建筑布局與夏季舒適度相關(guān)性研究

黃葉梅 HUANG Yemei 彭英子 PENG Yingzi

0 引言

隨著城市建設(shè)加快，產(chǎn)生了許多城市氣候環(huán)境問題，危害人類身心健康和生存環(huán)境。在《倫敦的氣候》一書中首次提出了“城市熱島（Urban Heat Island）”效應(yīng)的理念，從此開啟了城市氣候問題研究[1]。20 世紀以后，城市氣候問題在城市設(shè)計領(lǐng)域受到較多關(guān)注，但在城市規(guī)劃過程中的關(guān)注度相對較少[2-4]。

現(xiàn)今，建筑數(shù)量隨著城市規(guī)模的擴大而增多，在一定程度上阻礙了城市的通風(fēng)，致城市空氣污染和熱島效應(yīng)愈加突出[5-6]，城市氣候問題更明顯。因此，如何規(guī)劃出滿足人們適用性和舒適性的建筑布局形態(tài)顯得極其重要。目前的研究主要集中在單一建筑形態(tài)的通風(fēng)效率、工程實例整體風(fēng)熱環(huán)境和指定類型建筑布局形態(tài)的風(fēng)熱環(huán)境舒適度這三方面[7-11]。K Steemers等[7]研究了6 個不同建筑高度與寬度，但容積率一定的建筑組合通風(fēng)效率，指出通風(fēng)效率最好的是板式建筑組合，最差的是院落式和聯(lián)排式建筑組合。黃怡等[8]對昆明某住區(qū)行列式和圍合式建筑布局的風(fēng)熱環(huán)境舒適度進行整體研究，指出行列式和圍合式結(jié)合的風(fēng)熱環(huán)境較好。胡一東等[9]研究了上海地區(qū)行列式、點式、圍合式三種建筑布局形式對風(fēng)環(huán)境的影響，指出點式通風(fēng)最佳，依次是行列式、圍合式。王珍吾等[10]研究了行列式、錯開式、斜列式和周邊式建筑布局的風(fēng)環(huán)境舒適度，指出行列式、錯開式和斜列式的建筑布局風(fēng)環(huán)境較好。Bo Hong等[11]研究了不同建筑布局形態(tài)對熱島效應(yīng)的影響，指出合理的建筑布局是提高風(fēng)熱環(huán)境舒適度的主要手段之一。

然而，以上關(guān)于建筑布局風(fēng)熱環(huán)境的研究中，多種建筑布局形態(tài)影響人體舒適度的研究較少，建筑布局形態(tài)的確定存在一定的偶然性，很難得出不同建筑布局形態(tài)的對比規(guī)律。此外，目前建筑布局的三類典型形態(tài)中一般只研究了其中的一種，而實際上三類典型形態(tài)中有10 種常見基本形態(tài)[8,9,10,12]，另外7 種形態(tài)對人體舒適度的影響還有待研究。

本文以多種建筑布局形態(tài)舒適性為研究對象，通過對三類典型形態(tài)中的10 種常見基本形態(tài)理想模型的構(gòu)建，采用城市微氣候仿真模擬軟件ENVI-met4.0 進行定量模擬。以期為規(guī)劃出滿足人們適用性和舒適性的建筑布局形態(tài)，構(gòu)建宜居城市提供參考借鑒。

1 概況

1.1 建筑布局平面形態(tài)

