居住區(qū)室外風(fēng)環(huán)境研究現(xiàn)狀及展望

溫雅俊 ，王燕飛 （河南科技大學(xué)建筑學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 前言

自上世紀(jì)90年代開始，中國(guó)的城市化建設(shè)飛速發(fā)展并逐年加速。時(shí)至2017年，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示我國(guó)城鎮(zhèn)化率（城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诒戎兀┻_(dá)58.52%。城市規(guī)模的迅速膨脹帶來(lái)了生產(chǎn)生活活動(dòng)的大量增加，也給城市環(huán)境帶來(lái)了巨大的壓力，引發(fā)了諸如霧霾、熱島效應(yīng)、溫室效應(yīng)等一系列城市氣候問(wèn)題。根據(jù)住區(qū)環(huán)境評(píng)價(jià)因素及人體舒適度性分析，影響居住區(qū)微氣候環(huán)境好壞主要因子有熱度、濕度、通風(fēng)、日照等，其中日照因子是有規(guī)律可循并且相關(guān)研究較為成熟的可控因素，而通風(fēng)因子間接決定了住區(qū)的熱度、濕度情況[2]。另外城市中產(chǎn)生的大氣顆粒物污染、熱島效應(yīng)等問(wèn)題也都與風(fēng)場(chǎng)有著直接或間接的關(guān)聯(lián)。因此住區(qū)通風(fēng)對(duì)于營(yíng)造良好的居住區(qū)微氣候起到了至關(guān)重要的作用。

1 國(guó)外研究動(dòng)態(tài)

國(guó)際上從20世紀(jì)60年代便已經(jīng)展開了對(duì)風(fēng)環(huán)境的研究，并取得了豐碩的理論成果和實(shí)踐成果。很多國(guó)家設(shè)立了專門的風(fēng)環(huán)境研究機(jī)構(gòu)，如澳大利亞、日本、英國(guó)、加拿大等等。W.D.Baines[7]在1965年進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及實(shí)地考察，參加了名為“建筑構(gòu)造物與其產(chǎn)生的風(fēng)效應(yīng)”的國(guó)際會(huì)議，并在會(huì)議上提出了實(shí)驗(yàn)結(jié)論：處于自然風(fēng)中的高樓會(huì)把高處能量較高的氣流引導(dǎo)至能量較低的下方，從而使得地面風(fēng)速增大，同時(shí)高樓周圍的低層建筑會(huì)受到強(qiáng)氣流的影響。隨后，各個(gè)研究中心及相關(guān)學(xué)者開始對(duì)建筑周圍風(fēng)環(huán)境的預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)及優(yōu)化進(jìn)行定量的分析，如：W.H.Melbourne[8]對(duì)穿堂風(fēng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了穿堂風(fēng)和建筑物高度成正比例關(guān)系，即穿堂風(fēng)的風(fēng)速會(huì)隨建筑物的增高而增大。1995年，To AP與Lam KM[9]在構(gòu)建了一系列相同尺度的建筑物模型，并探討了這些建筑物的排列布局方式對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響，最后得出如下結(jié)論：風(fēng)速的方向與建筑朝向垂直時(shí)，迎風(fēng)面建筑會(huì)對(duì)風(fēng)的流動(dòng)形成較大阻礙，進(jìn)而影響了后排建筑的風(fēng)環(huán)境，即形成了風(fēng)渦流；當(dāng)風(fēng)速的方向與建筑朝向平行時(shí)，兩棟建筑之間產(chǎn)生局部高風(fēng)速的現(xiàn)象，形成風(fēng)通道即“狹道風(fēng)”現(xiàn)象。近年來(lái)，一些國(guó)外的專家提出，在進(jìn)行居住區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)要考慮小區(qū)的微氣候變化，研究的重點(diǎn)主要是小區(qū)室外風(fēng)環(huán)境與建筑之間相互影響的關(guān)系[3]。比如 B.Blocken,T.van Hooff以Eindhoven大學(xué)校園為研究對(duì)象，運(yùn)用CFD模擬軟件對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了人行高度1.5m處的風(fēng)環(huán)境的舒適度。

2 國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài)

