基于“風感”的緊湊型城市開放空間風環(huán)境實測和CFD模擬比對研究

王 凱,梁 紅,施 鵬,趙 鳴

1 青島農(nóng)業(yè)大學園林與林學院,青島 266109 2 棕櫚建筑規(guī)劃設計(北京)有限公司,北京 100016 3 北京林業(yè)大學園林學院,北京 100083

“風”是城市氣候的主要影響因子之一,在微觀尺度上,風關(guān)系到微氣候的優(yōu)劣和城市景觀的動態(tài)效果,影響“景感”的形成；在宏觀尺度上,風關(guān)系到城市氣象和生態(tài)系統(tǒng),影響城市熱島效應和空氣清潔度[1]。景感生態(tài)學把人對風的感知稱作“風感”,“風感”是景感的八個類型之一。景感生態(tài)學是指以可持續(xù)發(fā)展為目標,基于生態(tài)學的基本原理,從自然要素、物理感知、心理反應、社會經(jīng)濟、過程與風險等相關(guān)方面,研究土地利用規(guī)劃、建設與管理的科學[2]。 “風感”舒適度是評價風環(huán)境優(yōu)劣的重要標準,是景感生態(tài)規(guī)劃所需要考慮的重要因素[3-4]。但是,“風”一直是城市氣候因子中最難以捉摸和預測的因子。城市規(guī)劃設計也很難對風速、風向和風壓進行有效把控和應用。城市開放空間在建筑實體形成后,風環(huán)境受到了很大的影響,緊湊型城市開放空間的風環(huán)境問題尤其突出[5-6]。由于樓間空氣流通通道的位置和大小變化導致風場變化。局部空間的風速比較高,增強至正常風速的3—4倍；局部空間風速過小,出現(xiàn)了風速小于1.5 m/s的靜微風[7]。但事實上,復雜的風環(huán)境可以通過改變城市開放空間形態(tài)和格局來進行調(diào)控,在一定程度上改善地面“風感”[8-10]。

1 緊湊型城市開放空間形態(tài)和風場特點

本論文所研究的緊湊型城市開放空間是在風環(huán)境研究中觀尺度(100—2×103m)下的一種綠色開放空間,如居住區(qū)綠地、庭院綠地、城市廣場綠地和道路綠化等,它們的風環(huán)境受街谷空間影響很大[11]。典型街谷空間的風環(huán)境有一定的規(guī)律性,根據(jù)Oke的相關(guān)研究,不受綠地等因素干擾的理想街谷空間按照前后建筑高寬比(H/W)不同,風場有3種不同的表現(xiàn),分別是獨立粗糙流模式(H/W<0.3—0.5)、滑行流模式(H/W>0.65)和尾流干擾模式(0.5

2 研究對象和研究方法

2.1 研究對象

為了研究緊湊型城市開放空間中綠地對風場的影響,本文對不同的緊湊型城市開放空間進行測定和模擬對比研究。研究實測地選在青島,因為青島的平均風速較大,風環(huán)境具有典型性。但本文僅研究風場的受綠地空間干擾的基本規(guī)律,不涉及到城市氣候的基本內(nèi)容。研究對象選擇青島市城陽區(qū)翰林苑居住小區(qū),小區(qū)為高層、多層、別墅等混合型建筑群。以便于研究在同一風場條件下,不同類型建筑組團的室外風環(huán)境情況及其影響因素。在測定點選擇時,排除區(qū)域溫差較大的區(qū)域,減低局部熱力環(huán)流對場地的影響。城市開放空間風感舒適度受到風速、風頻、風向變化和人活動狀態(tài)等的綜合影響,但是風速和風向的影響最大[13],所以本次主要關(guān)注這兩個氣候因子,并對其影響因素進行討論和研究。

