考慮步行環(huán)境優(yōu)適原則的局地風(fēng)環(huán)境調(diào)試研究
——以杭州某高校局地建筑群為例

姚欣雨，戴 潔，洪鑫源，何瓏俏，趙一芳，許俊娜

（浙江樹(shù)人學(xué)院，杭州 310015）

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市集聚度與日俱增，建筑的集聚明顯改變了城市的局地風(fēng)環(huán)境。我國(guó)當(dāng)前大部分城市的氣候特征表現(xiàn)為典型的靜風(fēng)狀況，但總有少數(shù)風(fēng)廊會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)或者巨大風(fēng)，這種狀況并不是由于自然大氣環(huán)境的改變而造成的，而是與城市本身建設(shè)狀況密切相關(guān)。Portsmouth市的1位老太太在16層大廈的拐角處被強(qiáng)風(fēng)刮倒，200 m高的京廣中心附近行人屢被大風(fēng)吹倒，還有致使高層玻璃被強(qiáng)風(fēng)破壞而跌落砸到行人的問(wèn)題頻頻出現(xiàn)。由此可見(jiàn)，不合理的城市風(fēng)環(huán)境不僅降低了城市的通風(fēng)與自凈能力，加劇城市空氣污染與熱島效應(yīng)，影響建筑微氣候，而且在超常局地風(fēng)速產(chǎn)生時(shí)，建筑之間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)峽谷風(fēng)，影響行人的舒適與安全。

1 風(fēng)環(huán)境舒適度相關(guān)領(lǐng)域研究

通過(guò)對(duì)風(fēng)環(huán)境相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，目前風(fēng)環(huán)境影響研究在工程學(xué)等領(lǐng)域，已有多位學(xué)者利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）法、風(fēng)洞試驗(yàn)法等對(duì)建筑與風(fēng)環(huán)境相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并取得相關(guān)成就。但在規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域，雖然也有不少學(xué)者提出了以個(gè)案為主的研究，但尚未有系統(tǒng)的成果。在城市微氣候的研究中，我國(guó)起步較晚，其中建筑學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)及風(fēng)景園林這3大學(xué)科更關(guān)注的主要是調(diào)節(jié)微氣候環(huán)境的各種措施，我國(guó)在街區(qū)尺度進(jìn)行城市微氣候的研究也主要集中在這3個(gè)學(xué)科。本次研究將以冬冷夏熱地區(qū)某高校建筑群為測(cè)試對(duì)象，利用模型仿真與Phoenics軟件測(cè)試進(jìn)行模擬分析，從而找到風(fēng)廊形成規(guī)律，并嘗試通過(guò)對(duì)周邊環(huán)境元素的改變，改善行人高度的局地風(fēng)環(huán)境的舒適度，提出解決辦法。

2 風(fēng)環(huán)境舒適性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在城市風(fēng)環(huán)境研究中，作為承受主體的行人對(duì)于風(fēng)環(huán)境的感知是測(cè)試風(fēng)環(huán)境優(yōu)劣的關(guān)鍵依據(jù)，人體感受舒適度范圍為風(fēng)速5 m/s以下，而風(fēng)速10 m/s以上人的行為受到嚴(yán)重影響，另外在GB/T 50378—2014《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中，提出了建筑風(fēng)環(huán)境的相關(guān)要求，該標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)針對(duì)室外人行區(qū)域的舒適性、建筑區(qū)域的滯風(fēng)、渦旋現(xiàn)象等問(wèn)題提出相關(guān)指標(biāo)要求：①人行區(qū)域距地1.5 m高處的風(fēng)速小于5 m/s；②地面1.5 m高處的風(fēng)速與開(kāi)闊地面同高度風(fēng)速之比小于2；③嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)冬季保證除迎風(fēng)面之外的建筑物前后壓差不大于5 Pa；④夏季、過(guò)渡季要求建筑前后壓差大于1.5 Pa，以有利于室內(nèi)自然通風(fēng)。根據(jù)這些風(fēng)環(huán)境指標(biāo)，在設(shè)計(jì)階段可以根據(jù)局地的氣象條件，對(duì)建筑物的室外風(fēng)環(huán)境做出模擬，從而分析建筑群中建筑的布局關(guān)系對(duì)室外風(fēng)環(huán)境的影響，并通過(guò)分析對(duì)比，提取風(fēng)環(huán)境中主要的影響因子，從而進(jìn)行更進(jìn)一步的深入分析。

