城市街區(qū)層面的寒冷地區(qū)風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系研究

□文/劉君男 陳天

城市街區(qū)層面的寒冷地區(qū)風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系研究

□文/劉君男 陳天

通過(guò)明確城市街區(qū)層面風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)的主要評(píng)價(jià)內(nèi)容，制定適用于項(xiàng)目建設(shè)前期的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)原則、量化風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而構(gòu)建起適用于我國(guó)寒冷地區(qū)城市街區(qū)層面的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系。

風(fēng)環(huán)境；評(píng)價(jià)；街區(qū)；寒冷地區(qū)

在城市化進(jìn)程中，為適應(yīng)大量的人口增長(zhǎng)、城市用地拓展壓力以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，城市正朝著高層、高密度方向發(fā)展，由此，城市對(duì)自然環(huán)境的影響程度也越來(lái)越大。近年來(lái)，由于高層、高密度的城市建成環(huán)境引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題頻發(fā)，城市氣候舒適性逐漸降低，亟需通過(guò)城市規(guī)劃的優(yōu)化策略提升城市的氣候舒適性。城市氣候舒適性主要包括光環(huán)境舒適性、聲環(huán)境舒適性、風(fēng)環(huán)境舒適性和熱環(huán)境舒適性。其中，風(fēng)環(huán)境舒適性對(duì)居民的影響最大也最直接。它對(duì)人們室外舒適度、人身安全、自然通風(fēng)、污染物濃度、建筑能源消耗等方面具有深刻的影響。

優(yōu)化城市風(fēng)環(huán)境的前提條件是建立科學(xué)完善的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系，既包括用于項(xiàng)目建設(shè)前期進(jìn)行風(fēng)環(huán)境預(yù)測(cè)、規(guī)避項(xiàng)目建成后風(fēng)環(huán)境問(wèn)題的前評(píng)價(jià)階段風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系，也包括用于項(xiàng)目建成后風(fēng)環(huán)境效果驗(yàn)收的后評(píng)價(jià)階段風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系。本文著眼于我國(guó)寒冷地區(qū)風(fēng)環(huán)境的前評(píng)價(jià)階段，力求構(gòu)建完善的基于項(xiàng)目前期的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系，以優(yōu)化城市建設(shè)項(xiàng)目的風(fēng)環(huán)境，同時(shí)指導(dǎo)我國(guó)形成基于風(fēng)環(huán)境優(yōu)化的城市規(guī)劃策略，進(jìn)而改善城市風(fēng)環(huán)境。

1　城市街區(qū)層面的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)內(nèi)容

風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系依據(jù)主要控制內(nèi)容可分為城市層面、街區(qū)層面及建筑單體層面的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系。城市層面的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)著重于對(duì)城市大環(huán)境通風(fēng)效應(yīng)、城市風(fēng)害的評(píng)估，街區(qū)層面的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)著重于對(duì)街區(qū)內(nèi)部行人室外舒適度的評(píng)估，建筑單體層面的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)著重于對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)振、建筑室內(nèi)外通風(fēng)的評(píng)估。本文將以與居民生活密切相關(guān)的街區(qū)層面的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系為研究對(duì)象。

城市街區(qū)層面風(fēng)環(huán)境的評(píng)價(jià)重點(diǎn)為行人的室外舒適度，與風(fēng)環(huán)境相關(guān)的行人室外舒適度主要包括3方面，即行為舒適度、空氣質(zhì)量舒適度、熱舒適度。城市街區(qū)層面的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建要兼顧這3方面的舒適度需求。

1.1行為舒適度

行為舒適度評(píng)價(jià)是指行人在室外獲得舒適的風(fēng)速感知并保證室外行為安全，主要與風(fēng)速及風(fēng)的湍流強(qiáng)度有關(guān)?；谛袨槭孢m度的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)是我國(guó)目前的主流評(píng)價(jià)方向，更是城市街區(qū)層面風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容。國(guó)內(nèi)關(guān)于行為舒適度的評(píng)價(jià)方法有風(fēng)力數(shù)值評(píng)價(jià)法、超越概率閾值評(píng)價(jià)法、風(fēng)速比評(píng)價(jià)法。

風(fēng)力數(shù)值評(píng)價(jià)法是基于大量調(diào)研與試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的人體行為舒適度與風(fēng)速對(duì)應(yīng)關(guān)系的評(píng)價(jià)方法，是行為舒適度評(píng)價(jià)方面應(yīng)用最廣泛的一種評(píng)價(jià)方法。

