步高里街區(qū)空間風環(huán)境優(yōu)化設計

■ 宋德萱 Song Dexuan 王瑩珺 Wang Yingjun

步高里街區(qū)空間風環(huán)境優(yōu)化設計

■ 宋德萱 Song Dexuan 王瑩珺 Wang Yingjun

在前人對步高里街區(qū)風環(huán)境實測的基礎上，通過軟件模擬風環(huán)境，對里弄街區(qū)進行了定量化的評價分析?；谝L和導風兩個策略對里弄街區(qū)的迎風面和街區(qū)內部空間進行探討，并進行優(yōu)化方案設計，將優(yōu)化前后的地塊風環(huán)境進行分析與對比，最終驗證優(yōu)化策略的可行性與合理性，對城市設計具有一定的指導意義。

風環(huán)境；里弄街區(qū)；STAR—CCM+；優(yōu)化設計

上海里弄住宅作為上海一種傳統(tǒng)的特色民居，是近現(xiàn)代上海住宅的一種類型，它鮮明地反映了住宅建筑的地域性與時代性，充分體現(xiàn)出上海二三十年代的濃厚風情?，F(xiàn)存的里弄住宅普遍存在著老化、設施不全、安全隱患等一些問題，已無法滿足現(xiàn)代人的居住需求。近年來由于城市建設對城市環(huán)境氣候的影響日益明顯，造成城市局部風環(huán)境惡劣、熱島效應顯現(xiàn)等負面現(xiàn)象。通過對里弄住宅街區(qū)進行合理設計可以減少不良風場的產生，創(chuàng)造舒適宜人的里弄住宅街區(qū)風環(huán)境。

目前大部分是對民居住宅定性的研究基于豐富的原理和實測。本論文希望通過一些定量的探討，以及借助流體軟件STAR-CCM+呈現(xiàn)里弄街區(qū)風流場的情況，來發(fā)掘更多規(guī)律與空間改進優(yōu)化措施。

1 工作框架制定

本文選用步高里住宅作為研究對象，這是上海地區(qū)中比較常見的傳統(tǒng)民居形式。對此種民居的通風形式進行詳細分析，得出具有普遍適用性和規(guī)律性的上海傳統(tǒng)里弄住宅單體的通風原理。本文的研究框架為：①引用學者陳飛場地實測研究成果，通過實測數(shù)據來分析和預測。②使用流體軟件模擬的方式進行分析和論證。根據這兩個不同方面所揭示的現(xiàn)象及其分析的結果，相互聯(lián)系相互影響，相互驗證相互補充，進一步揭示里弄街區(qū)自然通風的原理。

2 步高里里弄住宅街區(qū)的自然通風實測

實測數(shù)據直接揭示了一種現(xiàn)象，是審查和檢驗理論的重要依據。因此實測在研究工作中起著重要作用。為了更嚴謹?shù)赜懻撋虾＠锱≌耐L狀況，將研究基礎建立在陳飛學者的論文《建筑與氣候——夏熱冬冷地區(qū)建筑風環(huán)境研究》中對步高里里弄住宅的實測和分析上，對論文中的實測結論提煉出來并加以總結，作為本文進行風模擬分析的重要理論依據。

2.1 測試目的

通過對全天不同時間的測試，研究建筑室外風速與室內不同功能房間風速之間的關系，客觀檢驗了里弄街區(qū)平面與建筑平面組成對建筑室內外風環(huán)境改善的作用，并提出了相應的改進優(yōu)化措施。該研究中的實測結果將為進一步深入研究提供理論依據，成為上海傳統(tǒng)里弄民居建筑生態(tài)研究的重要組成部分。

2.2 測試方法

測試儀器選用德圖 TESTO 405-V1 便攜式風速儀及數(shù)字式溫度表TES-1310。在一天中10:00、14:00、18:003個時段測試3組數(shù)據，采用24h不間斷自動讀取溫度數(shù)據，盡可能做到數(shù)據的精準性。

