公共健康視角下城市街區(qū)綜合通風(fēng)效能與規(guī)劃響應(yīng)研究*

馬 童 陳 天

0 研究背景與目的

城市室內(nèi)外的空氣流通影響著空氣質(zhì)量，與公共健康關(guān)系密切。當(dāng)空氣流通不暢時(shí)，利用空氣傳播的病毒、細(xì)菌容易形成聚集，成為傳染源而使傳染性疾病蔓延[1-2]，同時(shí)室內(nèi)外污染物也不易擴(kuò)散，造成空氣質(zhì)量的下降，慢性影響市民的健康[3]。

城市空間形態(tài)對(duì)室內(nèi)外空氣流動(dòng)產(chǎn)生著直接影響。在室內(nèi)通風(fēng)上，建筑的空間形態(tài)影響著自然通風(fēng)的強(qiáng)弱。自然通風(fēng)相對(duì)于機(jī)械通風(fēng)換氣量大，能夠促進(jìn)室內(nèi)外空氣循環(huán)，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量[4]。減少對(duì)機(jī)械通風(fēng)的依賴也意味著降低了通風(fēng)設(shè)備及管道被病毒及污染物污染的可能[5]。建筑物的形態(tài)與開發(fā)強(qiáng)度還直接影響著人在室內(nèi)的聚集程度。過高強(qiáng)度的建筑開發(fā)容易造成建筑內(nèi)人群密度過高，超大型的建筑體量使建筑內(nèi)部高度依賴機(jī)械通風(fēng)，高層建筑的電梯與電梯廳易造成短時(shí)間內(nèi)人群的高度集中，其豎向井道可能成為病毒與污染物傳播的通道，成為公共健康的隱患[6]。

城市空間形態(tài)也影響著室外風(fēng)環(huán)境及空氣質(zhì)量[7]。高密度的城市腹地由于地表粗糙度較高，其風(fēng)速相對(duì)城郊會(huì)顯著下降[8]，使污染物不易擴(kuò)散，如天津市內(nèi)氣象站較塘沽氣象站風(fēng)速低1.2 m/s（天津市氣象局2003—2017年數(shù)據(jù)）。密集的建筑布局不但降低了近地面風(fēng)速，使污染物易沉積于近地面，導(dǎo)致人們呼吸被污染空氣的概率增大，同時(shí)也造成了建筑表面風(fēng)壓差的降低，進(jìn)而不利于室內(nèi)通風(fēng)?？臻g形態(tài)還影響著室外風(fēng)環(huán)境的舒適度，高大建筑周邊形成的風(fēng)渦旋造成局部強(qiáng)風(fēng)[7]，使人在寒冷季節(jié)的室外活動(dòng)意愿降低，更易在室內(nèi)聚集，進(jìn)一步使室內(nèi)空氣質(zhì)量下降。由此可見，高密度、室內(nèi)外通風(fēng)不暢的城市空間會(huì)引發(fā)諸多公共健康問題，給市民的生活品質(zhì)和身體健康帶來(lái)負(fù)面影響。

目前對(duì)城市空間形態(tài)與室內(nèi)外通風(fēng)的關(guān)系的研究均傾向于對(duì)單一通風(fēng)指標(biāo)的縱向研究[9-13]，各指標(biāo)之間缺乏橫向聯(lián)系。如果能夠?qū)@些關(guān)系進(jìn)行綜合，據(jù)此評(píng)價(jià)不同城市街區(qū)的綜合通風(fēng)效能，并利用相對(duì)簡(jiǎn)單的指標(biāo)對(duì)街區(qū)空間形態(tài)及開發(fā)強(qiáng)度進(jìn)行控制，就能夠更全面的對(duì)室內(nèi)外通風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化。因此，本文首先提出了一種街區(qū)尺度城市空間形態(tài)對(duì)室內(nèi)外通風(fēng)效能影響的評(píng)價(jià)方法，對(duì)各地塊的綜合通風(fēng)效能進(jìn)行評(píng)價(jià)；其次，將容積率、建筑密度、建筑高度等常用規(guī)劃指標(biāo)與各通風(fēng)效能指標(biāo)及總體通風(fēng)效能進(jìn)行相關(guān)性分析，找到影響城市街區(qū)總體通風(fēng)效能的空間形態(tài)因子；最后，甄選出綜合通風(fēng)效能較低的城市街區(qū)形態(tài)，對(duì)其分析并提出改進(jìn)方法。本文希望能夠以公共健康視角為城市規(guī)劃提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域與地塊劃分