從目前研究成果可知[8,9,10,12]，建筑布局平面形態(tài)最典型的是行列式、圍合式和點式（圖1）。

圖1 建筑布局三類典型形態(tài)示意圖

1.2 理想模型

由于建筑設(shè)計的相關(guān)規(guī)范[13-15]對建筑間的日照間距及防火間距等做了明確的確定，且容積率[16]一定時，不同的建筑布局形式會影響建筑外風(fēng)熱環(huán)境舒適度。故本文以滿足日照間距、防火間距及容積率等參數(shù)為前提，研究理想模型設(shè)定如下：三類典型形態(tài)中的10 種常見建筑布局基本形態(tài)為行列式（建筑錯開式1、建筑錯開式2、單元錯開式1、單元錯開式2、）、圍合式（全圍合式、半圍合式1、半圍合式2、半圍合式3）和點式（規(guī)整式、自由式）（圖1）。地塊尺寸長×寬為226 m×168 m，容積率均控制為2.0，模型各參數(shù)詳見表1。模型內(nèi)鋪裝材質(zhì)相同，根據(jù)模型實際與城市設(shè)計理論戶外空間類型，在模型內(nèi)公共空間、半公共空間均勻布置6 個傳感器（R1-R6），通過這6 個傳感器的各項數(shù)據(jù)（如溫度、風(fēng)速和濕度）來計算舒適度指數(shù)，進而對不同建筑布局形態(tài)的舒適度進行評價。模型位于廣州肇慶，地理位置東經(jīng)111°20′～112°52′，北緯22°45′～24°24′，研究采用聯(lián)合國環(huán)發(fā)署的SWERA（Solar and Wind Energy Resource Assessment Program）氣象數(shù)據(jù)作為對場地模擬分析數(shù)據(jù)庫。模擬日期為典型氣象日2015 年6 月22 日，模型設(shè)置開始時間凌晨5:00，初始溫度為26.5℃，高度10 m 處風(fēng)速為3 m/s，風(fēng)向為西北向135°，相對濕度為85%，總模擬時長24 h。

表1 模型參數(shù)設(shè)置一覽表

1.3 建筑布局室外人體舒適性的評價指標

人體舒適度指數(shù)[17-20]是從氣象角度來評價在不同氣候條件下人體的舒適感，根據(jù)人體與大氣環(huán)境之間的熱交換而制定的人體舒適度指數(shù)分級（表2）。

表2 人體舒適度指數(shù)分級[21]

人體的熱平衡機能、體溫調(diào)節(jié)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、消化器官等人體的生理功能，受到空氣溫度、濕度、氣壓、光照、風(fēng)速等多種氣象要素的綜合影響。一般而言，氣溫、相對濕度、風(fēng)速這三個氣象要素對人體感覺影響最大，人體舒適度指數(shù)就是根據(jù)這三項要素而建成的非線性方程。人體舒適度指數(shù)計算公式為：

其中Ssd為人體舒適度指數(shù)，t為平均氣溫（℃），f為相對濕度（%），v為風(fēng)速（m/s）。

2 結(jié)果與討論

2.1 舒適度比較分析

對不同建筑布局形態(tài)的舒適度進行比較分析，其分析的時間點分別為6:00、10:00、14:00 及18:00（圖2）。

由圖2a 可知，6:00 在不同建筑布局中，感應(yīng)器的舒適度指數(shù)大多在59.39～67.99 之間，處于人體舒適度的0 級，人體感覺最為舒適，最可接受，只有圍合形態(tài)中部分感應(yīng)器在56.55～58.3 之間，處于人體舒適度的-1 級，人體感覺略偏涼，較為舒適。行列式、圍合式和點式這三類建筑布局形態(tài)中，感應(yīng)器的舒適度指數(shù)范圍分別是59.39～65.00、56.55～67.99、60.66～63.81。大部分情況下，行列式和點式布局舒適性較好，圍合式舒適性相對較差。

由圖2b 可知，10:00 在不同建筑布局中，感應(yīng)器的舒適度指數(shù)大部分在71.02～74.98 之間，處于人體舒適度的1 級，出現(xiàn)人體感覺偏暖的狀態(tài)，但較為舒適。少部分舒適度指數(shù)范圍在66.78～69.36 之間，處于人體舒適度0 級，人體感覺最為舒適，最可接受。極少部分舒適度指數(shù)范圍在76.02～78.78 之間，處于人體舒適度2 級，人體感覺不舒適，應(yīng)注意防暑降溫。行列式、圍合式和點式這三類建筑布局形態(tài)中，感應(yīng)器的舒適度指數(shù)范圍分別是69.81～72.89、68.85～76.02、67.71～69.32。點式布局較為舒適，其次是行列式，圍合式相對較差。

