基于空間封閉度的城市通風(fēng)廊道構(gòu)建
——以衡陽縣城為例

向艷芬，鄭伯紅，郭 睿，江燚晗

（1.中南大學(xué) 建筑藝術(shù)學(xué)院，長沙 410075；2.江西省國土空間調(diào)查規(guī)劃研究院，南昌 330008）

城市通風(fēng)廊道是以提升城市空氣流動性，緩解熱島效應(yīng)和改善人體舒適度為目的，為城區(qū)引入新鮮空氣而構(gòu)建的通道。在快速城鎮(zhèn)化發(fā)展中，通風(fēng)廊道可以有效減緩城市熱島，驅(qū)散城市空氣污染等城市氣候環(huán)境問題。2015年中央城市工作會議要求“提升城市的通透性和微循環(huán)能力”（中共中央政治局，2015），同年中國氣象局提出構(gòu)建城市通風(fēng)廊道的規(guī)劃技術(shù)指南；2016年國家發(fā)改委和住建部聯(lián)合頒布了《城市適應(yīng)氣候變化行動方案》（中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會 等，2016）。目前，城市通風(fēng)廊道建設(shè)已經(jīng)納入國家“十四五”規(guī)劃，作為推動城市綠色低碳發(fā)展的戰(zhàn)略舉措之一。中國南方城市普遍處于夏熱冬冷的特殊氣候背景，構(gòu)建城市通風(fēng)廊道十分必要。

城市通風(fēng)廊道的研究始于德國斯圖加特的城市空間布局研究，陸續(xù)在不同城市展開，至2016年，對中國17個(gè)省區(qū)的36個(gè)城市共進(jìn)行了63項(xiàng)城市通風(fēng)廊道專項(xiàng)規(guī)劃或相關(guān)研究（Ren et al., 2018）。根據(jù)研究手段的不同大致分為3類：一類是基于實(shí)測數(shù)據(jù)的理論分析，如早期的斯圖加特和卡塞爾、東京都和旭川的城市風(fēng)環(huán)境研究（趙敬源，2010；任超 等，2013），該類研究數(shù)據(jù)采集工作量較大、不易獲取，且數(shù)據(jù)易受變量影響無規(guī)律變化。二是利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，如通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)分析了加拿大渥太華、美國紐約等城市風(fēng)環(huán)境（Williams et al., 1992;Plate et al., 1999）。雖然實(shí)驗(yàn)易調(diào)節(jié)自然條件且結(jié)果精確，但在方案修改階段周期長、費(fèi)用高，不易開展。三是計(jì)算機(jī)模擬，即利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，常用的技術(shù)有CFD、GIS、RS等，如用CFD軟件研究了東京、香港、臺南等城市與風(fēng)環(huán)境的關(guān)系（Ashie et al., 2009; Wong et al., 2010; Ng et al., 2011;Hsieh et al., 2016），模擬結(jié)果可行性較高、發(fā)展前景大，但需要驗(yàn)證軟件的可行性、時(shí)間周期較長，研究尺度受限。

近年來，香港、長春等城市利用CFD與GIS的集成、GIS 與實(shí)測數(shù)據(jù)或形態(tài)學(xué)理論等綜合手段，展開通風(fēng)廊道的規(guī)劃與建設(shè)研究（Chen et al., 2011;Chang et al., 2018），但多基于大尺度的城市，且多為專題研究，對中、小尺度的城市規(guī)劃建設(shè)指導(dǎo)性不強(qiáng)。此外，依據(jù)CFD等復(fù)雜模型所提出的相關(guān)策略，存在城市尺度模型內(nèi)容復(fù)雜、建模結(jié)果跟不上快速的規(guī)劃過程、評價(jià)指標(biāo)過于單一難以落地等問題（Germano, 2007; Ng et al., 2011; Yuan et al.,2014；史兵 等，2017）。在當(dāng)前國土空間規(guī)劃背景下，面對量多面廣和空間形態(tài)相較單一的中小城市，需要一種更加便捷的方法用以指導(dǎo)城市通風(fēng)廊道的建設(shè)。