研究選擇天津市中心區(qū)約9 km2區(qū)域，西至廣開四馬路，東至金緯路，南至南開二緯路，北至西青道，包含住宅、商業(yè)、辦公、醫(yī)療、教育、商住等各類功能，集中建設(shè)于20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)10年代，基本囊括天津城區(qū)各種典型的城市空間形態(tài)。在街區(qū)尺度城市通風(fēng)的研究中，地塊劃分方法通常分為兩種模式。第一種是標(biāo)準(zhǔn)正方形網(wǎng)格劃分，適合純粹的空間形態(tài)研究[8,14]；第二種是按實(shí)際開發(fā)中地塊劃分成不規(guī)則網(wǎng)格，更適合研究地塊特定布局對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響[15]。本研究選擇第二種劃分方法，以控制性詳細(xì)規(guī)劃中的地塊劃分為基礎(chǔ)，對(duì)過大或過小的地塊進(jìn)行拆分或合并，將研究區(qū)域劃分為107個(gè)網(wǎng)格（圖1），面積介于2.2—12.5 hm2，容積率介于0.71—6.53（綠地及待開發(fā)地塊除外），對(duì)每一塊地塊進(jìn)行室內(nèi)外綜合通風(fēng)效能評(píng)價(jià)。由于本研究的重點(diǎn)在于地塊內(nèi)部建筑群空間布局，因此網(wǎng)格中并不包含道路空間。

圖1 研究區(qū)域控制性詳細(xì)規(guī)劃（左）與地塊劃分（右）Fig.1 the regulatory detailed planning (left) and plots subdivision (right) of study area

1.2 通風(fēng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

1.2.1 室內(nèi)通風(fēng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

室內(nèi)通風(fēng)主要體現(xiàn)在室內(nèi)外空氣自然交換效率[16]，可以分解為建筑可通風(fēng)表面面積以及建筑前后風(fēng)壓差兩個(gè)核心指標(biāo)。該兩項(xiàng)指標(biāo)可以分別用建筑體形系數(shù)及建筑密度兩項(xiàng)空間形態(tài)指標(biāo)反映。

第一，體形系數(shù)。體形系數(shù)能夠反映建筑單體形態(tài)特征對(duì)自然通風(fēng)潛力的影響。體形系數(shù)較大的建筑，可用于自然通風(fēng)的表面面積相對(duì)較大，使自然通風(fēng)潛力高[11,17]。該指標(biāo)計(jì)算方法如公式（1）所示，TX代表為地塊平均建筑體形系數(shù)，F(xiàn)代表地塊所有建筑總立面面積，V代表地塊所有建筑總?cè)莘e。該體形系數(shù)指標(biāo)并未計(jì)算屋頂面積，原因是屋頂在一般情況下不作為開窗區(qū)域參與自然通風(fēng)。

第二，建筑密度。與體形系數(shù)不同，建筑密度主要反應(yīng)地塊內(nèi)建筑群布局對(duì)自然通風(fēng)潛力的影響。較高的建筑密度使流經(jīng)地塊的氣流易從建筑群上空掠過而難以滲透進(jìn)入建筑群，造成地塊內(nèi)各建筑前后風(fēng)壓差減小，使自然通風(fēng)潛力下降[13,18]。該指標(biāo)計(jì)算方法如公式（2）所示，SC表示地塊建筑密度，AB表示全部建筑的投影面積之和，表示地塊面積。

1.2.2 室外通風(fēng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

室外通風(fēng)主要體現(xiàn)在空氣流速和風(fēng)環(huán)境舒適度上，可分解為區(qū)域總體風(fēng)速、近地面風(fēng)速與風(fēng)速離散度三個(gè)核心指標(biāo)。該三項(xiàng)風(fēng)環(huán)境指標(biāo)可以分別用迎風(fēng)面積比、迎風(fēng)面積密度與建筑高度三項(xiàng)空間形態(tài)指標(biāo)反映。

第一，迎風(fēng)面積比。迎風(fēng)面積比對(duì)城市區(qū)域總體風(fēng)速具有決定性的影響[8,14,19]。該指標(biāo)越大，地塊內(nèi)建筑群對(duì)空氣流動(dòng)的減速作用越明顯，污染物及病菌等越難以隨風(fēng)擴(kuò)散到城市以外。該指標(biāo)計(jì)算方法如公式（3）所示，λf(θ)代表地塊迎風(fēng)面積比，AF代表地塊所有建筑在與風(fēng)向呈角度的迎風(fēng)面上形成的投影面輪廓的面積，TX代表地塊總面積。

