冀鳳全 魏愿寧 吳凱麗,2
(1.安徽建筑大學建筑與規(guī)劃學院,合肥 230601;2.中國科學技術大學研究生院科學島分院,合肥 230031)
舊城區(qū)由于普遍存在綠地率低、建筑密度高等問題,對風環(huán)境研究極具緊迫性。以合肥市環(huán)城公園舊城區(qū)為研究對象,選取逍遙津公園、包河公園、杏花公園及其周邊環(huán)境為例,采用CFD技術模擬場地風環(huán)境,探究影響合肥市舊城區(qū)風環(huán)境的各項空間組合要素。結果表明:(1)舊城區(qū)平均風速在0.57 m/s,明顯低于合肥市平均風速;(2)杏花公園地塊風環(huán)境最好,逍遙津地塊建筑群組對風環(huán)境阻礙明顯,包河公園地塊靜風區(qū)面積最大;(3)舊城區(qū)風環(huán)境主要影響因素為環(huán)城公園綠地和水體、建筑群的空間組合方式、建筑與風向之間的夾角、建筑單體形態(tài)。最后將城市公園綠地環(huán)境效應和建筑布局綜合研究,基于原有舊城肌理,提出改善舊城區(qū)風環(huán)境的建筑布局與綠地布局策略,為舊城區(qū)風道規(guī)劃與更新方式提供了新思路。
環(huán)城公園;舊城區(qū);風環(huán)境;計算流體力學;優(yōu)化策略
隨著城鎮(zhèn)化進程的加快,霧霾、熱島效應等城市病開始產生[1]。城市風環(huán)境直接影響著城市舒適度、溫度、濕度以及建筑能耗等諸多方面,風環(huán)境的改善是當今城市規(guī)劃和建設必須考慮的重點問題[2]。舊城區(qū)由于建筑密度高、街區(qū)通風條件差,居民生活質量受到了嚴重影響。因此在城市更新的過程中,如何優(yōu)化空氣健康、改善舊城區(qū)風環(huán)境成為關注的熱點。合肥市屬亞熱帶季風性濕潤氣候,近10年主要處于低風速區(qū),舊城區(qū)城市熱島效應和冬季霧霾更為嚴重。合肥市舊城區(qū)位于廬陽區(qū),與環(huán)城公園緊密羈絆,因此探究環(huán)城公園對舊城區(qū)風環(huán)境的影響就顯得十分必要。
總體來看國內對于風環(huán)境的研究對象多為傳統(tǒng)住宅和校園,缺乏對舊城居住區(qū)風環(huán)境的研究,伴隨著未來街區(qū)模式變化、更新,更多地開放式、多元化、多功能性的城市街區(qū)將成為城市主導,高密度、高人流、室外高舒適的多功能商業(yè)街區(qū)將成為研究重點。彭翀等[3]利用Fluent軟件對武漢大智門老城區(qū)不同改造方式進行風環(huán)境分析。杜吳鵬等[4]基于北京風環(huán)境、城市熱島和地表通風潛力分布提出了北京中心城區(qū)通風廊道構建的依據(jù)、原則和初步方案建議。曹靖等[5]借助PHOENICS軟件對安慶市中心城區(qū)風環(huán)境進行分析,對通風環(huán)境較差的地區(qū)提出拆遷通路、抽疏復綠和屋頂綠化及其近遠期不同的改善對策。梁顥嚴等[6]利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)技術以廣州市黃埔區(qū)魚珠舊城更新改造規(guī)劃為例探究嶺南舊城區(qū)風環(huán)境評估方法、指標及判斷標準。劉鵬飛等[7]基于CFD技術分析長沙太平街舊城區(qū)風環(huán)境,提出增加開敞空間和疏通街巷格局兩種舊城區(qū)風環(huán)境改善策略。顏文濤等[8]通過比較多情景方案的風環(huán)境模擬結果,以期形成空氣環(huán)境健康導向下老舊社區(qū)的生態(tài)化更新策略。