2.3 測試點的選擇

將測試點定位于上海陜西南路步高里287弄20號（圖1）[1]，在測試點進行建筑室外與室內同時測試。室外測試點選在南北縱向巷道，東西橫向巷道處。測量選取1.5m高度處的空氣溫濕度及風速，以1min10次讀取數(shù)據后取平均值。

2.4 實測結果

為了研究里弄街區(qū)內風速特點及與里弄的高度、布局等因素的關系，在室內外測試點中我們發(fā)現(xiàn)，城市街道處的風速為0.6m/s，主弄堂測試點2處的平均風速為0.56m/s；測試點3處的平均風速為0.53m/s。在8月16日14:00測試的結果也同樣分別為0.57 m/s及0.52m/s（圖2）[1]。

盡管里弄街區(qū)內支弄附近的平均風速偏小，但是數(shù)據顯示室外弄堂的風速與街道上風速相差不大，在冬夏兩季沒有太大變化。

圖1 街區(qū)空間測試點選擇

上海步高里里弄街區(qū)呈現(xiàn)東西并聯(lián)、南北敞開的布局形態(tài)，形成魚骨式的交通方式。通過南北主街聯(lián)系進入東西向各支弄。通常人們認為決定里弄街區(qū)風速的重要因素是由于弄堂的狹小，通過實測發(fā)現(xiàn)，影響里弄街區(qū)內風速大小的首要因素與城市街道風有關。由于城市街區(qū)的高密度使街道地面處的風速減小，直接影響到里弄街區(qū)內部風環(huán)境的情況。

圖2 實測數(shù)據

對于里弄街區(qū)內支弄在冬夏兩季風速差別不大的原因，其分析如下：主弄與支弄呈現(xiàn)魚骨式布局，利于氣流的貫通。各條支弄東西兩段直接對著街道敞開，由于支弄本身就狹長，所以易形成風洞效應，加速氣流的運動。所以里弄街區(qū)內風速較小原因不只與狹小的空間阻礙空氣流通有關，主要原因還與街道處風速狀況及支弄兩側開敞度有很大關系。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 技術分析手段

目前對于特定區(qū)域內風環(huán)境的分析主要有3種方法：現(xiàn)場實測、風洞試驗與計算機數(shù)值模擬。

現(xiàn)場實測結果最直接、直觀地反映實際情況，但是也有其片面性，很難排除一些外在條件的干擾，無法反映整個風環(huán)境全面的情況，而且需要有人為了保護設備和數(shù)據長期值守，費時費力。但是實測數(shù)據的重要性卻不能忽視，被作為檢驗判斷實驗是否有效的重要標準之一。

風洞試驗是制作小比例的建筑模型再模擬現(xiàn)實中的風環(huán)境，對模型附近的風速風壓等參數(shù)進行讀取。對于風洞試驗，其費用昂貴，一般也只用于尖端的科學發(fā)展，例如飛行器的研制與設計通常要借助風洞試驗來完成。

而計算機數(shù)值模擬這種方法，對于特定區(qū)域內風環(huán)境的測量，相對而言更為經濟有效且數(shù)據結果直觀科學。計算機數(shù)值模擬是利用CFD軟件，把虛擬數(shù)字模型置放于流動風場內，根據自然界質量守恒方程、動量守恒方程和湍流方程來設定作為模擬體系的控制方程，并采用離散化的數(shù)值方法來取得風場中每一項物理量的解。在建筑風環(huán)境模擬計算研究范圍內，CFD的技術使用極大程度地降低了研究的成本，并根據模擬的結果來指導建筑與規(guī)劃工作并獲得良好的通風效果。

3.2 CFD 軟件簡介

CFD是專門用來進行流場分析、計算與預算的軟件，它是所有計算流體力學軟件的簡稱。CFD可以分析和預測發(fā)生在流場中的現(xiàn)象，在短時間內能預測性能，并通過修改參數(shù)來實現(xiàn)最佳設計效果。

