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        考慮步行環(huán)境優(yōu)適原則的局地風(fēng)環(huán)境調(diào)試研究
        ——以杭州某高校局地建筑群為例

        2022-10-27 08:14:34姚欣雨洪鑫源何瓏俏趙一芳許俊娜
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年30期
        關(guān)鍵詞:建筑群局地行人

        姚欣雨,戴 潔,洪鑫源,何瓏俏,趙一芳,許俊娜

        (浙江樹人學(xué)院,杭州 310015)

        隨著社會、經(jīng)濟的高速發(fā)展,城市集聚度與日俱增,建筑的集聚明顯改變了城市的局地風(fēng)環(huán)境。我國當(dāng)前大部分城市的氣候特征表現(xiàn)為典型的靜風(fēng)狀況,但總有少數(shù)風(fēng)廊會出現(xiàn)大風(fēng)或者巨大風(fēng),這種狀況并不是由于自然大氣環(huán)境的改變而造成的,而是與城市本身建設(shè)狀況密切相關(guān)。Portsmouth市的1位老太太在16層大廈的拐角處被強風(fēng)刮倒,200 m高的京廣中心附近行人屢被大風(fēng)吹倒,還有致使高層玻璃被強風(fēng)破壞而跌落砸到行人的問題頻頻出現(xiàn)。由此可見,不合理的城市風(fēng)環(huán)境不僅降低了城市的通風(fēng)與自凈能力,加劇城市空氣污染與熱島效應(yīng),影響建筑微氣候,而且在超常局地風(fēng)速產(chǎn)生時,建筑之間會產(chǎn)生較強峽谷風(fēng),影響行人的舒適與安全。

        1 風(fēng)環(huán)境舒適度相關(guān)領(lǐng)域研究

        通過對風(fēng)環(huán)境相關(guān)文獻的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),目前風(fēng)環(huán)境影響研究在工程學(xué)等領(lǐng)域,已有多位學(xué)者利用計算流體力學(xué)(CFD)法、風(fēng)洞試驗法等對建筑與風(fēng)環(huán)境相關(guān)關(guān)系進行了實驗,并取得相關(guān)成就。但在規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域,雖然也有不少學(xué)者提出了以個案為主的研究,但尚未有系統(tǒng)的成果。在城市微氣候的研究中,我國起步較晚,其中建筑學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)及風(fēng)景園林這3大學(xué)科更關(guān)注的主要是調(diào)節(jié)微氣候環(huán)境的各種措施,我國在街區(qū)尺度進行城市微氣候的研究也主要集中在這3個學(xué)科。本次研究將以冬冷夏熱地區(qū)某高校建筑群為測試對象,利用模型仿真與Phoenics軟件測試進行模擬分析,從而找到風(fēng)廊形成規(guī)律,并嘗試通過對周邊環(huán)境元素的改變,改善行人高度的局地風(fēng)環(huán)境的舒適度,提出解決辦法。

        2 風(fēng)環(huán)境舒適性的評價標(biāo)準

        在城市風(fēng)環(huán)境研究中,作為承受主體的行人對于風(fēng)環(huán)境的感知是測試風(fēng)環(huán)境優(yōu)劣的關(guān)鍵依據(jù),人體感受舒適度范圍為風(fēng)速5 m/s以下,而風(fēng)速10 m/s以上人的行為受到嚴重影響,另外在GB/T 50378—2014《綠色建筑評價標(biāo)準》中,提出了建筑風(fēng)環(huán)境的相關(guān)要求,該標(biāo)準重點針對室外人行區(qū)域的舒適性、建筑區(qū)域的滯風(fēng)、渦旋現(xiàn)象等問題提出相關(guān)指標(biāo)要求:①人行區(qū)域距地1.5 m高處的風(fēng)速小于5 m/s;②地面1.5 m高處的風(fēng)速與開闊地面同高度風(fēng)速之比小于2;③嚴寒、寒冷地區(qū)冬季保證除迎風(fēng)面之外的建筑物前后壓差不大于5 Pa;④夏季、過渡季要求建筑前后壓差大于1.5 Pa,以有利于室內(nèi)自然通風(fēng)。根據(jù)這些風(fēng)環(huán)境指標(biāo),在設(shè)計階段可以根據(jù)局地的氣象條件,對建筑物的室外風(fēng)環(huán)境做出模擬,從而分析建筑群中建筑的布局關(guān)系對室外風(fēng)環(huán)境的影響,并通過分析對比,提取風(fēng)環(huán)境中主要的影響因子,從而進行更進一步的深入分析。