對于風環(huán)境的技術手段趨于成熟,常見的有現(xiàn)場實測、風洞試驗和數(shù)值模擬法[9]。彭明熙等[10]采取實地測量和數(shù)值模擬的方法,探究重慶市傳統(tǒng)民居風環(huán)境,提出利用石砌民居的熱延遲特性,組織夜間通風方式以改善區(qū)內風熱環(huán)境。董曉等[11]通過定量實測及軟件數(shù)值模擬對秦嶺山地傳統(tǒng)民居群落進行風環(huán)境研究,提出傳統(tǒng)院落位置、朝向、尺寸與風環(huán)境的適應關系,發(fā)揚地域生態(tài)文化特色。沈煉等[12]利用10 m×3 m×21 m的大尺寸風洞,對長沙市某社區(qū)進行多工況的試驗研究。楊易等[13]基于風洞試驗結合數(shù)值模擬的方法,進行不同風向來流角與建筑高度的對比研究。李世芬等[14]利用CFD技術得出三合院為東北冬季鄉(xiāng)村圍合式院落風環(huán)境最優(yōu)項,并據(jù)此提出進一步優(yōu)化方案。顏文濤等[15]運用CFD數(shù)值模擬技術對多種空間布局方案進行比較分析,并應用到空氣環(huán)境質量的空間形態(tài)優(yōu)化上。金奇志等[16]針對桂林地區(qū)內廊式和內院式學生宿舍布局的室內風環(huán)境進行CFD模擬對比分析。目前風環(huán)境尚未形成定量化的規(guī)范指標,評價風環(huán)境、熱環(huán)境、日照環(huán)境的參數(shù)指標過多,并且之間差異較大。當下對未來城市或街區(qū)構建參數(shù)化、標準化、多目標的風環(huán)境評價體系是目前風環(huán)境研究的重要方向。
文章以合肥市環(huán)城公園舊城區(qū)為研究對象,試圖通過實際測量和CFD技術對逍遙津公園、包河公園、杏花公園三個案例進行風環(huán)境模擬,從微觀層面,結合城市公園綠地環(huán)境效應和建筑空間布局,探究環(huán)城公園作用下不同空間要素對舊城區(qū)風環(huán)境影響。在此基礎上,以改善合肥市舊城區(qū)風環(huán)境為主要目標,對舊城區(qū)建筑、綠地空間規(guī)劃提出優(yōu)化建議,尋找風環(huán)境規(guī)劃和舊城更新的新方法。
合肥市屬于亞熱帶濕潤性季風氣候,季節(jié)性風向變化較為明顯,秋冬季主導風向為東北風,春夏季以東南風為主。本文選取的研究區(qū)域是合肥市環(huán)城公園內的舊城區(qū),基本保留了以前的街巷肌理和建筑布局,以特色商業(yè)和舊城區(qū)居住區(qū)為主(圖1)。舊城區(qū)域內建筑密集,綠化率較低,街巷狹窄彎曲,通風條件差,具有嚴重的城市熱島效應[17]。環(huán)城公園是合肥城市公園的重要組成部分,位于中心城區(qū),共137.6 hm2,綠地、水系相融合。研究選取的逍遙津公園、包河公園和杏花公園分布在舊城區(qū)周邊,綠地類型和周邊建筑布局具有一定典型性(圖2)。杏花公園選取其東南角建筑組團作為研究對象,此組團由中國電科67所小區(qū)、淮河西路以北部分組成,冬季盛行西北風經東部區(qū)域吹向此地塊(圖2-a)。逍遙津公園內部建筑組團多為行列式布局,建筑和夏季盛行風向平行,包括公園新村與義倉小區(qū)(圖2-b)。包河公園內部建筑布局為行列式與圍合式布局,建筑與盛行風向接近于垂直角度,建筑組團主要由縣委大院構成(圖2-c)。
圖1 合肥環(huán)城公園舊城區(qū)區(qū)位圖Fig.1 Location map of the old part of the ring park in Hefei
圖2 建筑布局圖Fig.2 Architectural layout