第二，迎風(fēng)面積密度。迎風(fēng)面積密度對(duì)近地面風(fēng)速具有決定性的影響[8,20-21]，該指標(biāo)越大近地面風(fēng)速越低，越不利于污染物在近地面行人活動(dòng)密集區(qū)的擴(kuò)散，同時(shí)不利于夏季室外舒適性，但可以增強(qiáng)冬季室外舒適性。其計(jì)算方法如公式（2）所示。λf(Z,θ) 代表迎風(fēng)面積密度；A(θ)proj(?z)表示在距地面高度Z范圍內(nèi)（本文取15 m）建筑在垂直于風(fēng)向θ的迎風(fēng)面上形成的投影面的面積；AT表示地塊面積。地塊總體的FAD指標(biāo)即為地塊內(nèi)所有建筑的FAD相加。根據(jù)天津市氣候條件，研究區(qū)域夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南偏東（ESE）、冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅保∟W）、春季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂掀鳎⊿WW）。迎風(fēng)面積比及迎風(fēng)面積密度兩指標(biāo)將綜合三個(gè)季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向，更加準(zhǔn)確的評(píng)判地塊在一整年中的通風(fēng)效果。

第三，建筑高度。高大的建筑會(huì)帶來(lái)建筑轉(zhuǎn)角處近地面風(fēng)速的提高，但同時(shí)會(huì)在建筑背風(fēng)面形成風(fēng)影區(qū)，使高風(fēng)速與低風(fēng)速的區(qū)域共存，稱為風(fēng)離散現(xiàn)象[21-24]。風(fēng)離散現(xiàn)象會(huì)造成近地面風(fēng)速突變，不利于人體舒適，降低人在室外活動(dòng)的意愿。因此，可以用平均建筑高度指標(biāo)來(lái)反映近地面的風(fēng)速離散現(xiàn)象，高度越高風(fēng)離散現(xiàn)象越明顯，風(fēng)環(huán)境越惡劣。建筑高度的計(jì)算方法為地塊內(nèi)所有建筑高度的平均值。

1.2.3 人群聚集指標(biāo)

上述通風(fēng)指標(biāo)僅考慮了空氣自身流動(dòng)，而一定區(qū)域內(nèi)的人群密度也決定了被污染空氣的傳播危險(xiǎn)程度。因此必須考慮地塊開發(fā)強(qiáng)度及用地性質(zhì)對(duì)室內(nèi)外人群密度的影響，才能更全面的評(píng)價(jià)通風(fēng)效能。我們將居住功能人均面積定為35 m2/人[25-26]，將商業(yè)功能人均面積定為10 m2/人[27-28]，將辦公功能人均面積定為10 m2/人。對(duì)于住宅與辦公混合的商住樓、醫(yī)療及教育建筑，目前尚無(wú)人均面積的研究。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，商住樓的人均面積取住宅與辦公功能的平均值25 m2/人，醫(yī)療建筑人均面積取15 m2/人，教育建筑人均面積取6 m2/人。該人均面積屬于與既有研究基于手機(jī)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)，分析出人群密度與容積率基本呈正比，且周末與工作日的人群在商業(yè)與辦公區(qū)域高度集中，其人群密度遠(yuǎn)高于居住區(qū)域的結(jié)論基本符合[29-31]。

據(jù)此，以下指標(biāo)被選取為人均通風(fēng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。第一，單位建筑面積人群密度（人/萬(wàn)平方米）：該指標(biāo)為室內(nèi)通風(fēng)效能指標(biāo)，反映單位建筑面積內(nèi)的人群聚集度，該指標(biāo)高則室內(nèi)被污染空氣的傳播能力強(qiáng)，計(jì)算方法為地塊總?cè)藬?shù)與地塊總建筑面積之比。第二，單位建筑占地面積人群密度（人/萬(wàn)平方米）：該指標(biāo)為室內(nèi)通風(fēng)效能指標(biāo)，反映建筑內(nèi)垂直方向的交通及管井使用壓力。該指標(biāo)越大，建筑垂直交通負(fù)荷越大，人易于集中在樓梯、電梯內(nèi)；且各種豎向風(fēng)道、天井內(nèi)的空氣被污染而垂直傳播的可能性越大，計(jì)算方法為地塊總?cè)藬?shù)與建筑占地面積之比。第三，單位開放空間人群密度（人/萬(wàn)平方米）：該指標(biāo)為室外通風(fēng)效能指標(biāo)，反映建筑外部空間的人群密度，該指標(biāo)越大，則室外被污染的空氣越容易使人的健康受到威脅，計(jì)算方法為地塊總?cè)藬?shù)與地塊開放空間面積之比。地塊總?cè)藬?shù)計(jì)算方法如式（5），P為地塊總?cè)藬?shù)，S為單一功能的總建筑面積，D為單一功能的人均面積，n為功能的種類，累計(jì)計(jì)算住宅、商住、商業(yè)、辦公、醫(yī)療、教育及其他。建筑空置率問題并非本文的研究重點(diǎn)而不做考慮。

