基于數(shù)據(jù)實測與CFD模擬的住區(qū)風(fēng)環(huán)境景觀適應(yīng)性策略
——以同濟大學(xué)彰武路宿舍區(qū)為例

劉濱誼 司潤澤

城市住區(qū)風(fēng)環(huán)境對室外環(huán)境熱舒適、顆粒污染物擴散、局部熱島效應(yīng)消解等方面起著重要作用。城市高層建筑密度的增加使城市空氣流動漸趨“復(fù)雜化”[1]，住區(qū)風(fēng)環(huán)境也隨之變動更大。同時，受制于全球氣候變暖，風(fēng)環(huán)境惡劣的狀況有增無減，必須做出前瞻性應(yīng)對。

城市住區(qū)小尺度氣候環(huán)境直接影響市民的生活品質(zhì)，風(fēng)環(huán)境規(guī)劃不合理可引發(fā)諸多問題。例如，冬季迎風(fēng)面較大，將加重建筑表皮的冷空氣滲透，增加采暖能耗；夏季住區(qū)建筑前后風(fēng)壓差減小，可降低自然通風(fēng)所產(chǎn)生的“冷卻效應(yīng)”，使住區(qū)熱舒適感受變差[2]；局部地塊由于高層建筑產(chǎn)生的“空氣滯留區(qū)”會減緩氣流交換、滯留污染物，危害居民的健康[3]。住區(qū)建筑規(guī)則式布局與高密度化，使周遭氣流形成了“狹管效應(yīng)”“角落效應(yīng)”“渦流效應(yīng)”[4]等，在強風(fēng)天氣下，會使瞬時風(fēng)速急劇增加，從而產(chǎn)生風(fēng)害。

城市化起步較早的發(fā)達國家，風(fēng)環(huán)境問題較早顯露，不僅重視規(guī)劃設(shè)計中風(fēng)環(huán)境的模擬與預(yù)測，還將其上升到立法層面。例如美國的LEED[5]，日本的CASBEE[6]等，都要求在建設(shè)之前對住區(qū)風(fēng)環(huán)境進行模擬與數(shù)值評估。中國住區(qū)室外風(fēng)環(huán)境目前主要依照《綠色建筑評價規(guī)范》(GB/T 50378—2014)[7]等規(guī)范，而對既有風(fēng)環(huán)境的評估與適應(yīng)性改造缺乏系統(tǒng)深入的研究。

已有研究表明，運用綠地布局手段改善住區(qū)風(fēng)環(huán)境，具有綠色生態(tài)、適應(yīng)性佳、可操作性強等諸多優(yōu)勢[8]。綜上考慮，本研究將運用場地實測與目前先進的CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬技術(shù)[9]相結(jié)合，旨在確定影響住區(qū)風(fēng)環(huán)境的關(guān)鍵點，進而基于數(shù)據(jù)模擬結(jié)果提出優(yōu)化策略。

1 研究項目概況

1.1 上海市風(fēng)環(huán)境概況

上海市地處東南沿海，屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，3—8月盛行東南偏東風(fēng)，9—10月盛行東北風(fēng)，11月—次年2月盛行西北偏北風(fēng)。上海市的中心城區(qū)年平均風(fēng)速為2.8m/s，周邊各區(qū)在3.0～3.6m/s之間①(圖1)。

1.2 實驗場地概況

同濟大學(xué)彰武路宿舍區(qū)位于上海市中心城區(qū)，為板式高層住宅樓，單棟面寬約40m，進深約15m，樓高約75m。整體規(guī)劃布局具備城市住區(qū)共性，場地風(fēng)環(huán)境具有典型住區(qū)流場特征[10](圖2)，且使用人群固定，滿足實驗要求。

為利于小氣候風(fēng)環(huán)境的實測研究與CFD模擬分析，對宿舍區(qū)住宅樓周圍空氣流場做理想假設(shè)，以定常流的條件對流場區(qū)域進行定性劃分[11]，共計5個區(qū)域(圖3)：迎風(fēng)區(qū)、穿流區(qū)、渦流區(qū)、風(fēng)影區(qū)、角流區(qū)。