根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網、《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[18]和合肥地區(qū)常規(guī)臺站氣象資料,確定合肥市近年來風速范圍。選取合肥市3、4月無特殊天氣影響白天為樣本,利用風速儀對環(huán)城公園外、環(huán)城公園和舊城區(qū)風速進行實地收集,風速儀測量高度設定為行人高度處1.5 m,同一個路徑點多次測量取平均值。參考《綠色建筑評價技術細則》[19]、《綠色建筑評價標準》(GB/T50378-2014)[20]對所測風速進行評價。依據(jù)衛(wèi)星圖和實地觀測獲取舊城區(qū)的CAD現(xiàn)狀、建筑高度等建筑群相關數(shù)據(jù),為風環(huán)境模擬提供數(shù)據(jù)基礎。
2.2.1 軟件選取
目前風環(huán)境模擬方法多聚焦在現(xiàn)場測量、風洞試驗和計算機模擬技術,由于CFD技術比其他兩種技術周期更短,成本消耗更少,模擬結果的直觀可視化程度更高,更加能有效分析獲取的數(shù)據(jù),得到科學的結果,因此本文主要運用CFD技術[21]。計算機數(shù)值模擬技術目的是仿真實際的流體運動狀況,數(shù)值求解于計算機對建筑物周邊氣體流動所遵守的動力學方程,也稱之為計算流體力學(CFD)。計算流體力學常用的風環(huán)境模擬軟件有FLUENT、PHOENICS、AIRPARK、VENT等,本文主要采用PHOENICS軟件進行數(shù)值模擬(圖3)。PHOENICS除了具有計算流體的功能外,還具有可視化、CAD接口、可供選擇的大量模型、帶有PHOENICS專用模塊等特點[22]。
圖3 PHOENICS風環(huán)境模擬路線圖Fig.3 PHOENICS wind environment simulation roadmap
2.2.2 特征點選取
依據(jù)與公園綠地的位置關系,將測量區(qū)域分為公園綠地范圍外、公園綠地、舊城區(qū)。為更明顯地體現(xiàn)公園綠地對舊城區(qū)風環(huán)境的影響,測量路徑方向和舊城區(qū)盛行風一致。研究選取環(huán)城公園中的逍遙津公園、包河公園、杏花公園這三個典型公園綠地為測量路徑,分別在三個公園相對中心位置選取6個基本點,以公園綠地邊界為起點,每100 m定點,在指定的公園綠地外設一個點,城區(qū)內設三個點(圖4)。研究選取距離地面1.5 m高度。
圖4 環(huán)城公園舊城區(qū)特征點分布圖Fig.4 Distribution of feature points in the old part of the ring park
2.2.3 模型建立
基于基礎條件的分析與設定,在研究地塊中選擇逍遙津公園、包河公園、杏花公園三個研究地塊運用Auto CAD軟件建立3D模型,將三維模型用STL格式導出,再將其導入到PHOENICS軟件中。參考《深圳市城市自然通風評估方法研究》[23],本文將計算區(qū)域確定為:長度設置為地塊最大長度的三倍;寬度設置為地塊最大寬度的三倍;高度取值為最高建筑物高度的三倍。為使計算結果具有一定的精確性,本文對模擬地塊進行網格加密,避免出現(xiàn)計算空白區(qū),不利于結果的分析。本次實驗的主要輸入?yún)?shù)為風速風向,其中,風速以研究地塊的實測數(shù)據(jù)、合肥市氣象數(shù)據(jù)作為邊界條件的主要依據(jù),設定為2.4 m/s;另外,根據(jù)合肥氣候特點,著重分析了夏季東南風對逍遙津公園和包河公園的影響,冬季西北風對杏花公園的影響??諝馊肟诘娘L速由于地表的摩擦作用,風速隨離地表高度的增加而變大,形成垂直梯度風,其變化規(guī)律可以表示為指數(shù)函數(shù),見公式(1)。式中,V為高度為Z處的水平方向的風速,V0是指Z0高度的平均風速,按照一般標準采用氣象高度10 m。a值與地面粗糙度和大氣的穩(wěn)定度相關,一般來說,取值范圍0.14~0.40。本文模擬對象位于密集的中心城區(qū),故a取值0.22[24]。
