時(shí)將城市形態(tài)參數(shù)的單元網(wǎng)格地塊尺寸設(shè)置為200 m×200 m，選取風(fēng)速比體現(xiàn)風(fēng)速狀況，風(fēng)速比與城市形態(tài)參數(shù)的定義如表1所示。

表1 風(fēng)速比與城市形態(tài)參數(shù)的定義

3.1.1 單因子回歸分析

將風(fēng)速云圖以200 m×200 m的單元網(wǎng)格進(jìn)行分區(qū)，以對(duì)應(yīng)城市形態(tài)參數(shù)的單元網(wǎng)格，劃分示意圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)速云圖劃分示意圖

在分析相關(guān)形態(tài)參數(shù)與風(fēng)速比的關(guān)系時(shí)，常采用線性擬合方法[14]。提取每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)行人高度處的平均風(fēng)速，計(jì)算網(wǎng)格風(fēng)速比?；赟PSS軟件構(gòu)建雙變量模型，進(jìn)行建筑密度、容積率、迎風(fēng)面積密度和天空開闊度與風(fēng)速比的單因子回歸分析，研究單一城市形態(tài)參數(shù)與風(fēng)速比的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖4和圖5所示。由圖4可知，夏季模擬區(qū)域的建筑密度和迎風(fēng)面積密度與風(fēng)速比呈中等程度負(fù)相關(guān)關(guān)系，其值越大，風(fēng)速比越小，方程決定系數(shù)分別為0.504和0.497；容積率與風(fēng)速比呈低度負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.179)，容積率越大，風(fēng)速比越??；天空開闊度與風(fēng)速比呈中等程度正相關(guān)關(guān)系(R2=0.599)，天空開闊度越大，風(fēng)速比越大。由于模擬區(qū)域高層較少，容積率與風(fēng)速比相關(guān)程度較低。

注：回歸方程均通過p<0.01的顯著性檢驗(yàn)。

由圖5可知，冬季，模擬區(qū)域的建筑密度和迎風(fēng)面積密度與風(fēng)速比呈中等負(fù)相關(guān)關(guān)系，其值越大，風(fēng)速比越小，方程決定系數(shù)分別為0.562和0.449；容積率與風(fēng)速比相關(guān)程度較低；天空開闊度與風(fēng)速比呈中等正相關(guān)關(guān)系(R2=0.585)，天空開闊度越大風(fēng)速比越大。

注：回歸方程均通過p<0.01的顯著性檢驗(yàn)。

3.1.2 逐步回歸分析

通過逐步回歸法分析多種城市形態(tài)參數(shù)對(duì)風(fēng)速比的綜合影響，結(jié)果如表2所示。進(jìn)行逐步回歸分析時(shí)，相關(guān)條件參數(shù)選擇SPSS默認(rèn)設(shè)置，即當(dāng)候選變量中最大F值(方差檢驗(yàn)量)的概率小于或等于0.05時(shí)，引入相關(guān)變量，在引入方程的變量中，最小F值的概率大于或等于0.1時(shí)，則剔除該變量。夏季，建筑密度在計(jì)算中不滿足該條件被系統(tǒng)剔除，天空開闊度、迎風(fēng)面積密度和容積率作為自變量，回歸方程R2=0.685。冬季，容積率在計(jì)算中不滿足該條件被系統(tǒng)剔除，天空開闊度、迎風(fēng)面積密度和建筑密度作為自變量，回歸方程R2=0.676。綜合發(fā)現(xiàn)多種城市形態(tài)參數(shù)的夏季和冬季回歸方程決定系數(shù)均高于單一自變量回歸方程的決定系數(shù)，說明綜合多種城市形態(tài)參數(shù)能夠更好地反映風(fēng)速比的變化。同時(shí)，夏季和冬季回歸方程中，天空開闊度和迎風(fēng)面積密度都得到了保留，說明天空開闊度和迎風(fēng)面積密度是影響城市風(fēng)速狀況的重要參數(shù)。根據(jù)單因子和多因子回歸分析結(jié)果，控制建筑群的聚集程度和建筑布局，將有助于優(yōu)化建筑群體的通風(fēng)狀況。

表2 風(fēng)速比與多元城市形態(tài)參數(shù)的關(guān)系方程

3.2 風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果

合理有效的評(píng)價(jià)策略的構(gòu)建是風(fēng)環(huán)境研究中的重要內(nèi)容，當(dāng)前針對(duì)風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)的指標(biāo)繁多，分別從不同的出發(fā)點(diǎn)考慮，基本內(nèi)容包括：

(1)從人體熱舒適度考慮，夏季應(yīng)追求較高的風(fēng)速[15]，冬季風(fēng)速則不宜過高[16]。

(2)從行人活動(dòng)能力考慮，行人高度風(fēng)速超過5 m/s時(shí)對(duì)活動(dòng)能力產(chǎn)生一定影響[17]。

(3)從降低污染物濃度考慮，10 m高度風(fēng)速超過2 m/s時(shí)，空氣污染物濃度較低，空氣質(zhì)量較好[18]。

(4)從防治揚(yáng)塵考慮，10 m高度風(fēng)速達(dá)到4級(jí)(5.5～7.9 m/s)以上應(yīng)采取揚(yáng)塵防治措施[19]。

