基于室外微氣候評價的住宅區(qū)地下空間覆土深度優(yōu)化研究

李素華　蘇小超　趙旭東　魏夢曉　張楠楠

關(guān)鍵詞：地下空間；覆土深度；住宅區(qū)；室外微氣候；ENVI-met

中圖分類號：X820 文獻標志碼：B

前言

中國城市化的快速發(fā)展導致城市微氣候逐漸惡化，尤其夏季城市熱島效應日益明顯。熱島效應降低了城市居民室外活動的熱舒適性，增加了建筑制冷能耗，引發(fā)的高溫熱浪甚至會增加熱死亡率。城市住宅區(qū)作為居民在城市中聚居的主要場所，熱島效應問題更為突出。

為了應對這一問題，專家指出開發(fā)城市地下空間能夠增加綠化面積、減少環(huán)境污染，對改善住宅區(qū)微氣候具有積極作用。然而，在地下建筑上方進行景觀設(shè)計，地下空間覆土深度的設(shè)計至關(guān)重要。覆土深度僅能滿足草坪生長，不僅會影響植物群落多樣性，對室外微氣候的改善效果也將大打折扣。覆土深度若能夠滿足喬木生長，則能夠豐富景觀設(shè)計內(nèi)容，構(gòu)造多樣性植物群落，有效改善室外微氣候。合理的植物搭配和喬灌木比例對構(gòu)造植物群落、營造富有層次感的景觀至關(guān)重要。文章通過分析地下空間覆土深度對地面植物群落及室外微氣候的影響機理，提出基于室外微氣候的地下空間覆土深度優(yōu)化設(shè)計流程，以南京市常見的圍合式住宅小區(qū)為例，運用植物中高層和中低層植物搭配，模擬分析喬灌比為1：2，1：3和2：3三種情況下的室外微氣候變化，并根據(jù)模擬結(jié)果對地下空間覆土深度優(yōu)化設(shè)計給出意見和建議。

1地下空間覆土深度對地面植物群落及室外微氣候的影響機理

1.1地下空間覆土深度對地面植物群落的影響

植物群落由不同種類植物組成，在地下建筑上進行覆土綠化設(shè)計，植物種類的選擇取決于地下空間覆土深度。為了防止植物快速生長對地下結(jié)構(gòu)造成破壞，地下建筑頂板上的覆土深度設(shè)計在能夠滿足植物生存的范圍內(nèi)即可。根據(jù)《種植屋面工程技術(shù)規(guī)范JGJ155-2013》可知，地被植物、灌木和喬木對覆土深度的要求是依次遞增的，比如美人草等草坪、地被植物生存所需的最小土深為100～200mm；金葉女貞等小灌木植物生存所需的最小土深為300～400 mm；金邊黃楊等大灌木植物生存所需的最小土深為450～600 mm；桂花等小喬木植物生存所需的最小土深為800～900 mm；香樟等大喬木植物生存所需的最小土深為900～1200 mm。如果地下空間覆土深度小，則只能種植草坪和灌木，不適于高大喬木的種植，相應的景觀設(shè)計也略顯單調(diào)，對室外微氣候的改善效果有限；若覆土深度能夠滿足種植高大喬木，相應的景觀設(shè)計也更加豐富，也更有利于改善室外微氣候。

1.2植物群落對室外微氣候的影響機理

合理構(gòu)造植物群落能夠有效改善室外微氣候。高大喬木形成的樹蔭能夠遮擋太陽輻射，降低建筑外表面的溫度，減少建筑物向周圍環(huán)境的長波熱輻射；植物冠層能夠削減風速。灌木類植物由于高度接近人行高度，葉片的蒸騰作用能夠消耗輻射熱，對行人高度的能量分布產(chǎn)生影響。地皮植物通過光合作用和蒸騰作用，能夠減少地面吸收的太陽輻射并加強土壤散熱，在降低地面溫度的同時，還可以減少地面向周邊環(huán)境的長波熱輻射。

