閩東南沿海城市高層住區(qū)布局與室外熱環(huán)境優(yōu)化

劉姝宇 謝祖楊 宋代風 沈小潔

摘要：城市氣候惡化的客觀現(xiàn)實與國家新型城鎮(zhèn)化轉型戰(zhàn)略為城市住區(qū)建設提出應對城市氣候問題、優(yōu)化室外熱環(huán)境的艱巨任務。以廈門市高層住區(qū)為例，通過數(shù)值模擬與統(tǒng)計分析方法，探討住區(qū)布局與室外熱環(huán)境之間的作用機理，為住區(qū)設計形態(tài)生成提供必要依據(jù)。結果表明，通過布局優(yōu)化改善室外熱環(huán)境的思路具可行性;多指標均值綜合得分評價體系可作為室外熱環(huán)境分析的有效工具;建設用地方位、組團規(guī)模、建筑排布、綠地布局等均可對室外熱環(huán)境產生重要影響。

關鍵詞：室外熱環(huán)境;布局;作用機理;高層住區(qū);廈門

中圖分類號：F293.31 文獻標識碼：B

文章編號：1001-9138-（2019）06-0034-38 收稿日期：2019-05-08

快速城市化進程致使我國當前多地城市氣候問題突顯。在新型城鎮(zhèn)化背景下，以低碳節(jié)能、生態(tài)宜居城市建設為目標，針對城市氣候優(yōu)化的城市與住區(qū)設計研究成為學界熱點。如何營造良好的室外熱環(huán)境不僅是綠色住區(qū)設計需要著重考慮的問題，而且也為低碳生態(tài)城市設計理論的研究提供必要切入點。我國幅員遼闊、氣候條件多樣，故具指導意義的研究成果必然緊密結合各地氣候條件與地域特征。本研究以廈門市為例，深入探討閩東南沿海城市高層住區(qū)布局對室外熱環(huán)境的作用規(guī)律，助力綠色住區(qū)與低碳生態(tài)城市建設。

1研究思路

我國學者陸續(xù)針對不同氣候條件下的建筑布局與微氣候作用機理展開探討，推進相關事業(yè)發(fā)展。而，鑒于設計實踐工作特點，氣候優(yōu)化常非設計實踐首要任務，這在很大程度上影響了研究成果轉化。各地不同類型建筑群形態(tài)與微氣候環(huán)境控制問題仍待深入探討。面對閩東南沿海地區(qū)氣候條件與其他夏熱冬暖地區(qū)的顯著差異（即，夏季高溫、高濕、高輻射、時空分布不均等），本研究以形態(tài)設計實際工作需求為導向，基于對住區(qū)設計步驟的分解，引入?yún)?shù)化思維，采用定量和定性相補充的方法，在高層住區(qū)設計與室外熱環(huán)境控制之間建立橋梁。

2研究內容

2.1框架條件獲取

課題組通過對住區(qū)用地規(guī)模、住宅建筑物尺寸統(tǒng)計，界定典型地塊尺寸（即，384m*258m的橫向地塊、258m*384m的縱向地塊）與典型建筑物平面尺寸（即，60m*15m的板式建筑、30m*22m的點式建筑）;基于廈門市土地利用強度相關規(guī)定設定住宅建筑層數(shù)（18層）。鑒于容積率對土地開發(fā)經(jīng)濟利益的決定性影響，基于設計實踐實際條件，將容積率定為上限2.3，并在此條件下獲得相應板式建筑和點式建筑的建筑物數(shù)量。

據(jù)此開展布局方案設計，在排除難以不實際的、部分對稱的布局之后，獲得272種布局，通過基于PHOENICS軟件的數(shù)值模擬，獲得上述布局近地面1.5m高處的熱環(huán)境分布情況。

2.2評價體系構建

通過對既有評價方法及評價指標的梳理，基于對問題闡述全面性、表達方式直觀性的考慮，本研究構建了含空氣溫度（TAIR）、體感溫度（TAPR）、濕球黑球溫度（WBGT）、預測平均投票數(shù)（PMV）、風速（Velocity）等指標的“多指標均值綜合得分評價體系”，以綜合評價各布局的室外熱環(huán)境優(yōu)劣。在表達方面，整體上通過匯總分值獲得綜合評分，以便開展整體性量化分析;細節(jié)上，通過雷達圖示法直觀反映布局在各分項上的優(yōu)劣。

2.3建模與數(shù)值模擬

首先，進行時段選取論證、軟件校準與參數(shù)調試。針對廈門市思明區(qū)海韻園二期高層住區(qū)開展的室外熱環(huán)境實測成果證實，該地區(qū)夏季最不利熱環(huán)境狀況出現(xiàn)在下午14點前后。故，數(shù)值模擬時段被設定為下午14點。

根據(jù)相關研究經(jīng)驗與本研究具體需要，選擇PHOENICS軟件中的能量方程TEMPERATURE、湍流方程KEMODL、輻射方程IMMERSOL開展數(shù)值模擬。環(huán)境參數(shù)方面，溫度、濕度、太陽輻射、風等基本氣象框架條件的設定以廈門市氣象資料為準（見表1）。為增強仿真效果，本研究在模型中加入恒溫土壤層（土壤層溫度設為30℃）。