CFD軟件的結構由前處理、求解器、后處理組成（表1）。前處理是對生成模型之前數(shù)據的處理，這一過程通常包括建模、數(shù)據錄入、生成網格等。前處理完成后，CFD核心求解器會根據具體的模型完成相應的計算工作，生成結果數(shù)據。后處理指對生成的結果和數(shù)據進行組織與詮釋，以直觀可視的圖形來輸出。

目前比較好的CFD軟件有：STACH-3、Fluent、Phoenics、CFX、STAR-CCM+等。其中STAR-CCM+是由CD-adapco Group公司開發(fā)的新一代通用計算流體力學（CFD）分析軟件，被譽為“下一代CFD的解決方案”。它具有如下特點。

（1）強大的網格處理能力：在STAR-CCM+誕生之初，它就是專門為處理大規(guī)模網格而設計的，具有10億以上先進的網格處理能力。它搭載了CD-adapco獨創(chuàng)的最新網格生成技術，可以完成復雜形狀數(shù)據輸入、表面準備——如包面（保持形狀、簡化幾何、自動補洞、防止部件接觸、檢查泄露等功能）、表面網格重構、自動體網格生成（包括多面體網格、六面體核心網格、十二面體核心網格、四面體網格）等生成網格所需的一系列作業(yè)。

（2）先進的物理模型：包括層流、湍流、多相流、氣穴、輻射、燃燒、邊界層轉戾、高馬赫數(shù)、共軛傳熱等，以及新的熱交換器和風扇模擬。

（3）更快的求解速度：STAR-CCM+使用的多面體網格相比于原來的四面體網格，在保持相同計算精度的情況下，可以實現(xiàn)計算性能約3～10倍的提高，占用較少的內存和更快的求解速度。

（4）可信賴的結果：STAR-CCM+Solver的穩(wěn)健性良好。

（5）網格兼容性：支持STAR-CD、ICEM、GridGen、Gambit等。

對于STAR-CCM+計算求解過程與一般的CFD模擬軟件基本相同，對于具體的模擬案例，可按照下述基本方法或制定更加詳細的求解方案和步驟：輸入模型、準備網格、選擇物理模型、設定邊界條件、設定初始條件、運算、后處理。

3.3 上海市風環(huán)境數(shù)值模擬分析參數(shù)設置

希望借助于CFD軟件在來流風吹向建筑時，模擬步高里里弄住宅內部的風流場，并對模擬實驗進行分析和總結，進一步尋求其中的原理和規(guī)則。

表1 CFD軟件三大模塊的功能劃分

CFD軟件模擬參數(shù)的設置：

（1）風速風向（表2）采用的是k-e模型。

表2 室外風環(huán)境模擬風速風向表[2]

圖3 推薦計算域尺寸

（2）地面粗糙度。地面粗糙度的選取應符合以下規(guī)定。內環(huán)線以內：0.30

外環(huán)線和內環(huán)線之間：0.22

外環(huán)線以外：0.15

外環(huán)線以外的例外情況：郊區(qū)、郊縣的城鎮(zhèn)中心，且目標建筑（群）周邊

500m范圍內綠地或農田面積占比≤50%的：0.22。

（3）計算域。目標建筑（群）東南西北各為H1應予以建模。H1為建筑（群）長、寬中的較大值。計算域水平方向的長、寬分別不宜小于6H1、5H1（含建筑本身）、垂直方向高度不宜小于3H2、H2為建筑（群）高度（圖3，上海市數(shù)值模擬分析參數(shù)設置——討論稿）。

（4）網格。網格優(yōu)化應符合以下規(guī)定：①地面與地面以上1.5m之間的網格應為3～6層；②宜采用多尺度網格，使目標建筑較遠處網格疏松，目標建筑近處網格致密；③對形狀規(guī)則的建筑宜使用結構化網格，網格過渡比不宜大于2。