城市規(guī)則建模是一種語義建模方法，即采用一系列計(jì)算機(jī)語言將現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)換為邏輯信息，并根據(jù)規(guī)則決定模型的生成，是一種可以快速反映城市風(fēng)貌的建模方法。常見的城市建模方法大致可分為4類（駱燕文 等，2017）：1）基于二維數(shù)據(jù)資料（如規(guī)劃圖紙等），利用AutoCAD、Sketch-Up等軟件建立城市三維模型，這是使用最廣、精確度最高的一種方法；但耗時(shí)較多，數(shù)據(jù)的時(shí)效性存在不確定性，工作量較大，難以滿足三維空間深層次的研究應(yīng)用。2）激光掃描，利用激光掃描儀或機(jī)載激光雷達(dá)掃描獲取城市建筑模型數(shù)據(jù)，該方法能快速、精準(zhǔn)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)；但數(shù)據(jù)量較大，模型生成時(shí)間長，成本較高。3）使用航天影像或數(shù)碼攝影，根據(jù)建筑物的特征提取相關(guān)數(shù)據(jù)，該方法獲取速度最快，展示信息最真實(shí)；但模型不易修改，存在信息不完整的問題。4）規(guī)則建模，能快速構(gòu)建三維城市模型，允許創(chuàng)建和分析替代方案，適用于規(guī)模較大、對細(xì)節(jié)要求較低的模型，常用的軟件有CityEngine 和ArcGIS。與傳統(tǒng)的建模方法不同，城市規(guī)則建模更擅于靈活有效的建模，模型包含多方數(shù)據(jù)，允許創(chuàng)建和分析多方案，適用于城市的已建和新規(guī)劃區(qū)域（Trubka et al., 2016）。但當(dāng)前少有研究將城市規(guī)則建模與城市通風(fēng)廊道相結(jié)合，而城市的通風(fēng)廊道往往影響城市的空間形態(tài)布局（盧飛紅，2016），因此，在以優(yōu)化城市通風(fēng)廊道為目的的空間形態(tài)布局中應(yīng)用規(guī)則建模技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

在城市規(guī)則建模中，本文提出構(gòu)建空間封閉度綜合評價(jià)模型以計(jì)算城市的潛在通風(fēng)廊道。空間封閉度初期作為描述單體建筑內(nèi)部空間封閉程度的概念，但在研究城市風(fēng)環(huán)境的大尺度下，可將其定義為城市三維空間內(nèi)的封閉程度，即城市空間對風(fēng)流動的阻擋程度。城市空間的封閉度受垂直要素的高度、密實(shí)度和連續(xù)性等方面影響，可理解為受建筑的城市形態(tài)特征影響。相關(guān)研究（Grimmond et al.,1999; Wong et al., 2010）證明，地表建筑物、自然植被的粗糙度和開敞空間影響城市風(fēng)環(huán)境，其中建筑的城市形態(tài)特征對城市通風(fēng)廊道的構(gòu)建影響最大。Grimmond 等（1999）在研究中證明建筑的形態(tài)特征可由形態(tài)學(xué)方法計(jì)算，即可通過城市下墊面的粗糙元形態(tài)特征定量估算。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者總結(jié)了許多形態(tài)特征的量化指標(biāo)，如Chen等（2011）在ArcGIS中以粗糙度指標(biāo)論證城市幾何形態(tài)與風(fēng)環(huán)境的關(guān)系，并證明迎面面積密度、天空開闊度等指標(biāo)可用于評價(jià)城市風(fēng)環(huán)境的變化，其他學(xué)者相繼應(yīng)用該類指標(biāo)開展研究（Yuan et al., 2014;Wicht et al.,2017；李廷廷，2017；Ren et al., 2018）。Kanda 等（2013）提出了同時(shí)考慮迎風(fēng)面積系數(shù)、頂面積系數(shù)、平均建筑高度、最大建筑高度和建筑高度標(biāo)準(zhǔn)差的形態(tài)學(xué)計(jì)算方法；唐玉琪等（2020）以上海徐家匯地區(qū)為例，論證了該方法可估算建筑形態(tài)特征且差異較小。部分學(xué)者利用粗糙度指標(biāo)與GIS中的最小成本路徑定義城市通風(fēng)廊道，并利用CFD軟件論證結(jié)果的可行性（Wong et al., 2010;Hsieh et al.,2016;Peng et al., 2017；申鑫杰 等，2020）?？梢姵鞘酗L(fēng)環(huán)境的評價(jià)指標(biāo)選取由單一向綜合轉(zhuǎn)變，研究方法轉(zhuǎn)向更為快捷、精準(zhǔn)，尺度也傾向人行空間。