超越概率閾值評(píng)價(jià)法是指運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)與概率論，通過(guò)研究超過(guò)某一標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速閾值的概率來(lái)對(duì)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)方法從一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間跨度來(lái)評(píng)價(jià)風(fēng)環(huán)境并且兼顧了各個(gè)風(fēng)向的影響而非常規(guī)的單獨(dú)考慮各季最大風(fēng)頻、風(fēng)向或常年盛行風(fēng)向，從而使數(shù)據(jù)更加精確與完善，結(jié)論更加科學(xué)客觀。

風(fēng)速比評(píng)價(jià)法是通過(guò)計(jì)算城市建成環(huán)境對(duì)風(fēng)速的影響程度來(lái)評(píng)價(jià)風(fēng)環(huán)境。風(fēng)速比越大，說(shuō)明城市建成環(huán)境對(duì)風(fēng)的影響程度越大。另有學(xué)者通過(guò)相關(guān)公式換算，得出人在某點(diǎn)受到的風(fēng)力與風(fēng)速比的平方成正比，因此可以通過(guò)風(fēng)速比的大小得出人受到的風(fēng)力大小，進(jìn)而評(píng)價(jià)風(fēng)環(huán)境。

3種評(píng)價(jià)方法各有其適用性與局限性。風(fēng)力數(shù)值評(píng)價(jià)法是最為直觀、簡(jiǎn)便的評(píng)價(jià)方法，但存在一定的主觀性，不同學(xué)者對(duì)于人體行為舒適度對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值的研究結(jié)論存在差異，未形成一套國(guó)際通用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。超越概率閾值評(píng)價(jià)法是建立在一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間跨度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)之上，適用于已建成城市區(qū)域的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)，即風(fēng)環(huán)境的后評(píng)價(jià)階段，因此不適用于本文的評(píng)價(jià)體系構(gòu)建。風(fēng)速比評(píng)價(jià)法中的風(fēng)速比數(shù)值僅能直觀反映建筑對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響程度，但影響分為積極影響與消極影響，僅從風(fēng)速比數(shù)值上難以進(jìn)行判斷。而通過(guò)換算得到的風(fēng)力數(shù)值雖然可以評(píng)價(jià)風(fēng)環(huán)境對(duì)人體行為舒適度的影響，但數(shù)據(jù)獲取方式為間接獲取，會(huì)加大評(píng)價(jià)工作的工作量，應(yīng)用效率不高。因此，風(fēng)力數(shù)值評(píng)價(jià)法是最適用于街區(qū)層面前評(píng)價(jià)階段的行為舒適度評(píng)價(jià)方法。

國(guó)外學(xué)者通過(guò)大量的實(shí)地測(cè)量、風(fēng)洞試驗(yàn)、調(diào)研統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出了人體行為舒適度與風(fēng)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主流評(píng)價(jià)指標(biāo)有如下幾種。

1）蒲福風(fēng)級(jí)（Beaufort Scale）。蒲福風(fēng)級(jí)是19世紀(jì)初期由英國(guó)海軍上將蒲福所發(fā)明，最初是根據(jù)各種風(fēng)速對(duì)于滿帆船只的風(fēng)帆推進(jìn)效應(yīng)測(cè)量而得出的，之后經(jīng)修改得到了適用于陸地的風(fēng)力數(shù)值，見(jiàn)表1。目前，蒲福風(fēng)級(jí)是世界氣象組織所建議的分級(jí)。隨后，在蒲福風(fēng)級(jí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)人群活動(dòng)類型的不同對(duì)蒲福風(fēng)級(jí)進(jìn)行了舒適度分級(jí)并引入風(fēng)速頻率概念[1]，見(jiàn)表2。

表1　蒲福風(fēng)級(jí)數(shù)值[1]m/s

表2　蒲福風(fēng)環(huán)境舒適度指標(biāo)[1]

2）Kevin Lynch與Gary Hack的風(fēng)速舒適度等級(jí)。Kevin Lynch與Gary Hack在其著作《總體設(shè)計(jì)》中，根據(jù)試驗(yàn)及調(diào)研數(shù)據(jù)提出了風(fēng)速舒適度等級(jí)劃分，見(jiàn)表3。Kevin Lynch認(rèn)為風(fēng)通常是變化的、陣發(fā)的，因而風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)以當(dāng)量風(fēng)速而做出規(guī)定。當(dāng)量風(fēng)速的計(jì)算公式為[2]

