基于風(fēng)環(huán)境評價的中學(xué)校園綜合體布局形態(tài)分析

張 峙，應(yīng)小宇 ，汪繼起 ，潘躍進 ，邢 然，潘孟濠 （. 浙江中和建筑設(shè)計有限公司, 浙江 紹興000；. 浙大城市學(xué)院, 浙江 杭州 005；.杭州市教育資產(chǎn)運營管理中心, 浙江 杭州 0000）

現(xiàn)行的校園建筑設(shè)計規(guī)范大多局限于日照及消防問題，未考慮建筑的布局形態(tài)可能對其周邊風(fēng)環(huán)境造成的不好影響。不合理的建筑布局形態(tài)會導(dǎo)致春秋季節(jié)污染物難以擴散、夏季不利于散熱、冬季氣流過大使人感到不適等問題。

基于風(fēng)環(huán)境影響設(shè)計的建筑形態(tài)可以減少建筑能耗、改善建筑及其周邊小氣候等[1]，適宜的風(fēng)環(huán)境有利于師生的學(xué)習(xí)和活動，對中小學(xué)生的成長也較為重要。因此本文結(jié)合校園綜合體案例，將其簡化并歸為幾種典型的布局形式，通過計算機軟件進行風(fēng)環(huán)境模擬分析[2]，得出較為合理的校園綜合體建筑布局形態(tài)及設(shè)計策略。希冀可為校園綜合體建筑布局形態(tài)設(shè)計提供一定的參考和評價依據(jù)。

浙江省杭州市為夏熱冬冷地區(qū)，江干區(qū)是快速城市化中典型的高密度住宅區(qū)域。這種高密度的區(qū)域更需要注重室外的風(fēng)環(huán)境[3]，所以選擇該區(qū)域進行研究。該中學(xué)總用地面積32 200 m2，辦學(xué)規(guī)模為 24 個教學(xué)組團，周邊道路車流量較小，除東側(cè)為小學(xué)校園外，周邊其他建筑均為住宅。

1 風(fēng)環(huán)境模擬模型的建立

1.1 模擬區(qū)域的大小

目前關(guān)于計算機模擬區(qū)域大小并無明確要求。很多研究人員都采用“試錯法”來確定模擬區(qū)域的大小，因為區(qū)域的大小會影響模擬結(jié)果[4]。Chang等[5]建議建筑模型與模擬區(qū)域邊緣的距離至少 5 倍于建筑模型高度。最終確定模擬區(qū)域的大小為 1 200 m×1 100 m×250 m（長、寬、高），網(wǎng)格范圍為 1 200 m×1 100 m×250 m。

1.2 建筑模型的設(shè)定

建筑模型根據(jù)各種案例中的校園綜合體建筑布局，簡化為 A、B、C、D 共 4 種典型的布局形式，見圖 1[6]。各不同布局形態(tài)的模型在滿足現(xiàn)有規(guī)范所規(guī)定的日照間距、消防等條件下，保持其同高度、同層數(shù)、同面積進行風(fēng)環(huán)境模擬分析計算。GB 50099—2011《中小學(xué)校設(shè)計規(guī)范》中要求，教學(xué)樓間距≥ 25 m，所以模型中建筑間距為 25 m。本文研究的是以杭州地區(qū)氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的建筑風(fēng)環(huán)境分析，在《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》提供數(shù)據(jù)中，杭州地區(qū)的夏季的主導(dǎo)風(fēng)向為 SSW，冬季的主導(dǎo)風(fēng)向為NNW[7]。真實環(huán)境下的風(fēng)速與風(fēng)向有一定的隨機性，而本地區(qū)在不考慮地形影響的情況下，冬夏兩季主導(dǎo)風(fēng)向明顯且主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)頻率明顯高于其他風(fēng)向。為簡化模型計算，在分析中以 NNW 與 SSW 作為冬、夏兩季的主要風(fēng)向。

圖 1 4 種典型的校園綜合體布局類型

1.3 風(fēng)環(huán)境評價標準

在實際室外環(huán)境中，通過比較風(fēng)速絕對值來比較建筑不同布局是比較困難的，因為每種布局的初始來風(fēng)風(fēng)速就已經(jīng)不同，因此研究人員大都使用風(fēng)速比來衡量建筑布局對風(fēng)環(huán)境的影響程度。風(fēng)速比是測點（人行高度 1.5 m）風(fēng)速的絕對值與同高度下初始來風(fēng)風(fēng)速絕對值的比值[8]。計算公式如式（1）所示。