2 住區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)實測與CFD模擬比較研究

2.1 風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)實測

2.1.1 實測過程

根據(jù)中央氣象臺報道，2017年11月18日受強冷空氣影響，上海市區(qū)平均氣溫降幅達8～10℃，白天市區(qū)有7～8級偏北大風(fēng)②。經(jīng)充分準備，同濟大學(xué)彰武宿舍區(qū)風(fēng)環(huán)境實驗于當(dāng)天7：00—19：00進行。

1)測點布置：同濟大學(xué)彰武路宿舍區(qū)-2#周圍5處點位，分別對應(yīng)住區(qū)常見風(fēng)環(huán)境區(qū)域5種：迎風(fēng)區(qū)①、穿流區(qū)②、渦流區(qū)③、風(fēng)影區(qū)④、角流區(qū)⑤(圖4)。測點高度為距地面1.5m處行人高度。

2)測試時間：2017年11月18日7：00—19：00，單次取樣間隔1min，測試總時長12h。

3)測試儀器：手持式激光測距儀、Watchdog小型氣象站。

2.1.2 數(shù)據(jù)結(jié)果記錄與分析

1)住區(qū)風(fēng)環(huán)境與市區(qū)風(fēng)環(huán)境比較。

測試當(dāng)天上海市氣象局藍色大風(fēng)預(yù)警，全市平均風(fēng)力為偏北大風(fēng)6～7級(10.8～17.1m/s)，并有可持續(xù)8級(17.2～20.7m/s)以上陣風(fēng)③。根據(jù)當(dāng)日5個測點的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計，住區(qū)當(dāng)日主風(fēng)向為北風(fēng)，平均風(fēng)速為10.0m/s，小于市區(qū)平均風(fēng)速，說明住區(qū)建筑具有一定程度的擋風(fēng)效果。住區(qū)陣風(fēng)最大風(fēng)速為22m/s，出現(xiàn)在建筑角隅區(qū)，與市區(qū)最大陣風(fēng)風(fēng)速相近，可見最惡劣的風(fēng)況并未在住區(qū)得到遏制。

2)住區(qū)風(fēng)環(huán)境實測結(jié)果記錄與分析。

根據(jù)建筑物周圍流場的理論研究[12]，將測點布置在迎風(fēng)區(qū)①、穿流區(qū)②、渦流區(qū)③、風(fēng)影區(qū)④、角流區(qū)⑤，共5個區(qū)塊代表點位。經(jīng)過現(xiàn)場實測，對住區(qū)距地1.5m處風(fēng)速數(shù)據(jù)進行連續(xù)12h記錄(圖5)。

通過數(shù)據(jù)分析，得各測點平均風(fēng)速與陣風(fēng)最值(圖6)。

各測點平均風(fēng)速分布情況，按自大至小排序：穿流區(qū)②(11.37m/s)〉角流區(qū)⑤(10.70m/s)〉渦流區(qū)③(10.17m/s)〉迎風(fēng)區(qū)①(9.55m/s)〉風(fēng)影區(qū)④(8.23m/s)；

各測點最大陣風(fēng)風(fēng)速(由于測量儀器限制，精度為1m/s)分布情況，按自大至小排序：角流區(qū)⑤(22m/s)〉穿流區(qū)②(21m/s)〉渦流區(qū)③(20m/s)〉風(fēng)影區(qū)④(19m/s)=迎風(fēng)區(qū)①(19m/s)。

綜上，住區(qū)建筑物布局對行人高度的整體風(fēng)場的風(fēng)速分配產(chǎn)生了影響。據(jù)各測點數(shù)據(jù)顯示，同為建筑背風(fēng)面的渦流區(qū)平均風(fēng)速大于風(fēng)影區(qū)，與此同時渦流區(qū)的風(fēng)向較之更為紊亂；而最大風(fēng)速方面，角流區(qū)風(fēng)速最大，穿流區(qū)風(fēng)速次之，且二者皆大于迎風(fēng)區(qū)域?qū)崪y最大風(fēng)速。

由此導(dǎo)致建筑背風(fēng)面出入口處風(fēng)速依然過大，影響學(xué)生住戶出入；1#與2#之間的人行通道區(qū)域常出現(xiàn)強風(fēng)，以致影響穿行。

2.2 風(fēng)環(huán)境CFD數(shù)據(jù)模擬

2.2.1 CFD模擬過程

1)計算域設(shè)置。

本研究以同濟大學(xué)彰武路宿舍區(qū)1～6#與其近地風(fēng)環(huán)境為主要測析與模擬對象。共計6棟板式住宅樓，單體體量于模擬軟件中簡化40m×15m×75m鈍體，建筑布局呈錯列式。