        3 建筑群風(fēng)環(huán)境測試——以浙江省某高校建筑群建筑風(fēng)環(huán)境為樣本

        自然界的風(fēng)環(huán)境是錯綜復(fù)雜的,本實驗將建筑群從城市復(fù)雜建成環(huán)境中剝離出來進行仿真模擬,以討論單一的影響因子對于風(fēng)環(huán)境的影響程度,因此本樣本建筑群模型以獨立于城市建成區(qū)的方式建立。

        3.1 基本概況

        本測試樣本位于浙江省杭州市某高校南校區(qū)內(nèi),北側(cè)是城市支路,南側(cè)是校區(qū)內(nèi)的核心廣場,東側(cè)和西側(cè)分布禮堂、實驗大樓等建筑。測試對象主要問題是,在常規(guī)的大氣氣象條件下,該建筑群北側(cè)經(jīng)常出現(xiàn)較強峽谷風(fēng),并時常伴有極端大風(fēng),特別是在風(fēng)雨天氣狀態(tài)下,局地將出現(xiàn)15 m/s以上的極端風(fēng)力環(huán)境,對行人造成極大的困擾。以下將通過數(shù)字模擬的方式重現(xiàn)該區(qū)域的局地微氣候狀態(tài)。

        3.2 建筑物幾何模型的建立

        本項目通過建立SU數(shù)字模型,采用Phoenics軟件實現(xiàn)室外風(fēng)環(huán)境的數(shù)字仿真模擬實驗。該實驗通過對該樣本建筑群北側(cè)不同氣象條件下風(fēng)環(huán)境的變化建模分析,了解該類型建筑群風(fēng)環(huán)境的形成規(guī)律。本實驗設(shè)定風(fēng)向為SOUTH-EAST,風(fēng)速為5 m/s,風(fēng)的類型為Open flat terrain,grass,few isolated obstacles,選 擇Turbulence models:KEMODL。在對分析網(wǎng)格進行調(diào)整后,迭代值設(shè)為500進行計算。

        在前述條件下通過模擬分析,取樣本區(qū)域Z軸離地高度1.5 m水平面作為行人感受高度的風(fēng)環(huán)境仿真區(qū)域,該區(qū)域所形成的平均風(fēng)速為3.36 m/s(圖1),在建筑群周邊區(qū)域的風(fēng)速相對較小,甚至出現(xiàn)較多的靜風(fēng)區(qū),而在圖信大樓的北側(cè)形成了明顯的強風(fēng)區(qū),風(fēng)速最大達到7 m/s。該建筑北面強風(fēng)區(qū)的風(fēng)壓大約在-30~-5 Pa。在周邊風(fēng)速處于舒適度小于5 m/s的前提下,行人步行至圖信大樓北側(cè),則明顯感覺風(fēng)力加強,這與實際空間中的風(fēng)環(huán)境調(diào)研狀態(tài)相吻合。而在環(huán)境風(fēng)速處于大風(fēng)環(huán)境時,體感尤為明顯,當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增加至7 m/s時,則觀測點的風(fēng)速增強至10 m/s,超過了行人舒適度范圍。

