李能琛 溫小軍 顧 義 皮佳媛 曾 穎

(江西理工大學(xué)建筑與設(shè)計學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引言

伴隨著我國城市規(guī)模和人口密度快速增長，高層建筑密度的增加使得城市風(fēng)環(huán)境漸趨“復(fù)雜化”，城市熱島效應(yīng)愈加明顯，城市風(fēng)環(huán)境的狀況愈加惡劣[1]。目前對于城市風(fēng)環(huán)境的研究，主要分為：實地測試、物理模擬和計算機數(shù)值模擬；Shuzo Murakami對不同尺度的城市風(fēng)環(huán)境進行了CFD數(shù)值模擬預(yù)測，研究城市內(nèi)環(huán)境流場[2]。而居住區(qū)作為城市主要功能區(qū)，因其建筑規(guī)則與高密度的布局形式，使得周遭氣流形成了“渦流效應(yīng)”“狹管效應(yīng)”等使得住區(qū)增加了強風(fēng)天風(fēng)害的可能性[3]。葉青等探究了居住街區(qū)的規(guī)模及其影響因素，辨析且確定了居住街區(qū)規(guī)模的6個影響因素，并提出建議[4]。

綜上考慮，本文通過探尋影響小區(qū)內(nèi)風(fēng)環(huán)境因素的時空規(guī)律，綜合運用PHOENICS模擬和場地實測的方法，對比分析關(guān)鍵點的數(shù)據(jù)結(jié)果，探究風(fēng)環(huán)境影響因素，進而提出優(yōu)化策略。

1 研究內(nèi)容和方法

1.1 研究對象

贛州市屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季盛行西南偏南(SSW)風(fēng)，室外平均風(fēng)速為2.0 m/s；冬季盛行東北偏北(NNE)風(fēng)。實測小區(qū)位于贛州市章貢區(qū)章江南岸，排列形式為混合式，小區(qū)中部由4棟高層建筑圍合形成中心綠地，南部邊緣布置有裙房的行列式建筑。整個小區(qū)排列疏密適中，規(guī)劃設(shè)計具備城市居住區(qū)共性，符合實驗要求。

1.2 研究方法：住區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)實測與CFD模擬比較研究

1.2.1 風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)模擬

1)風(fēng)環(huán)境模擬過程。

a.計算域設(shè)置。

本研究以贛州市章貢區(qū)某已建成小區(qū)為主要模擬對象，在軟件模擬中將建筑簡化為40 m×15 m×75 m鈍體，將環(huán)境理想化處理，以定常流作為研究主風(fēng)向，建筑布局為混合式，進行場地無植被無地形高差條件下的風(fēng)場模擬。

b.邊界條件。

氣流入口邊界設(shè)置為速度入口邊界，入流風(fēng)速為10 m/s，場地尺度足夠大于模擬區(qū)域；出口邊界設(shè)置為自由出流，側(cè)面與頂面模擬風(fēng)洞實驗設(shè)置為壁面，確認網(wǎng)格線密度足夠且平均(見圖1)。

2)模擬結(jié)果分析。

為利于住區(qū)風(fēng)環(huán)境的實測研究與軟件PHOENICS模擬分析，測點選擇原則：a.記錄背景風(fēng)速作為參照組的最大風(fēng)。b.建筑背風(fēng)側(cè)由于流線輻射、風(fēng)流急速減弱的風(fēng)影區(qū)。c.影響建筑室外微氣候的廣場綠地穿流區(qū)。d.建筑圍合度較高的兒童活動場地渦流區(qū)。e.較為空曠的社區(qū)運動場地角流區(qū)。f.行人活動頻率較高的主要交通道路迎風(fēng)區(qū)(見圖2)。

1.2.2 實地測定法

1)實測過程。

a.測點布置：根據(jù)軟件對于無植被狀態(tài)下風(fēng)場模擬的結(jié)果，設(shè)置6處點位。測點高度為距離地面1.5 m處的行人高度，測時儀器正對風(fēng)向，減小實測人員對風(fēng)速的干擾。

b.測試時間：2019年12月22日7:30～19:30，單次取樣間隔5 min，每15 min進行一次校正工作。測試總時長12 h。

c.測試儀器：熱球式電風(fēng)速儀。

2)實測儀器原理說明。

實測選用熱球式電風(fēng)速儀，原理為：風(fēng)速計由測桿探和測量儀表兩部分組成。探桿內(nèi)部有一個直徑0.6 mm的玻璃球，球內(nèi)熱電偶冷端直接暴露在氣流中。當電流通過加熱絲，玻璃球溫度升高，儀表顯示即為升高程度。根據(jù)讀數(shù)查校正曲線即為實測風(fēng)速(m/s)。

3)數(shù)據(jù)結(jié)果記錄與分析。

a.住區(qū)風(fēng)環(huán)境與市區(qū)風(fēng)環(huán)境對比。

根據(jù)贛州市氣象臺播報的天氣預(yù)報，實測當天市區(qū)平均風(fēng)力為東北風(fēng)4級～5級(5.5 m/s～10.7 m/s)。根據(jù)當日6個測點的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計，住區(qū)當日平均風(fēng)速小于市區(qū)平均風(fēng)速，加之所選住區(qū)沿江的區(qū)位，說明住區(qū)建筑具有一定程度的擋風(fēng)效果。住區(qū)內(nèi)最大陣風(fēng)出現(xiàn)在住區(qū)中部③號點，說明住區(qū)中央綠地的風(fēng)速并未得到有效的遏制。

b.住區(qū)風(fēng)環(huán)境實測記錄與分析。

根據(jù)模擬實驗和建筑物周圍的風(fēng)場理論研究，將測點布置在：作為參考的最大風(fēng)速；風(fēng)影區(qū)；穿流區(qū)；渦流區(qū)；角流區(qū)；迎風(fēng)區(qū)。