式中：R—風(fēng)速比；

Vs—測點風(fēng)速，m/s ；

v—初始來風(fēng)風(fēng)速，m/s。

相關(guān)研究表明，當某區(qū)域風(fēng)速比＞2.0 時，行人會感覺風(fēng)過于強烈；風(fēng)速比＜0.5 時，該區(qū)域風(fēng)速過低，不利于空氣流動[9]。因此本文中評價風(fēng)環(huán)境標準為風(fēng)速比介于0.5～2.0 之間[10]。

2 模擬結(jié)果及分析

在模擬中共設(shè)置 6 個主要風(fēng)速測點，見圖 2。以 A 布局為例，分別以 C 1～C 6 命名，其中 C 1、C 2、C 3 表示 3 個由建筑體量圍合而成的活動庭院，C 4 表示為操場區(qū)域，C 5、C 6 分別代表夏季迎風(fēng)區(qū)域和冬季迎風(fēng)區(qū)域。通過研究這幾個測點在夏季以及冬季的風(fēng)速與初始風(fēng)速的比值即風(fēng)速比基本可以說明建筑布局對風(fēng)環(huán)境的影響情況，圖 3，圖 4 分別為 4種布局夏季、冬季的風(fēng)速布局。

圖 2 測點分布圖

圖 3 4 種布局夏季的風(fēng)速分布

圖 4 4 種布局冬季的風(fēng)速分布

圖 5 給出了夏季各布局下室外人行高度（1.5 m）處的風(fēng)速比等值線圖。

圖 5 4 種布局測點夏季風(fēng)速比

從圖 5 中可以直觀地看出，C 1 測點風(fēng)速比大小為 A 布局＜C 布局=D 布局＜B 布局，C 2 測點風(fēng)速比大小為 A 布局＜B 布局＜D 布局＜C 布局，C 3 測點風(fēng)速比大小為 A 布局＜B 布局＜C 布局＜D 布局，且在朝向夏季主導(dǎo)風(fēng)向開放的測點風(fēng)速比都＞0.5。這說明面向夏季主導(dǎo)風(fēng)向開放的測點區(qū)域風(fēng)速都較高，利于夏季的散熱，提供舒適的風(fēng)環(huán)境。C 4 測點由于位于風(fēng)影區(qū)，所以風(fēng)速比都＜0.5，通風(fēng)較差。C 5 測點位于迎風(fēng)面，在場地內(nèi)幾乎未被遮擋，所以風(fēng)速比在各布局中相差不大，C 6 測點的風(fēng)速比只有 D 布局＞0.5。各類型布局中 A 布局中各測點的數(shù)值相差最大，風(fēng)速比變化范圍為 0.17～1.13，說明氣流經(jīng)過該布局的建筑時，風(fēng)速受布局影響明顯，與之相對的 C 布局的各測點數(shù)值相差最小，風(fēng)速比變化范圍為 0.29～1.09，說明氣流經(jīng)過該布局的建筑時，風(fēng)速受布局影響較小。由圖 5 中風(fēng)速比平均值曲線可看出，D 布局的各測點平均值在所有布局中最高為 0.68；其次是 C 布局，平均值為 0.62；A 布局的平均值最低為 0.45，這種布局在夏季室外氣流較小，通風(fēng)效果相較其他布局形式最差。比較 C 1～C 3 的 3 個測點可知，隨著測點面向主導(dǎo)風(fēng)向數(shù)量的增加，風(fēng)速比也隨之增加，所以活動區(qū)域盡量多地迎向夏季主導(dǎo)風(fēng)向。

圖 6 為冬季各布局下室外人行高度（1.5 m）處的風(fēng)速比等值線圖。

圖 6 4 種布局測點冬季風(fēng)速比

由圖中可知，C 布局各測點的數(shù)值相差最小，風(fēng)速比變化范圍為 0.09～0.59，說明氣流經(jīng)過該建筑時，風(fēng)速受到布局影響較小。這其他 3 種布局形態(tài)的建筑各測點的數(shù)值差都相對較大，其中 A 布局最大，風(fēng)速比變化范圍為0.11～0.65，說明氣流經(jīng)過該建筑時，風(fēng)速受到布局影響在 4種布局中相對明顯。觀察圖中風(fēng)速比平均值曲線可看到，A布局的各測點平均值是最高為 0.38。D 布局測點平均值最低為 0.28，其次是 C 布局平均值 0.29，這 4 種布局在冬季的風(fēng)速比都＜0.5，氣流都較弱，由此說明這 4 種布局形式對冬季的主導(dǎo)風(fēng)都具有較好的阻擋作用。在分析中還發(fā)現(xiàn)基地北面的住宅對冬季主導(dǎo)風(fēng)已經(jīng)有了一定的削弱作用，以至迎風(fēng)的C 6 測點風(fēng)速比相較夏季迎風(fēng)的 C 5 測點要小很多。

