風(fēng)環(huán)境視野下高層建筑群朝向
——以杭州錢江新城四季青路地塊為例

應(yīng)小宇，任 昕，闞 琪，Grace Ding

(1.浙江大學(xué)城市學(xué)院 工程學(xué)院，浙江杭州，310015；2. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州，310002；3.悉尼科技大學(xué) 建筑環(huán)境學(xué)院 澳大利亞 悉尼，NSW 2007)

隨著世界人口劇增，用地不足的問題已經(jīng)越發(fā)的明顯，而解決用地不足問題的最主要途徑就是建造高層建筑或者超高層建筑．在現(xiàn)有中國設(shè)計規(guī)范上，針對高層建筑的規(guī)范大多局限于消防規(guī)范，日照間距，而沒有考慮地區(qū)范圍內(nèi)建筑分布可能造成對于風(fēng)環(huán)境不佳的問題．隨著此類風(fēng)環(huán)境問題的日益突出[1-2]，例如相鄰高層建筑群產(chǎn)生的強氣流在冬季使行人感到不適，在多風(fēng)季節(jié)引發(fā)危險[3-4]；不合理的建筑布局或建筑體型造成室外靜風(fēng)區(qū)，在春秋季節(jié)不利于污染物、廢氣擴散，夏季不利于散熱．因此，有必要室外風(fēng)環(huán)境視角出發(fā)探討高層建筑群的平面布局問題[5-7]．

目前，建筑群周圍風(fēng)環(huán)境的相關(guān)研究主要通過現(xiàn)場實測、風(fēng)洞試驗和計算機模擬三種方法．Murakami在1986年發(fā)文認(rèn)為采用雷諾時均方法的數(shù)值模擬，能夠在確保模擬精度的前提下充分利用有限的計算資源，更能適應(yīng)建筑環(huán)境相關(guān)研究[1]．

在風(fēng)場實驗下證明，高層建筑建筑平面分布影響最大的是近地面風(fēng)，也就是人行高度附近的風(fēng)場，因此小區(qū)域范圍內(nèi)高層建筑分布對于人行高度上的風(fēng)環(huán)境的影響是很明顯的，而行人高度的風(fēng)環(huán)境影響著周圍道路人群的舒適性與安全性，同時對于建筑周圍的污染物擴散與散熱也有很大的影響，因此在從風(fēng)環(huán)境層面考慮高層建筑總平面關(guān)系是十分的有必要的[8]．

Michele G. Melaragno在影響城市建成街區(qū)風(fēng)環(huán)境的因素方面做了大量研究，指出建筑高度和寬度，街道的朝向是控制城區(qū)街道風(fēng)環(huán)境的主要因素[9]；Stathopoulos對某單體建筑和兩個并排建筑的風(fēng)環(huán)境進行了研究[10]；2008年Tetsu實驗研究了建筑密度對行人高度平均風(fēng)速的影響[11]．O.Coceal 等人的研究關(guān)注了小尺度下建筑群布局形態(tài)問題，他們以4個交錯但勻質(zhì)分布的建筑立方體為計算模型(建筑密度λ=0.25)，研究其周邊的氣流和渦流分布情況；在2008 年的研究中，他們將建筑立方體的布局形式拓展到對齊和正交另外兩種勻質(zhì)布局形態(tài)，將三種布局對氣流的影響進行了對比[12-13]；2008年陳飛[14]從高層建筑平面、剖面、形體設(shè)計等幾個方面出發(fā)，探尋解決高層建筑風(fēng)環(huán)境問題的方法；2015年段忠誠[15]等人通過改善建筑外形，達(dá)到合理利用高層建筑風(fēng)能的效果．

總的來看，目前對于中等尺度特定地塊內(nèi)的建筑風(fēng)環(huán)境研究主要側(cè)重于建筑形體、建筑密度以及簡單布局的情況下的建筑風(fēng)環(huán)境的分析，在真正進行地塊規(guī)劃設(shè)計時，經(jīng)常由于用地緊張，以及對于日照間距、防火間距的考慮，導(dǎo)致高層建筑群各單體的體型及位置已大致固定，無法做出太大的改動，因此相關(guān)研究的成果無法滿足城市建設(shè)項目的復(fù)雜性和多樣性需求．這些研究也沒有考慮就建筑群在現(xiàn)有大致位置確定的情況下，建筑朝向?qū)τ陲L(fēng)環(huán)境的影響進行較系統(tǒng)的分析與評判．本文通過分析和比較8種在高層建筑群各個單體建筑位置確定的情況下不同朝向?qū)τ谌诵懈叨壬系娘L(fēng)速比和風(fēng)向分析圖，得到風(fēng)環(huán)境優(yōu)劣狀況與建筑朝向之間的關(guān)系．