3 建筑群風(fēng)環(huán)境測(cè)試——以浙江省某高校建筑群建筑風(fēng)環(huán)境為樣本

自然界的風(fēng)環(huán)境是錯(cuò)綜復(fù)雜的，本實(shí)驗(yàn)將建筑群從城市復(fù)雜建成環(huán)境中剝離出來(lái)進(jìn)行仿真模擬，以討論單一的影響因子對(duì)于風(fēng)環(huán)境的影響程度，因此本樣本建筑群模型以獨(dú)立于城市建成區(qū)的方式建立。

3.1 基本概況

本測(cè)試樣本位于浙江省杭州市某高校南校區(qū)內(nèi)，北側(cè)是城市支路，南側(cè)是校區(qū)內(nèi)的核心廣場(chǎng)，東側(cè)和西側(cè)分布禮堂、實(shí)驗(yàn)大樓等建筑。測(cè)試對(duì)象主要問(wèn)題是，在常規(guī)的大氣氣象條件下，該建筑群北側(cè)經(jīng)常出現(xiàn)較強(qiáng)峽谷風(fēng)，并時(shí)常伴有極端大風(fēng)，特別是在風(fēng)雨天氣狀態(tài)下，局地將出現(xiàn)15 m/s以上的極端風(fēng)力環(huán)境，對(duì)行人造成極大的困擾。以下將通過(guò)數(shù)字模擬的方式重現(xiàn)該區(qū)域的局地微氣候狀態(tài)。

3.2 建筑物幾何模型的建立

本項(xiàng)目通過(guò)建立SU數(shù)字模型，采用Phoenics軟件實(shí)現(xiàn)室外風(fēng)環(huán)境的數(shù)字仿真模擬實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)該樣本建筑群北側(cè)不同氣象條件下風(fēng)環(huán)境的變化建模分析，了解該類型建筑群風(fēng)環(huán)境的形成規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)設(shè)定風(fēng)向?yàn)镾OUTH-EAST，風(fēng)速為5 m/s，風(fēng)的類型為Open flat terrain，grass，few isolated obstacles，選 擇Turbulence models：KEMODL。在對(duì)分析網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整后，迭代值設(shè)為500進(jìn)行計(jì)算。

在前述條件下通過(guò)模擬分析，取樣本區(qū)域Z軸離地高度1.5 m水平面作為行人感受高度的風(fēng)環(huán)境仿真區(qū)域，該區(qū)域所形成的平均風(fēng)速為3.36 m/s（圖1），在建筑群周邊區(qū)域的風(fēng)速相對(duì)較小，甚至出現(xiàn)較多的靜風(fēng)區(qū)，而在圖信大樓的北側(cè)形成了明顯的強(qiáng)風(fēng)區(qū)，風(fēng)速最大達(dá)到7 m/s。該建筑北面強(qiáng)風(fēng)區(qū)的風(fēng)壓大約在-30～-5 Pa。在周邊風(fēng)速處于舒適度小于5 m/s的前提下，行人步行至圖信大樓北側(cè)，則明顯感覺(jué)風(fēng)力加強(qiáng)，這與實(shí)際空間中的風(fēng)環(huán)境調(diào)研狀態(tài)相吻合。而在環(huán)境風(fēng)速處于大風(fēng)環(huán)境時(shí)，體感尤為明顯，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增加至7 m/s時(shí)，則觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速增強(qiáng)至10 m/s，超過(guò)了行人舒適度范圍。

圖1 現(xiàn)狀建筑群風(fēng)速分析圖

3.3 改變相關(guān)的環(huán)境元素對(duì)強(qiáng)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行改善