（5）物理模型的選擇。模型的設置條件選取有以下7項：三維、穩(wěn)態(tài)、氣體、分離流求解器、理想氣體、湍流、SST k-o 湍流模型。STAR-CCM+提供了多種湍流模型，如k-e和k-o湍流模型，本文在保證滿足計算精度的前提下選用了SST k-o 湍流模型。這種模型結合了k-e模型和k-o模型的優(yōu)勢，在近壁面采用的是k-o模型，在遠離壁面的地方

4 模擬結果與優(yōu)化策略

4.1 里弄街區(qū)風環(huán)境模擬結果

步高里里弄街區(qū)西北側臨路方向的住宅，南面為高層建筑，高層建筑東南面為操場空地，模擬結果顯示這個方向的風廊沒有受到影響，反而由于高樓風作用而使西北側住宅的來流風速極速加大，超出了5m/s的舒適風速范圍。由于里弄街區(qū)聯(lián)排住宅面寬過長，致使內部通風不暢。街區(qū)西側由于靠近馬路，會出現(xiàn)風洞效應，在街區(qū)口風速會加大。街區(qū)東側擁有一塊待建的空地，起到了很好的導風和引風作用，街區(qū)東側區(qū)域通風效果相對較好。

在模擬結果圖4中，建筑19號和4、5、6、7、8、9、10對風環(huán)境有遮擋作用，易形成風影區(qū)。使里弄街區(qū)的背風區(qū)產生較小的風速。建筑西部和北部風環(huán)境較差，是由于建筑朝向為東西向且里弄街區(qū)前排建筑未形成良好的通風開口，致使來流風流經街區(qū)后在建筑西部和北部后風速急劇驟減。在該來流風的作用下對街區(qū)風環(huán)境的改善不利，里弄街區(qū)內建筑與建筑之間的間距較小，未能形成良好的通風廊道，整體通風風場較不暢。

圖4 街區(qū)空間風速云圖與矢量圖

通過對上海市步高里里弄街區(qū)風環(huán)境的特殊性分析，可以看出里弄街區(qū)風環(huán)境的研究具有一定的典型性。總體風環(huán)境一般，開敞空間優(yōu)化了風環(huán)境。在東南風的作用下，街區(qū)北部和西部的風環(huán)境較差。不同的建筑對街區(qū)風環(huán)境影響很大，街區(qū)內部風環(huán)境較差的原因是由于建筑密度過大且建筑間距較小，未能形成良好的風環(huán)境。優(yōu)化城市里弄街區(qū)風環(huán)境的同時還能改善熱環(huán)境，進而改善周邊城市更大區(qū)域范圍內的風熱環(huán)境?？傊?，研究上海市步高里里弄街區(qū)風環(huán)境具有更大的現(xiàn)實意義。

4.2 里弄街區(qū)風環(huán)境整體優(yōu)化方案策略

步高里里弄住宅擁有特殊的地理位置和自然優(yōu)勢，因此在整體城市環(huán)境中有著特殊的風環(huán)境。將里弄住宅街區(qū)從引風和導風兩個層面對建筑的布局來研究。引風主要從引風口方面來探討，導風主要從通風廊道和開敞空間兩方面來探討。將這兩個方面應用于街區(qū)，并從實際研究出發(fā)提出對里弄住宅街區(qū)空間風環(huán)境的研究。

對里弄街區(qū)進一步的優(yōu)化措施包括以下幾點。

（1）底層架空。調整街區(qū)的引風口，目的為了增加進風量并且調整風向。引風開口的大小和位置不僅要考慮里弄街區(qū)邊界設計及布置，還要結合街區(qū)內部空間考慮開口位置和大小，順應建筑布局的方向設置開口。通過合理的引風，增強黃浦江河道濕熱效應的擴散，優(yōu)化街區(qū)內風環(huán)境。將里弄住宅5、6、7、8號后排建筑在街區(qū)縱向街道延伸處設置底層架空，疏導街區(qū)內縱向街道的來流風，減少風影區(qū)的產生。