因此，本研究試圖運(yùn)用GIS技術(shù)與城市規(guī)則建模的方法，構(gòu)建城市潛在通風(fēng)路徑，深入分析城市空間封閉度與通風(fēng)廊道之間的關(guān)系，綜合空間封閉度影響因子構(gòu)建城市潛在通風(fēng)廊道，以期為改善丘陵型的中、小城市風(fēng)環(huán)境提供借鑒。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

衡陽縣城位于湖南省中南部、湘江中游區(qū)域，地形有起伏，海拔為32～255 m，相對高度＜200 m，坡度較緩和。城區(qū)地勢周邊高、中間低，湘江支流——蒸水河貫穿東西。地理環(huán)境較為封閉，外圍山體有屏蔽作用，致使盛行風(fēng)的滲透較弱，大氣污染物疏散存在問題?？h城建成區(qū)面積為15.6 km2，主要集中在老城區(qū)與西渡區(qū)；建筑多為4～6層，新區(qū)建筑規(guī)劃以7～10 層為主，城區(qū)周邊為大面積綠地（圖1）。

圖1 衡陽縣城城市鳥瞰圖Fig.1 City aerial view of the Hengyang county

根據(jù)《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》（中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局，1994），湖南省全境屬于夏熱冬冷氣候類型，夏季炎熱潮濕，需加強(qiáng)城市自然通風(fēng)以提高人體熱舒適度；冬季則正好相反，因冬季風(fēng)寒冷干燥，需要規(guī)避寒風(fēng)入侵。衡陽縣四季分明，夏熱冬冷，受山體影響，氣候變化更甚。由國家氣象信息中心提供的衡陽縣臺站近30 a氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，城區(qū)冬季盛行東北風(fēng)，平均風(fēng)速1.5 m/s，夏季盛行南風(fēng)，平均風(fēng)速2 m/s；7 月平均氣溫最高（30.2℃），極端最高溫達(dá)41.3℃，1月平均氣溫最低（6.7℃），極端最低溫達(dá)-4.8℃。在7、8 月中，平均有34 d是35℃以上的高溫，其中有連續(xù)幾天超過40℃。受多變氣候與起伏地形的共同影響，湖湘?zhèn)鹘y(tǒng)民居在布局上往往選擇依山傍水以形成宜居的小氣候區(qū)域，在建筑設(shè)計(jì)上夏季隔熱通風(fēng)，冬季防寒納陽（萬艷華，2010；張蒙，2017）。

1.2 研究方法

首先基于城市的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)規(guī)則建模，再根據(jù)空間封閉度影響因子構(gòu)建綜合影響評價(jià)模型，并對衡陽縣的現(xiàn)狀和規(guī)劃模型（圖2）進(jìn)行評價(jià)，然后通過PHOENICS對現(xiàn)狀與規(guī)劃模型進(jìn)行數(shù)值模擬。在此基礎(chǔ)上，通過對比GIS 與數(shù)值模擬2種途徑下的結(jié)果，以及驗(yàn)證實(shí)測風(fēng)速值，提出衡陽縣夏熱冬冷氣候區(qū)內(nèi)的通風(fēng)廊道設(shè)計(jì)策略。

圖2 衡陽縣城總體城市設(shè)計(jì)規(guī)劃方案Fig.2 Comprehensive urban design scheme of the Hengyang county

