彭 超，張 輝，胡 浩

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

1 引言

近些年，隨著城鎮(zhèn)化水平提升與土地集約利用矛盾的日益凸出，高層住宅已成為我國大中型城市的主流居住模式。住區(qū)建筑密度、容積率的增大，不僅直接影響了住區(qū)的通風(fēng)阻力和通風(fēng)條件，同時(shí)加劇了局部的熱島效應(yīng)。為緩解此類問題，《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50180-2018)的7.07條和《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ286-2013)的4.1.1條標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)影響居住區(qū)通風(fēng)條件的建筑物規(guī)劃布局作出相應(yīng)規(guī)定[1，2]。自然通風(fēng)作為有效的被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略，具有節(jié)能和改善熱舒適的優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)初期階段，結(jié)合地域氣候特征，采用良好的規(guī)劃布局與建筑空間組織對(duì)于促進(jìn)建筑自然通風(fēng)和節(jié)能均有積極意義，同時(shí)也得到了越來越多的重視[3]。底層架空作為一種改善居民生活環(huán)境與品質(zhì)的公共空間組織模式，不僅豐富了居民的活動(dòng)，同時(shí)對(duì)改善微氣候環(huán)境，促進(jìn)自然通風(fēng)與建筑節(jié)能十分有利[4]。

在高層住區(qū)低層架空的空間利用中，由于涉及相關(guān)指標(biāo)核算[5]與空間利用[6～8]等諸多方面，因此，部分專家學(xué)者開展了諸多研究與實(shí)踐。在高層住區(qū)低層架空熱物理環(huán)境方面，國內(nèi)外專家學(xué)者開展了諸多研究。Tse等[9]使用風(fēng)洞試驗(yàn)方法，研究單體建筑底層架空設(shè)計(jì)對(duì)行人水平風(fēng)環(huán)境的影響；Zhang等[10]使用CFD方法研究了建筑底層架空的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)(主體結(jié)構(gòu)高度、寬度、底層架空區(qū)域高度等)對(duì)行人水平風(fēng)場(PLW)綜合影響；Lan等[11]使用CFD方法研究了非傳統(tǒng)形式建筑的底層架空設(shè)計(jì)對(duì)行人水平風(fēng)場(PLW)的影響。國內(nèi)學(xué)者黃志祥等[12]采用CFD模擬分析方法，系統(tǒng)、定量地分析了不同密度和容積率下底層架空設(shè)置對(duì)自然通風(fēng)的影響；水滔滔等[13]為研究底層架空建筑住區(qū)風(fēng)環(huán)境，通過大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)的方法,以廣州地區(qū)某建筑底部架空住區(qū)為對(duì)象，研究了底部架空對(duì)于住區(qū)人行高度風(fēng)環(huán)境以及建筑表面風(fēng)壓的影響；劉建麟等[14]通過計(jì)算流體CFD，探究4種不同架空高度及3種風(fēng)向?qū)芸战ㄖ苓呅腥藚^(qū)微氣候的影響程度。

為達(dá)到改善住區(qū)環(huán)境的效果，在綠色住區(qū)規(guī)劃與設(shè)計(jì)過程中，《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50378-2019)強(qiáng)調(diào)場地風(fēng)環(huán)境在夏季、冬季和過渡季對(duì)居民室外活動(dòng)的舒適性影響與自然通風(fēng)效果[15]。上述相關(guān)研究雖然從低層架空角度探討了建筑風(fēng)環(huán)境的影響，但對(duì)不同季節(jié)不同架空狀況的自然通風(fēng)影響研究方面仍較薄弱。本文針對(duì)武漢地區(qū)氣候特征，通過對(duì)不同低層架空率在不同季節(jié)狀況的通風(fēng)狀況進(jìn)行對(duì)比分析，探討適應(yīng)地域氣候特征的高層住區(qū)低層公共空間利用方式，為綠色住區(qū)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提供思路和參考。