（2）建筑間距的調整。建筑布局遵循原有的行列式布局方式，建筑與建筑之間間距越大，兩排建筑間所形成的風影區(qū)范圍越小，其自然通風效果也越好，反之則越差。步高里里弄街區(qū)住宅間距過小，在優(yōu)化方案中將建筑進深相對街區(qū)位置前后各縮進1m，使街區(qū)內的街道面寬相對擴寬2m，從而改善自然通風，減少風影區(qū)的產生。

（3）優(yōu)化建筑高度的組合。在來流風的作用下，迎風處的建筑對風環(huán)境影響較大，風遮擋作用明顯。前排的低層建筑產生的風影區(qū)小，對后排建筑周邊的風環(huán)境影響也小。當來流風由層高低的建筑吹向層高高的建筑時，能有效減少前排較高建筑對風的遮擋作用，改善風環(huán)境。在優(yōu)化方案中，里弄住宅整體采用前低后高的高度布局組合，最后一排里弄住宅增至4層，不僅將來流風更好地過渡到街區(qū)前后所有位置，而且里弄街區(qū)的整個容積率相對有所增加，滿足住房的需求。

（4）強化通風廊道。通過將自然通風廊道和人工通風廊道結合，多層次地加強通風效果。黃浦江河道水體在通風廊道中調節(jié)風速、溫度、濕度方面起著明顯作用，建筑的布局盡量在河道水體方向布置，利于氣流流通。人工通風廊道主要對道路和建筑布局產生影響，促進自然通風，提高了風速和穩(wěn)定性。

根據模擬的結果分析可得，通風廊道主要為西側的陜西南路道路、連排里弄間縱向的街巷和東側縱向街道這3條主要的通風廊道。由于建筑聯(lián)排開間較長，阻礙了通風廊道貫穿于里弄之間，適當縮短里弄開間的長度和調整聯(lián)排里弄住宅的面寬，增加一條縱向里弄街道，并調整街道寬度，使其能作為通風廊道良好貫穿里弄街區(qū)內的自然通風，增加通風廊道并強化其作用。

（5）優(yōu)化開敞空間。在里弄街區(qū)內設置并優(yōu)化開敞空間，利于風場的集中和擴散。現(xiàn)有街區(qū)內一些開敞空間布局零散且不成體系而不利于良好的自然通風。

18、19號兩樓之間的開敞空間風環(huán)境中風速較大，局部地區(qū)已經達到了9m/s的風速，嚴重影響了居民的正常生活，所以要調整此處的開敞空間，減小此處高樓風的風速。在18號高層樓旁設置一些小的構筑物或高大的植物來調節(jié)18號高層樓西邊開敞空間處的高樓風，將高樓風分解并引入里弄住宅街區(qū)內部和西邊的道路上，保證場地整體的風速控制在5m/s的舒適極限范圍內。

結合場地實測的結果，在里弄街道朝向西側道路開口處，易形成風洞效應，風速會在此處增大。所以對1號樓及其附近空地稍作調整，增強陜西南路通風廊道的作用，同時適當強化風洞效應，優(yōu)化里弄街區(qū)內部的風環(huán)境，也幫助削弱前排高速氣流。聯(lián)排建筑1～5號住宅西邊的風速由5m/s逐漸降至1.5m/s左右，將5號樓與后排建筑中的開敞空間進行優(yōu)化，防止風影區(qū)的產生并形成較為暢通的通風廊道。16號與17號兩樓之間的開敞空間風速適宜，不用再做調整，但需要將此開敞空間的風引入里弄街區(qū)內部。8號、9號與10號之間的風速也過小，通過調整建筑的邊角處空間，將通風廊道延伸至此開敞空間，改善此處開敞空間的自然通風。