2.2 研究方法

本文通過對行人高度的風場的實測數(shù)據(jù)和Fluent 14.0的模擬結(jié)果的比對來判斷開放空間風場受建筑物和綠地的影響程度。

2.2.1測定儀器和測定方法

實測分為8組,共16人。運用美國Kestrel NK4500手持氣象站、指南針和風向儀測定整點前后30 min內(nèi)1.5 m高處的即時風場數(shù)據(jù)。由于本次實測場地面積偏大,按照傳統(tǒng)的固定氣象站的實測方法很難測定全部風場。因此本次測定對傳統(tǒng)方法改進創(chuàng)新,借鑒德國斯圖加特市的城市尺度風場數(shù)據(jù)收集采用車載氣象站的方法[14],以移動方式手持便攜氣象站來快速測定和記錄。測定結(jié)束后,在矯正后的衛(wèi)星地圖上標注將測量點的風速和風向,形成二維風向、風速流場圖,作為風場比對和分析的基礎[15]。

2.2.2CFD模擬方法

為了使模擬結(jié)果和實測結(jié)果具有可比性,本次風環(huán)境的模擬工況以距離該點最近氣象站的氣象數(shù)據(jù)為參照,取城市整點風速(整點前10 min的平均風速為整點風速)、風向數(shù)據(jù)作為模型進風口10 m高度的風速和風向。為確保比對的有效性,整點前、后30 min內(nèi)的測定數(shù)據(jù)才能和模擬結(jié)果進行比對。

本次模擬運用Auto CAD建模,并進行簡化和優(yōu)化,導入Fluent 14.0中運用Solid works對建筑3D模型進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡劃分,并利用Fluent 14.0的網(wǎng)格自適應功能加密網(wǎng)格,將建筑的每一邊人行區(qū)1.5 m高度劃分10個以上的網(wǎng)格等。進行風環(huán)境模擬的計算域要求建筑迎風截面堵塞比(建筑面積/迎風面計算區(qū)域截面積)小于4%；計算域以目標建筑(高度H)為中心,半徑5H范圍內(nèi)為建筑計算域,在來流方向上,建筑計算域前方距離外場計算邊界要大于2H,建筑計算域后方距離外場計算邊界要大于6H。墻面、地面的粗糙度長度和粗糙度指數(shù)按實際情況設置,其中粗糙度指數(shù)為0.28,參考高度為10 m。采用標準k-ε模型進行運算,用指數(shù)方程描述氣體入口界面的風速變化[16-17]。

3 研究結(jié)果與分析

本研究選擇青島市城陽區(qū)翰林苑作為研究對象,主要對高層建筑、多層建筑和別墅區(qū)組團的開放空間風環(huán)境進行測定和模擬的示意圖進行比對,直觀再現(xiàn)綠地對風場的干預程度。

3.1 高層建筑開放空間

高層建筑組團A區(qū)為小區(qū)北側(cè)入口。實測的高層分為前后兩排,北側(cè)高層高為50 m,南側(cè)高層高為39 m。北側(cè)高層1—2樓為樓裙,高度約為9 m。建筑之間的道路寬度為22 m,路側(cè)建筑間距為28 m,中間綠化帶寬2.5 m,兩側(cè)樓底綠化各為3 m。按照15 m×15 m進行布點實測。測定后,在衛(wèi)星地圖上繪制二維風向、風速實測圖(圖1)。風場的CFD模擬設定入口風向為306°(NW),參考風速U10為5.7 m/s,根據(jù)模擬結(jié)果輸出風速矢量圖和氣流流線示意圖(圖2)。

3.1.1風向比對結(jié)果與分析

高層建筑樓間峽谷后方綠地內(nèi)測定點的風向整體上和CFD模擬的風向相同,如測定點A40、A41、A43、A61、A72、A73、A75、A76。因為綠地植物相對較矮,基本在建筑風場的控制下,且冬天綠地的疏透度較高,所以實測和模擬風場的流向基本保持一致。