2 研究思路與方法

2.1 室外風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)

近些年，風(fēng)環(huán)境安全問題逐漸成為住區(qū)的焦點(diǎn)之一。從《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50378-2019)、《居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ286-2013)等相關(guān)規(guī)范要求來講，風(fēng)環(huán)境已成為衡量住區(qū)的重要指標(biāo)。在住區(qū)室外風(fēng)環(huán)境的影響上，主要表現(xiàn)在2個(gè)方面，即風(fēng)速對(duì)行為產(chǎn)生的影響和熱舒適的影響。從行為角度來講，建筑局部空氣流動(dòng)的加強(qiáng)會(huì)對(duì)人的行為產(chǎn)生影響，甚至產(chǎn)生安全隱患；舒適性方面，風(fēng)速作為調(diào)節(jié)室外微氣候環(huán)境溫度和改善空氣質(zhì)量的重要參數(shù)之一，同時(shí)還需兼顧溫度、濕度、太陽輻射等相關(guān)影響因素。針對(duì)上述方面，國內(nèi)外相關(guān)研究從人體行為安全性角度提出了風(fēng)速的上限。日本學(xué)者村上周三和森川泰成綜合溫度對(duì)風(fēng)感的影響，從安全性和舒適性2個(gè)角度提出了風(fēng)速的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，將風(fēng)速影響分為4個(gè)區(qū)間：引起人體不舒適的強(qiáng)風(fēng)范圍；舒適風(fēng)速與不舒適強(qiáng)風(fēng)之間的過渡范圍；人體舒適風(fēng)速范圍；引起人體熱不舒適的微風(fēng)范圍[16]。

從建筑室外環(huán)境舒適性角度來講，不同強(qiáng)度風(fēng)速的變化對(duì)人體舒適度產(chǎn)生直接影響。參考V.Olgyay的生物氣候圖舒適指標(biāo)評(píng)價(jià)和上述日本學(xué)者提出的風(fēng)速評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，研究中選取不同季節(jié)、不同強(qiáng)度的風(fēng)速變化對(duì)室外舒適性的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)，結(jié)合夏熱冬冷地區(qū)武漢地區(qū)不同季節(jié)風(fēng)速強(qiáng)度變化影響，確定不同季節(jié)風(fēng)環(huán)境的評(píng)價(jià)范圍，見表1。

表1 室外風(fēng)速評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(武漢地區(qū))

2.2 底層架空率方案設(shè)計(jì)

高層住區(qū)受到不同場地與交通環(huán)境的影響，其建筑密度和布局形式也會(huì)有所差別，同時(shí)也將直接影響不同架空率情況下的通風(fēng)效果。筆者通過調(diào)研武漢市已建(8個(gè))和新建(10個(gè))的高層住區(qū)發(fā)現(xiàn)，臨近城市干道的高層住宅近85%以上與裙房相接。為更好地針對(duì)不同高層住宅底層架空方案展開研究，按照

《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ134-2010)、《低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB42/T559-2013)對(duì)居住建筑節(jié)能要求，并考慮《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ286-2013)中對(duì)不同氣候區(qū)的低層架空率要求，設(shè)定不同住區(qū)底層架空率方案下的五組方案進(jìn)行對(duì)比分析，見表2。

表2 高層住區(qū)不同架空率方案說明

考慮到實(shí)際住區(qū)中建筑布局、平面尺寸與室外空間對(duì)場地風(fēng)環(huán)境的影響，研究中選定行列式的板式建筑布局，建筑單體尺寸為60 m×20 m，并在分析模型中設(shè)定周邊的底層商業(yè)裙房。與此同時(shí)，在建筑密度相同情況下，設(shè)定不同的低層架空方案，使得架空率分別達(dá)到0%、20%、40%、60% 和 80%，針對(duì)不同方案下住區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3 數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置