1 地區(qū)模型的建立以及風(fēng)環(huán)境模擬

1.1 實測過程

通過對日常天氣風(fēng)速數(shù)據(jù)的研究及實地問卷，發(fā)現(xiàn)冬季風(fēng)速過大問題在錢江新城比較突出．因此，選擇冬季風(fēng)向頻率最高的典型日，安排8個人員分布在該地塊內(nèi)．每人負(fù)責(zé)一個測點，用風(fēng)速儀同時記錄室外行人高度(1.5 m)的風(fēng)速．由于實際風(fēng)速不穩(wěn)定，因此每人每隔1分鐘記錄一次，測量總時長為20 min，共獲取20個風(fēng)速測量值．從中得到風(fēng)速測量最大值和最小值，并將20個風(fēng)速值的平均值作為測點的實際風(fēng)速值；與此同時，測量人員記錄測點的風(fēng)向．

1.2 模擬邊界條件設(shè)定

本文所采用的風(fēng)環(huán)境模擬軟件為Phoenics是基于雷諾時均方程開發(fā)的，在模擬時所需要條件均采用軟件自帶的功能．初始風(fēng)的設(shè)定如下所述：

由于地表摩擦的作用，越接近地表的風(fēng)速越?。话阒挥须x地300 m以上的高度，地表摩擦的作用才逐漸消失，可以在大氣梯度的作用下自由流動．因此來流面風(fēng)速變化規(guī)律可以由下述公式來表示.

(1)

其中：U(z)為任意高度z處的平均風(fēng)速，UG是標(biāo)準(zhǔn)高度ZG處的平均風(fēng)速，指數(shù)α為描述地面粗糙度的參數(shù)．根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)》[16]，模擬總標(biāo)準(zhǔn)高度度ZG設(shè)定為400 m，該高度處UG為13 m/s，α為0.25．湍流強度假定為地面52 m以上12%[17]．

1.3 模擬區(qū)域大小

目前關(guān)于計算機模擬區(qū)域大小并沒有明確要求．Chang等人建議建筑模型與模擬區(qū)域邊緣的距離至少5倍于建筑模型高度[18]．因此，本文在模擬時采取“試錯法”[19]，最終確定的模擬區(qū)域大575 m×465 m×250 m (長、寬、高)．

1.4 建筑模型設(shè)定

建筑模型中的6幢等高建筑均按照實際地塊(圖1)上的建筑平面面積建立，分別標(biāo)記為A、A′、B、B′、C和C′．中國建筑防火規(guī)范對于高層建筑之間的建筑間隔距離有著明確的規(guī)定．本文從實際角度出發(fā)，在不違反防火規(guī)范的前提下，同時，根據(jù)Xie與Yang在文獻(xiàn)[20]中，高層建筑群群體設(shè)計時應(yīng)該盡量避免形成“風(fēng)漏斗效應(yīng)”以及“狹管效應(yīng)”[21]．另外由于A、A′與其他四幢建筑相隔距離較遠(yuǎn)，且有馬路貫穿，因此在建筑朝向布局設(shè)計時暫時不考慮．利用窮舉法，在原有平面(圖2)的基礎(chǔ)上，列舉了8中不同的建筑朝向布局，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度不同，分別命名為10°-0°型、10°-5°型、15°-0°型、15°-5°型、20°-0°型、20°-5°型、25°-0°型、25°-5°型(圖3)．

圖1 實際地塊建筑群Fig.1 The actual block building isometric

圖2 原建筑群體平面布局Fig.2 The original building group layout

圖3 原八種建筑朝向布局(主樓A、A′保持不變，不斷改變主樓B、B′、C、C′朝向)Fig.3 Eight typical buildings face the layout (Main building A, A ′remain unchanged, changing the main building B, B′, C, C ′orientation)

1.4 風(fēng)環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)

本文研究的是典型的中國東部季風(fēng)氣候區(qū)的建筑風(fēng)環(huán)境．在真實環(huán)境中的風(fēng)速、風(fēng)向處于不穩(wěn)定狀態(tài)，同時建筑實地周圍并沒有地形影響的情況，結(jié)合在實地測量的數(shù)據(jù)，同時根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)》中的數(shù)據(jù)，在模擬建筑周圍風(fēng)環(huán)境時，設(shè)定NNW為主要風(fēng)向[16]．

在實際室外環(huán)境中，通過比較風(fēng)速絕對值來比較不同建筑群布局是比較困難的，因為每個布局的初始來風(fēng)的風(fēng)速就已經(jīng)不同．因此，研究人員大都用風(fēng)速比來衡量建筑布局對風(fēng)環(huán)境的影響程度．風(fēng)速比是測點(行人高度1.5 m)風(fēng)速的絕對值與同高度下初始來風(fēng)風(fēng)速絕對值的比值．計算公式為

