城市街道寬度對街區(qū)通風影響的試驗研究

田凱強， 賈婭婭， 劉慶寬， 馬文勇， 劉小兵

（1．石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043；2．石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043；3．河北省大型結構健康診斷與控制重點實驗室，河北 石家莊 050043）

隨我國城市化進程的不斷推進，城市高密的建筑會阻礙城市近地面空氣流動，使得城市內部的平均風速減小，在弱風天氣下，城市空氣中的污染物容易積累，使得城市的空氣污染嚴重［1-2］。為了改善這種狀況，除了節(jié)能減排之外，有人提出對城市進行專門規(guī)劃、建立城市的通風廊道［3］來改善城市通風狀況的建議，認為城市風道能減弱城市建筑對風的阻礙作用，使得空氣能夠吹進或者貫穿城市，驅散城市空中污染物，達到凈化空氣的目的［4-6］。在20世紀80年代德國卡塞爾大學Kress R［7］教授開始了“理想城市氣候”計劃研究，并且提出了在新區(qū)規(guī)劃中建立風環(huán)境及風流通系統(tǒng)的概念。日本從20世紀80年代已經開始關注風環(huán)境，并在2007年提出在城市規(guī)劃中建立城市風道系統(tǒng)［8-11］。我國在城市風道方面的研究始于20世紀80年代末，任超等［12］提出在區(qū)域規(guī)劃、城市規(guī)劃、街道規(guī)劃、大型建設開發(fā)項目4個尺度下對城市風道進行規(guī)劃。李軍等［13］建議城市風道的建設必須從城市宏觀總體布局和微觀城市建設控制2個方面考慮。除了理論研究以外，一些城市的城市風道也在提議中。例如2013 年杭州市規(guī)劃、環(huán)保等部門研究，希望建一個“城市風道”，通過城市風道，把郊外的風引入主城區(qū)，把空氣中的霧霾吹走［13］。2015年初，陜西省成立了“西安城市風道景區(qū)建設調查研究”課題組，專門對西安城市風道及風道景區(qū)建設問題進行了比較深入的調研［14］；2016年陜西全省城市工作會議提出通過營造城鎮(zhèn)風道，進一步美化人居環(huán)境［15］。

對城市進行規(guī)劃建立城市風道涉及拆遷、規(guī)劃、建設等許多環(huán)節(jié)，經費投入十分巨大，而城市風道對增強城市通風的效果如何，目前尚缺乏專門的試驗數(shù)據(jù)分析。以某小區(qū)的建筑群為單元，改變街道的寬度和街道兩側的建筑高度及密度，測試研究了街道縱深和高度2個方向上的風速分布規(guī)律，探討了街道對城市通風的影響，為相關的政策制定及研究提供參考。

1 風洞試驗介紹

本研究選取具有高層住宅群及普通住宅群結合的、比較典型的北京市某小區(qū)作為單元，四邊街道環(huán)繞，如圖1所示。該區(qū)域有多層住宅8棟，30層住宅3棟，25層和30層連體住宅2棟，25層住宅5棟，14層公寓1棟，供熱廠房2棟和多層的幼兒園、賓館各1棟。平面和高度尺寸如圖2所示，建筑旁邊的尺寸標注分別代表建筑物的長寬高，例如左上角的建筑尺寸標注40×22×120 代表該建筑物長度40 m、寬度22 m、高120 m。

圖1 單元三維電子地圖

圖2 單元平面布置圖

將該單元沿街道縱深方向復制10次，然后進行組合，可得到2種不同的試驗工況，如圖3和圖4所示。

圖3 街道Ⅰ街道模型圖

圖4 街道Ⅱ街道模型圖

圖3所示的街道，兩側的建筑高層較多，建筑密度大，且街道兩側建筑對稱分布，將該街道試驗定義為街道I。圖4所示的街道，兩側的建筑為沿主干街道橫向整體復制平移形成，所以街道一側以高層為主，另一側以多層為主，兩側建筑物是非對稱分布，將該街道試驗定義為街道II。

按照阻塞度＜5%和其它相似關系的要求，模型的縮尺比為1∶200，由于模型表面存在明顯的棱角，因此雷諾數(shù)對試驗結果的影響基本上可以忽略，試驗中來流控制風速為10 m／s。為了研究街道和兩側建筑對風速的影響，這里的來流沒有考慮地表摩擦作用，采用的是建筑前方均勻來流的方式進行試驗。