面對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的自然環(huán)境和人工環(huán)境的共同作用，無(wú)法如實(shí)還原真實(shí)環(huán)境，也無(wú)法將所有的影響因子都考慮周全，但是作為影響因素的對(duì)比研究，只需要提取其中的關(guān)鍵因素加以分解測(cè)試，就能夠從復(fù)雜元素中提取部分關(guān)鍵的影響元素，從而對(duì)風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化提出更具針對(duì)性的措施。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)環(huán)境研究的主要觀點(diǎn)，大致梳理出以下幾點(diǎn)比較典型的改善途徑：①改善建筑材質(zhì)屬性（籬笆），降低空間的蓄熱能力，并增強(qiáng)散熱能力；②增加水體和綠化的空間分布（防風(fēng)林帶），不僅能有效改善風(fēng)環(huán)境的舒適度，也能在夏天滿足遮蔭面積的需求，調(diào)節(jié)微氣候，從而提升整體環(huán)境的舒適感；③選擇合理的建筑錯(cuò)動(dòng)（天棚、附設(shè)建筑）；④合理的建筑高度和體量組合，不合理的高度差不僅會(huì)導(dǎo)致迎風(fēng)建筑氣流極易進(jìn)入道路空間，且由于高度和體量差帶來(lái)的日照差異，影響了微氣候。⑤選擇適當(dāng)?shù)挠L(fēng)界面/入口（擋風(fēng)墻），不同迎風(fēng)口對(duì)風(fēng)環(huán)境和微氣候的影響存在較大的差異。

結(jié)合上述的常規(guī)改善途徑和本測(cè)試樣本的可行性，嘗試分別從風(fēng)廊內(nèi)部和外部2個(gè)大的方面進(jìn)行改變，而風(fēng)廊內(nèi)部則選取行人高度的水平向元素和垂直向元素2個(gè)維度進(jìn)行分析，嘗試討論環(huán)境元素對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響程度，從而實(shí)現(xiàn)行人高度風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化改造。以下是對(duì)樣本進(jìn)行改善的3個(gè)方案。

3.3.1 方案一：廊道頂棚刪減

根據(jù)對(duì)風(fēng)廊內(nèi)部水平環(huán)境元素的分析，圖信大樓與禮堂之間的走廊頂棚可能是造成風(fēng)環(huán)境極端化的重要原因之一，因此方案一首先刪減走廊頂棚。在保持與前述現(xiàn)狀模型一致的環(huán)境條件下，通過(guò)模擬分析的方法，得出通過(guò)刪減廊道頂棚的確可以分散強(qiáng)風(fēng)走廊的風(fēng)速和壓力。在相同區(qū)間跨度的風(fēng)壓和風(fēng)速下，其所顯示的高速風(fēng)區(qū)有所減小，最大風(fēng)速減小到約6.00 m/s，但是效果并不十分顯著。

3.3.2 方案二：改變圍墻密實(shí)度

根據(jù)對(duì)風(fēng)廊內(nèi)部垂直環(huán)境元素的分析，要改變建筑的開(kāi)口方式在實(shí)際操作中難度較大，因此考慮建筑北面長(zhǎng)距離的密實(shí)圍墻，因其也可能成為風(fēng)環(huán)境的重要影響因素。方案二因此改變圍墻形式，將外圍墻體鏤空，增加南北向通風(fēng)空隙。在相同的環(huán)境條件下，通過(guò)仿真模擬分析，得出通過(guò)改變廊道的密實(shí)程度雖然可以分散走廊的風(fēng)速和壓力，但效果同樣不是非常明顯，在相同閾值的風(fēng)壓和風(fēng)速下，平均風(fēng)速保持在3.36 m/s，最大風(fēng)速約為7.33 m/s。其對(duì)局地風(fēng)環(huán)境的影響不大。

3.3.3 方案三：設(shè)置廣場(chǎng)樹(shù)陣

根據(jù)對(duì)風(fēng)廊外部環(huán)境元素的分析，考慮風(fēng)環(huán)境成因的空間因素，圖信大樓東南面的廣場(chǎng)開(kāi)闊空間是造成風(fēng)環(huán)境極端化的重要原因，因此在圖信大樓的東面種植平均高度15 m的喬木樹(shù)陣。通過(guò)仿真模擬分析，得出通過(guò)增加樹(shù)陣可以有效分散走廊的風(fēng)速和壓力。在相同閾值的風(fēng)壓和風(fēng)速下，風(fēng)壓和風(fēng)速都明顯減小了，相對(duì)風(fēng)壓區(qū)間縮小到約-6.0～-2.0 Pa；最大風(fēng)速減小到5.24 m/s，且大部分區(qū)域都處于3～5 m/s的舒適風(fēng)速范圍之內(nèi)（圖2）。由測(cè)試可見(jiàn)，該方案對(duì)于風(fēng)廊風(fēng)環(huán)境的改變最為明顯。