根據(jù)上述內(nèi)容，將相關(guān)指標(biāo)換算為行人高度風(fēng)速，得到東城區(qū)行人高度處風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)量度表，如表3所示。

表3 行人高度處(1.5 m高度)風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)量度表

基于表2的風(fēng)速比計(jì)算方程和表3的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)量度，通過城市形態(tài)參數(shù)評(píng)價(jià)東城區(qū)的夏季和冬季風(fēng)環(huán)境，結(jié)果如圖6所示。由于東城區(qū)內(nèi)還有大量未開發(fā)土地，導(dǎo)致整體風(fēng)速比偏高，并且越靠近外圍風(fēng)速比越高，越靠近中心風(fēng)速比越低。因此夏季風(fēng)環(huán)境評(píng)分外圍較高，越靠近中心評(píng)分越低；冬季風(fēng)環(huán)境評(píng)分外圍較低，越靠近中心評(píng)分越高。夏季風(fēng)環(huán)境評(píng)分為0的區(qū)域主要集中在濱洲湖西側(cè)、雙擁街與大慶市人民醫(yī)院東側(cè)、龍鳳街道北部和南部區(qū)域。冬季風(fēng)環(huán)境評(píng)分為0的區(qū)域主要集中在萬(wàn)寶片區(qū)西部區(qū)域，東安街道南部區(qū)域，龍鳳街道北部和西部區(qū)域。

注：評(píng)分結(jié)果中0分網(wǎng)格均為V<1.3 m/s的網(wǎng)格，未出現(xiàn)V>5 m/s的網(wǎng)格。

大慶市全年空氣質(zhì)量較好，但其冬季漫長(zhǎng)，仍需要考慮冬季取暖等因素可能造成的空氣污染問題。因此，需要重點(diǎn)關(guān)注冬季風(fēng)環(huán)境評(píng)分為0的區(qū)域。這些區(qū)域冬季風(fēng)速過低，不利于污染物的擴(kuò)散稀釋，可通過拆除一部分建筑或改造建筑以提高風(fēng)速比，達(dá)到良好的風(fēng)環(huán)境?；谇拔闹酗L(fēng)速比與城市形態(tài)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系分析，建議此類區(qū)域應(yīng)滿足下列要求之一(本次研究中容積率與風(fēng)速比的回歸方程R2較小，不宜提出容積率要求)：建筑密度不超過38%；迎風(fēng)面積密度不超過0.32；天空開闊度達(dá)到0.62以上；依據(jù)多元回歸方程綜合多種形態(tài)參數(shù)計(jì)算得到的風(fēng)速比結(jié)果大于等于0.41。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)案例建筑群的CFD模擬及采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析城市形態(tài)參數(shù)與風(fēng)速比的相關(guān)關(guān)系，得到如下結(jié)論：(1)圍合式、高密度的建筑群風(fēng)速較低，順應(yīng)風(fēng)向行列式排布的建筑群風(fēng)速比較高；(2)天空開闊度與風(fēng)速比呈中等正相關(guān)關(guān)系，迎風(fēng)面積密度和建筑密度與風(fēng)速比呈中等負(fù)相關(guān)關(guān)系，容積率與風(fēng)速比在夏季呈低度正相關(guān)關(guān)系，冬季呈中等負(fù)相關(guān)關(guān)系；(3)多因子回歸分析中天空開闊度和迎風(fēng)面積密度在夏季與冬季中均為自變量因子，表明二者對(duì)風(fēng)環(huán)境有重要影響。(4)通過風(fēng)速比計(jì)算方程和風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)量度表得到大慶市東城區(qū)的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果，能夠發(fā)現(xiàn)風(fēng)環(huán)境不良的區(qū)域并提出優(yōu)化建議。

以往對(duì)于城市風(fēng)環(huán)境的研究常以CFD模擬為主，本文利用相關(guān)關(guān)系分析，使CFD模擬結(jié)果和城市形態(tài)參數(shù)相結(jié)合，將模擬結(jié)果應(yīng)用到城市整體風(fēng)環(huán)境的評(píng)價(jià)上，提升了風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)的工作效率。但受到實(shí)際硬件限制，只選取了一個(gè)2.5 km×2.0 km尺度的建筑群作為CFD模擬對(duì)象，若采用更大面積的樣本可以使風(fēng)速比與多種城市形態(tài)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。同時(shí)，風(fēng)環(huán)境也會(huì)受到空氣溫度和不同材質(zhì)地表的影響，在未來(lái)的研究中可以加入這些影響因素進(jìn)行更加完善的研究。