寒地氣候環(huán)境下遼東灣新區(qū)金帛島空間形態(tài)評價與優(yōu)化

黃木梓 | Huang Muzi

張伶伶 | Zhang Lingling

李雯霏 | Li Wenfei

金帛島位于遼東灣新區(qū)的最南端，北臨金帛灣，東以大遼河為邊界，南、西緊鄰渤海灣。規(guī)劃區(qū)總面積929.07hm2。通過填海造地打造了新的城市空間格局。核心區(qū)以濱海旅游、商務(wù)辦公、會展、療養(yǎng)度假功能為主，充分依托濱海優(yōu)勢，打造高品質(zhì)的新型海島生態(tài)住區(qū)。

從宏觀視角對遼東灣新區(qū)的氣候環(huán)境特征進行分析，用2015年遼東灣新區(qū)Landsat-5 TM衛(wèi)星影像作為核心的數(shù)據(jù)來源，從盤錦及營口氣象局收集遼東灣新區(qū)的氣溫氣象數(shù)據(jù)，通過基礎(chǔ)因子的疊加方式，識別出遼東灣新區(qū)潛在的城市通風廊道，運用CFD模擬的方法對金帛島城市風道格局進行驗證與分析。

1 城市氣候環(huán)境的模擬與分析

首先建立遼東灣新區(qū)金帛島的三維空間模型，再驗證該區(qū)域城市風道格局構(gòu)建的合理性，并找出存在的問題與不足，分析金帛島城市氣候與城市空間形態(tài)要素分布的關(guān)聯(lián)，形成對建筑群體空間的評價與優(yōu)化。

1.1 城市三維空間模型的建立

建立遼東灣新區(qū)金帛島的建筑群體、道路、水系三個層次的空間模型，并導(dǎo)入phoenics軟件的運算區(qū)域內(nèi)，在軟件中添加大地面（earth）以及綠化下墊面（plant）兩個層次，統(tǒng)一將綠化下墊面進行簡化（圖1）。

得到三個層次的空間模型后，在phoenics軟件中將濕度運算選項添加進模型信息要素中，并且設(shè)置激活外部風環(huán)境條件及太陽輻射模型。城市熱島形成的主要原因是在原有城市內(nèi)有大量的構(gòu)筑物，如混凝土、柏油路面等，他們的熱力屬性改變了下墊面的熱度，因為構(gòu)筑物吸熱快，而其表面溫度明顯高于自然下墊面。

通過之前做過的相關(guān)項目為研究依據(jù)，將金帛島道路的換熱系數(shù)（heat transfer coeff）設(shè)定為10w/m2，道路表面反射系數(shù)（emissivity）為0.8；建筑的換熱系數(shù)（heat transfer coeff）設(shè)定為30w/m2，建筑物表面反射系數(shù)（emissivity）為0.9；草地表面反射系數(shù)（emissivity）為1.0；通常情況下，水體的溫度比空氣平均溫度低5℃，所以設(shè)定水溫（fixed temperature）為27℃[1]。

1.2 網(wǎng)格的劃分與邊界條件的設(shè)定

確定網(wǎng)格的范圍，首先依托金帛島的城市模型尺寸、高度等相關(guān)因子確定網(wǎng)格區(qū)域的體積和邊界位置，城市整體模型的尺寸為7070m×3479m，最高的建筑高度為150m，需要考慮運算的精確度和計算機的運算效率，最終我們將金帛島區(qū)域的網(wǎng)格空間范圍設(shè)置為9000m×6000m×300m，區(qū)域整體number of cells的數(shù)值選取為300×200×50，最后我們將建筑群體的三維空間模型放置在計算域的中心區(qū)域；對模型內(nèi)的網(wǎng)格進行加密，進而使運算結(jié)果達到最佳效果。

金帛島位于營口市區(qū)西北側(cè)，氣候條件受營口影響較大，我們選取營口市氣象站的觀測數(shù)據(jù)，進行整理與總結(jié)，得出常年主導(dǎo)風向以及每個月的平均風速、平均最高溫度等作為城市設(shè)計的依據(jù)。最后根據(jù)全年的氣象數(shù)據(jù)進行分析，得出夏季和冬季的城市氣候環(huán)境問題較為明顯，故決定選取夏、冬兩個具有代表性的季節(jié)進行溫度、濕度、風環(huán)境等氣候因子進行模擬。