        圖1 現(xiàn)狀建筑群風(fēng)速分析圖

        3.3 改變相關(guān)的環(huán)境元素對強風(fēng)環(huán)境進行改善

        面對錯綜復(fù)雜的自然環(huán)境和人工環(huán)境的共同作用,無法如實還原真實環(huán)境,也無法將所有的影響因子都考慮周全,但是作為影響因素的對比研究,只需要提取其中的關(guān)鍵因素加以分解測試,就能夠從復(fù)雜元素中提取部分關(guān)鍵的影響元素,從而對風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化提出更具針對性的措施。根據(jù)目前國內(nèi)外對風(fēng)環(huán)境研究的主要觀點,大致梳理出以下幾點比較典型的改善途徑:①改善建筑材質(zhì)屬性(籬笆),降低空間的蓄熱能力,并增強散熱能力;②增加水體和綠化的空間分布(防風(fēng)林帶),不僅能有效改善風(fēng)環(huán)境的舒適度,也能在夏天滿足遮蔭面積的需求,調(diào)節(jié)微氣候,從而提升整體環(huán)境的舒適感;③選擇合理的建筑錯動(天棚、附設(shè)建筑);④合理的建筑高度和體量組合,不合理的高度差不僅會導(dǎo)致迎風(fēng)建筑氣流極易進入道路空間,且由于高度和體量差帶來的日照差異,影響了微氣候。⑤選擇適當(dāng)?shù)挠L(fēng)界面/入口(擋風(fēng)墻),不同迎風(fēng)口對風(fēng)環(huán)境和微氣候的影響存在較大的差異。

        結(jié)合上述的常規(guī)改善途徑和本測試樣本的可行性,嘗試分別從風(fēng)廊內(nèi)部和外部2個大的方面進行改變,而風(fēng)廊內(nèi)部則選取行人高度的水平向元素和垂直向元素2個維度進行分析,嘗試討論環(huán)境元素對風(fēng)環(huán)境的影響程度,從而實現(xiàn)行人高度風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化改造。以下是對樣本進行改善的3個方案。

        3.3.1 方案一:廊道頂棚刪減

        根據(jù)對風(fēng)廊內(nèi)部水平環(huán)境元素的分析,圖信大樓與禮堂之間的走廊頂棚可能是造成風(fēng)環(huán)境極端化的重要原因之一,因此方案一首先刪減走廊頂棚。在保持與前述現(xiàn)狀模型一致的環(huán)境條件下,通過模擬分析的方法,得出通過刪減廊道頂棚的確可以分散強風(fēng)走廊的風(fēng)速和壓力。在相同區(qū)間跨度的風(fēng)壓和風(fēng)速下,其所顯示的高速風(fēng)區(qū)有所減小,最大風(fēng)速減小到約6.00 m/s,但是效果并不十分顯著。

        3.3.2 方案二:改變圍墻密實度

        根據(jù)對風(fēng)廊內(nèi)部垂直環(huán)境元素的分析,要改變建筑的開口方式在實際操作中難度較大,因此考慮建筑北面長距離的密實圍墻,因其也可能成為風(fēng)環(huán)境的重要影響因素。方案二因此改變圍墻形式,將外圍墻體鏤空,增加南北向通風(fēng)空隙。在相同的環(huán)境條件下,通過仿真模擬分析,得出通過改變廊道的密實程度雖然可以分散走廊的風(fēng)速和壓力,但效果同樣不是非常明顯,在相同閾值的風(fēng)壓和風(fēng)速下,平均風(fēng)速保持在3.36 m/s,最大風(fēng)速約為7.33 m/s。其對局地風(fēng)環(huán)境的影響不大。

        3.3.3 方案三:設(shè)置廣場樹陣

        根據(jù)對風(fēng)廊外部環(huán)境元素的分析,考慮風(fēng)環(huán)境成因的空間因素,圖信大樓東南面的廣場開闊空間是造成風(fēng)環(huán)境極端化的重要原因,因此在圖信大樓的東面種植平均高度15 m的喬木樹陣。通過仿真模擬分析,得出通過增加樹陣可以有效分散走廊的風(fēng)速和壓力。在相同閾值的風(fēng)壓和風(fēng)速下,風(fēng)壓和風(fēng)速都明顯減小了,相對風(fēng)壓區(qū)間縮小到約-6.0~-2.0 Pa;最大風(fēng)速減小到5.24 m/s,且大部分區(qū)域都處于3~5 m/s的舒適風(fēng)速范圍之內(nèi)(圖2)。由測試可見,該方案對于風(fēng)廊風(fēng)環(huán)境的改變最為明顯。