圖2 設(shè)置樹(shù)陣后風(fēng)速分析圖

4 建筑群風(fēng)環(huán)境影響因子分析

以上某高校的建筑群的特殊風(fēng)環(huán)境狀態(tài)為研究主體，結(jié)合建筑群的風(fēng)環(huán)境仿真模擬，討論建筑群風(fēng)環(huán)境影響因素以及改變的方式。通過(guò)測(cè)試，方案三增加樹(shù)陣的方式，對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境的改善最為有效。其次是方案一走廊頂棚刪減，而方案二改變圍墻密實(shí)度則遜色于方案一和方案三，但也對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境改善有一定作用。

從結(jié)果來(lái)看，相對(duì)獨(dú)立的一組建筑群在改變其部分環(huán)境元素的前提下，風(fēng)環(huán)境將會(huì)產(chǎn)生不同的變化，作為對(duì)已建成區(qū)域風(fēng)環(huán)境的改善來(lái)說(shuō)，建設(shè)的成本和可行性是其中需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)內(nèi)容，結(jié)合各類復(fù)雜的社會(huì)因素，本文提出并測(cè)試了以上3種方案，從分析結(jié)果可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)。

一是從風(fēng)的行進(jìn)路線上考慮，風(fēng)環(huán)境的成因中入口和通道是重要的因素，而改善的方法宜從根源治理，即優(yōu)先考慮入口因素，解決入口的布局方式，能從根源解決問(wèn)題，并且更為有效，這從方案三對(duì)風(fēng)環(huán)境的改變足以看出入口的重要性。

二是對(duì)于已建成建筑群來(lái)說(shuō)，空間的基本尺度已經(jīng)固定，對(duì)其局部構(gòu)建（考慮建設(shè)成本及可行問(wèn)題，建筑的改建無(wú)法大規(guī)模進(jìn)行）的改變對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響不大，因此，改善的方式應(yīng)從大尺度上的布局來(lái)考慮，方案一和方案二在尺度上遠(yuǎn)不如方案三的規(guī)模大，而結(jié)果顯示較大規(guī)模的布局的確能夠顯示更好的改善效果。

三是從改造的可能性和可行性來(lái)討論，相對(duì)于建筑本身的改建，環(huán)境元素的改變，如植被、水體、景墻等，對(duì)風(fēng)環(huán)境能夠起到較為有效的改善，且更容易實(shí)施。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，城市的建成環(huán)境復(fù)雜多樣，其對(duì)自然環(huán)境的影響有積極的也有消極的，甚至有可能是災(zāi)難性的，作為城市聚居主體的人對(duì)于室外環(huán)境的感受直接影響城市的活力。本文通過(guò)對(duì)樣本區(qū)域風(fēng)環(huán)境的測(cè)試分析，通過(guò)數(shù)值模擬的方式找出改善風(fēng)環(huán)境適宜度的途徑。對(duì)于已建成區(qū)域的風(fēng)環(huán)境改善來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)改變建筑物外立面或者風(fēng)廊行進(jìn)路線上的構(gòu)筑物、風(fēng)廊區(qū)域的環(huán)境景觀軟硬件、周邊附屬物等方式，在一定程度上改善風(fēng)環(huán)境，從而調(diào)節(jié)局地微氣候，提升行人高度微環(huán)境的舒適度。但同時(shí)，也需要反思，對(duì)于處于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的項(xiàng)目方案，如果能夠在方案階段就考慮項(xiàng)目的微氣候問(wèn)題，以及該項(xiàng)目對(duì)于所在區(qū)域的微氣候影響，就能夠減少更多的局地微氣候?yàn)?zāi)害，提升城市整體的微氣候環(huán)境，從而大幅提升城市的活力。本文僅以冬冷夏熱地區(qū)某城市的某建筑群為樣本，從幾種方式上探討了建成環(huán)境中局地風(fēng)環(huán)境的改善路徑問(wèn)題，拋磚引玉，希望能有更多更深入的研究來(lái)提升城市環(huán)境的宜居性和活力。