針對“認知領域—情感領域—精神運動領域”3個方面,以解決情感問題為目標實施“多元化”的評價方案[4],有利于在學生參與“館校合作”科學活動中,給予恰當?shù)倪^程性評價。這種過程性的評價可以是教師給予學生,或由學生互評、學生自評;評價也可是針對學生的學習成果、成績。我校在“館校合作”科學活動方案中,是對學生在學習態(tài)度、合作交流、實踐能力和成果展示四個方面的表現(xiàn),設計了活動評價表。
依據(jù)風環(huán)境實際測量結果和現(xiàn)狀模擬,環(huán)城公園舊城區(qū)平均風速約為0.57 m/s。舊城區(qū)具有風速分布不均、風場不均勻、局部地區(qū)形成高風區(qū)等特點。依據(jù)《綠色建筑評價標準》(GB/T50378-2014),風速<1 m/s時,行人基本感受不到風,會感到悶熱,空氣流通不好,街道內的污染物容易堆積(表1),合肥市舊城區(qū)風環(huán)境問題急需解決。1.5 m高度2.40 m/s風速云圖模擬結果如圖5:(1)杏花公園地塊風環(huán)境最好,平均風速位于1.68 m/s(圖5-a)。西北風自杏花公園穿過街道后,在建筑空間的引導下,風向轉到了西北偏西,A5風速明顯低于A1。總體來看,風速較大的區(qū)域位于平行于風向的迎風區(qū)A3和圍合成的開敞空間A4,可達2.25 m/s;風速較小區(qū)域為建筑背風面,形成區(qū)域靜風區(qū)。(2)逍遙津公園地塊平均風速在0.5 m/s,垂直東南風向布局的建筑組群對通風造成了顯著的影響(圖5-b)。平行風向的建筑布局形成通風廊道,形成較好的局部環(huán)境效應,風速升高到0.75 m/s。L型建筑形成較多靜風區(qū)。(3)包河公園地塊總體風速最小,風環(huán)境最差,平均風速在0.25 m/s(圖5-c)。風速最大區(qū)是建筑連接到環(huán)城南路的南北向道路,迎風口為開敞空間,風速可達2.25 m/s;包河公園地塊受建筑排布方式的影響,平行河道的建筑布局嚴重阻擋了南風流入街區(qū)內部,迎風面較大,形成大面積靜風區(qū)。
表1 風速相對舒適度評估表Tab.1 Wind speed relative comfort assessment table
圖5 風速分布圖Fig.5 Wind speed distribution map
3.2.1 環(huán)城公園綠地和水體
選取合肥市典型東南風天氣,對特征點風速進行實際測量。數(shù)據(jù)顯示風流經逍遙津公園、包河公園之后風速顯著增加,隨后流經舊城區(qū),風速開始降低,但始終高于初始風速。盛行風經杏花公園舊城區(qū)流經公園綠地過程中,風速開始下降,經杏花公園綠地,風速增加(圖6)。實驗證明環(huán)城公園大面積的綠地和水體能在其內部形成良好的風環(huán)境,同時對局部地區(qū)發(fā)揮通風效應。為能更有效改善舊城區(qū)風環(huán)境,還需在內部增加綠地和水體空間。
圖6 特征點風速變化圖Fig.6 Variation of wind speed at characteristic-points