        圖2 設(shè)置樹陣后風(fēng)速分析圖

        4 建筑群風(fēng)環(huán)境影響因子分析

        以上某高校的建筑群的特殊風(fēng)環(huán)境狀態(tài)為研究主體,結(jié)合建筑群的風(fēng)環(huán)境仿真模擬,討論建筑群風(fēng)環(huán)境影響因素以及改變的方式。通過測試,方案三增加樹陣的方式,對建筑風(fēng)環(huán)境的改善最為有效。其次是方案一走廊頂棚刪減,而方案二改變圍墻密實度則遜色于方案一和方案三,但也對建筑風(fēng)環(huán)境改善有一定作用。

        從結(jié)果來看,相對獨立的一組建筑群在改變其部分環(huán)境元素的前提下,風(fēng)環(huán)境將會產(chǎn)生不同的變化,作為對已建成區(qū)域風(fēng)環(huán)境的改善來說,建設(shè)的成本和可行性是其中需要重點考慮的一個內(nèi)容,結(jié)合各類復(fù)雜的社會因素,本文提出并測試了以上3種方案,從分析結(jié)果可以總結(jié)出以下幾點。

        一是從風(fēng)的行進路線上考慮,風(fēng)環(huán)境的成因中入口和通道是重要的因素,而改善的方法宜從根源治理,即優(yōu)先考慮入口因素,解決入口的布局方式,能從根源解決問題,并且更為有效,這從方案三對風(fēng)環(huán)境的改變足以看出入口的重要性。

        二是對于已建成建筑群來說,空間的基本尺度已經(jīng)固定,對其局部構(gòu)建(考慮建設(shè)成本及可行問題,建筑的改建無法大規(guī)模進行)的改變對風(fēng)環(huán)境的影響不大,因此,改善的方式應(yīng)從大尺度上的布局來考慮,方案一和方案二在尺度上遠不如方案三的規(guī)模大,而結(jié)果顯示較大規(guī)模的布局的確能夠顯示更好的改善效果。

        三是從改造的可能性和可行性來討論,相對于建筑本身的改建,環(huán)境元素的改變,如植被、水體、景墻等,對風(fēng)環(huán)境能夠起到較為有效的改善,且更容易實施。

        5 結(jié)束語

        綜上所述,城市的建成環(huán)境復(fù)雜多樣,其對自然環(huán)境的影響有積極的也有消極的,甚至有可能是災(zāi)難性的,作為城市聚居主體的人對于室外環(huán)境的感受直接影響城市的活力。本文通過對樣本區(qū)域風(fēng)環(huán)境的測試分析,通過數(shù)值模擬的方式找出改善風(fēng)環(huán)境適宜度的途徑。對于已建成區(qū)域的風(fēng)環(huán)境改善來說,可以通過改變建筑物外立面或者風(fēng)廊行進路線上的構(gòu)筑物、風(fēng)廊區(qū)域的環(huán)境景觀軟硬件、周邊附屬物等方式,在一定程度上改善風(fēng)環(huán)境,從而調(diào)節(jié)局地微氣候,提升行人高度微環(huán)境的舒適度。但同時,也需要反思,對于處于規(guī)劃設(shè)計階段的項目方案,如果能夠在方案階段就考慮項目的微氣候問題,以及該項目對于所在區(qū)域的微氣候影響,就能夠減少更多的局地微氣候災(zāi)害,提升城市整體的微氣候環(huán)境,從而大幅提升城市的活力。本文僅以冬冷夏熱地區(qū)某城市的某建筑群為樣本,從幾種方式上探討了建成環(huán)境中局地風(fēng)環(huán)境的改善路徑問題,拋磚引玉,希望能有更多更深入的研究來提升城市環(huán)境的宜居性和活力。

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