1.3 空間封閉度因子的空間數(shù)據(jù)集構(gòu)建

上文分析了城市風(fēng)環(huán)境研究中的評價(jià)指標(biāo)運(yùn)用，現(xiàn)有的研究多依據(jù)單一指標(biāo)劃定，而史兵等（2017）指出單一指標(biāo)評價(jià)難以滿足精細(xì)化的城市建設(shè)，應(yīng)選擇更全面的指標(biāo)研究風(fēng)道與城市的內(nèi)在關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)（Kanda et al., 2013;Yuan et al.,2014;Hsieh et al., 2016;Wicht et al., 2017；李廷廷，2017；Ren et al., 2018；唐玉琪 等，2020），分析選擇5個(gè)較為成熟的參數(shù)，分別是：建筑物迎風(fēng)面積密度（Frontal Area Density, FAD）、天空開闊度（Sky View Factor, SVF）、絕對粗糙度、建筑高度均值、建筑密度。其中，F(xiàn)AD（Hsieh et al., 2016;Wicht et al., 2017）受建筑幾何形態(tài)影響，能考慮地形的變化，但在評價(jià)人行高度處的風(fēng)場變化時(shí)存在不足；SVF（Chen et al., 2011；劉勇洪 等，2017）反映人行高度處的城市幾何形態(tài)，可彌補(bǔ)FAD指標(biāo)的不足。本研究選用方形柵格劃分地塊，與其他劃分地塊的方法相比，規(guī)則劃分有利于開放空間的數(shù)據(jù)展示（Man et al., 2010; Ng et al., 2011），因此要選擇能描述規(guī)則地塊整體情況的指標(biāo)，以選用能表示城市空間內(nèi)幾何形態(tài)的絕對粗糙度和表示地塊內(nèi)建筑物覆蓋率的建筑密度和建筑平均高度，下文將概述5個(gè)指標(biāo)的概念及計(jì)算公式。

SVF指在建筑圍合的城市空間中，人們視線所及可看到的天空范圍。Gal 等（2009）認(rèn)為柵格計(jì)算SVF 更適合大尺度、多數(shù)據(jù)的城市地表開闊度。SVF的計(jì)算公式為（劉勇洪 等，2019）：

式中：γi為第i個(gè)方位角時(shí)的地形影響高度角；n為計(jì)算的方位角數(shù)目。由于SVF 值越大越有利于通風(fēng)，在綜合計(jì)算時(shí)，SVF以負(fù)值進(jìn)行計(jì)算。

FAD 表示單位面積內(nèi)城市建筑迎風(fēng)面積密度，反映城市風(fēng)的滲透性（劉勇洪 等，2019）。數(shù)值越大表示該區(qū)域?qū)︼L(fēng)的阻礙越大；相反阻礙越小，通風(fēng)能力越大。計(jì)算公式為（Ng et al., 2011）：

式中：λF（θ，z）表示特定風(fēng)向θ處的迎風(fēng)面積密度；A（θ）proj（△z）為面向θ風(fēng)向的建筑物總投影面積；θ為風(fēng)的不同方位的方向角度；AT為研究區(qū)域的地塊面積；△z為投影面積高度方向的計(jì)算范圍。λF（z）表示整個(gè)城市冠層的形態(tài)平均值；P（θ，i）表示第i個(gè)方位的風(fēng)向年均出現(xiàn)頻率；n表示氣象站統(tǒng)計(jì)的風(fēng)向方位數(shù)。

絕對粗糙度（Hm）可表示城市幾何形態(tài)（陸面、植物、水體）的粗糙度，Kondo等（1986）發(fā)現(xiàn)城市結(jié)構(gòu)可通過氣流中障礙物的絕對粗糙度來降低地面的平均風(fēng)速，計(jì)算公式為：

式中：Ai是i號建筑的占地面積；hi是i號建筑的高度；Aj是研究區(qū)域的非建筑物占地面積。

建筑密度（D）指研究區(qū)域內(nèi)的空地率和建筑密集程度，數(shù)值越大表示該單元內(nèi)的建筑物覆蓋率越大，阻礙也越大，計(jì)算公式為（Grimmond et al.,1999）：

式中：Ai為i號建筑的占地面積；AT為研究區(qū)域的地塊面積。

建筑平均高度（Hˉ）表示研究區(qū)域內(nèi)建筑物高度的變化，數(shù)值越大表示研究區(qū)域內(nèi)建筑高度變化小，風(fēng)的滲透力越小，計(jì)算公式為（張海龍，2015）：

式中：Hi是i號建筑的高度值；n是研究區(qū)域內(nèi)的建筑數(shù)量。

1.4 空氣封閉度評價(jià)模型構(gòu)建

考慮到各影響因子的特性和代表性，采用序關(guān)系法（G1-法）賦予各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，以此構(gòu)建評價(jià)模型。相比層次分析法，G1-法無需構(gòu)建判斷矩陣及一致性檢驗(yàn)，大大減少了計(jì)算量（王學(xué)軍 等，2006；王偉武 等，2019）。5個(gè)影響因子分為：FAD（X1）、SVF（X2）、絕對粗糙度（X3）、建筑密度（X4）、建筑高度均值（X5）。按照指標(biāo)對通風(fēng)影響的重要性進(jìn)行排序分級：X1>X2>X3>X4>X5，根據(jù)相對重要程度的比值對rk進(jìn)行賦值，設(shè)定r2=X1/X2=1.2，r3=X2/X3=1.4，r4=X3/X4=1.4，r5=X4/X5=1.4，權(quán)重系數(shù)Xm的計(jì)算為：