式中：V為當(dāng)量風(fēng)速；Va為平均風(fēng)速（取5 min期間風(fēng)速平均值）；T為湍流強(qiáng)度，是平均風(fēng)速瞬時(shí)偏離值除以平均風(fēng)速的均方根值。

缺少其他資料時(shí)，也可以假設(shè)當(dāng)量風(fēng)速為平均風(fēng)速的1.5倍。

表3　風(fēng)速舒適度等級(jí)[2]m/s

3）Robert.H.Scanlan和Emil Simiu的風(fēng)速舒適度等級(jí)。Robert.H.Scanlan和Emil Simiu在其著作《風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用——風(fēng)工程導(dǎo)論》中同樣使用了當(dāng)量風(fēng)速來(lái)描述人的行為舒適度，見(jiàn)表4，認(rèn)為行人舒適性不僅是平均風(fēng)速的函數(shù)，也是風(fēng)的陣發(fā)性的函數(shù)[3]。

表4　風(fēng)速舒適度等級(jí)[3]m/s

1.2空氣質(zhì)量舒適度

空氣質(zhì)量舒適度評(píng)價(jià)是指保證室外通風(fēng)，避免出現(xiàn)靜風(fēng)區(qū)，減輕污染空氣滯留，從而改善空氣質(zhì)量，空氣質(zhì)量舒適度主要與風(fēng)速有關(guān)。

近年來(lái)，隨著城市化加速，城市空氣污染程度亦呈加速之勢(shì)，研究表明，當(dāng)污染源排放污染物速率比較穩(wěn)定的情況下，風(fēng)、雨等氣象條件直接決定著空氣質(zhì)量的高低[4]。因此，保證室外通風(fēng)有利于降低空氣污染物濃度。另有研究表明，各種污染物在靜風(fēng)（＜1 m/s）時(shí)污染最嚴(yán)重，風(fēng)速在1～7 m/s范圍內(nèi)時(shí)，污染物濃度與風(fēng)速成負(fù)相關(guān)，當(dāng)風(fēng)速＞7 m/s時(shí)，風(fēng)速與TSP（總懸浮顆粒物）變?yōu)樨?fù)相關(guān)，因?yàn)榇箫L(fēng)可以引起二次揚(yáng)沙污染，增加了空氣中顆粒狀物體的含量，導(dǎo)致TSP濃度增加[5]。因此，利于室外通風(fēng)的風(fēng)速值標(biāo)準(zhǔn)為1～7 m/s。

1.3熱舒適度

熱舒適度評(píng)價(jià)是指通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)速改善人體的熱度感知，從而提高熱舒適度。

人體的熱舒適度主要由環(huán)境因素和個(gè)人因素共同決定，其中環(huán)境因素包括氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度等因素，但一般而言，氣溫、風(fēng)速和相對(duì)濕度對(duì)熱舒適度的影響最大[6]。其中，風(fēng)速和氣溫、氣溫和濕度分別對(duì)熱舒適度具有復(fù)合影響效應(yīng)，這種復(fù)合影響分別通過(guò)風(fēng)寒指數(shù)和溫濕指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。

風(fēng)寒指數(shù)反映的是風(fēng)速與氣溫復(fù)合作用下對(duì)裸露人體的舒適度影響，計(jì)算公式為

式中：t為溫度；v為風(fēng)速。

溫濕指數(shù)是通過(guò)溫度和濕度綜合反映人體與周圍環(huán)境的熱量交換，計(jì)算公式為

式中：rh為相對(duì)濕度。

由于此處研究的是風(fēng)環(huán)境對(duì)熱舒適度的影響，因此不考慮溫濕指數(shù)對(duì)熱舒適度的影響，同時(shí)由于我國(guó)寒冷地區(qū)相對(duì)濕度較低，因此，熱舒適度的主要影響因素為溫度和風(fēng)速。

有學(xué)者對(duì)風(fēng)寒指數(shù)與風(fēng)速敏感性進(jìn)行了測(cè)算，結(jié)果表明，氣溫較高時(shí)敏感性弱[7]，見(jiàn)圖1。