相比國(guó)外對(duì)風(fēng)環(huán)境的研究，我國(guó)的相關(guān)研究起步較晚。但是，在我國(guó)古代，不同地域的人們都知道結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境，布置村落建設(shè)住宅，從而形成最有利的自然通風(fēng)，因此也形成了個(gè)各具特色的地域民居。例如北京的四合院、南方的天井等。這些建筑形式不論是在平面布局還是空間組織上都對(duì)住宅的自然通風(fēng)起到了巨大的作用，這對(duì)我們進(jìn)行現(xiàn)代住宅風(fēng)環(huán)境的設(shè)計(jì)也有重要的指導(dǎo)意義。李曉峰[10]等人在2003年研究了最不利于自然通風(fēng)的圍合式布局的住宅小區(qū)的微氣候，并提出了改進(jìn)策略，即采用合理的建筑構(gòu)造（如架空結(jié)構(gòu)）和開口位置從而達(dá)到強(qiáng)化通風(fēng)和降低區(qū)域溫差的良好效果。2009年陳飛[11]出版了著作——《建筑風(fēng)環(huán)境：夏熱冬冷氣候區(qū)風(fēng)環(huán)境研究與建筑節(jié)能設(shè)計(jì)》一書，主要討論了氣候?qū)ㄖ挠绊?，特別是風(fēng)環(huán)境對(duì)不同建筑類型、不同建筑特點(diǎn)的影響，并且還建立了夏熱冬冷地區(qū)的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。2013年，楊麗[13]利用CFD技術(shù)模擬了居住區(qū)內(nèi)的風(fēng)環(huán)境，研究結(jié)果表明，運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)居住區(qū)的大氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，并且對(duì)基于風(fēng)環(huán)境模擬的居住區(qū)規(guī)劃具有科學(xué)的指導(dǎo)意義。2014年龔晨等針對(duì)行列式、錯(cuò)列式、斜列式、混合式4種典型的城市住宅小區(qū)布局形式，運(yùn)用ANSYS-CFX軟件建立了76種不同參數(shù)的數(shù)值模型，并對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了三維風(fēng)場(chǎng)模擬，分析結(jié)果表明：微風(fēng)環(huán)境下，當(dāng)來(lái)流風(fēng)呈垂直建筑長(zhǎng)度方向進(jìn)入小區(qū)時(shí)其內(nèi)部風(fēng)速增幅最大；不同工況下人行高度（離地1.5m）處風(fēng)速較高的地方主要為小區(qū)過(guò)道入口；建筑物長(zhǎng)度比建筑物寬度對(duì)小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響更為顯著，當(dāng)建筑尺寸長(zhǎng)寬度比L/B=3∶1即采用斜列式布局能夠有效改善小區(qū)內(nèi)風(fēng)環(huán)境狀況[12]。2017年，胡春景等人探討了行列式、錯(cuò)列式和點(diǎn)群式三種不同的建筑形態(tài)與布局對(duì)居住區(qū)微氣候的影響，并得出塔式建筑的風(fēng)場(chǎng)優(yōu)于板式建筑的結(jié)論[16]。

3 小結(jié)

綜上，國(guó)內(nèi)外關(guān)于居住區(qū)室外風(fēng)環(huán)境的研究范疇主要是風(fēng)與建筑之間的相互影響，包括不同的建筑布局、不同的建筑物的形狀以及不同建筑物的尺度等對(duì)風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生的不同的影響。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于分析風(fēng)環(huán)境的方法主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬三種。在這之中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法雖然數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性能夠得到保證但應(yīng)用面比較窄，因?yàn)槠洳荒茉谝?guī)劃設(shè)計(jì)階段進(jìn)行分析，而只能運(yùn)用于已經(jīng)建成的場(chǎng)所，并且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法需要耗費(fèi)巨大的人力物力，也無(wú)法對(duì)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)；風(fēng)洞試驗(yàn)法解決了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法在區(qū)域風(fēng)環(huán)境整體上把握不足的問(wèn)題，但是僅可以了解到比較典型的建筑群的風(fēng)環(huán)境的規(guī)律及特點(diǎn)，并且其周期很長(zhǎng)還要花費(fèi)巨大的財(cái)力，因此很難在實(shí)際項(xiàng)目中廣泛推廣[14]。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展與成熟，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)開始應(yīng)用于風(fēng)環(huán)境的分析中，并且也成為了目前相對(duì)較為普遍的方法，其中 CFD（Computational Fluid Dynamics）即計(jì)算流體力學(xué)運(yùn)用最為廣泛。CFD是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相互結(jié)合的交叉科學(xué)，其模擬方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如成本低廉、操作方便、模擬成果直觀易懂等，并且能將三維流場(chǎng)進(jìn)行可視化，因此目前被廣泛地用來(lái)模擬風(fēng)環(huán)境。而基于CFD技術(shù)的模擬軟件有很多種，目前比較成熟且運(yùn)用較多的主要有 PHOENICSCFX、Fluent、Star—CD、NUMECA 等等。

4 展望

影響居住區(qū)室外風(fēng)環(huán)境的因素是多方面的，除了受到城市上空大氣環(huán)境、居住區(qū)周圍的環(huán)境、建筑布局、建筑形態(tài)及材料、下墊面屬性等因素影響外，園林綠化對(duì)居住區(qū)室外風(fēng)環(huán)境的影響起到了重要作用，如居住區(qū)內(nèi)的綠化形式、綠地布局、噴泉水景、景觀設(shè)施等都會(huì)影響室外微氣候的優(yōu)劣。比如，我國(guó)學(xué)者涂逢祥在其著作中說(shuō)明在夏季，植物可以通過(guò)喬木的遮陽(yáng)減少太陽(yáng)輻射，降低建筑物表面和其他下墊面的溫度，從而改善居住區(qū)室外熱環(huán)境；在冬季，綠化植物構(gòu)成的防風(fēng)林可以有效緩解建筑小區(qū)外的風(fēng)速，為小區(qū)居民的工作、生活提供舒適的室外風(fēng)環(huán)境[15]。

但是傳統(tǒng)的居住區(qū)風(fēng)環(huán)境評(píng)估通過(guò)改變建筑的布局、建筑覆蓋率等因子以改善室外風(fēng)環(huán)境，而關(guān)于園林綠化對(duì)風(fēng)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)還很少，并且居住區(qū)景觀設(shè)計(jì)導(dǎo)則中涉及定量指導(dǎo)植被設(shè)計(jì)改善居住區(qū)室外微氣候的導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)也很少。因此，未來(lái)分析探討園林綠化對(duì)室外微氣候的影響，尤其是對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響，從改善室外微氣候的角度對(duì)居住區(qū)室外綠化設(shè)計(jì)提出科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)今后的居住區(qū)景觀設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。同時(shí)這也是低成本建設(shè)生態(tài)宜居城市以及舒適的人居環(huán)境的要求。