圖1 上海市年平均風(fēng)速分布圖(1971—2000年)①

圖2 建筑周圍風(fēng)場示意圖 [10]

圖3 住區(qū)水平流場典型分區(qū)圖(作者繪)

圖4 住區(qū)風(fēng)環(huán)境測點布置圖(作者攝)

住區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬計算域設(shè)置，依照之前學(xué)者對住區(qū)風(fēng)環(huán)境CFD模擬計算域的設(shè)置經(jīng)驗[13]，以宿舍樓高度H為基準設(shè)定計算域：入流邊界距首排建筑3H，出流邊界距末排建筑8H，高度邊界為3H。

2)網(wǎng)格劃分。

運用GAMBIT軟件，網(wǎng)格單元選擇Hex(六面體單元)，網(wǎng)格類型采取塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(Submap)[14]，對于主流場模擬區(qū)進行網(wǎng)格加密，計算域網(wǎng)格數(shù)共計665303個。風(fēng)環(huán)境模擬計算域網(wǎng)格劃分如圖7。

3)邊界條件。

氣流入口邊界設(shè)置為速度入口邊界(velocity inlet)，入流風(fēng)速設(shè)置為當(dāng)日測試結(jié)果的迎風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速9.55m/s，風(fēng)向角采用當(dāng)日主導(dǎo)風(fēng)向北風(fēng)，下墊面粗糙度取值α=0.22[15]；出口邊界由于模擬計算域滿足空氣的發(fā)散出流，故設(shè)置為自由出流(outflow)，側(cè)面與頂面模擬風(fēng)洞試驗設(shè)置為壁面(wall)。

4)FLUENT模擬參數(shù)設(shè)置。

本文采用FLUNET軟件作為模擬平臺，以實測當(dāng)天風(fēng)環(huán)境為模擬初始參數(shù)，對研究地塊進行模擬分析，具體模擬實驗參數(shù)措施見表1。

2.2.2 模擬結(jié)果輸出與分析

1)CFD模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)校驗。

基于FLUENT平臺對住區(qū)風(fēng)環(huán)境進行數(shù)值模擬，經(jīng)過200次迭代計算，數(shù)據(jù)收斂精度至10-4。據(jù)Z=1.5m處流場風(fēng)速模擬數(shù)據(jù)可悉，以實測迎風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速9.55m/s作為模擬入流風(fēng)速的工況下，住區(qū)風(fēng)場模擬陣風(fēng)最大風(fēng)速為13.6m/s，即7級風(fēng)水平。CFD模擬最大風(fēng)速小于實測最大陣風(fēng)風(fēng)速，可見實際環(huán)境下的風(fēng)場更為復(fù)雜、極端狀況發(fā)生較多。

基于現(xiàn)場實測測點布置，在模擬試驗中于相同區(qū)域布置監(jiān)測點(圖8)，記錄監(jiān)測點平均風(fēng)速。將各測點平均風(fēng)速實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相對比，進行回歸分析(圖9)，R≈0.86，可見模擬與實測數(shù)據(jù)擬合較好。

模擬與實測數(shù)據(jù)比較過程出現(xiàn)差異部分原因有：數(shù)據(jù)樣本少；點位還原偏差；實際環(huán)境植栽作用等：

圖5 住區(qū)5個測點風(fēng)速分時記錄圖(作者繪)

圖6 各測點風(fēng)速平均值與陣風(fēng)最大/最小風(fēng)速表(作者繪)

圖7 住區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬計算域GAMBIT網(wǎng)格劃分(作者繪)

圖8 模擬分析測點布置圖(作者繪)

圖9 實測點與模擬點平均風(fēng)速線性回歸(作者繪)

(1)渦流區(qū)③V監(jiān)測點=10.60m/s〉V監(jiān)測點=10.17m/s，角流區(qū)⑤V監(jiān)測點=11.20m/s〉V監(jiān)測點=10.70m/s，模擬監(jiān)測點平均風(fēng)速大于實測點。原因應(yīng)是現(xiàn)狀植栽對風(fēng)速起到了一定程度的削減；