1.3 指標(biāo)的適用性分析

只有當(dāng)各影響通風(fēng)效能的空間形態(tài)指標(biāo)在各地塊間具有顯著差異時(shí)，才能證明其適合于研究區(qū)域各地塊的通風(fēng)效能評(píng)價(jià)。因此，本文按照常規(guī)開發(fā)模式將地塊分為：多層居住、高層居住、綜合體與集中商業(yè)、街區(qū)式商業(yè)及混合式五類，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析。結(jié)果顯示八項(xiàng)指標(biāo)在五種開發(fā)模式組間總體差異顯著（Sig.<0.05），表明選取的指標(biāo)可以用來(lái)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)各地塊進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.4 評(píng)分方法

綜上所述，本研究設(shè)定了八項(xiàng)通風(fēng)效能評(píng)價(jià)指標(biāo)。設(shè)置每種指標(biāo)的最低分為1，最高分為6，將各指標(biāo)的得分相加得到地塊綜合通風(fēng)效能得分。需要說(shuō)明的是，由于天津?qū)俸錃夂騾^(qū)，結(jié)合夏季、冬季及過渡季節(jié)綜合考慮，迎風(fēng)面積密度過高或過低均不利于人體舒適，但風(fēng)速過低同時(shí)造成污染物不易擴(kuò)散，因此該指標(biāo)以適中為最高分6分，而過高得3分，過低得4分。評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)分方法見表1。

表1 各通風(fēng)效能指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 the indicators and scoring standard for ventilation efficiency

2 結(jié)果與分析

2.1 空間形態(tài)指標(biāo)與通風(fēng)效能的關(guān)系

將各地塊衛(wèi)星影像圖經(jīng)AutoCAD軟件進(jìn)行建筑輪廓描繪，使用Rhino及Grasshopper軟件建立三維模型提取空間形態(tài)指標(biāo)，使用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖2為各地塊單項(xiàng)得分分布情況，圖3為各地塊綜合得分分布情況。各地塊間的綜合通風(fēng)效能差距較大，總得分介于16—45分，未呈現(xiàn)出明顯的地理分布規(guī)律。

圖2 各地塊單項(xiàng)評(píng)價(jià)得分分布圖Fig.2 the individual evaluating indicator score of each plot

圖3 各地塊總得分分布圖Fig.3 the overall score of each plot

將通風(fēng)效能指標(biāo)與容積率、建筑密度和地塊平均高度三項(xiàng)常用規(guī)劃設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，其散點(diǎn)圖如圖4所示。由A-1，A-2，A-3可見，迎風(fēng)面積比與容積率及建筑高度均呈顯著正相關(guān)，通過回歸分析發(fā)現(xiàn)容積率在其中起主導(dǎo)作用；由B-1，B-2，B-3可見，迎風(fēng)面積密度與地塊建筑密度顯著正相關(guān)；由E-1，E-2，E-3可見，單位建筑占地人群密度與容積率及平均建筑高度均呈現(xiàn)正相關(guān)，通過回歸分析發(fā)現(xiàn)二者起到共同影響；由F-1，F(xiàn)-2，F(xiàn)-3可見，單位開放空間人群密度與容積率及建筑密度均呈現(xiàn)正相關(guān)，回歸分析發(fā)現(xiàn)二者起到共同影響；由G-1，G-2，G-3可見，建筑高度與容積率顯著正相關(guān)，建筑密度與容積率之間相關(guān)關(guān)系不明顯。然而并非所有通風(fēng)指標(biāo)均與規(guī)劃指標(biāo)具有相關(guān)關(guān)系。由C與D系列散點(diǎn)圖可見，體型系數(shù)與三項(xiàng)規(guī)劃指標(biāo)均無(wú)相關(guān)關(guān)系，單位建筑面積人群密度僅與建筑密度呈弱相關(guān)。由此可見，體形系數(shù)需要作為一個(gè)單獨(dú)的形態(tài)指標(biāo)存在。單位建筑面積人群密度則主要與地塊中各功能的配置比例有關(guān)，與空間形態(tài)及開發(fā)強(qiáng)度關(guān)系不大。

圖4 三項(xiàng)規(guī)劃指標(biāo)與各通風(fēng)效能指標(biāo)相關(guān)關(guān)系，灰色代表相關(guān)關(guān)系不顯著Fig.4 the correlation between three planning indicators and each ventilation efficiency indicators, grey represents no significant correlations