2 研究結(jié)果

2.1 預(yù)先模擬結(jié)果

初期模擬數(shù)值與實測數(shù)據(jù)平均值基本趨勢相同，驗證各點位選擇的科學(xué)性(見表1，圖3)。

表1 模擬風(fēng)速與實測數(shù)據(jù)對比

2.2 現(xiàn)場實測結(jié)果

實測時對選定的六個測點1.5 m高處風(fēng)速進行了測量，時間間隔為5 min，將六組數(shù)據(jù)取每1 h平均值，各測點可獲得12組平均風(fēng)速，將獲得數(shù)據(jù)整理(見圖4)。

2.3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

1)將整理出的數(shù)據(jù)與迎風(fēng)面的1號點做比值，令基準線k1=1，其余比值依次為k2,k3,…,k6對應(yīng)2,3,…,6號點與迎風(fēng)點比值(見圖5)。

將迎風(fēng)面視作小區(qū)風(fēng)環(huán)境的初始風(fēng)速條件，當比值大于1時表明，風(fēng)在穿過小區(qū)過程中，受局部小氣候等因素影響，風(fēng)速提高；反之則小區(qū)環(huán)境對風(fēng)有一定抑制作用，判斷此條件可以指導(dǎo)規(guī)劃設(shè)計小區(qū)中風(fēng)道和公共開敞空間的設(shè)計。

實驗數(shù)據(jù)表明，k2,k4在一整天的風(fēng)速數(shù)據(jù)中未超過1，點2位于風(fēng)影區(qū)，其風(fēng)速在通過小區(qū)后明顯衰減，減小寒冷季節(jié)江風(fēng)影響。點4選取角流區(qū)的兒童活動場地，分析原因為場地內(nèi)樹木綠化和建筑小品對角流區(qū)風(fēng)速具有穩(wěn)定作用，營造一個較為溫和的活動場地。k3有50%為比值大于1，結(jié)合點位選擇，3號點為中央廣場的突起軸線上，空間較為開敞，考慮到風(fēng)速的變化落差較大，應(yīng)考慮在場地增加樹木或構(gòu)筑物，降低公共空間的風(fēng)害問題。

2)綠化對風(fēng)速影響。

相較于其他折線變化的趨勢，4號點的溫度曲線變化平穩(wěn)，此現(xiàn)象驗證補償空間對于環(huán)境的穩(wěn)定作用除四點周邊環(huán)境綠化情況好，其他點位于硬質(zhì)鋪裝處，綠化較少。

3 優(yōu)化措施策略

對比上述小區(qū)的實測與模擬結(jié)果可以看出，測點2位于風(fēng)影區(qū)，測點4位于小區(qū)南部建筑圍合場地內(nèi)，對比二者模擬風(fēng)速和實測風(fēng)速的結(jié)果可知，二者在6個點中都風(fēng)速較小，由于模擬場地為無高程和綠化的理想場地，分析其通風(fēng)效果受建筑排布影響較大，由于建筑周邊圍合物和綠化過多，場地圍合度較高，且測點4處在風(fēng)速過小的條件下，不排除局部氣流不流通，溫度上升，污染物等無法快速擴散的不良情況。

對于上述兩測點，為加強其場地的通風(fēng)能力，應(yīng)當根據(jù)氣候特征選擇合適的樹種和構(gòu)筑物。建筑的南側(cè)種植數(shù)量較多的較高大喬木，在炎熱的夏季可以遮擋太陽對建筑的輻射，降低小區(qū)內(nèi)部溫度，而在冬季可以遮擋寒冷的江風(fēng)，穩(wěn)定小區(qū)內(nèi)風(fēng)熱環(huán)境。

4 結(jié)論

通過對本次調(diào)研小區(qū)的實地調(diào)研和軟件模擬結(jié)果進行對比，探索兩種對風(fēng)環(huán)境評價的方式之間的關(guān)聯(lián)，得出以下結(jié)論：

1)軟件模擬值均大于實測數(shù)據(jù)，考慮到實測會受到現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境和測定人員的操作干擾，而軟件模擬則為無植被、無高差的理想化場地。2)雖二者在數(shù)值上有所偏差，但對比數(shù)據(jù)相對大小，其二者在數(shù)據(jù)起伏上趨勢基本相同，因此兩種方法有一定關(guān)聯(lián)性。3)植物和小區(qū)內(nèi)部構(gòu)筑物配置可以改善小區(qū)內(nèi)部風(fēng)環(huán)境，應(yīng)在規(guī)劃布局和改善更新的過程中著重考慮，根據(jù)風(fēng)道規(guī)劃靈活布局設(shè)置相應(yīng)特性的植物和小品構(gòu)筑物。4)對于小區(qū)開敞空間，考慮到既要減小風(fēng)害，也要保證炎熱時期的局部通風(fēng)，應(yīng)結(jié)合地形起伏條件，靈活布局休憩設(shè)施，本著以人為本的原則，改善空間的適宜性。