則X1/X5=3.292 8，X2/X5=2.744 0，X3/X5=2.352 0，X4/X5=1.960 0，（X1+X2+X3+X4）/X5=9.396 8。因此，各評價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)為：X5=（1+10.349）-1=0.096 2，X4=X5·r5=0.134 7，X3=X4·r4=0.188 6，X2=X3·r3=0.264 0，X1=X2·r2=0.316 5。根據(jù)各影響因子的權(quán)重值建立綜合評價(jià)模型，即：

式中：i為城市通風(fēng)潛力的影響因子編號；n為城市通風(fēng)潛力的影響因子總數(shù)；βi為第i個(gè)影響因子的單因子評價(jià)值；Xj為j因子的通風(fēng)潛力權(quán)重值（X1+X2+X3+ ┉ +Xn=1）。

1.5 數(shù)值模擬中邊界條件的設(shè)置

選擇PHOENICS 軟件對潛在風(fēng)道進(jìn)行模擬驗(yàn)證，其中，風(fēng)廓線指數(shù)α依據(jù)地表面粗糙度分區(qū)（日本建筑學(xué)會，2007），賦值0.27；對規(guī)劃紅線范圍內(nèi)的建筑及山體建模，建筑物每層賦值3 m，以最低的河流高程為初始高度，按照等高線數(shù)值進(jìn)行拉伸建模。在PHOENICS中使用3層嵌套的六面體網(wǎng)格，選擇廣泛用于低速湍流的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型；流入邊界的風(fēng)向選擇東北風(fēng)（冬季）和南風(fēng)（夏季），10 m高度風(fēng)速為2 m/s；建筑和地形表面邊界為光滑壁面，流出邊界使用零梯度條件。研究區(qū)的建筑高度不超過100 m，綜合考慮地形高度變化，將計(jì)算域邊界高度調(diào)整為3倍的模型最高高度，在150 m高度范圍內(nèi)網(wǎng)格大小設(shè)為3 m，超出該范圍的網(wǎng)格大小逐漸增加。

2 結(jié)果分析

2.1 空氣封閉度現(xiàn)狀與規(guī)劃的對比

由于研究范圍內(nèi)有一定高差變化，在計(jì)算影響因子時(shí)加入地形高度，即以研究范圍內(nèi)的蒸水河面為參考水平面，高度計(jì)算為相對地形高度加上建筑高度，如圖3所示。按縣城總體規(guī)劃的紅線范圍，基于1∶1 000 的CAD 地形圖計(jì)算城區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀建筑的影響因子，并在ArcGIS 中以50 m×50 m的單元尺度轉(zhuǎn)為柵格圖，各影響因子空間數(shù)據(jù)集見圖4。

圖3 受地形影響的天空開闊度計(jì)算原理示意Fig.3 The calculation principle of Sky View Factor

圖4 空間封閉度因子分布Fig.4 Distribution of the spatial enclosure index

圖中紅色表示數(shù)值越大，對比分析FAD值，夏季區(qū)域小于冬季，冬季數(shù)值較高是因?yàn)榻ㄖ趽鹾L(fēng)的緣故。不同風(fēng)向下FAD高值分布在城區(qū)西部與南部，如解放西路西段，由于該路段建筑密集，密度值較大；東部、北部建筑的整體密度較低，迎風(fēng)密度值較低，通風(fēng)潛力非常好。規(guī)劃方案中，新區(qū)建筑的FAD通過優(yōu)化策略能得到有效控制，整體數(shù)值降低，其中高值區(qū)域集中在老城區(qū)與新區(qū)中規(guī)劃的居住區(qū)，即單位柵格內(nèi)建筑密度與體量較大的區(qū)域。老城區(qū)的SVF 值有所增加，驗(yàn)證了老城的優(yōu)化措施能有效改善城區(qū)的天空可視度；新城出現(xiàn)局部低值柵格是因?yàn)閱误w建筑過大，也間接造成建筑的絕對粗糙度、密度、迎風(fēng)面積密度等數(shù)值偏大。