將容積率與各地塊總得分、室外總得分及室內(nèi)總得分之間進(jìn)行相關(guān)性分析，散點(diǎn)圖如圖5所示，通過線性回歸分析，可知容積率與地塊總得分呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.554，顯著性<0.01），其中容積率與室外總得分的負(fù)相關(guān)關(guān)系非常密切（R2=0.801，顯著性<0.01），而與室內(nèi)總得分僅呈現(xiàn)弱相關(guān)關(guān)系（R2=0.202，顯著性<0.01）?？梢娙莘e率對(duì)地塊的總體通風(fēng)效能影響主要體現(xiàn)在室外通風(fēng)，對(duì)室內(nèi)通風(fēng)的影響有限。

圖5 容積率與總得分積室內(nèi)外得分相關(guān)關(guān)系Fig.5 the correlation between FAR and overall indoor/outdoor scores

2.2 開發(fā)模式與通風(fēng)效能的關(guān)系

由于指標(biāo)較為抽象，將地塊開發(fā)模式與通風(fēng)效能間建立聯(lián)系能夠更直觀的指導(dǎo)規(guī)劃實(shí)踐。本文按照常規(guī)開發(fā)模式將地塊分為：多層居住區(qū)、高層居住區(qū)、綜合體及集中式商業(yè)、街區(qū)式商業(yè)、及混合式五類，分別統(tǒng)計(jì)其容積率及通風(fēng)效能指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。由此可知：綜合體類開發(fā)模式容積率高、通風(fēng)效能最差；多層住宅的通風(fēng)效能最佳，高層住宅雖然容積率較高，但其綜合通風(fēng)效能仍較好；在同為人群密度較高的商業(yè)地塊中，街區(qū)式商業(yè)的通風(fēng)效能遠(yuǎn)優(yōu)于集中商業(yè)，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在室內(nèi)通風(fēng)上；混合式得分居中，意味著其混合的功能配比與空間形態(tài)使各地塊總體通風(fēng)效能產(chǎn)生均衡。

表2 各開發(fā)模式的通風(fēng)效能室內(nèi)外及綜合得分情況表Tab.2 the individual indicator score and overall score of each urban development mode

得分低于25分與高于36分的地塊分布情況如圖6所示，幾乎所有低得分地塊均分布著高層辦公與大底盤商業(yè)建筑組合而成的綜合體類建筑。除綠地及待開發(fā)地塊外，高得分地塊均以居住功能為主，多數(shù)為多層住宅，少數(shù)為高層住宅。結(jié)論與上一段開發(fā)模式的分析吻合。

圖6 低得分地塊（a、b、c）與高得分地塊（d、e、f）Fig.6 plots with low score (a, b, c) and high score (d, e, f)

3.3 室外風(fēng)環(huán)境CFD模擬

為驗(yàn)證本文設(shè)定的通風(fēng)效能是否合理，采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamic）模擬驗(yàn)證局部地段室外各高度處風(fēng)速及近地面風(fēng)速離散度與空間形態(tài)的關(guān)系。模擬采用微氣候研究中常用的Phoenics軟件，選用k-ε湍流模型，模擬初始參數(shù)見表3。模擬區(qū)域包含綜合體、街區(qū)商業(yè)、高層及多層住宅多個(gè)空間形態(tài)模式，能夠代表研究中的典型街區(qū)特征。

表3 模擬邊界條件及輸入?yún)?shù)Tab.3 boundary condition and input parameters of simulation

圖7為模擬區(qū)域各高度處風(fēng)速分布情況。在1.5 m高度處，左下方多層居住區(qū)內(nèi)近地面風(fēng)速較低；左上方綜合體建筑由于將來(lái)風(fēng)遮擋，導(dǎo)致后方高層居住區(qū)內(nèi)的風(fēng)速較低；右上方綜合體建筑在高層辦公樓附近形成了強(qiáng)大的風(fēng)渦旋區(qū)和靜風(fēng)區(qū)。在25 m及50 m高度處，多層居住區(qū)對(duì)風(fēng)速減慢作用已經(jīng)減弱，但高層居住區(qū)及綜合體仍然由于較高的迎風(fēng)面積比而減慢了局部風(fēng)速，特別是右上方綜合體建筑的巨大體量的高層辦公樓，對(duì)風(fēng)的拖拽作用極大。

圖7 模擬區(qū)域不同高度的風(fēng)速模擬分布圖Fig.7 simulated wind speed distribution on different heights

將模型局部調(diào)整后再次模擬，以驗(yàn)證調(diào)整方案是否優(yōu)化了室外通風(fēng)。調(diào)整包括：第一，將路口西北側(cè)的大型綜合體分解為更小的體量，形成街區(qū)式的布局；第二，將路口東北側(cè)的兩棟150 m高塔樓分解為四棟80 m高塔樓；第三，將路口西南側(cè)多層居住區(qū)的兩棟6層板式住宅替換為兩棟18層塔式住宅，如圖8所示。調(diào)整后的布局在各高度處風(fēng)速狀況見圖9。可見將集中式商業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榻謪^(qū)式布局后，背風(fēng)側(cè)的居住區(qū)內(nèi)部近地面風(fēng)速明顯提升；將高層辦公塔樓拆解為更小體量后，近地面風(fēng)渦旋減小，高空處的風(fēng)影區(qū)明顯減小，使區(qū)域通風(fēng)增強(qiáng)；將密集的多層住宅區(qū)局部替換為塔式住宅后，周邊近地面風(fēng)速有所提高，增加了室外風(fēng)環(huán)境的舒適度。