3成果分析

3.1規(guī)律探討

3.1.1建設用地方位

在集中式布局中，隨著建設用地自西向東移動，室外熱環(huán)境逐漸變差，但變化趨勢不明顯（見表2）。原因在于，當建筑群居于地塊西側時，被風帶走的輻射熱量位于建筑群背風面，并未被統(tǒng)計在計算范圍內。

對板式建筑群而言，隨著建設用地自北向南變化，室外熱環(huán)境變好。原因在于，板式建筑群風阻大，來風的熱量驅散能力弱;熱環(huán)境主要影響因素為太陽輻射。當建設用地置于綠地北部時，南面綠地受到太陽輻射加溫作用聚集大規(guī)模熱量;當建設用地置于綠地南部時，北面綠地在建筑物陰影中，同時建筑群熱量較少被風帶出。

對點式建筑群而言，隨著建筑群由北往南移動，整體室外熱環(huán)境先變壞后變好，總體以布局于北部為佳。原因在于，點式建筑面寬較窄，風能從南面吹入建筑群，雖能帶走南側部分熱量，但無法在建筑物背風面形成優(yōu)良風場，導致北面熱量淤積。故，將點式建筑群置于北部時，建筑群輻射熱量易被風帶出地塊（見圖1）。

3.1.2組團規(guī)模

當建筑物過于集中（即建筑組團數(shù)量為1）或過于分散（即建筑組團數(shù)量大于6）時，室外熱環(huán)境均不佳;而當建筑組團數(shù)量適中（3-4個）時，室外熱環(huán)境較好（見圖2）。即，由中等規(guī)模建筑組團（3-4棟板式建筑物或4-6棟點式建筑物）組成住區(qū)的室外熱環(huán)境表現(xiàn)最好。原因在于，建筑物過于集中易形成大規(guī)模輻射熱源，同時熱量不易被風帶走;建筑物過于分散布置則易阻礙來風，擾亂風環(huán)境，導致排熱不利。

3.1.3建筑排布

組團內建筑排布對室外熱環(huán)境的影響與建筑物平面形態(tài)相關。即，對板式建筑群而言，東西向條狀排布的熱環(huán)境較好;對點式建筑群而言，塊狀排布的熱環(huán)境較好（見表3）。

板式建筑群東西向條狀排布時的室外熱環(huán)境最優(yōu)，原因如下。其一，東西向條狀排布時，建筑物南北立面距離被拉大，南北墻面的長波輻射吸收較少，建筑間熱輻射熱量易于擴散;其二，建筑群排布整齊，易形成具光滑邊界的風廊，促使更多熱量被風帶走。

點式建筑群塊狀排布時的室外熱環(huán)境最優(yōu)，原因如下。其一，南北向存在輻射影響的墻面較少，導致長波輻射吸收熱量較少;其二，綠地破碎化程度較低，通風條件較好，地塊中熱量殘留更少。

3.1.4綠地布局

綠地布局對室外熱環(huán)境影響規(guī)律如下。

第一，以整體室外熱環(huán)境優(yōu)化為目標，集中布局優(yōu)于分散布局（見圖3）。其一，綠地集中布局常加大組團間距，輻射熱易于散去;其二，分散布局常導致建筑物分散，難以形成良好風場、導致氣流紊亂，使輻射熱難于散去。

第二，以住區(qū)自身室外熱環(huán)境優(yōu)化為目標，穿越式集中綠地方向不宜順應來風方向。結果顯示，集中綠地不順應來風方向布局的熱環(huán)境得分明顯高于集中綠地順應來風方向的布局。原有在于，集中綠地順應來風方向時，氣流沿開放空間順暢流經(jīng)場地，未能深入組團帶走熱量;集中綠地不順應來風方向時，氣流被迫流經(jīng)建筑群，易于帶走輻射熱（見表4）。

3.2實證研究

本研究嘗試基于研究成果對前文實測高層住區(qū)展開實證研究，以檢驗成果的合理性與有效性。出于經(jīng)濟利益、可行性等考慮，以容積率保持不變、住宅建筑位置不變?yōu)榍疤?，布局調整主要包括適當移動裙房、縮小裙房占地面積、減小道路面積與整合綠地等。布局優(yōu)化前后的模擬結果顯示，基于所獲規(guī)律的布局調整在很大程度上改善了整體室外熱環(huán)境（見表5）。

4結語

本研究既驗證了住區(qū)布局對室外熱環(huán)境的顯著影響，又論證了通過布局優(yōu)化改善室外熱環(huán)境思路的可行性。

鑒于室外熱環(huán)境與風環(huán)境的非穩(wěn)態(tài)特性，室外環(huán)境質量評價方法必然與室內研究存在差別。囊括多個環(huán)境性能指標的“多指標均值綜合得分評價體系”可為室外熱環(huán)境分析提供可能。該體系既能提供便捷反映對象環(huán)境質量的整體評分水平，又能直觀反映各性能之優(yōu)劣。

建筑學的核心任務在于創(chuàng)造形態(tài)。為了獲取布局形態(tài)與環(huán)境性能的關聯(lián)性，本研究通過理想實驗初步獲取了建設用地方位、組團規(guī)模、建筑排布、綠地布局等形態(tài)要素與室外熱環(huán)境間的作用規(guī)律。關于形態(tài)與環(huán)境性能之間更深入、更細致的作用機理及其原因分析則有待進一步深入探討。