圖1　不同氣溫下風(fēng)寒指數(shù)對(duì)風(fēng)速的敏感性

以天津市為例，最熱月平均氣溫為26.5℃，最冷月平均氣溫為-3.4℃。通過(guò)風(fēng)寒指數(shù)公式計(jì)算得出，天津市夏季，當(dāng)風(fēng)速為0～6.91 m/s時(shí)處于暖風(fēng)范圍，6.91～29.7 m/s時(shí)處于舒適風(fēng)范圍；冬季，當(dāng)風(fēng)速為0～0.55 m/s時(shí)處于涼風(fēng)范圍，0.55～1.85 m/s時(shí)處于稍冷風(fēng)范圍，1.85～4.4m/s時(shí)處于冷風(fēng)范圍，超過(guò)4.4 m/s時(shí)處于強(qiáng)冷風(fēng)范圍。由計(jì)算結(jié)果可以看出，夏季風(fēng)速對(duì)于熱舒適度影響較小，而冬季影響較大。所以，在熱舒適度方面，我國(guó)寒冷地區(qū)僅考慮冬季的風(fēng)速影響即可，春夏秋三季的影響可忽略。

2　城市街區(qū)層面的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)原則

城市街區(qū)層面的寒冷地區(qū)風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系構(gòu)建遵循如下4個(gè)原則。

1）以人文本。城市街區(qū)層面風(fēng)環(huán)境優(yōu)化的最根本目的提升行人室外舒適度，因此風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)應(yīng)立足于人的感受。

2）可操作性?？刹僮餍允秋L(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得以推廣應(yīng)用的重要前提，應(yīng)在科學(xué)合理的原則下適度縮減評(píng)價(jià)步驟和評(píng)價(jià)細(xì)分度。

3）差異適應(yīng)性。不同季節(jié)、不同氣候區(qū)、不同功能區(qū)、不同人群屬性對(duì)風(fēng)環(huán)境的要求各不相同，本文在兼顧差異性與可操作性的基礎(chǔ)上，以寒冷地區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)季節(jié)與功能區(qū)進(jìn)行適度細(xì)分，季節(jié)細(xì)分為春夏秋與冬季，功能區(qū)細(xì)分為以室外休閑活動(dòng)為主的室外休憩區(qū)以及以空間通過(guò)性為主的室外步行通過(guò)區(qū)，以滿足風(fēng)環(huán)境的差異適應(yīng)性。

4）分級(jí)評(píng)價(jià)。本文將風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為舒適值與警戒值，舒適值為滿足行人舒適度需求的風(fēng)速值，警戒值為滿足行人安全需求的風(fēng)速值，為絕對(duì)禁止超過(guò)的風(fēng)速值。舒適值與行為舒適度、空氣質(zhì)量舒適度及熱舒適度有關(guān)，而警戒值涉及人的行動(dòng)安全，因此僅與行為舒適度有關(guān)。

3　城市街區(qū)層面的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)定量化建議

在行為舒適度方面，經(jīng)上述研究可知，風(fēng)力數(shù)值評(píng)價(jià)法適用于方案前期的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)。鑒于不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所采用的風(fēng)力數(shù)值存在差異，宜綜合各評(píng)價(jià)指標(biāo)，取其中最小值，以獲得最優(yōu)的舒適度水平。

蒲福風(fēng)級(jí)中，室外休憩區(qū)的舒適風(fēng)速值＜5.4 m/s，室外步行通過(guò)區(qū)的舒適風(fēng)速值＜10.7 m/s，風(fēng)速警戒值為17.2 m/s。此數(shù)值為10 m高度的平均風(fēng)速，利用式（4）將其轉(zhuǎn)化為1.5 m人行高度的平均風(fēng)速，見(jiàn)表5。

式中：V為10 m標(biāo)準(zhǔn)高度風(fēng)速；Vz為人行高度Z上的風(fēng)速；Z為人行高度；a為地面粗糙度（蒲福風(fēng)級(jí)的風(fēng)速為氣象站所測(cè)，所處地形為我國(guó)粗糙度地形分類中的B類，取值為0.16）。

Kevin Lynch與Gary Hack的風(fēng)速舒適度等級(jí)中，室外休憩區(qū)的舒適風(fēng)速值＜6 m/s，室外步行通過(guò)區(qū)的舒適風(fēng)速值＜14 m/s，風(fēng)速警戒值為20 m/s。此處的風(fēng)速為1.5 m人行高度的當(dāng)量風(fēng)速，利用式（1）將其轉(zhuǎn)化為1.5 m人行高度的平均風(fēng)速，見(jiàn)表5。