右側(cè)后排高層的前方邊角處出現(xiàn)了顯著的下沖渦旋,并向兩側(cè)分流,如A07、A11、A12、A15、A16、A17、A23；建筑后方的風影區(qū)出現(xiàn)了典型的回流渦旋,如A45、A47—A52,但渦旋并不像Fluent 14.0模擬結(jié)果一樣明顯。由此可見,樓間的風場容易受建筑的影響導致風向和風速變化,而出現(xiàn)降低風感舒適度的湍流、渦旋現(xiàn)象。根據(jù)實際測定,綠地對高層風形成湍流、漩渦氣流具有一定緩解作用,但是總體風向不會發(fā)生改變。

后排A28—A39測定點風向和CFD模擬結(jié)果風向差別較大,原因在于該區(qū)域左側(cè)道路曲折,道路綠化較多,經(jīng)過較長距離后風力已經(jīng)被大大消減,而風向變得不是太明顯。

高層后方綠地中的風向除了西北風之外最多的風向為北風,原因在于左側(cè)建筑之間的峽谷來風對中心影響較弱,而受到狹管風力的影響,氣流順著綠地兩側(cè)的道路流動,所以測點A58、A60、A62、A63、A70、A71、A74、A77的風向為北風。

到綠地后方,隨著狹管風風速的降低,綠地內(nèi)測定點A57、A61、A65—A71的風受到了綠地的約束,風著實測點小空間的方向流動。

圖1 高層組團二維風向、風速實測圖 Fig.1 Two-dimensional wind measurement chart in high building groupsNW：西北向，North west

圖2 高層組團風速矢量圖、氣流流線示意圖 Fig.2 Wind speed vector and airflow streamline diagrams in high building groups

3.1.2風速比對結(jié)果與分析

高層之間出現(xiàn)了明顯的狹管效應,狹管風增速明顯。狹管效應受到后方綠地的干擾,行人高度風速下降明顯。A53(6.7 m/s)、A54(4.7 m/s)、A56(4.1 m/s),到20 m后A75(2.1 m/s)、A60(3.8 m/s)、A57(3.6 m/s),擋風綠地寬度約為10 m,平均風速降低39%；下一排20 m處測定點A72(1.8 m/s)、A61(1.6 m/s)、A62(1.6 m/s),擋風綠地寬度為20 m,平均風速降低49%。而再往后排的測定點A69(1.6 m/s)、A65(1.5 m/s)、A66(1.4 m/s)的風速平均值維持林間流動的較低風速。由此可知,綠地對風力有削減作用,30 m寬且疏透度適中的綠地能夠有效降低風速,降低峽谷效應產(chǎn)生的不舒適風對人的影響。

對比東側(cè)后排高層四周的測定風速與CFD模擬風速,結(jié)果發(fā)現(xiàn)測定風速小于模擬風速。由此可見,高層下的綠地有助于緩解高層建筑的下沖氣流、邊角氣流和回流渦旋的風力。

3.2 多層建筑開放空間

多層建筑B區(qū)位于小區(qū)的西側(cè)。南北建筑均為5層共16 m,建筑間距為24 m。建筑間綠化形式簡單,前面的帶狀綠化寬度約為12 m。建筑西側(cè)有道路,道路外圍有寬約8 m的疏密度較小的林帶,樹種為雪松。測定后,繪制二維風向、風速實測圖(圖3)。風場的CFD模擬設定入口風向為306°(NW),參考風速U10為3.2 m/s,根據(jù)模擬結(jié)果輸出風速矢量圖和氣流流線圖(圖4)。

3.2.1風向比對結(jié)果與分析

當建筑巷道和風向呈26°夾角,測定風向和模擬風向軌跡基本相同。風從西側(cè)入口進入后,風向從西北向逐步轉(zhuǎn)變成西南向或者西向。由于綠地影響,實際風流線比模擬的氣流流線示意圖偏折角度小。