2地下空間覆土深度優(yōu)化設(shè)計流程

基于室外微氣候的地下空間覆土深度優(yōu)化設(shè)計流程，見圖1。該流程由四部分組成。

2.1提出問題

在此階段，設(shè)計者根據(jù)不同設(shè)計目的，提出優(yōu)化覆土深度設(shè)計的目標、方法和評價標準。

2.2模型建立

這一階段主要作為案例設(shè)計，由4部分組成：地面綠化配置、初始邊界條件、網(wǎng)格尺寸和建筑模型。其中，地面綠化配置能夠直接影響室外微氣候，綠化配置取決于地下空間覆土深度的設(shè)計，不同地下空間覆土深度對應的地面綠化配置方式不同，比如，當覆土深度僅僅在100～200mm時，地下空間開發(fā)區(qū)域僅能種植一些地皮植物；當開發(fā)區(qū)域最深的覆土深度達到800～900 mm，地面可以種植小喬木時，地下空間開發(fā)區(qū)域能夠選擇喬木、灌木、草坪等多種相互搭配的綠化方式。初始邊界條件主要包括風速、風向、初始大氣溫度、室外大氣壓力和相對濕度。在研究中，我們主要關(guān)注夏季室外微氣候，選擇南京夏季的典型天氣數(shù)據(jù)作為初始邊界條件。網(wǎng)格尺寸包括網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格步長。網(wǎng)格數(shù)量決定了模擬區(qū)域的范圍；網(wǎng)格步長決定了數(shù)值模擬的精度。建筑模型，包括建筑材料、建筑高度和建筑朝向等。

2.3模擬和分析

在研究中，運用ENVI-met進行數(shù)值模擬，該軟件主要由大氣模型，土壤模型，植被模型和地表模型組成，其適用性和準確性已在前期研究中進行了校驗。通過模擬計算，可以得到風速、空氣溫度、相對濕度、標準有效溫度等微氣候指標。我們將計算標準有效溫度的時刻平均值和日平均值來分析不同方案下的室外微氣候變化。

2.4室外微氣候評估

根據(jù)設(shè)計者的設(shè)計目的，我們能夠得到室外微氣候最優(yōu)的綠化配置。根據(jù)地下空間覆土深度與地面綠化配置之間的對應關(guān)系，則最優(yōu)的綠化配置對應的地下空間覆土深度即最終所要求得的地下空間覆土深度。

至此，建立起了基于室外微氣候評價的地下空間覆土深度優(yōu)化設(shè)計流程。

3研究方案

在地下建筑上方進行綠化設(shè)計，通常采用喬、灌、草相結(jié)合的復層植物搭配方式形成植物群落，以產(chǎn)生良好的生態(tài)效益和景觀效果。目前植物群落常見的設(shè)計手法有中高層景觀設(shè)計和中低層景觀設(shè)計兩種，如圖2所示。通常覆土綠化不建議種植高大喬木，以免增加對承重結(jié)構(gòu)的壓力，因此，研究主要討論分析當?shù)叵驴臻g開發(fā)區(qū)域最深的覆土深度達到800～900mm時，地面綠化采用小喬木、灌木和草等多種植物搭配的綠化方式對室外微氣候的影響。

3.1研究對象

研究選擇南京市具有地下停車功能的圍合式住宅小區(qū)為研究對象。原因一方面是因為南京市是中國著名的火爐城市之一，夏季熱島現(xiàn)象明顯，夏季熱島強度要大于冬季，且有明顯的增強趨勢。城市住宅區(qū)是城市居民生活、活動的主要場所，占地比重占城市建設(shè)用地的40%～50%，夏季熱島效應問題尤其突出，而圍合式建筑布局是南京市最常見的住宅建筑布局之一。另一方面在于，南京市的地下空間開發(fā)量巨大，2013年的地下空間開發(fā)量已達2450×104m²，根據(jù)城市規(guī)劃，開發(fā)量在2030年將達到8600×104m²。同時，地下空間開發(fā)在南京住宅區(qū)的應用已經(jīng)非常普遍，其中，住宅區(qū)開發(fā)利用地下空間的最常見的功能就是地下停車功能。

3.2優(yōu)化設(shè)計目標

在夏季，人們常常希望獲得舒適的室外熱舒適環(huán)境。研究采用修正的標準有效溫度（SET*）指標來評價室外的熱舒適，該指標已經(jīng)在室外人體熱舒適的評價中廣泛應用。