SVF值中紅色區(qū)域表示低值區(qū)，數(shù)值越低表示天空可視范圍越小，現(xiàn)狀的低值區(qū)域集中在城區(qū)內(nèi)建筑密度較大的區(qū)域，如船山廣場片區(qū)的新正街等，但規(guī)劃方案的老城區(qū)低值有所改善。新區(qū)內(nèi)規(guī)劃了大量的工業(yè)廠房和高層居住建筑，擴(kuò)大了計(jì)算單元內(nèi)的建筑占比，導(dǎo)致地塊的建筑密度和絕對粗糙度的增大。

2.2 LCP與現(xiàn)狀風(fēng)速云圖對比

利用GIS 中的最小路徑（LCP）生成綜合影響評價(jià)的路徑，得到潛在通風(fēng)廊道，為了驗(yàn)證路徑的準(zhǔn)確性，將其與PHOENICS 的模擬結(jié)果進(jìn)行對比。LCP 依據(jù)GIS 中50 m×50 m 的分辨率進(jìn)行計(jì)算，沿規(guī)劃紅線每50 m 設(shè)置了共290 個(gè)起始點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。圖5-a、c、e、g 表示綜合評價(jià)疊加LCP，LCP 選取成本值較低的路徑作為風(fēng)道路徑。

圖5 現(xiàn)狀（a、b、c、d）與城市規(guī)劃（e、f、g、h）方案通風(fēng)潛力對比Fig.5 Comparative of the city ventilation potential of urban planning schemes

圖5-b、f是中性流條件下的夏季風(fēng)速云圖。夏季風(fēng)的路徑中，南側(cè)為阻擋較少的農(nóng)田用地，風(fēng)口較大、風(fēng)道多，但受城區(qū)北側(cè)山體的影響，大部分南向來風(fēng)被阻擋。由于蒸水河河面較寬敞，在西側(cè)也形成一道沿河的風(fēng)道，城區(qū)內(nèi)部受阻較多，風(fēng)沿建筑高差或道路方向走勢；城區(qū)東側(cè)的風(fēng)道基本沿山體布局，大致為南北向。PHOENICS中的靜風(fēng)區(qū)基本無潛在風(fēng)道，風(fēng)速值較大區(qū)域風(fēng)道較多。

圖5-d、h是冬季風(fēng)速云圖，北側(cè)有較多山體阻擋，風(fēng)道路徑難以貫穿，潛在路徑較少，南側(cè)不受阻擋，風(fēng)道較多。西側(cè)老城區(qū)仍受山體阻擋，僅有2 條沿主干道形成的風(fēng)道，在南邊沿蒸水河匯聚。圖中顏色對比明顯，潛在路徑與顏色變化趨勢一致，能與云圖中顏色偏紅的區(qū)域相重合。

2.3 潛在風(fēng)道驗(yàn)證

根據(jù)上文挖掘的潛在通風(fēng)廊道，在夏、冬季各1 d進(jìn)行風(fēng)速測量，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，分別選擇南風(fēng)日和東北風(fēng)日，以此驗(yàn)證潛在通風(fēng)廊道和PHOENICS 模擬結(jié)果（Ng et al., 2011；李廷廷，2017；張弘馳，2020）。南風(fēng)向分別沿清江路、海英大道和蒸水河西段3條城市道路，用便攜式氣象觀測站Kestrel 5500 進(jìn)行風(fēng)速測量，共布置55 個(gè)測量點(diǎn)；東北風(fēng)向分別沿保安路、新正路和洪山路，共布置50個(gè)測量點(diǎn)，如圖5-b、d所示。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在道路兩側(cè)布置測量點(diǎn)，測量時(shí)間為T 10:00－16:00，儀器每10 min記錄1次數(shù)據(jù)。