試驗在石家莊鐵道大學風工程研究中心STU-1風洞低速試驗段中進行。該風洞低速試驗段寬4．4 m，高3 m，長24 m，風速1～30 m／s連續(xù)可調［16-17］。試驗風速測量所使用的儀器包括：4孔眼鏡蛇三維脈動風速儀，用于風洞內風速的測量；三維移測架，用于風洞內眼鏡蛇的移動。4孔眼鏡蛇三維脈動風速儀不僅可以測量速度3個方向的分量，而且還可以測量±45°范圍內的偏角和攻角；將4孔眼鏡蛇三維脈動風速儀安裝在移測架上，可以對有效測量范圍內任意點的風速進行測量，三維移測架順風向的有效移動距離為4．0 m，橫風向有效移動距離為2．4 m，豎向有效距離為4．0 m。本試驗針對街道I和街道II的2種街道類型，分別改變街道寬度為40 m、80 m、120 m、200 m，針對每種寬度街道的中心平面進行了風速測量。

為了方便描述，取街道入口底面中心為坐標原點，沿街道通向城市縱深方向為x 軸，與街道中心橫向為y 軸，高度方向為z軸，如圖5所示。試驗測點布置如圖6所示。

為了方便進行風速比較，定義風速比K，為不同位置處街道內風速與相同高度處來流風速之比

式中，vC為眼鏡蛇測點的風速；vK為風洞的控制風速，本試驗的控制風速為10 m／s。

圖5 坐標示意圖

圖6 試驗測點布置圖

2 試驗結果與分析

2.1 街道Ⅰ結果分析

街道I中心風速分布的試驗結果如圖7所示。

對比圖7（a）～圖7（d）可知：風速在進入街道前風速比基本上在1．0左右，進入街道后風速急劇增大，具有“峽谷效應”，在距離街道入口100 m 左右風速最大，寬度40 m、80 m、120 m、200 m 的街道在此處的風速比分別是1．4、1．23、1．22、1．17。

圖7 街道I中心各高度風速比分布

街道寬度越寬，入口處高風速在街道縱深方向上影響越遠，但是風速增大的不是很多，并很快形成底部風速低、隨著高度風速逐漸增大的風剖面。在街道縱深方向到達一定距離后，風剖面趨向穩(wěn)定，同一高度處的風速不再隨縱深的距離增大而增大。

2.2 街道II結果分析

街道II中心風速分布的試驗結果如圖8所示，從圖8中可以看出，街道II的變化規(guī)律和街道I基本上類似。同街道I兩側均為高層建筑相比，街道II一側以多層為主，理論上較矮的建筑對風的阻礙作用較弱，從本試驗結果同圖7比較可知，兩者的風速差別并不明顯。

圖8 街道II中心各高度風速比分布

2.3 建筑高度對風的影響

為了進一步比較建筑高矮對街道內風速的影響，圖9（a）～圖9（d）對比分析了街道中心10 m、40 m、60 m、100 m4個高度處街道I和街道II 2種結果下風速比沿街道深度的變化情況。2種狀態(tài)下街道的寬度均為40 m。

從圖9可以看出，雖然街道I兩側均為較高的建筑，但是街道I的風速比只在500～1 000 m 的街道縱深范圍內比街道II的結果稍小，隨著向城市內部的延伸，2種狀態(tài)下的風速比趨于接近，說明城市內部街道兩側一定高度內的建筑對街道的風速影響減弱。

另外，從入口處風速增大，之后逐漸減小到形成較為穩(wěn)定風速的距離，基本在離開入口1 000 m 前后，考慮到形成較為穩(wěn)定的風剖面的位置（即風速比不再隨x 而變化的位置）離開街道入口的距離僅僅有幾公里，同大城市尺度（如北京五環(huán)邊長約為25 km）相比所占的比例太小，除去入口的幾公里之外，城市內部街道上的風剖面可以認為是城市平均地貌類別的風剖面，街道的寬度對街道的通風影響不明顯。

在這種情況下，通過規(guī)劃城市通風廊道，使得城市之外的風順著廊道貫穿城市，從而達到凈化城市空氣的方案值得慎重考慮和深入研究。

另外，城市空氣污染嚴重的時期基本是大區(qū)域內風速很小、或者是沒風的天氣，此時不但城市內空氣流動微弱，城市之外沒有高層或多層建筑的田野鄉(xiāng)村也沒有風，在這種狀態(tài)下城市風道更不具備引進城外的風進入市區(qū)的功能。

圖9 街道I和街道II內風速比較

3 結論

通過風洞試驗研究對比街道寬度、街道兩側建筑對通風的影響，可以得到如下幾點結論：

（1）風在進入街道后，在入口附近有“峽谷效應”現(xiàn)象，局部區(qū)域風速急劇增大，隨著街道深度的增加風速逐漸減小，當?shù)竭_一定街道深度后，風速基本上不再變化。

（2）街道寬度對離開街道入口一定距離的城市內部通風影響較小。

（3）城市內部一定程度內的建筑高度對通風影響不明顯。

（4）通風廊道在入口附近能加速空氣流通，對城市內部通風效果影響較??；在城市空氣污染嚴重的弱風和無風天氣，通風效果會更不明顯。通過規(guī)劃建設通風廊道，達到降低城市空氣污染的方案值得慎重考慮和深入研究。