根據(jù)CFD流場模擬,建筑后方都出現(xiàn)了較為明顯的風影區(qū)渦旋。根據(jù)二維風速、風向?qū)崪y圖(圖3)所示,實測點B12、B15形成了明顯的風影區(qū)渦旋,而南側(cè)樓間綠地相應位置渦旋不明顯。建筑西側(cè)和后部的綠化是造成測量點風環(huán)境差異的主要原因,風的流線因此產(chǎn)生改變。同時,外圍的環(huán)境變化也造成了風場的變化。

圖3 多層組團二維風向、風速實測圖 Fig.3 Two-dimensional wind measurement chart in multi-layer building groups

圖4 多層組團風速矢量圖、氣流流線示意圖 Fig.4 Wind speed vector and airflow streamline diagrams in multi、|layer building groups

從二維風向、風速實測圖(圖4)不難發(fā)現(xiàn),西側(cè)林帶和建筑的圍合,西側(cè)道路空間形成了空氣域,形成了氣流通道,所以B16、B18—B20、B23點的風向向南。氣流通道上由于建筑阻擋,點B17、B21和B24的位置出現(xiàn)了小湍流。

3.2.2風速比對結(jié)果與分析

南側(cè)樓間綠地和北側(cè)樓間綠地內(nèi)的測定點測量風速均小于模擬風速,原因在于綠地對氣流的阻滯作用,樓間綠地能夠減弱密集型建筑樓間的峽管效應。根據(jù)測定風速,建筑周邊的密集型常綠林帶對風場的影響很大,不僅消弱風速,甚至改變風向。南北樓間綠地的中間測定點的風速較高,接近模擬結(jié)果,數(shù)據(jù)表明下墊面為水泥時,風速相對較高。

通過實測和模擬對比可以看出,西側(cè)密集型常綠林帶改變氣流方向,減小風速。測定點B28(1.0 m/s)、B29(1.0 m/s)、B30(1.6 m/s)和B10(0.9 m/s)、B11(0.7 m/s)、B12(0.6 m/s)及以西的測量點風速均小于模擬風速,也小于它們右側(cè)實測點的風速。再往東側(cè)的測定點B31(1.9 m/s)、B32(3.1 m/s)、B33(1.9 m/s)和B07(1.6 m/s)、B08(1.5 m/s)、B09(0.4 m/s),風速逐漸增大。風速變大是因為在距離西側(cè)常綠林的4H—5H處,收到了越過西側(cè)林帶上方的下沖氣流的影響。

3.3 別墅區(qū)開放空間

雙拼別墅C區(qū)位于小區(qū)的中部。別墅高度約9 m,建筑樓間距為10 m。建筑間道路寬度為4 m,兩側(cè)為綠地。實測后,繪制二維風向、風速實測圖(圖5)。風場的CFD模擬設定入口風向為306°(NW),參考風速U10為3.2 m/s。根據(jù)模擬結(jié)果輸出風速矢量圖和氣流流線圖(圖6)。

3.3.1風向比對結(jié)果與分析

實地測定和CFD模擬的風向基本相同,氣流順著東西向的建筑街谷空間流動,而建筑南北向的巷道的風向并不明顯。這是因為別墅兩側(cè)的巷道受到綠地的影響,并位形成南北向氣流明顯的流動。

別墅山墻之間巷道局部出現(xiàn)了湍流,但大部分測定點的風向仍為西北向。由此可知,雖然綠地對風向有一定的影響,但是氣流流動的大方向不會改變。

圖5 雙拼別墅組團二維風向、風速實測圖 Fig.5 Two-dimensional wind measurement chart in semi-detached house groups

圖6 雙拼別墅風速矢量圖、氣流流線示意圖 Fig.6 Wind speed vector and airflow streamline diagrams in semi-detached house groups