綜合圖 5 與圖 6 分析，A 布局在夏季時除測點 C 5 外，各個測點處通風(fēng)效果最差，冬季時平均風(fēng)速比在 4 種布局中最大，但依然有較好的阻擋冬季風(fēng)效果。B 布局在夏季通風(fēng)效果也較差，在冬季對冬季主導(dǎo)風(fēng)也有不錯的阻擋作用；C布局與 D 布局類似，在夏季風(fēng)環(huán)境下有良好的通風(fēng)，冬季對冬季主導(dǎo)風(fēng)阻擋效果與 D 布局接近，但未面向夏季主導(dǎo)風(fēng)向的 C 3 測點風(fēng)速比在夏季＜0.5。杭州地區(qū)為夏熱冬冷地區(qū)，在夏季應(yīng)該引導(dǎo)主導(dǎo)風(fēng)向帶走熱量，而冬季需要阻擋主導(dǎo)風(fēng)帶走熱量，創(chuàng)造一個舒適人行區(qū)域風(fēng)環(huán)境。所以在該地區(qū)，這四種布局中優(yōu)先考慮 D 布局，其次考慮 C 布局。通過這些不同布局的風(fēng)環(huán)境模擬分析，在夏熱冬冷地區(qū)校園綜合體建筑設(shè)計中建筑面向夏季主導(dǎo)風(fēng)向區(qū)域應(yīng)該盡量開放或架空[11]，同時也需要適當考慮冬季對主導(dǎo)風(fēng)的阻擋。在夏季，操場區(qū)域產(chǎn)生了部分的風(fēng)影區(qū)，可將建筑在靠操場一側(cè)底層架空或?qū)⒉賵鰯[放在夏季主導(dǎo)風(fēng)向一側(cè)來解決這一問題。

由于體量之間的相互遮擋，位于風(fēng)影區(qū)的風(fēng)速較低。在夏季時過低的風(fēng)速對空氣流動不利，在其中活動的人也會感覺到不舒適，所以在這些風(fēng)影區(qū)建議安排綠化。在冬季時風(fēng)影區(qū)風(fēng)速較低反而較好，所以在冬季風(fēng)下的風(fēng)影區(qū)可以作為活動場地。

3 結(jié) 語

通過風(fēng)環(huán)境模擬工具，分析 4 種典型布局形態(tài)的校園布局，對比在人行高度（1.5 m）處的風(fēng)速比和相應(yīng)的風(fēng)向分布，得到風(fēng)環(huán)境優(yōu)劣狀況與不同校園布局形態(tài)之間的關(guān)系。以上結(jié)論為校園綜合體建筑布局形態(tài)提供了一定的參考依據(jù)。試驗分析揭示了校園綜合體建筑的布局形態(tài)對其周邊風(fēng)環(huán)境的影響，尤其是人行高度風(fēng)環(huán)境的影響。除風(fēng)環(huán)境影響下的建筑布局形態(tài)之外，還對室外的景觀、活動場地的設(shè)置提出了優(yōu)化建議。得到的具體結(jié)論為以下幾點。

（1）夏季時 A 布局中各測點的數(shù)值相差最大，風(fēng)速比變化范圍為 0.17～1.13，且測點風(fēng)速比平均值最低，僅為0.45；D 布局的各測點平均值在所有布局中最高為 0.68；其次是 C 布局，平均值為 0.62。冬季時 4 種布局的測點風(fēng)速比平均值大小：D 布局＜C 布局＜B 布局＜A 布局。所以綜合考慮，在這幾種布局形態(tài)中，杭州地區(qū)校園綜合體建筑設(shè)計優(yōu)先考慮使用 D 布局，其次為 C 布局，不建議采用 A 布局。

（2）在夏熱冬冷地區(qū)校園綜合體建筑設(shè)計中建筑面向夏季主導(dǎo)風(fēng)向區(qū)域應(yīng)該盡量開放或架空，同時也需要適當考慮冬季對主導(dǎo)風(fēng)的阻擋。

（3）在夏熱冬冷地區(qū)，夏季風(fēng)速較大，冬季風(fēng)速較小的測點區(qū)域，適合做室外活動場地，夏季風(fēng)速較小，冬季風(fēng)速較大的區(qū)域，可以種植一些高低結(jié)合的立體綠化，既能阻擋冬季一定的風(fēng)也能合理地利用室外用地。