(2)迎風(fēng)區(qū)①V監(jiān)測點=8.70m/s〈V監(jiān)測點=9.55m/s，風(fēng)影區(qū)①V監(jiān)測點=7.80m/s〈V監(jiān)測點=8.23m/s, 模擬監(jiān)測點平均風(fēng)速小于實測點。原因應(yīng)是現(xiàn)狀植栽削減了建筑前緣與尾流處氣流的滯止區(qū)范圍[17]；

(3)穿流區(qū)②V監(jiān)測點=10.90m/s〈V監(jiān)測點=11.37m/s，模擬監(jiān)測點平均風(fēng)速小于實測點。這一情況的出現(xiàn)，原因應(yīng)是現(xiàn)狀植栽縮減了2棟樓之間的風(fēng)道寬度，加劇了氣流的“通道效應(yīng)”[18]。

2)模擬數(shù)據(jù)云圖分析。

通過FLUENT進行模擬分析，求得被測住區(qū)Z=1.5m處行人高度風(fēng)速分布矢量圖(圖10)。

表1 FLNEUT模擬計算參數(shù)設(shè)置[16]

由圖10可見，選作主要實驗分析對象的2#宿舍樓處于住區(qū)冬季風(fēng)環(huán)境最為惡劣的位置，這也印證了對其進行研究分析與風(fēng)環(huán)境改良的必要性。結(jié)合相關(guān)建筑周圍風(fēng)場的研究，對照風(fēng)速分布矢量圖，從2#宿舍樓周圍流場切入，可見3處風(fēng)速陡升的區(qū)域。

(1)1#與2#之間的人行通道區(qū)域，模擬工況下，瞬時陣風(fēng)可達13.0m/s，即屬于蒲福風(fēng)級[19]6級風(fēng)力“陸地上大樹枝搖動，電線呼呼有聲，舉傘困難”。當(dāng)日實際感受：風(fēng)強難耐，行走困難?，F(xiàn)狀有少量植栽布于通道兩側(cè)，增強了氣流的“通道效應(yīng)”。

(2)2#東側(cè)角隅區(qū)域，產(chǎn)生強烈的角流風(fēng)，模擬工況下，陣風(fēng)可達13.6m/s，為住區(qū)最大風(fēng)速出現(xiàn)區(qū)域。2#角落東側(cè)是自行車道與機動車道，現(xiàn)狀缺乏足夠植栽，大風(fēng)天氣下影響出行。

(3)2#南側(cè)，因與3#的錯位布局，產(chǎn)生了穿流風(fēng)與渦流風(fēng)交織的狀況，形成另一處風(fēng)環(huán)境惡劣區(qū)域，模擬工況下，陣風(fēng)可達12.3m/s。兩股氣流的剪切作用[20]，使得該區(qū)域處于強烈紊亂的風(fēng)場之中。現(xiàn)狀區(qū)域人流量大，已有少量植栽，但該區(qū)風(fēng)環(huán)境影響突出，仍應(yīng)密植喬灌木，關(guān)鍵處可增設(shè)構(gòu)筑導(dǎo)流防風(fēng)。

3 住區(qū)風(fēng)環(huán)境綠地布局優(yōu)化策略

3.1 綠地布局模擬模型設(shè)置

通過實測與模擬分析確定冬季大風(fēng)天氣下的風(fēng)環(huán)境影響關(guān)鍵區(qū)域，制定綠地布局優(yōu)化策略，削減不利風(fēng)場。已有研究證明，植栽對風(fēng)速的降低效果主要作用于樹群下風(fēng)向的樹高3～5倍范圍，且效果明顯，可降低近35%[21](圖11)。據(jù)此，模擬實驗將植栽合理布于風(fēng)速較大區(qū)域的上風(fēng)向。

由于本次模擬實驗主要聚焦于綠地布局，故對植物模型作必要簡化。根據(jù)Green S所做風(fēng)洞試驗[22]，在各樹冠形狀的風(fēng)洞測試中，長方體樹形雖有簡化，但在多數(shù)指標實驗中仍符合良好，且較之其他模型，建模簡易，利于計算，收斂性優(yōu)。據(jù)此，本次模擬實驗將單株植栽設(shè)置為長方體冠形，冠高7m，長寬截面3m×3m，樹干高3m。單排密植，樹冠間距設(shè)定為0m，樹冠孔隙率設(shè)為0.5[23](圖12)。

圖10 FULENT模擬分析z=1.5m風(fēng)速矢量圖(作者繪)