3.3.2風速比對結(jié)果與分析

東西走向的建筑峽谷空間的三個平行測點中,中排測點的平均風速最高,上排和下排受到綠地和建筑立面的影響,風速相對較低。

CFD模擬結(jié)果顯示后排建筑樓間的狹管效應較強,前排的狹管效應相對較弱。但實際測定結(jié)果表明,前后排狹管效應差異不明顯。原因測定地點在居住區(qū)內(nèi)部,上風向的建筑和綠地,尤其是西側(cè)的綠化帶對橫向氣流的干擾而使風場均勻化。

4 結(jié)論

本文對傳統(tǒng)研究方法進行創(chuàng)新,利用實測和比對的方法對行人高度的風場進行研究,緊湊型開放城市空間由于建筑、林帶,草地和鋪裝等上方的通風區(qū)域的綜合影響,風速風向呈現(xiàn)一定的復雜性,其規(guī)律和特征如下：

(1)緊湊型城市開放空間的“風感”受建筑和綠地空間布局的共同影響。當建筑高于綠地時,風場主要受建筑的控制；當植物高于建筑時,行人高度的風場除了考慮建筑的影響之外,植物對風場的影響較大,林帶對風環(huán)境的影響程度受林帶疏密度影響。

(2)綠化帶的疏密度會影響緊湊型開放空間的風環(huán)境,疏密度較高的常綠林帶對風向和風速影響很大,而疏密度較低的林帶會影響風速,對風向影響不大。一般來說中等疏透度,寬20—30m的林帶就能有效的降低風速。植物綠化會擾亂建筑間隙的高速氣流,使得風場均勻化,有效避免局部強風的出現(xiàn)。

(3)影響風速的主要因素是空間圍合所形成的空氣域,相比不透風建筑實體、多孔介質(zhì),空氣域?qū)︼L的阻力要小的多。如鋪裝、草坪上方的通風廊道是行人高度層通風、導風的關(guān)鍵。

(4)緊湊型開放空間的建筑風影區(qū)、邊角隅流、下沖氣流,狹管風效應同樣存在。但是其表現(xiàn)程度強度受綠化帶疏密度的影響。疏密度越小,風向無變化或風速略減小；疏密度越大風向會發(fā)生偏轉(zhuǎn),風速減小。

5 緊湊型開放空間“風感”的改善方法與對策

緊湊型開放空間的樓間距是按照最低日照間距標準進行規(guī)劃,而未考慮迎風建筑后方5H的風影區(qū)對后方建筑的影響,不合理的規(guī)劃方式埋下了城市通風不良的“天生”缺陷,所以綠地的“后天”調(diào)節(jié)措施就顯得極為重要。根據(jù)緊湊型開放空間風感舒適度相關(guān)標準[13],綠地改善風感舒適度主要方法如下：

(1)針對目前的緊湊型城市開放空間的通風現(xiàn)狀。緊湊型開放空間的綠地空間設計,應以通風為主,減少不舒適靜微風,促進空氣流通。在通風不良的區(qū)域,盡量減少“喬-灌-草”多層綠化,改為“喬-草”結(jié)構(gòu)。

(2)應建立有效的擋風、導風綠地體系。通過不同空間形態(tài)的綠地,利用疏密度不同的常綠或落葉林帶進行擋風或者導風,以改善緊湊型開放空間近地面層的風感舒適度,如加快風影區(qū)的氣流流動,減小峽谷風風速等。尤其是低矮建筑周邊的綠地是影響建筑區(qū)域室外空間的關(guān)鍵性因素。

(3)開放空間中通風最好的區(qū)域是沒有任何遮擋的空氣域。利用道路,草坪鋪裝空間所形成的空氣域加強通風是改善人行高度風環(huán)境,提高風感舒適度最直接也是重要的方法。

(4)綠地建設時,應該預留平面上和豎向上的導風路徑,促進氣流在平面和豎向上的流動交換,提高空氣質(zhì)量和風感的健康度。