（1）太陽輻射條件

金帛島的夏季太陽輻射模擬采用的是營口市夏季月份的天氣數(shù)據(jù)作為計算條件，最終得出地球表面直接太陽輻射為600W/m2（圖2），同理冬季采用的是相應(yīng)月份的天氣數(shù)據(jù)作為太陽輻射的條件進行計算。

圖2 太陽輻射條件的設(shè)定

（2）外部風環(huán)境參數(shù)

在模擬風環(huán)境因素的前期，我們需要先確定其初始風速和風向：①風速選取夏季和冬季的平均風速值，夏季：3.6m/s；冬季：3.8m/s。由于寒地城市需要對冬季抵風防寒給予更多的關(guān)注，所以我們選取冬季最大平均風速為4.4m/s，并增加了實驗?zāi)M的次數(shù)。②風向則是依據(jù)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計，選取兩個季節(jié)的主導(dǎo)風向，夏季：SSW；冬季：NNE；依據(jù)金帛島的氣候條件，冬季島外近海海域結(jié)冰，海陸風的影響我們可以忽略不計，所以側(cè)重點考慮冬季風對其的影響。初始風速為3.8m/s，風向依據(jù)冬季盛行風，編輯輸入NNE。夏季將月平均最高溫度作為環(huán)境溫度，流入口溫度設(shè)定為32℃，初始風速為3.6m/s，風向依據(jù)夏季盛行風輸入SSW，水體溫度通常低于外界空氣溫度5℃，設(shè)定為27℃，內(nèi)部相對濕度初始數(shù)值為80%。

1.3 氣候環(huán)境要素模擬過程與結(jié)果分析

（1）氣候環(huán)境要素模擬的過程

通過模型導(dǎo)入phoenics軟件，進而設(shè)定流體力學相關(guān)條件要求以及迭代運算得出計算結(jié)果。計算完成后可以按照溫度場、風場、濕度場分布狀況、場域等級等進行分項的數(shù)值顯示，可以依據(jù)數(shù)值大小用不同的顏色、模型高度來直觀顯示城市氣候環(huán)境的狀況。

①水平高度橫截面的選取。為了創(chuàng)造更具舒適度的城市居民活動空間，相對濕度和環(huán)境風速的影響至關(guān)重要，而且不同高度的水平橫截面其相對濕度和風速程度都是有所不同的，對模擬結(jié)果，我們選取的是與人體舒適感關(guān)聯(lián)性較強的1.5m水平截面的相對濕度和風速作為研究的依據(jù)。

②冬季氣候環(huán)境的模擬與分析。北方寒地地區(qū)冬季采暖所產(chǎn)生的污染物極易滯留在空氣當中，使得冬季風速、風向?qū)Τ鞘芯用窠】登闆r和人體舒適度兩個方面影響極為強烈。所以金帛島的氣候環(huán)境模擬需要提前設(shè)定初始風速、風向、邊界面等條件，最終得到金帛島1.5m、9m和18m不同高度橫截面的冬季風速分布信息。

在居住組團內(nèi)部也存在較大面積的靜風區(qū)域，這樣的區(qū)域同樣不適合居住，獨立的點式高層出現(xiàn)了較大的風速區(qū)，冬季里寒冷地區(qū)過大的風速將造成熱量的快速流失，所以獨立的多層建筑的風場與點式高層互相作用，形成紊流區(qū)，并且產(chǎn)生較混亂的狀態(tài)（圖3）。緩解此類現(xiàn)象，應(yīng)在高層建筑附近種植防風的植被區(qū)域，在風速過高的區(qū)域內(nèi)減少建筑物、構(gòu)筑物的建設(shè)。

圖3 高層建筑周邊風的紊流區(qū)

③夏季氣候環(huán)境的模擬與分析。通過模型觀測夏季不同界面高度的風速云圖，可以得出綠網(wǎng)、水網(wǎng)、主要道路網(wǎng)構(gòu)成的通風廊道系統(tǒng)是確保外圍空氣與組團內(nèi)部的空氣流通的基礎(chǔ)，同時還能夠促進通風效率。