3.2.2 建筑群空間組合
針對逍遙津公園、包河公園和杏花公園風速分布云圖差異進行進一步分析,得出圍合式建筑布局內部空間風速最小,行列式布局風速和風向存在關系,點狀式建筑布局受風向的影響最小。對于杏花公園研究區(qū)域,點①處的中國電科十六所小區(qū)建筑為行列式布局,而點②處的淮河路小區(qū)為圍合式布局,結果表明:點②的風速明顯低于點①。逍遙津公園建筑大多沿夏季盛行東南風布局,平行風向的建筑布局有利于形成通風廊道,形成良好的局部環(huán)境效應,西北側點④圍合式建筑布局形成靜風區(qū),造成街區(qū)內部分區(qū)域通風條件較差。包河公園街區(qū)中通風效果較好的部分為北側區(qū)域點⑦,通風口空曠,建筑點狀布置,對來流風的風速阻礙作用最小,且對來流風的風向改變不大,因此點狀布局的小區(qū)內部氣流較為通暢。
3.2.3 建筑與風向之間的夾角
三種建筑布局方式中,在與風向方向相平行的情況下,建筑物的阻風能力最弱,且通風性能最佳;其次是建筑與風向呈一定角度,當和風向垂直時,建筑靜風區(qū)面積較大。包河公園風速最低處為南側迎風建筑區(qū)點⑧,和盛行風垂直,建筑迎風錯列排布對于空氣流通有一定的阻礙效果,降低了環(huán)境風速。杏花公園東北角建筑點③和風向平行,風速達2.25 m/s,此時對風速阻礙最小。由逍遙津公園東側建筑點⑤實測數(shù)據(jù)和模擬效果可明顯看出,建筑與風向呈一定角度時,建筑的阻風效應較低,空氣流通效果較佳。模擬結果表明,在街區(qū)尺度內,街區(qū)建筑與風向之間的角度關系會對街區(qū)的導風效應產生一定的影響。
3.2.4建筑單體形態(tài)
從研究區(qū)域的模擬風速云圖可看出,街區(qū)內部相異的建筑平面形態(tài)會形成不同的風影區(qū)。當建筑平面為點式建筑時,建筑風影區(qū)最小,對風的阻礙作用最小,如包河公園東北側點⑦區(qū)域。對于迎風面形狀,有凹凸時建筑的自然通風性能要優(yōu)于平直迎風面建筑,相較于凸字形的迎風面,凹字形的迎風面為自然通風較有利的選擇,如點⑧和點⑨。由逍遙津公園模擬結果顯示,點⑥L型平面建筑背風區(qū)風速明顯小于板式建筑背風區(qū)風速。
通過調研結果對比分析,合肥市舊城區(qū)現(xiàn)有的“大綠環(huán)”以環(huán)城公園為主體,具有明顯的通風效應。綠地的環(huán)狀布局有利于空氣的循環(huán),為改善合肥市舊城區(qū)風環(huán)境、構建良好的人居環(huán)境提供視角。因此可以考慮在老城區(qū)內部構建淮河西路、市府廣場、徽州大道、廬江路、金寨—蒙城路的線性公園及廣場串聯(lián)線性的綠化空間構建“小綠環(huán)”,改善局部風環(huán)境。
在舊城區(qū)的綠地系統(tǒng)中,水體廊道如環(huán)城河道主要充當通風廊道的角色,而片狀的水體則起到了擴散濕熱效應的作用,形成小氣候效應,使得整個街區(qū)均受到水體和綠化的熱濕效應影響,進而改善整個街區(qū)的風環(huán)境,提升人居環(huán)境的舒適度。因此可以在舊城區(qū)內建筑肌理破壞比較嚴重的區(qū)域規(guī)劃適量的片狀水體和綠化植被,并使其與環(huán)城公園相銜接,形成更為完整的綠地系統(tǒng)網絡。
舊城區(qū)的道路與外界聯(lián)系為方格網與放射狀路結合的路網結構,內部形成“井字形”結構,但由于道路寬度過于狹窄、道路密度網太大,容易造成中心城區(qū)交通密度過高,不利于城區(qū)的通風散熱。將迎風處舊城區(qū)一些基底面積較小的老舊建筑拆除,建立公共綠地,減弱建筑的阻風作用,促進空氣的流通。建議拆除長江中路圍墻、沿街門面房和現(xiàn)有省直機關黨校用房,形成城市開放空間,避免圍墻的阻風效應,與環(huán)城公園有機融為一體,彰顯合肥城園交融的空間特色。