3.3案例命名及匯總

為了研究方便，我們將模擬案例進行命名編號，規(guī)則如表1所示。比如W-D-13即圍合式布局中，采用中低層植物搭配，喬灌木比例為1：3。

3.4模擬工況

研究針對圍合式布局住宅，共分析6組案例（平面示意如圖3所示），研究地下空間覆土深度與地面植物群落以及室外微氣候之間的關(guān)系。采用南京夏季典型氣象日數(shù)據(jù)作為模擬的初始條件，其中風速為2.4 m/s，風向為157.5°，原始大氣溫度為294.95K，室外大氣壓為100250 Pa，相對濕度為80%；建筑模型的尺寸為38m×18m×30 m（L×W×H），材質(zhì)為混凝土；模擬網(wǎng)格數(shù)量為110×110×30（X×Y×Z），網(wǎng)格步長為1×1×7.5（X×Y×Z）；植物配置的相關(guān)信息中，小灌木尺寸為1 m×1m×1m（L×W×H），大灌木尺寸為3m×3 m×2m（L×W×H），橫向喬木尺寸為7m×7m×6m（L×W×H），豎向喬木尺寸為5m×5m×10m（L×W×H）。研究中忽略綠化配置中各種植物的相對位置對室外微氣候的影響。需要說明的是，在建模階段，綠化配置中每種植物所占的網(wǎng)格面積均為1m²，也就是說，針對每種綠化配置中喬灌木之間的數(shù)量比等同于植物之間所占的地下空間開發(fā)區(qū)域的面積比。對于中低層植物搭配，其設(shè)計方式包含喬木、大灌木和小灌木三種植物，在文章研究中，喬木、大灌木和小灌木在不同喬灌木比例（2：3，1：2和1：3）條件下對應的植物數(shù)量比分別為：2：1：2，2：2：2和2：4：2。

4模擬分析與討論

地下空間開發(fā)區(qū)域兩種植物搭配在不同喬灌木比例條件下行人高度的SET*變化如圖4所示（地上1.5 m，下午15：00）。在SET*的空間分布上，由于綠化的作用會降低室外SET*。同種植物搭配在不同喬灌木比例下的行人高度SET*有一定的差別，通過平均值對比發(fā)現(xiàn)，中低層和中高層植物搭配的行人高度的SET*平均值分別相差在0.017℃～0.034℃和0.002℃～0.058℃范圍內(nèi)。隨著喬灌木比例的增加，人行高度的SET*呈現(xiàn)降低的趨勢，說明喬灌木比例的增加有利于改善室外的熱舒適度。

通過SET*日平均值對比發(fā)現(xiàn)（如圖5所示），在中低層植物搭配中，W-D-13的SET*值最低，比案例W-D-23和案例W-D-12分別低0.016℃和0.009℃。在中高層植物搭配中，W-G-13的SET*值最低，比W-G-23和W-G-12分別低0.014℃和0.0120C。另外，在相同的喬灌木比例條件下，中低層植物搭配的SET*值低于中高層植物搭配，在喬灌木比例為2：3，1：2和1：3三種情況下，兩種植物搭配下的SET*值分別相差0.129℃，0.226℃和0.131℃。另外，六種工況中，W-D-13的SET*最低，說明從時間角度分析，當?shù)叵驴臻g覆土深度能夠滿足中低層植物搭配時，能夠有效地改善室外熱舒適，當喬灌木比例為1：3時，改善室外熱舒適的效果最好。則對于設(shè)計者而言，在圍合式建筑布局中，為了改善室外熱舒適，則應選擇中低層植物搭配，且喬灌木比例應設(shè)置為1：3，則在地下空間開發(fā)區(qū)域，1/4開發(fā)面積的地下空間覆土深度應設(shè)置在800～900 mm，2/4開發(fā)面積的地下空間覆土深度應設(shè)置在450～600 mm，1/4開發(fā)面積的地下空間覆土深度應設(shè)置在300～400 mm，這樣能夠有效降低室外SET*值，改善室外熱舒適。

5結(jié)論

研究提出基于室外微氣候評價的地下空間覆土深度優(yōu)化設(shè)計流程，以圍合式布局的住宅小區(qū)為研究對象，運用ENVI-met模擬分析了不同喬灌木比例條件下（2：3，1：2和1：3），由中高層和中低層植物搭配形成的植物群落對室外微氣候的影響，并根據(jù)模擬結(jié)果對地下空間覆土深度的設(shè)計給出建議。研究得出：在地下建筑上方進行覆土綠化設(shè)計，合理的植物搭配和喬灌木比例，能夠增加植物群落的多樣性和有效改善室外微氣候。適當提高喬灌木的比例，能夠有效改善室外熱舒適度。為了有效改善室外熱舒適，地面綠化應采用中低層植物搭配，且喬灌木比例應設(shè)置為1：3，因此，在地下建筑上方進行覆土綠化應將1/4、2/4和1/4的地下空間開發(fā)區(qū)域面積的覆土深度分別設(shè)置在800～900 mm、450～600 mm和300～400 mm。