（2）結(jié)果分析

金帛島居住片區(qū)的總體風環(huán)境較好，但是在少數(shù)建筑圍合度較大的組團空間內(nèi)部出現(xiàn)了V=0m/s的靜風區(qū)（圖4），這些區(qū)域在夏季不利于熱空氣的流通，應(yīng)當改變建筑群體布局的角度，使得靜風區(qū)域減少。

圖4 居住組團內(nèi)部靜風面積較大區(qū)域

2 商業(yè)建筑群體空間環(huán)境的改善

2.1 設(shè)置商業(yè)片區(qū)的風道系統(tǒng)

由于遼東灣水系空間充足，形態(tài)自由靈活，圍繞金帛島濱水景觀岸線布置商業(yè)綜合片區(qū)以及島內(nèi)水系統(tǒng)可以設(shè)置多種建筑群體廊道空間，包括行列式建筑布局、密排建筑布局、點群式建筑布局以及圍合式建筑布局。

在設(shè)計金帛島商業(yè)建筑群體時，我們設(shè)置了建筑之間良好的通風廊道，這不僅要考慮水平方向上通風廊道的可能性，還應(yīng)當將垂直方向上的通風廊道納入設(shè)計范疇，通過對建筑高度的組合變化，形成多元化的建筑空間形式，有利于風場的調(diào)控變化。

通過軟件我們得到金帛島商業(yè)片區(qū)夏季1.5m的風速分布云圖（圖5），南側(cè)建筑界面的空間連續(xù)性較低，建筑群的組合方式影響商業(yè)片區(qū)的局地環(huán)流情況，涼爽的西南風進入建筑群體空間，從夏季風和濕度的模擬結(jié)果，識別出3條主要風道，12條次要風道。

圖5 金帛島商業(yè)區(qū)夏季1.5m風速分布

冬季為了預(yù)防寒冷空氣進入，我們通常會利用建筑物、構(gòu)筑物達到一定的擋風效果，也能夠防止紊亂的空氣流場產(chǎn)生。所以，合理的自然通風系統(tǒng)能加強風速流動，同時還可以帶走不利于居民生活的濕冷空氣。

從金帛島冬季的1.5m風速分布云圖（圖6）可以看出，北部建筑群體的空間界面連續(xù)性低，造成其擋風效果的弱化，幾處點式高層的周邊出現(xiàn)較大面積風速積聚區(qū)域。從冬季風環(huán)境模擬的結(jié)果來看，應(yīng)當對其進風口、迎風面以及高層建筑的形式進行調(diào)整與優(yōu)化。

圖6 金帛島商業(yè)區(qū)冬季1.5m風速分布

2.2 預(yù)留商業(yè)建筑間的引風口

預(yù)留和調(diào)整金帛島濱水建筑引風口是改善街區(qū)總體風環(huán)境的基礎(chǔ)，引風口能夠引入均勻、合適的氣流，對街區(qū)內(nèi)部風環(huán)境舒適性有絕對性的意義。通過對金帛島商業(yè)建筑群體空間的風環(huán)境模擬的結(jié)果進行分析，片區(qū)的風速還是存在不穩(wěn)定的情況，主要是因為片區(qū)外圍的建筑對盛行風向的阻擋作用還不夠。因此應(yīng)當對商業(yè)片區(qū)的城市設(shè)計方案及建筑單體形態(tài)進行優(yōu)化設(shè)計，增加金帛島商業(yè)片區(qū)的建筑密度，提高建筑基底的覆蓋率。

通過以上研究及模擬，我們對方案進行調(diào)整，優(yōu)化了進風口的數(shù)量和位置，并結(jié)合金帛島夏季西南風、冬季東北風的盛行風向，增大了南向開口的尺度，提高開口的數(shù)量，減少北向引風口的面積，增加北部建筑界面的連續(xù)性（圖7）。