圖8 建筑物布局的調(diào)整方法示意，商業(yè)綜合體、高層辦公及多層居住Fig.8 examples of building layout adjustment, commercial complex , high-rise office tower and multi-story residential area

圖9 改變局部空間形態(tài)后不同高度處的風(fēng)速分布圖Fig.9 simulated wind speed distribution on different heights after the adjustment of building layout

3 討論與結(jié)論

由于城市室內(nèi)外通風(fēng)涉及諸多方面，找到一種各方面都具備極佳通風(fēng)效能的理想空間形態(tài)是不切實(shí)際的。目前對(duì)城市通風(fēng)的研究雖各有側(cè)重點(diǎn)，但尚未有將各種通風(fēng)指標(biāo)相結(jié)合，綜合判斷建筑群或區(qū)域內(nèi)整體通風(fēng)效能的方法。本文以公共健康為出發(fā)點(diǎn)，將迎風(fēng)面積比、迎風(fēng)面積密度、建筑高度、建筑密度、體形系數(shù)、單位建筑面積人數(shù)、單位建筑占地面積人數(shù)及單位開放空間人數(shù)八項(xiàng)指標(biāo)相結(jié)合，初步建立了一種城市街區(qū)尺度對(duì)室內(nèi)外綜合通風(fēng)效能的評(píng)價(jià)方法。該方法使城市規(guī)劃及城市設(shè)計(jì)能夠定量化的與公共健康相結(jié)合，既可以發(fā)現(xiàn)已建成街區(qū)存在的通風(fēng)問題，提出具有針對(duì)性的改善方法；又可以為初期的空間形態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作進(jìn)行方向判斷。

3.1 各通風(fēng)效能指標(biāo)的規(guī)劃適用性分析

容積率對(duì)地塊綜合通風(fēng)效能起主導(dǎo)影響，在城市開發(fā)的早期階段應(yīng)首要考慮。其與總體通風(fēng)效能呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與影響城市區(qū)域風(fēng)速的最重要指標(biāo)迎風(fēng)面積比相關(guān)性也極高，決定了城市區(qū)域總體的通風(fēng)情況，并可以起到判斷城市通風(fēng)廊道的作用。中國(guó)的大城市相對(duì)于世界其他地區(qū)城市具有較高的開發(fā)強(qiáng)度，這誠(chéng)然在一定程度上起到了節(jié)約土地、控制城市蔓延的作用。但高容積率使通風(fēng)效能降低，不利于公共健康與人體舒適，使公共衛(wèi)生突發(fā)事件時(shí)的傳染危險(xiǎn)程度提高。這并不代表我們支持一個(gè)低密度的可能造成蔓延風(fēng)險(xiǎn)的城市形態(tài)，但在規(guī)劃建設(shè)中需要權(quán)衡高強(qiáng)度開發(fā)帶來(lái)的利弊，以做出更加合理的選擇。

但容積率并未與各項(xiàng)通風(fēng)指標(biāo)具有相關(guān)性，因此在更加詳細(xì)的規(guī)劃階段，需要使用更加細(xì)化的通風(fēng)指標(biāo)對(duì)規(guī)劃進(jìn)行控制。通過相關(guān)性分析可以發(fā)現(xiàn)，建筑密度與建筑高度兩項(xiàng)城市規(guī)劃與城市設(shè)計(jì)中的常用指標(biāo)，也可以作為優(yōu)化城市通風(fēng)的核心指標(biāo)。較高的建筑密度會(huì)造成室外空氣流速的下降、室外人群密度的提升以及風(fēng)壓差的降低；較高的建筑高度不僅會(huì)造成室外風(fēng)環(huán)境舒適性的下降，也會(huì)造成建筑垂直方向通風(fēng)壓力的提高。因此在控制性規(guī)劃或城市設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際氣候情況，對(duì)建筑密度或建筑高度進(jìn)行控制，減少過高建筑密度或過高建筑高度地塊的出現(xiàn)。