研究中，不同季節(jié)工況條件參照《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T346-2014)和《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50736-2012)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，選用武漢地區(qū)常用的風(fēng)向及風(fēng)速參數(shù)，見表3。

表3 武漢市室外風(fēng)環(huán)境模擬基礎(chǔ)邊界條件

在邊界條件的設(shè)定中，參照《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T449-2018)中4.2.1～4.2.3條款要求，采用CFD數(shù)值模擬軟件PHOENICS對(duì)不同方案不同季節(jié)的住區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析。其中，將地面看成是無滑移邊界，即速度為0；假定出流面上的流動(dòng)已充分發(fā)展，流動(dòng)已恢復(fù)為無建筑物阻礙時(shí)的正常流動(dòng)，故其出口邊界相對(duì)壓力為0；建筑物的表面設(shè)為有摩擦的平滑墻壁。其他邊界面均設(shè)為自由邊界。模型計(jì)算網(wǎng)格為85693。

結(jié)合上述住區(qū)風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)思路，分別選取S、v、v1、v2、v3和v4 5個(gè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。評(píng)價(jià)參數(shù)定義如下：①S為室外舒適風(fēng)區(qū)面積與整個(gè)建筑區(qū)域面積的比例, 該值越大，說明建筑組團(tuán)中室外舒適風(fēng)區(qū)在小區(qū)內(nèi)覆蓋的面積越大，風(fēng)環(huán)境越好，單位無量綱；②v為整個(gè)建筑組團(tuán)中的平均風(fēng)速，單位m/s；③v1，為整個(gè)建筑組團(tuán)中室外引起人體熱不舒適的微風(fēng)區(qū)的平均風(fēng)速，單位m/s；④v2，為整個(gè)建筑組團(tuán)中室外舒適風(fēng)區(qū)的平均風(fēng)速，單位m/s；⑤v3，為整個(gè)建筑組團(tuán)中室外舒適風(fēng)速與不舒適強(qiáng)風(fēng)之間的過渡區(qū)的平均風(fēng)速，單位m/s；⑥v4，為整個(gè)建筑組團(tuán)中室外強(qiáng)風(fēng)區(qū)的平均風(fēng)速，單位m/s。

3 底層架空自然通風(fēng)影響關(guān)系分析

在武漢氣候條件下，對(duì)上述不同架空率、不同季節(jié)的5種方案進(jìn)行模擬分析，對(duì)比不同低層架空率對(duì)高層住區(qū)的自然通風(fēng)影響。同時(shí)，為更好地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比不同方案下的風(fēng)速變化，依照建筑環(huán)境測試要求，選取住區(qū)場地環(huán)境內(nèi)人行高度1.5 m處的300個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.1 不同工況風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)分析

表4顯示了不同架空率方案、不同季節(jié)下高層住區(qū)風(fēng)環(huán)境的變化情況。從5種方案下不同季節(jié)的風(fēng)環(huán)境對(duì)比來看，在不考慮場地內(nèi)室外休息區(qū)、兒童活動(dòng)區(qū)布置和建筑前后壓力差變化的情況下，均滿足了《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50378-2019)的要求，即：冬季情況下，室外風(fēng)速均小于5 m/s；過渡季和夏季，場地內(nèi)人行活動(dòng)區(qū)無明顯渦旋和靜風(fēng)區(qū)。但由于受到底層架空的變化影響，不同方案下的風(fēng)環(huán)境在不同季節(jié)產(chǎn)生了較為明顯的變化。

表4 不同方案室外風(fēng)環(huán)境模擬對(duì)比

3.2 不同工況風(fēng)速影響關(guān)系分析

在高層住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，為更好地獲得空間體驗(yàn)和微氣候環(huán)境，底層架空成為了重要的設(shè)計(jì)手段。由表5可以看出，在各季節(jié)下，隨著底層架空率的增大，住區(qū)內(nèi)各個(gè)風(fēng)速區(qū)的平均風(fēng)速變化趨勢并不