Robert.H.Scanlan和Emil Simiu的風(fēng)速舒適度等級(jí)中，室外休憩區(qū)的舒適風(fēng)速值＜5 m/s，室外步行通過(guò)區(qū)的舒適風(fēng)速值＜10 m/s，風(fēng)速警戒值為15 m/s。此處的風(fēng)速為1.5 m人行高度的當(dāng)量風(fēng)速，利用式（1）將其轉(zhuǎn)化為1.5 m人行高度的平均風(fēng)速，見(jiàn)表5。

將這3種評(píng)價(jià)方法的舒適值與我國(guó)政策法規(guī)中規(guī)定的風(fēng)速值進(jìn)行比較，取其中最小值，得到最優(yōu)室外行人行為舒適度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值：室外休憩區(qū)的舒適風(fēng)速值＜3.3 m/s，室外步行通過(guò)區(qū)的舒適風(fēng)速值＜5 m/s，風(fēng)速警戒值為10 m/s。

在空氣質(zhì)量舒適度方面，由上文分析可知，當(dāng)風(fēng)速為1～7m/s時(shí)，室外通風(fēng)效果較好，利于污染物的擴(kuò)散稀釋。

在熱舒適度方面，春夏秋季的街區(qū)層面的風(fēng)環(huán)境僅滿足行為舒適度與空氣質(zhì)量舒適度兩方面需求即可，而冬季還需同時(shí)滿足熱舒適度的要求，由于各地冬季平均溫度不同，因此滿足熱舒適的風(fēng)速值也不同，各地應(yīng)根據(jù)自身情況確定風(fēng)速舒適值。以我國(guó)寒冷地區(qū)中的天津市為例，冬季室外休憩區(qū)的適宜風(fēng)寒程度為涼風(fēng)和稍冷風(fēng)，即風(fēng)速為0～1.85 m/s，冬季室外步行通過(guò)區(qū)的適宜風(fēng)寒程度為涼風(fēng)、稍冷風(fēng)和冷風(fēng)，即風(fēng)速為0～4.4 m/s。

城市街區(qū)層面的風(fēng)環(huán)境舒適度需同時(shí)滿足行為舒適度、空氣質(zhì)量舒適度、熱舒適度3方面的舒適度需求，綜合上述風(fēng)速值，得出適用于城市街區(qū)層面的寒冷地區(qū)的項(xiàng)目建設(shè)前期的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)建議，即春夏秋季的室外休憩區(qū)的舒適風(fēng)速為1 m/s＜V＜3.3 m/s，室外步行通過(guò)區(qū)的舒適風(fēng)速為1 m/s＜V＜5 m/s，冬季的舒適風(fēng)速根據(jù)各地情況進(jìn)行調(diào)整。警戒風(fēng)速統(tǒng)一為10 m/s，以滿足行人的安全需求，見(jiàn)表6。

4　結(jié)語(yǔ)

在城市不斷朝著高層、高密度方向發(fā)展的大趨勢(shì)下，將優(yōu)化城市風(fēng)環(huán)境納入城市建設(shè)活動(dòng)中勢(shì)在必行。而首要任務(wù)即是構(gòu)建科學(xué)合理的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系，使城市建設(shè)項(xiàng)目在優(yōu)化風(fēng)環(huán)境方面有據(jù)可依。

風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)包括項(xiàng)目前評(píng)價(jià)與后評(píng)價(jià)兩個(gè)階段，本文的評(píng)價(jià)體系適用于風(fēng)環(huán)境的前評(píng)價(jià)階段，在此基礎(chǔ)上將積極探索后評(píng)價(jià)階段的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建，將概率納入評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，從而形成完整的城市街區(qū)層面的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)體系。

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□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.05.025

□課題項(xiàng)目：基于物理環(huán)境模擬的中高密度綠色住區(qū)規(guī)劃原理與方法（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：51578366）

□陳天/天津大學(xué)建筑學(xué)院。

□TU14

□C

□1008-3197（2016）05-71-04

□2016-08-08

□劉君男/女，1991年出生，碩士在讀，天津大學(xué)建筑學(xué)院，從事生態(tài)城市和綠色交通研究工作。