表1 的實(shí)測結(jié)果與LCP 的計(jì)算結(jié)果基本吻合，表明了LCP分析的可信度，也證明了空間封閉度綜合評價(jià)的方法科學(xué)可行。實(shí)測通風(fēng)路徑的平均風(fēng)速皆高于對比點(diǎn)，說明所選風(fēng)道的通風(fēng)效果較為顯著，尤其在大型交通路口或是較大的城市廣場附近，觀測點(diǎn)風(fēng)速值較大；蒸水河西段的風(fēng)速遠(yuǎn)高于其他風(fēng)道，一定程度上證實(shí)了寬闊平坦的空間通風(fēng)效果相較于高低起伏的建成區(qū)更佳。

表1 夏、冬季潛在風(fēng)道數(shù)值對比Table1 Comparison of measured values of urban ventilation corridor in summer and winter

2.4 風(fēng)環(huán)境優(yōu)化策略

規(guī)劃方案將城區(qū)分為5個(gè)風(fēng)貌區(qū)——城中的傳統(tǒng)生活風(fēng)貌區(qū)、城西的西渡歷史風(fēng)貌區(qū)、城東的濱水休閑風(fēng)貌區(qū)、城南的田園景觀風(fēng)貌區(qū)和城北的高新產(chǎn)業(yè)風(fēng)貌區(qū)。其中，傳統(tǒng)生活風(fēng)貌區(qū)為老城區(qū)，建筑體量較大，以中、高層為主；西渡歷史風(fēng)貌區(qū)嚴(yán)格控制開發(fā)強(qiáng)度，建筑體量較小，以低層建筑為主；濱水休閑風(fēng)貌區(qū)展示新城形象，建筑體量較大，以中高層建筑為主；城南組團(tuán)多為居住用地，以板式中高層居住建筑為主；城北組團(tuán)建筑體量較大，以工業(yè)建筑為主，建筑多為1～2 層。圖5-f、h為Phoenics軟件模擬得到的人行高度處云圖，結(jié)合城市通風(fēng)廊道的構(gòu)建類型和作用空間，將通風(fēng)路徑分為一級廊道和二級廊道，一級廊道貫穿大型生態(tài)綠地，可為城區(qū)內(nèi)提供風(fēng)源；二級廊道則串聯(lián)綠地系統(tǒng)、道路系統(tǒng)等，作用于城市內(nèi)部功能空間，表2 羅列了規(guī)劃方案中8 條一級通風(fēng)廊道和14 條二級通風(fēng)廊道?；诓煌燃壍睦鹊揽臻g采取不同的優(yōu)化策略，即從風(fēng)口、開敞空間、水域、道路及建筑布局5個(gè)方面提出風(fēng)環(huán)境優(yōu)化策略，完善規(guī)劃方案并利用綜合評價(jià)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 衡陽縣城一、二級城市通風(fēng)廊道匯總Table 2 The summary table of primary and secondary urban ventilation corridors in Hengyang county

分析現(xiàn)狀可知，風(fēng)口地帶布置了污染性的工業(yè)，如服飾工業(yè)園、機(jī)械工業(yè)園等，影響城市內(nèi)部的空氣質(zhì)量。在規(guī)劃階段，調(diào)整風(fēng)口地帶的土地利用布局，規(guī)劃控制新建工業(yè)園的開發(fā)強(qiáng)度和建筑布局，轉(zhuǎn)移有污染性質(zhì)的企業(yè)，將工業(yè)用地遷移至下風(fēng)向，在工業(yè)區(qū)外圍布置綠化隔離帶，并增設(shè)監(jiān)測站點(diǎn)。

現(xiàn)狀風(fēng)道體系中，大多數(shù)道路與主導(dǎo)風(fēng)向呈夾角，城市整體綠化連續(xù)性不足，公共空間較少，未形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域建筑密度大，導(dǎo)致風(fēng)難以滲透。因此在規(guī)劃階段將串聯(lián)水體、綠地、公共空間及道路元素構(gòu)建風(fēng)道體系，結(jié)合《衡陽縣城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃》加強(qiáng)與城市綠地的有機(jī)聯(lián)系。通過擴(kuò)大綠地面積、增加立體綠化及綠地?cái)?shù)量、降低下墊面的粗糙度等，拓寬風(fēng)口風(fēng)道、增加通風(fēng)載體，構(gòu)建城市綠網(wǎng)。在風(fēng)口區(qū)域，可建設(shè)大面積楔形綠地，植被由防護(hù)林改為低矮的喬灌木，便于風(fēng)的進(jìn)入。建筑布局方面，老城區(qū)通過拆除通風(fēng)節(jié)點(diǎn)處的老舊建筑，降低建筑密度，打破連續(xù)的建筑界面，改善地塊內(nèi)的通風(fēng)情況。拓寬街道的天空可視域面積，使街道兩側(cè)的建筑高度呈梯度變化，優(yōu)化建筑布局形態(tài)，提高街區(qū)的滲透率。