植被覆蓋率能夠增強環(huán)境降溫增濕的效應[25]。同時對于環(huán)城公園這種大面積的城市綠地,尤其考慮近地面層的空間通透性,基于喬灌木植物高度的不同會形成不同的風場,故建議采用高低錯落、疏密有致的綠化布局來促進氣流的流通。此外,在開放空間中進行綠地布置或在樓頂上布置綠色植物,可以產生較低的氣溫,形成微氣候效應,加快室外的空氣更新速度。
鑒于環(huán)城公園環(huán)繞舊城區(qū)的這種特殊性,從公園綠地入手,改善濱河建筑界面的開口,增強公園綠地濕熱效應隨著風向的擴散效果。舊城區(qū)界面以商業(yè)為主,建筑整體開口不多,建筑容積率高,過于規(guī)整,致使空氣流入街巷內部的幾率減少。在建筑界面增加開口,以增強水平方向的進風量和風速為目的,對臨近環(huán)城公園的建筑群邊界打開,適當拆除通風道處的建筑,創(chuàng)建迎風導向,可以讓風吹進更多的區(qū)域,達到改善街區(qū)微氣候環(huán)境的目的。
通過確定舊城區(qū)的夏季盛行風向,順應其盛行風向延展開敞空間,營造區(qū)域風道,能夠有效提升其通風效果。若拆除位于夏季主導風向上的建筑,會將東北風或者東南風引入?yún)^(qū)域內部,構建空氣引導通道,對街區(qū)內部的風環(huán)境改善相對顯著。同時在主要的街巷口設置開放空間作為風道緩存區(qū),形成“T”字型區(qū)域,能有效提高街巷內的風速。
通過前文的模擬分析及實際測量結果表可得出,行列式、錯列式等布局可以促進街巷內局部的空氣流通,改善街區(qū)的通風條件。進行舊城更新時,應盡可能用較為合理的建筑布局形式,營造建筑組群內良好的室外風環(huán)境。舊城區(qū)通風廊道入風口處的建筑布局至關重要,街巷的入風口處應保持通透,建筑布局建議為點式布局,減少對風的阻礙作用。也可以采用混合式布局,利用不同布局方式的優(yōu)點,圍合式、錯列式布局遠離迎風處,行列式布局在中部,點式布局的建筑在迎風處,這樣的排布方式有利于冬季防風,而且不妨礙夏季的建筑通風。
本研究以改善環(huán)城公園內舊城區(qū)風環(huán)境為出發(fā)點,實地測量數(shù)據(jù)提供支撐,同時采用CFD技術分析研究地塊的風環(huán)境,探究影響合肥市舊城區(qū)風環(huán)境的各項空間組合要素,研究發(fā)現(xiàn)環(huán)城公園內舊城區(qū)風環(huán)境存在不同方面的問題。位于舊城區(qū)外圈的環(huán)城公園一定程度上加大了風速,促進了舊城區(qū)空氣流通。通過數(shù)據(jù)對比分析與可視化模擬分析,得出影響環(huán)城公園內舊城區(qū)風環(huán)境的空間組合要素包括建筑群空間組合、建筑與風向之間的夾角、建筑單體形態(tài)。同時針對綜合空間要素影響機制提出多尺度、多層次、多角度的優(yōu)化策略:(1)充分發(fā)揮公園綠地和水體的環(huán)境效應;(2)適當增加開敞空間;(3)改變通風道的入口數(shù)量和形狀;(4)優(yōu)化建筑布局形式。
合肥舊城區(qū)是一個歷史悠久的傳統(tǒng)街區(qū),空間復雜度高,且布局具有特色?;谠械呐f城肌理與格局、環(huán)城公園小氣候環(huán)境效應與建筑布局特點,提出針對舊城區(qū)的風環(huán)境具體優(yōu)化策略,為今后區(qū)域的風道規(guī)劃與舊城更新提供參考。
注:文中圖表均由作者自繪。