迎風(fēng)面積比與迎風(fēng)面積密度兩項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算均涉及到建筑朝向與風(fēng)向夾角，因此在規(guī)劃的早期階段計(jì)算較為不便。由于該兩項(xiàng)指標(biāo)分別與容積率及建筑密度顯著正相關(guān)，因此在早期規(guī)劃階段可以使用容積率與建筑密度指標(biāo)代替該兩項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)地塊總體風(fēng)速與近地面風(fēng)速做出大致的調(diào)控。但在街區(qū)尺度的詳細(xì)城市設(shè)計(jì)或建筑設(shè)計(jì)階段，仍然需要重點(diǎn)考慮建筑朝向?qū)κ彝怙L(fēng)速的影響。這點(diǎn)對(duì)于大多數(shù)呈現(xiàn)南北向條形布局的居住建筑尤為重要。即使在容積率與建筑密度相同的情況下，建筑朝向的改變也會(huì)顯著的影響各季節(jié)的室外風(fēng)環(huán)境。在需要通風(fēng)的情況下，使建筑長(zhǎng)軸與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角減?。辉谛枰里L(fēng)的情況下則將夾角增大。

影響室內(nèi)通風(fēng)的體形系數(shù)及單位建筑面積人群密度與三項(xiàng)空間形態(tài)指標(biāo)相關(guān)性均不明顯，其原因如下。首先，體形系數(shù)是建筑自身形態(tài)指標(biāo)，地塊面積并未納入計(jì)算，因此即使在相同規(guī)模用地上建筑面積、建筑密度或建筑高度指標(biāo)相近的建筑群，也可能因不同造型而導(dǎo)致體形系數(shù)間存在差異。在現(xiàn)有規(guī)劃方法中，并未將處于建筑設(shè)計(jì)層面的體形系數(shù)納入到指標(biāo)控制中，其一般僅作為優(yōu)化建筑節(jié)能的方法。但本文認(rèn)為，由于體形系數(shù)與室內(nèi)通風(fēng)關(guān)系密切，可以在詳細(xì)規(guī)劃階段將其作為控制地塊總體通風(fēng)效能的一項(xiàng)指標(biāo)，在滿足節(jié)能要求的同時(shí)，盡可能的增大體形系數(shù)。其次，單位建筑面積人群密度也是建筑自身指標(biāo)，主要與地塊功能配比相關(guān)，人均面積較小的功能（商業(yè)、辦公）必然使建筑內(nèi)人群密度提升，這點(diǎn)會(huì)在下一小節(jié)詳細(xì)論述。

3.2 不同開發(fā)模式的通風(fēng)效能分析

本文劃分的五種開發(fā)模式間綜合通風(fēng)效能差異極大，可見開發(fā)模式顯著影響了地塊的綜合通風(fēng)。根據(jù)八項(xiàng)通風(fēng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以判斷各模式面對(duì)著不同的通風(fēng)問題（表2）。多層居住區(qū)雖然擁有最佳的綜合通風(fēng)效能，但由于建筑間距較小及相互遮擋較多，其主要問題是迎風(fēng)面積密度過高使近地面風(fēng)速較低。這可以通過在局部設(shè)置高層塔式住宅的手段，或使建筑長(zhǎng)軸盡可能平行于夏季主導(dǎo)風(fēng)向，來(lái)降低迎風(fēng)面積密度提高近地面風(fēng)速。高層居住區(qū)由于高大且稀疏的塔樓布局，主要問題是近地面風(fēng)速離散度大造成室外風(fēng)環(huán)境不舒適，該問題可以通過設(shè)置裙房，使高層建筑與人行區(qū)域有一定的緩沖空間來(lái)解決。城市中心區(qū)密集分布的超高層辦公或商住建筑由于其巨大的體量，對(duì)區(qū)域風(fēng)速的減慢作用十分明顯，建議通過將超高層建筑分解為相對(duì)體量較小的高層建筑，減小其迎風(fēng)面積比，增進(jìn)城市區(qū)域整體通風(fēng)。街區(qū)式商業(yè)建筑密度較高，加之商業(yè)建筑本身人群密度較高，使室內(nèi)由于風(fēng)壓差較小而通風(fēng)不暢。因此對(duì)于街區(qū)式商業(yè)，可以在適當(dāng)位置布置適量的高層建筑，并通過在街區(qū)內(nèi)部設(shè)置開放空間的方法，減小建筑密度，提升通風(fēng)效能。

為節(jié)約土地，目前中國(guó)的城市建設(shè)傾向于使用由大體量商業(yè)建筑組合高層辦公、商住樓的綜合體模式。該類模式商業(yè)裙房占地面積巨大，且由于功能限制，其體形系數(shù)相對(duì)很小，使內(nèi)部高度依賴機(jī)械通風(fēng)，并將大量人群聚集于室內(nèi)；由于在小范圍內(nèi)集中了數(shù)棟高層塔樓，單位建筑占地面積上聚集了大量人群，使空氣質(zhì)量變差，同時(shí)帶來(lái)了高迎風(fēng)面積比和高風(fēng)速離散度。這些共同造成了其極低的綜合通風(fēng)效能，成為空氣健康高危區(qū)域的同時(shí)，對(duì)城市整體和近地面風(fēng)環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響。因此應(yīng)盡可能避免采用綜合體式的城市開發(fā)模式，以其他模式取代之。