圖5-e、g展示了規(guī)劃方案的風(fēng)道路徑，在不同主導(dǎo)風(fēng)下的潛在通風(fēng)路徑皆與Phoenics云圖中的風(fēng)道相似，再次證明利用ArcGIS 構(gòu)建的綜合評價(jià)模型可得到適用的通風(fēng)廊道，雖在對比分析中受研究尺度的約束，局部街區(qū)未形成風(fēng)道，但不影響整個(gè)城區(qū)風(fēng)道的建立。

3 結(jié)論

本研究提出一種由空間封閉度構(gòu)成的多指標(biāo)綜合影響評價(jià)模型，以衡陽縣城為例，利用GIS中的LCP構(gòu)建夏、冬季主導(dǎo)風(fēng)向下的潛在通風(fēng)廊道，并對比了CFD數(shù)值模擬中的風(fēng)速云圖，結(jié)果顯示，風(fēng)道的分布基本是沿城市主干道，多為連接城市公共空間的道路，但在北部城鄉(xiāng)結(jié)合處由于道路系統(tǒng)的不完善、路幅狹窄的原因?qū)е峦L(fēng)性能較差；風(fēng)向多為密度較高的老城區(qū)趨向低密度建筑、公園綠地等城市公共空間，但由于道路與風(fēng)向呈夾角、廊道系統(tǒng)的連續(xù)性不足，導(dǎo)致部分通風(fēng)廊道的走向與整體的方向有一定偏差；亦或是由靠近城區(qū)外圍趨向郊區(qū)農(nóng)田、蒸水河面等自然生態(tài)區(qū)域等。

本研究選擇了迎風(fēng)面積密度、天空開闊度、絕對粗糙度、建筑密度、建筑平均高度5個(gè)空間封閉度影響因子，該指標(biāo)不僅考慮了城市地形的影響，還能表征切割后地塊的整體差異性。單一的評價(jià)指標(biāo)未能覆蓋所有的風(fēng)道要素，對比不同指標(biāo)數(shù)值的空間分布差異，發(fā)現(xiàn)單一標(biāo)準(zhǔn)未能準(zhǔn)確評估，而多因子綜合評價(jià)涉及更多影響要素，其評價(jià)結(jié)果相對更可行。因此在城市規(guī)劃方案中，針對不同的城市空間類型進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)整風(fēng)口的用地布局及布局形態(tài)、開敞空間的網(wǎng)絡(luò)化布局及要素選擇、濱水空間的城市三維形態(tài)和廊道路徑下的建筑布局及高度控制，并利用多因子綜合評價(jià)證明優(yōu)化策略的有效性。因此，在充分利用現(xiàn)有資源的前提下，規(guī)劃方案可依據(jù)綜合評價(jià)模型指標(biāo)調(diào)整城市道路、開敞空間、建筑結(jié)構(gòu)等要素的空間布局，還可在控規(guī)層面加入地塊的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，多尺度協(xié)調(diào)風(fēng)道的構(gòu)建。

本研究論證了空間封閉度評價(jià)模型在中國典型夏熱冬冷氣候區(qū)的可行性，為城市的通風(fēng)廊道研究提供一種新的視角。該方法不僅能快捷有效的評價(jià)及修改規(guī)劃方案，為基于氣候特征的城市風(fēng)道量化研究提供技術(shù)支撐，還能為地方政府提出切實(shí)可行的建設(shè)管理及動態(tài)監(jiān)測方法，有利于控制性詳細(xì)規(guī)劃階段指標(biāo)的約束與落實(shí)。同時(shí)，本研究仍需深入開展，后續(xù)將在不同氣候區(qū)內(nèi)驗(yàn)證模型的有效性，完善評價(jià)模型；并耦合不同尺度下的風(fēng)道研究，補(bǔ)充城市不同尺度下的風(fēng)環(huán)境理論研究。