圖2 不同建筑布局形態(tài)人體舒適度

由圖2c 可知，14:00 在不同建筑布局中，感應(yīng)器的舒適度指數(shù)主要集中在70.15～75.84 及76.15～79.96之間，分別處于人體舒適度的1、2 級，人體感覺分別為舒適與不舒適，對于不舒適的情況則應(yīng)注意防暑降溫。少部分舒適度指數(shù)在79.08～90.65 之 間，處于 人體舒適度的3、4 級，極不舒適，應(yīng)注意防暑降溫，以防中暑。行列式、圍合式和點式這三類建筑布局形態(tài)中，感應(yīng)器的舒適度指數(shù)范圍分別是73.30～79.08、72.62～90.65、69.31～73.49。點式布局較為舒適，其次是行列式，圍合式相對較差。

由圖2d可知，18:00在不同建筑布局中，感應(yīng)器的舒適度指數(shù)主要集中在64.47～69.86 及71.04～75.31 之間，分別處于人體舒適度的0、1 級，人體感覺分別是最為舒適與較舒適。少部分舒適度指數(shù)在76.36～83.00 之間，處于人體舒適度的2、3 級，人體感覺炎熱，不舒適，應(yīng)注意防暑降溫。行列式、圍合式和點式這三類建筑布局形態(tài)中，感應(yīng)器的舒適度指數(shù)范圍分別是69.81～74.82、67.59～83.71、64.47～70.52。故點式布局整體舒適性優(yōu)于行列式，圍合式相對較差。

顯然，由模擬結(jié)果分析得出，大部分情況下，不同建筑布局的整體舒適性較好，而在14:00，人體舒適度指數(shù)大多為2 級，處于不舒適狀態(tài)。因此，這一時間點的數(shù)據(jù)將被用來分析和比較不同建筑布局的舒適性，以確定相對較舒適的建筑布局形態(tài)。

2.2 模擬結(jié)果比較分析

對14:00 三類10 種建筑布局的溫度、風(fēng)速與濕度模擬結(jié)果進行分析（圖3～5）。

圖3 14:00 不同建筑形態(tài)1.5 m 高度處的溫度模擬結(jié)果圖

圖3 是14:00 不同建筑的溫度模擬結(jié)果圖。由圖3 可知，不同建筑布局的溫度在28.1～37.78℃之間，高于30.90℃為不可接受的溫度[22]，即為高溫區(qū)。建筑點式布局中的最高溫度比其它布局的最高溫度低3.11℃～8.34℃，且無高溫區(qū)；大部分情況下，建筑圍合式布局的最高溫度比其他布局形式的最高溫度高5.03～8.34℃，且高溫區(qū)面積相對較多；建筑行列式布局的整體溫度介于點式與圍合式之間，但單元錯開式1、單元錯開式2 的最高溫度比圍合式中的全圍合式、半圍合式1 的最高溫度高1.64℃，且高溫區(qū)面積較多。

圖4 是14:00 在不同建筑的風(fēng)速模擬結(jié)果圖。由圖4 可知，不同建筑的風(fēng)速在0.01～5.77 m/s 之間。建筑點式布局的整體風(fēng)速比其他布局形態(tài)的整體風(fēng)速高1.13～1.49 m/s，且風(fēng)速高于1.40 m/s 的面積相對較多；圍合式布局的高風(fēng)速區(qū)面積比行列式布局的高風(fēng)速區(qū)面積多些，但大部分情況下，行列式布局的整體風(fēng)速較圍合式布局的整體風(fēng)速分布更均勻，且單元交錯式1、單元交錯式2的風(fēng)速高于1.40 m/s 的面積，比圍合式中的全圍合式、半圍合式1 的面積多。