（6）在建筑肌理方面，注重與舊建筑的銜接關系。步高里原本的住宅建筑肌理與當?shù)厝诤陷^為貼切，所有優(yōu)化后的肌理形式基本保持原狀，注重與舊建筑的良好銜接，在優(yōu)化方案中只是在街區(qū)縱向方向增加了通風廊道，凸顯通風廊道空間，其它地方的肌理順應原狀，對里弄街區(qū)的原貌保持了極大尊重的態(tài)度。

4.3 風環(huán)境數(shù)值模擬與優(yōu)化前后對比分析

從優(yōu)化模擬前后的結果對比分析顯示，優(yōu)化后的里弄住宅街區(qū)風環(huán)境得到了明顯的改善，方案優(yōu)化前后對比如圖5、6和表3所示。

可見，通過對通風廊道、開敞空間、建筑間距、高度優(yōu)化組合、里弄住宅形態(tài)的調節(jié)，并規(guī)劃適宜的里弄街區(qū)大小，能有效改善里弄街區(qū)的風環(huán)境。

5 結語

圖5 優(yōu)化前街區(qū)空間風速云圖與矢量圖

圖6 優(yōu)化后街區(qū)空間風速云圖與矢量圖

目前大部分對民居住宅定性的研究基于豐富的原理和實測。本文希望通過一些定量的探討，以及借助流體軟件STAR-CCM+呈現(xiàn)里弄街區(qū)風流場的情況，來發(fā)掘更多規(guī)律與空間改進優(yōu)化措施。

本文基于前人對步高里街區(qū)風環(huán)境實測基礎上，通過模擬計算的定量分析，從引風和導風兩個策略對里弄街區(qū)的迎風面和街區(qū)內部空間進行探討，將強化通風廊道、優(yōu)化開敞空間、調整建筑間距、優(yōu)化高度組合、底層架空、順應肌理等策略應用于實際地塊中，進行優(yōu)化方案設計，對設計結果進行數(shù)值模擬計算，并將優(yōu)化前后的地塊風環(huán)境進行分析與對比，在通風廊道的數(shù)量、最大風速、最小風速和適宜風速比重等對比因素中，優(yōu)化后的里弄住宅街區(qū)風環(huán)境得到了明顯的改善，最終驗證優(yōu)化策略的可行性與合理性。

21世紀是綠色建筑的世紀，綠色建筑提倡既節(jié)能環(huán)保又舒適健康的建筑。不僅是現(xiàn)代建筑的發(fā)展要求，也是傳統(tǒng)建筑“保護-更新-改造-利用”的發(fā)展方向。上海里弄住宅的自然通風改善，不僅使居民獲得健康舒適的居住環(huán)境，提高了生命質量，而且在探索傳統(tǒng)里弄住宅通風過程中，使用的技術手段將幫助我們在保護歷史建筑的道路上積累更加豐富的經驗，有利于開展全國各地歷史建筑保護工作，更有利于中華民族傳統(tǒng)文化的繼承與發(fā)揚。

表3 方案優(yōu)化前后結果的量化對比

[1 ]陳飛.建筑與氣候——夏熱冬冷地區(qū)建筑風環(huán)境研究[D].上海:同濟大學,2007.

[2]中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據集[M].中國建筑工業(yè)出版社.2005年.

The Optimal Design of Spacial Wind Environment at BuGaoLi Blocks

Based on the previous surveys at BuGaoLi Blocks, the author quantitatively evaluates and analyses the wind environment at LiNong Blocks by means of software simulation. By applying the strategies of inf ation and def ation, this thesis explores the windward side and internal space at LiNong Blocks so as to form an optimal design. Analyzing and comparing the pre-optimal wind environment at plots with the optimized one can con f rm the feasibility and rationality of the optimal strategies, which has instructive signif cance to the urban design.

wind environment, LiNong Blocks, STAR—CCM+, optimal design

2016-03-30）

宋德萱，同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院教授、博導；王瑩珺，同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院13級碩士研究生。