(2)

式中：R為風(fēng)速比，Vs為測點風(fēng)速，v為初始來風(fēng)風(fēng)速[10]．

Tetsu的研究表明當(dāng)某區(qū)域的風(fēng)速比大于2.0時，行人會感覺風(fēng)過于強烈；風(fēng)速比小于0.5時，該區(qū)域風(fēng)速過低，不利于空氣流動[22]．因此，本文中評價風(fēng)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)為風(fēng)速比介于0.5～2.0之間．

2 對于phoenics模擬結(jié)果分析

2.1 風(fēng)速測點的選取

在實地風(fēng)速測量的中，針對主要行人通道及人流量，選取了8個測量點進行風(fēng)速測量(圖4)，對于實地測量的大量數(shù)據(jù)方差計算(圖5)和風(fēng)速平均值計算，進行風(fēng)速大小和風(fēng)速離散比分析，同時根據(jù)phoenics模擬風(fēng)環(huán)境的結(jié)果(圖6)測點3的風(fēng)速離散程度比高于其他測量點，可以發(fā)現(xiàn)同實際測得風(fēng)速所發(fā)現(xiàn)的一樣，測點2和測點3的風(fēng)速較為紊亂，而測點4風(fēng)速比較低，因此本文選取測點2、3、4作為風(fēng)速測點，通過改變建筑朝向來優(yōu)化該地區(qū)的風(fēng)環(huán)境(圖7)．

圖4 測點分布Fig.4 Measuring point distribution

圖5 實際測量平均風(fēng)速與離散程度圖Fig.5 The actual measurement of average wind speed and degree of dispersion map

2.2 測點2、3、4結(jié)果分析

圖8給出了在各建筑朝向下室外人行高度(1.5 m)出的風(fēng)速比等值線圖．

圖8 八種朝向布局中測點2、3、4風(fēng)速比Fig.8 Eight kinds of orientation measuring points 2,3,4 wind speed ratio

從圖2中可以直觀的看到隨著建筑朝向的改變，由于建筑物對于風(fēng)的遮擋，測點4的風(fēng)速比明顯增大了．以10°-0°型、15°-0°型、20°-0°型、25°-0°型為例，在C、C′固定的情況下，測點4的風(fēng)速比大小為10°-0°型<15°-0°型<20°-0°型<25°-0°型．風(fēng)速比增大的程度，隨著建筑旋轉(zhuǎn)角度的增大而增大，而測點2、3在隨著建筑朝向的改變時，并沒有按照此規(guī)律，測點2是在15°-5°型時，風(fēng)速比達(dá)到了最大，測點3在20°-5°型時達(dá)到了最大．同時進行橫向觀察可以發(fā)現(xiàn)，C、C′在進行建筑朝向改變后，測點2、3、4的風(fēng)環(huán)境略優(yōu)．

在10°-0°型和10°-5°型中，建筑物旋轉(zhuǎn)10度，相比原有建筑朝向來看，測點2、3的風(fēng)環(huán)境分布，明顯得到了一定的改善，測點周圍的風(fēng)速變化降低，由測點周圍的風(fēng)速變化的減少，來優(yōu)化測點2、3的風(fēng)速紊亂問題．而測點4的風(fēng)速比相比于原有布局的0.38提高到了0.36和0.45，有了略微的提升，但是仍然存在風(fēng)速比過低的問題，對于風(fēng)環(huán)境有了一定的優(yōu)化，但是在建筑間距允許的情況下，仍然可以進一步優(yōu)化．在15°-0°型、15°-5°型中，測點2的風(fēng)環(huán)境分布有了一定的提升，測點3的東西側(cè)的風(fēng)環(huán)境也得到了進一步的優(yōu)化，但是測點4上下兩端的風(fēng)陰影區(qū)卻擴大了，風(fēng)速比為0.46和0.49幾乎沒有發(fā)生改變．在20°-0°型、20°-5°型中，測點2、3的風(fēng)速比與前4中布局形式幾乎相同只有了略微的降低，但是測點4上下兩端的風(fēng)陰影區(qū)達(dá)到了最小，風(fēng)速比也有了明顯的提升，同時20°-0°型與20°-5°型相比，20°-5°型的風(fēng)環(huán)境更優(yōu)，同時在B建筑下靠南一側(cè)種植綠色植物，可以更進一步解決由于風(fēng)速比較低造成的空氣不流通的問題[5]．在25°-0°型、25°-5°型中，測點2的風(fēng)速比為1.03和1.08，測點4的風(fēng)速比到達(dá)最高值1.02和1.07，風(fēng)陰影區(qū)基本消失，但是卻在測點3形成了大范圍的風(fēng)陰影區(qū)，而測點3位于該建筑的主要人流通道，對于該地區(qū)的實際使用人群形成了負(fù)優(yōu)化．