明顯。同時(shí)對(duì)比3個(gè)季節(jié)的平均風(fēng)速區(qū)間和各季節(jié)方差，可以發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)的來流風(fēng)向與建筑夾角的影響相比較不同底層架空率設(shè)計(jì)而言，對(duì)于改善建筑組團(tuán)內(nèi)部風(fēng)環(huán)境影響更加顯著。

表5 風(fēng)速變化分析 m/s

3.3 不同工況風(fēng)影S值影響分析

圖1反映了不同工況不同季節(jié)的風(fēng)舒適區(qū)S值的變化。由對(duì)比分析可知，相比方案1的無底層架空而言，當(dāng)?shù)讓蛹芸諘r(shí)，住區(qū)場地內(nèi)的舒適風(fēng)區(qū)面積明顯增大，進(jìn)而影響了風(fēng)影S值的變化。并且，從不同季節(jié)不同工況的S值影響對(duì)比來看，夏季S值提升更為明顯，同無底層架空的方案1相比，方案2的S值提高了9.4%，達(dá)到了65.1%。隨著底層架空率的不斷增加， S值的提高幅度相對(duì)變緩，在工況3、工況4和工況5情況下，風(fēng)影值S分別達(dá)到66.3%、64.2%和65.1%。

圖1 不同工況S值對(duì)比

表6給出了武漢市3個(gè)模擬工況下，建筑底層架空率對(duì)S值的影響，對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：建筑底層架空對(duì)改善高建筑密度住區(qū)的風(fēng)環(huán)境效果較好，在不同季節(jié)下，底層架空率對(duì)建筑組團(tuán)室外風(fēng)環(huán)境改善的情況也有所不同，例如在夏季，底層架空率在20%和40%時(shí)，對(duì)S值的提升達(dá)到最大，達(dá)到14.4%；在60%的時(shí)候，對(duì)S值的提升達(dá)到最小，達(dá)到10.53%。在冬季的時(shí)候，底層架空率在20%和40%時(shí)，對(duì)S值的提升達(dá)到最小，達(dá)到4.08%，在60%的時(shí)候，對(duì)S值的提升達(dá)到最大，達(dá)到10.2%。從S值的平均值來看，底層架空對(duì)夏季的建筑組團(tuán)室外風(fēng)環(huán)境提升最大，對(duì)過度季的建筑組團(tuán)室外風(fēng)環(huán)境值提升最小。其中，當(dāng)建筑底層架空率達(dá)到60%的時(shí)候，對(duì)各季節(jié)建筑組團(tuán)室外風(fēng)環(huán)境的提升最大，達(dá)到6.91%。

表6 建筑底層架空率對(duì)S值的提高

4 結(jié)論

通過結(jié)合地域氣候特征和風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)，對(duì)武漢典型高層住區(qū)不同底層架空方案的分析，得出如下結(jié)論：

(1)底層架空對(duì)不同季節(jié)的氣流組織并不總產(chǎn)生積極影響。隨著架空率的增大，在不同季節(jié)風(fēng)速影響變化不同。

(2)相較建筑底層架空設(shè)計(jì)而言，對(duì)建筑組團(tuán)室外平均風(fēng)速的影響很大程度上取決于入射風(fēng)向。

(3)從適應(yīng)地域氣候特征角度來講，武漢地區(qū)高層住區(qū)在有效增大夏季自然通風(fēng)舒適區(qū)域，降低冬季強(qiáng)風(fēng)區(qū)的前提下，底層架空設(shè)置在40%～60%之間較為適宜。

鑒于微氣候濕熱環(huán)境較為復(fù)雜，本文從不同架空率對(duì)自然通風(fēng)的量化影響進(jìn)行了分析，為住區(qū)空間設(shè)計(jì)提供思路和參考，對(duì)于相關(guān)因素對(duì)建筑自然通風(fēng)的影響研究仍需進(jìn)行。