圖7 引風口的調(diào)整

3 居住片區(qū)建筑布局形式的選擇

3.1 建筑群體布局形式的優(yōu)化

局地氣候會對建筑使用舒適度產(chǎn)生較大的影響，而建筑群體布局形式能在一定程度上對其利用和改善，如抵御惡劣天氣危害、創(chuàng)造適宜的建筑小氣候環(huán)境。在金帛島建筑群體布局上，需要保證寒地建筑群體布局的特殊地域因素，即夏季需要有利于建筑群體間的通風與防曬，冬季則需爭取日照的最大化模式。

（1）獲取良好的日照

由于金帛島位于寒地范圍圈，冬季晝短夜長，良好的建筑朝向是能夠獲取較多陽光的先決條件。相關(guān)研究表明，在其他條件相同的情況下，南北朝向的要比東西朝向的建筑熱耗低5%左右。朝向東南的建筑可以在清晨氣溫較低時接受陽光的照射，提升室內(nèi)的溫度，在氣溫較高的午后避免陽光直射[2]。

（2）戶外熱環(huán)境的提升

城市熱環(huán)境是指在城市空間內(nèi)客觀存在的熱場和人對熱場主觀感覺的總和。居民出行是離不開戶外環(huán)境的，通過改善戶外熱氣候環(huán)境質(zhì)量，創(chuàng)造安全、舒適的戶外空間環(huán)境，對于增加城市居民的社會交往和增強城市活力都具有十分重要的意義。

當前國內(nèi)外研究中，熱環(huán)境的評價標準大致可分成三類：①安全標準——不影響人的身體健康；人的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)不失調(diào)，人體生理機制不損失或死亡；②工效標準——環(huán)境熱狀況影響人的敏感度，從而影響人從事體力勞動和腦力勞動的效率；③舒適標準——冷熱濕度，熱感覺舒適。在此區(qū)域內(nèi)人體調(diào)節(jié)機能的應(yīng)變最小[3]。

（3）空間風環(huán)境的改善

①促進通風的建筑布局。斜列式、錯列式以及自由式的建筑布局形式是可以避免建筑相互擋風，使得風能更好地分散，較并列式、周邊式而言更利于通風。斜列式與自由式可在一定的限制情況下，根據(jù)朝向、地形和地勢等條件靈活布置；錯列式則需要加大前后排建筑間距，對通風是有利的；周邊式的布局形式總會使得部分建筑的前、后區(qū)域處于負壓區(qū)，不利通風，同時總會存在部分東西向的建筑形式，不利夏季防曬；而采用并列式時，應(yīng)使建筑與主導(dǎo)風向成一定角度布置，利于整體的系統(tǒng)通風。

②擋風作用的圍合布局。在現(xiàn)實的城市規(guī)劃設(shè)計中，圍合式的建筑布局易產(chǎn)生大面積的靜風區(qū)域，不利于區(qū)域內(nèi)污染物擴散。我們對圍合式的建筑空間進行模擬實驗，通過軟件的實驗結(jié)果（圖8）可以看出，不同高度的影響下庭院內(nèi)部的空間均形成了一定的靜風區(qū)，內(nèi)部風場形成渦旋，缺乏與外界空氣之間的流通。采用單一的圍合式布局是不能夠滿足現(xiàn)代多樣的城市空間氣候環(huán)境需求，應(yīng)針對寒冷地區(qū)的氣候特殊性，逐步關(guān)注局部地段風環(huán)境的分析。

圖8 圍合式建筑1.5m、9m、18m風速分布

（4）“高低錯落”的處理方式

在建筑群體空間布局中，避免建筑高度的不斷升高，同時高層建筑的周邊也會出現(xiàn)局部的高風速空間，應(yīng)當通過建筑群體布局高度的調(diào)整、降低建筑高度等方式加以改進。

通過高度不同的建筑群體空間風速分布云圖、風場圖可以看出，建筑周圍的靜風區(qū)面積明顯減少，前高后低的建筑布局形式，使得建筑之間未形成較大的旋渦區(qū)域，加快空氣的交換流通，東西向形成了連續(xù)的通風廊道（圖9）。