縱向來看對于測點2而言，建筑朝向改變的同時，對于測點2改變的幅度并不大，但是對于測點2南北兩側(cè)的風(fēng)環(huán)境分布有著明顯的提升，在10°-5°型和20°-5°型時，風(fēng)環(huán)境分布最為適宜．對于測點3而言，隨著建筑旋轉(zhuǎn)角度的逐步增大，該點風(fēng)速比逐漸減小，但是過低的風(fēng)速比，會導(dǎo)致建筑物周圍的空氣不流通，無法起到優(yōu)化的作用，因此可以得出，測點3的風(fēng)環(huán)境在15°-0°型、15°-5°型和20°-5°型最為適宜．對于測點4，其主要的問題為由于建筑物的遮擋所形成的風(fēng)陰影區(qū)，通過建筑朝向的改變，增加空氣的流通，在20°-5°型、25°-0°型和25°-5°型時達(dá)到最優(yōu)．因此對于該地區(qū)建筑的朝向的優(yōu)化應(yīng)該遵循20°-5°型．

在進行該地區(qū)模擬時，我們可以發(fā)現(xiàn)在建筑C,C′相同的情況下，關(guān)于測點2、3、4，B、B′旋轉(zhuǎn)角度與風(fēng)速比是呈現(xiàn)拋物線變化的．通過計算散點圖分布情況，然后進行曲線擬合，可以得到一個在成“凵”型建筑群平面上關(guān)于旋轉(zhuǎn)角度x(取值范圍為-90°～90°)與人行高度風(fēng)速比y的變化的曲線(圖9)．測點2、3、4的公式分別為

測點2：y=-0.005 7x2+0.185 4x-0.588 7

(3)

測點3：y=-0.007 2x2+0.238 7x-1.158 3

(4)

測點4：y=0.003 1x2-0.071 6x+0.787 3

(5)

曲線公式表明，對于測點2、3,y隨著x的值先增大后減小，當(dāng)x取值為16.3和16.6時y值達(dá)到最大．隨后隨著x值的增大而減小，而測點4在x取值為11.4時，y值達(dá)到最小值，在x>11.4時隨著x值的增大而增大．

利用該公式，我們可以發(fā)現(xiàn)在B，B′旋轉(zhuǎn)20～25°時，C、C′旋轉(zhuǎn)0～5°的情況下，該地區(qū)的風(fēng)環(huán)境會有一個比較合理的風(fēng)速比．

圖9 旋轉(zhuǎn)角度與平均風(fēng)速比曲線關(guān)系Fig.9 Relationship between rotation angle and average wind speed ratio curve

3 結(jié)論

通過改變建筑群中單體建筑的朝向，得到8種不同的建筑朝向布局類型．通過對比在行人高度(1.5 m)處的風(fēng)速比和測點周圍的風(fēng)環(huán)境分布情況，得到在僅改變建筑朝向下對于該地區(qū)風(fēng)環(huán)境優(yōu)化的最優(yōu)解．具體如下：

(1) 對于該地區(qū)，在20°-5°型時對于建筑群周圍的風(fēng)環(huán)境有較大的改善．

(2) 在建筑群存在“凵”型平面時，對于本文所選取的2、3、4個測點，豎排建筑旋轉(zhuǎn)角度與測點的風(fēng)速比存在二次函數(shù)關(guān)系分別為

測點2：y=-0.005 7x2+0.185 4x-0.588 7

(3)

測點3：y=-0.007 2x2+0.238 7x-1.158 3

(4)

測點4：y=0.003 1x2-0.071 6x+0.787 3

(5)

(3) 在建筑旋轉(zhuǎn)角度過程中，建筑的背風(fēng)面始終會形成風(fēng)陰影區(qū)，結(jié)合周圍建筑，適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)角度會形成最小的風(fēng)陰影區(qū)．

本文對于現(xiàn)有國家用地緊張的情況進行了一定的考慮，在不改變建筑分布的情況下，達(dá)到對于中等尺度內(nèi)高層建筑群周圍人行高度上風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化．以上結(jié)論為高層建筑群布局規(guī)劃提供了明確的參考意見．

本文尚有一些不足之處，實測數(shù)據(jù)只測得了冬季時的數(shù)據(jù)，并沒有對其他3個季節(jié)進行實測；同時并未考慮地塊3倍大小以外高層建筑對于該地塊風(fēng)環(huán)境的影響；模擬中用地面粗糙系數(shù)代替了綠化對風(fēng)速的影響．以上這些不足將在下一步研究中解決．