三項(xiàng)人群密度指標(biāo)除被空間形態(tài)影響外，均與地塊的功能配置相關(guān)，高人群密度功能的占比過高勢(shì)必導(dǎo)致通風(fēng)效能的降低。而將高人群密度與低人群密度功能適當(dāng)混合，則能夠降低地塊的通風(fēng)壓力，是改善街區(qū)總體通風(fēng)效能的有段之一。因此，建議將人群密度較高的商業(yè)和辦公功能平均分布至通風(fēng)效能較高的多層或高層住宅中，以底商或混合布局的形式出現(xiàn)，以達(dá)成地塊間通風(fēng)效能的平衡。在純商業(yè)地塊，建議更多的發(fā)展街區(qū)式布局，化解大體量建筑因體形系數(shù)過小而通風(fēng)不暢的問題，并通過將商業(yè)活動(dòng)由室內(nèi)轉(zhuǎn)向室外，減少人群大量室內(nèi)聚集帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)。誠(chéng)然街區(qū)式商業(yè)在寒冷地區(qū)冬季的舒適性不如室內(nèi)商業(yè)，但若迎風(fēng)面積密度控制得當(dāng)，并在人行集中區(qū)域?qū)⒏邔咏ㄖO(shè)置群房，其近地面風(fēng)環(huán)境就可以得到優(yōu)化，使室外舒適度提升，進(jìn)而鼓勵(lì)人們?cè)谑彝膺M(jìn)行商業(yè)與休閑活動(dòng)。以上兩點(diǎn)對(duì)功能混合和小尺度街區(qū)商業(yè)的建議，在帶來(lái)一個(gè)更加健康的城市空間的同時(shí)，也同時(shí)為創(chuàng)造一個(gè)更具活力、更具人性尺度的城市空間提供了支持。

3.3 結(jié)論及展望

本研究結(jié)合八項(xiàng)室內(nèi)外通風(fēng)效能指標(biāo)，構(gòu)想了一種城市街區(qū)綜合通風(fēng)效能的評(píng)價(jià)方法，對(duì)街區(qū)存在的室內(nèi)外通風(fēng)問題進(jìn)行判斷。通過對(duì)各項(xiàng)通風(fēng)指標(biāo)的控制，能夠幫助規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐進(jìn)行方向判斷，為健康城市的塑造提供了定量化的理論支持。研究發(fā)現(xiàn)容積率與總體通風(fēng)效能存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在總體規(guī)劃階段需著重考慮。但在更詳細(xì)的規(guī)劃階段，需要采用更加細(xì)化的指標(biāo)，對(duì)地塊的通風(fēng)效能進(jìn)行優(yōu)化。此外，各種開發(fā)模式的總體通風(fēng)效能差異很大，其存在的問題各不相同。各種開發(fā)模式可以通過對(duì)某一項(xiàng)或多項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)化，起到增強(qiáng)總體通風(fēng)效能的目的。綜合體模式無(wú)論室外或室內(nèi)通風(fēng)效能都較差，建議在城市開發(fā)中盡量避免使用該模式，以住宅底商或街區(qū)商業(yè)取而代之。地塊功能配比也影響了街區(qū)通風(fēng)效能，本文建議采用混合功能的街區(qū)，以緩解商業(yè)地塊人群密度過高帶來(lái)的空氣健康問題。

本文初步構(gòu)建的綜合通風(fēng)效能評(píng)價(jià)方法為城市綜合通風(fēng)評(píng)價(jià)建立了初步框架，但還有許多待完善之處。首先，對(duì)于不同氣候區(qū)，其室內(nèi)外通風(fēng)需求有所區(qū)別，需要根據(jù)當(dāng)?shù)匦枨笳{(diào)整指標(biāo)的得分；其次，由于各指標(biāo)對(duì)于通風(fēng)效能的貢獻(xiàn)可能并不相同，該方法仍需要將各評(píng)價(jià)項(xiàng)之間賦予權(quán)重；最后，該方法需要通過綜合各方面通風(fēng)的研究成果，為各項(xiàng)指標(biāo)在不同的開發(fā)模式中確定推薦值與控制值，以更為有效的指導(dǎo)實(shí)踐。

圖表來(lái)源：

圖1a：天津市規(guī)劃和自然資源局

圖1b、圖2-9：作者繪制

表1-3：作者繪制