圖11 不同樹冠孔隙度植栽的防風(fēng)區(qū)域變化[21]

圖12 植栽模擬簡化模型(作者繪)

圖13 綠地布局優(yōu)化后CFD模擬風(fēng)速矢量圖(作者繪)

3.2 綠地布局優(yōu)化風(fēng)環(huán)境CFD數(shù)據(jù)模擬

根據(jù)實測與模擬所得結(jié)論，確定了惡劣風(fēng)環(huán)境的3處主要區(qū)域：

1)1#東側(cè)與2#西側(cè)之間夾道區(qū)域；

2)2#東側(cè)角隅區(qū)；

3)2#南側(cè)與3#北側(cè)之間夾道區(qū)域；

通過多次預(yù)實驗，在滿足住區(qū)消防安全的前提下，以改善風(fēng)環(huán)境為目標優(yōu)化綠地布局?？傇黾又苍?5棵，均分為3組，合理布局置于惡劣風(fēng)場的上風(fēng)向，最終布置策略如圖13：

a區(qū)域，于1#與2#夾道南側(cè)布置5株植栽，在保證消防的前提下，有效縮減了穿流區(qū)域的面積，穿流區(qū)最大瞬時風(fēng)速由13.0m/s降至10.9m/s；

b區(qū)域，于2#角隅布置5株植栽，有效緩沖角流區(qū)氣流，最大瞬時風(fēng)速由13.6m/s降至10.2m/s；

c區(qū)域，于2#與3#之間單排種植5株植栽以切分氣流，消弱渦旋流場，使渦流區(qū)最大瞬時風(fēng)速由12.3m/s降至9.5m/s。

同時植物樹冠具有一定程度的孔隙，使其既可阻抑強風(fēng)，又可疏導(dǎo)部分氣流，而不會在阻擋后形成氣流的分離剪切層[24]，對于營造良好風(fēng)環(huán)境有著重要作用。

4 結(jié)論

1)營造良好住區(qū)風(fēng)環(huán)境必須從規(guī)劃設(shè)計開始，以應(yīng)對城市住區(qū)“高密度、高層數(shù)”的現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢以及全球氣候變化的未來。

2)通過實測與模擬比對，可以判斷行列式布局的板式住區(qū)在大風(fēng)天氣下的風(fēng)速情況：

平均風(fēng)速分布情況，按自大至小排序：穿流區(qū)〉角流區(qū)〉渦流區(qū)〉迎風(fēng)區(qū)〉風(fēng)影區(qū)；

最大陣風(fēng)風(fēng)速分布情況，按自大至小排序：角流區(qū)〉穿流區(qū)〉渦流區(qū)〉迎風(fēng)區(qū)〉風(fēng)影區(qū)；

可見2棟高層住宅樓之間的夾道區(qū)域與每棟住宅樓的角落區(qū)域，最容易于大風(fēng)天氣形成不良風(fēng)場，極端情況下會導(dǎo)致陣風(fēng)風(fēng)速相對平均風(fēng)速翻倍，據(jù)此可確定優(yōu)化布局的關(guān)鍵區(qū)域。

3)經(jīng)由CFD模擬發(fā)現(xiàn)，綠地布局優(yōu)化后住區(qū)風(fēng)環(huán)境將得到改善提升?，F(xiàn)狀風(fēng)場中的穿流區(qū)、角隅區(qū)與渦流區(qū)布置合理植栽后，行人高度的風(fēng)速由于植栽的阻抑、分流與疏導(dǎo)，得到了有效削減。同時因為植栽具有一定孔隙，相比硬質(zhì)防風(fēng)墻可在風(fēng)場中起到更為有效的緩沖作用[25]。

綜上，在住區(qū)風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化過程中，通過實測模擬結(jié)合的方式確認不良風(fēng)場集中區(qū)域，運用綠地布局改善行人高度風(fēng)環(huán)境，并基于CFD平臺對優(yōu)化方案進行預(yù)想模擬，是利于執(zhí)行、較為有效的一種方式。

注釋：

① 來源于上海市氣象信息傳媒中心，2011-03-21。

② 來源于中國天氣網(wǎng)訊中央氣象臺11月18日06時繼續(xù)發(fā)布寒潮藍色預(yù)警。

③ 澎拜新聞：《大風(fēng)藍色預(yù)警19時整剛剛發(fā)布！上海將有7到8級偏北大風(fēng)》。