圖9 高度變化的建筑群體風場

（5）高層建筑風場的優(yōu)化

通過模型檢測模擬發(fā)現(xiàn)，高層建筑周邊易產(chǎn)生比較復(fù)雜的風環(huán)境，地面以及立面會產(chǎn)生具有一定危險性的高速風。通常情況下，兩棟高度具有很大差異的相鄰建筑都會產(chǎn)生比較明顯的風效應(yīng)。研究表明，由于高層建筑比周邊環(huán)境高出許多，近地面風速也會隨之急劇增大，建筑周邊環(huán)境與風場相互影響，便會產(chǎn)生對居民生活以及建筑自身具有負面影響的惡性風流[4]。

在寒冷地區(qū)，惡性的風環(huán)境同樣會降低人體戶外活動的熱舒適度，這是北方冬季居住區(qū)產(chǎn)生低質(zhì)量戶外活動空間的原因之一。實驗?zāi)M通過在高層建筑底部空間增設(shè)裙房的方法，能夠極大地防止惡性風場的出現(xiàn)，緩沖過大風速對人體的影響。

3.2 建筑朝向的選擇

金帛島上建筑群體朝向的選擇需要考慮通風及日照等因素，冬季天氣寒冷，建筑需要獲得充足的太陽輻射，同時避免冬季風的風速過大。這不僅是因為冬季來自北向的寒空氣會對建筑熱工環(huán)境產(chǎn)生不利的影響，還因為北向的居住空間較難獲得足夠的日照，所以建筑北向要盡量減少開口；在夏季，滿足自然采光的前提下需要防止過多的太陽輻射帶來的熱量，充分結(jié)合自然通風的效果，利用金帛島濱水區(qū)的濕熱效應(yīng)達到空氣濕度的平衡。

基礎(chǔ)信息建立完畢，再利用Ecotect軟件的Weather Tool模塊進行分析，對于建筑最佳朝向進行選擇，輸入該地區(qū)最熱和最冷的月份，并對營口市（近金帛島片區(qū)）全年氣象數(shù)據(jù)進行編輯整理（圖10）。

圖10 逐時數(shù)據(jù)的編輯

通過模擬以及相關(guān)氣象資料的整理與編輯，可知全年每個月份的太陽輻射量，金帛島最熱月份是6、7、8三個月份，最冷月份為12、1、2三個月份，同時根據(jù)全年過熱期和過冷期內(nèi)的太陽輻射情況計算金帛島建筑最佳朝向，為設(shè)計提供依據(jù)。

3.3 建筑間距的控制

設(shè)計過程中建筑間距的確定需要綜合考慮通風與日照的因素。首先，風對建筑間距產(chǎn)生的影響不可忽視，金帛島四面環(huán)水，春季大風天氣較多，冬季寒潮依然存在，良好的通風環(huán)境有利于將內(nèi)部過多的濕氣進行疏散，防止因天氣寒冷、濕度過高而帶來的不適反應(yīng)。

太陽輻射也對建筑間距控制有較大的影響，1980年建設(shè)部規(guī)定：各地區(qū)可根據(jù)住宅建筑的布局形式，綜合考慮分別確定房屋的間距。原則上，房屋的日照間距應(yīng)當按照當?shù)囟寥兆≌讓尤照詹恍∮?個小時的要求來計算[5]。金帛島地處寒冷地區(qū)，所以冬季的日照時間應(yīng)當多一些，計算依據(jù)一般可以選在冬至日正午的太陽位置作為研究數(shù)據(jù)。

結(jié)語

本文首先通過CFD軟件模擬的方法對遼東灣金帛島內(nèi)濕度、熱、風等城市氣候環(huán)境進行依次模擬，運用模擬結(jié)果，對城市氣候環(huán)境的問題區(qū)域提出優(yōu)化的策略。通過設(shè)置商業(yè)建筑群體的通風廊道體系、控制迎風面邊界、預(yù)留引風口等設(shè)計方法改善商業(yè)建筑群體的空間環(huán)境；最后通過對城市居住片區(qū)多種空間組合形式的氣候環(huán)境進行模擬，進而對建筑群體布局形式加以優(yōu)化，控制建筑的朝向和間距；達到城市空間氣候舒適性的目的，進而將金帛島的建筑空間形態(tài)進行優(yōu)化，并得出在寒地氣候的影響下城市空間的基本策略。

資料來源：

文中所有圖片均為作者自繪。