圖4 14:00 不同建筑形態(tài)1.5 m 高度處的風(fēng)速模擬結(jié)果圖

圖5 是14:00 在不同建筑的濕度模擬結(jié)果圖。由圖5 可知，不同建筑的濕度范圍是50.05%～75.65%。建筑點式布局的整體濕度比其他布局的最高濕度低5.53%～12.27%。大部分情況下，建筑圍合式布局的最高濕度比其他布局形式的最高濕度高5.53%～6.74%，且濕度大的面積相對較多；建筑行列式布局的整體濕度介于點式與圍合式之間，但行列式中的單元交錯式1、單元交錯式2 的最高濕度區(qū)面積比圍合式中的全圍合式、半圍合式1 的最高濕度區(qū)面積多些。

圖5 14:00 不同建筑形態(tài)1.5 m 高度處的濕度模擬結(jié)果圖

為了進一步分析14:00 在不同建筑布局形態(tài)對人體舒適性的影響，將不同建筑布局形態(tài)人體舒適度指數(shù)列于表3 中。由表3 可知，建筑點式布局中，各感應(yīng)器的舒適度指數(shù)在69.31～73.49 之間，比其它布局形態(tài)的舒適度指數(shù)小1～18，處于人體舒適度指數(shù)的0、1 級，為可接受的舒適狀態(tài)；圍合式布局形態(tài)中，感應(yīng)器的舒適度指數(shù)范圍為72.62～90.65，處于人體舒適度指數(shù)的1～4 級，大多為不可接受的很不舒適狀態(tài)，其中，半圍合式2 感應(yīng)器的舒適度指數(shù)最高，為82.51～90.65，相較其他布局形態(tài)，其舒適性為最不舒適；行列式布局形態(tài)中，感應(yīng)器的舒適度指數(shù)范圍為73.3～79.08，處于人體舒適度指數(shù)的1、2 級，大多為不可接受的不舒適狀態(tài)，且大部分情況下，行列式中的建筑錯開式1、建筑錯開式2 感應(yīng)器的舒適性比圍合布局形態(tài)的舒適性好，其舒適度指數(shù)相對小1～10，但圍合式中的全圍合式、半圍合式1部分公共空間的感應(yīng)器（R2、R4、R6）舒適度指數(shù)，比行列式中的單元錯開式1、單元錯開式2 部分公共空間的感應(yīng)器舒適性好，且其舒適度指數(shù)相對小1～4。故建筑點式布局的舒適性最好，其次為行列式中的建筑錯開式1、建筑錯開式2，最后是圍合式中的全圍合式、半圍合式1，整個研究范圍內(nèi)，行列式布局中的單元錯開式與圍合式布局中的半圍合式3的舒適性比圍合式布局中的半圍合式2 舒適性好。

表3 14:00 不同建筑布局形態(tài)人體舒適度指數(shù)

3 結(jié)語

本文以多種建筑布局形態(tài)的舒適性為研究對象，通過對三類典型形態(tài)中的10 種常見建筑布局基本形態(tài)理想模型的構(gòu)建，采用ENVI-met4.0進行定量模擬，得出以下結(jié)論：①多種建筑布局在6:00 時，舒適度指數(shù)范圍在57～68 之間，即建筑整體舒適性較好，與建筑布局形態(tài)無關(guān)。10:00 和18:00 時，建筑布局舒適度指數(shù)范圍在65～84 之間，點式布局與行列式布局的整體舒適性較好，舒適性最差的是圍合式布局形態(tài)，故人體舒適度與建筑布局形態(tài)有關(guān)。而多種建筑布局在14:00 時，舒適度指數(shù)范圍在70～91 之間，點式布局的整體舒適性較好，行列式與圍合式布局的部分舒適性不好，故人體舒適度與建筑布局形態(tài)有關(guān)。②在14:00 時，不同建筑布局形態(tài)的人體舒適性存在差異。具體情況如下：建筑點式布局（規(guī)整式、自由式）的舒適度指數(shù)相對較小，且在69.31～73.49 之間，其舒適度最好，最可接受；其次為行列式中的建筑錯開式1、建筑錯開式2；最后是圍合式中的全圍合式、半圍合式1。整個研究范圍內(nèi)，行列式布局中的單元錯開式與圍合式布局中的半圍合式3 的舒適度比圍合式布局中的半圍合式2 舒適度好。