基于迎風面面積系數(shù)計算的鼓浪嶼建成區(qū)風環(huán)境模擬

謝 嘉 宬

(廈門大學建筑與土木工程學院，福建 廈門 361000)

基于迎風面面積系數(shù)計算的鼓浪嶼建成區(qū)風環(huán)境模擬

謝 嘉 宬

(廈門大學建筑與土木工程學院，福建 廈門 361000)

通過ArcGIS10.2與Rhinoceros 5軟件的分析計算功能，選取鼓浪嶼建成區(qū)建筑迎風面面積系數(shù)作為要素，模擬了鼓浪嶼的風環(huán)境，并對風環(huán)境模擬圖與通風廊道進行了分析，評價了該方法的適用范圍以及鼓浪嶼建成區(qū)環(huán)境。

迎風面面積系數(shù)，風環(huán)境，通風廊道，CFD

城市建成區(qū)會形成城市熱島效應，城市中心的氣候溫度會明顯高于城郊。而城市建成區(qū)的高建筑密度是導致城市熱島效應的主要原因。低水平面的風速受到城市建筑迎風面面積的影響,風速的受阻導致城市氣溫的整體升高。

城市建成區(qū)的風環(huán)境模擬一直是風環(huán)境研究的一個重要研究方向[1-3]。從研究方法上看，微觀尺度的風環(huán)境模擬多用到動態(tài)流體模型(CFD)，通過風環(huán)境模擬實驗得出城市整體風環(huán)境[4,5]。然而，CFD在城市甚至在區(qū)域尺度的風環(huán)境模擬的應用往往受限于硬件條件，而基于一個簡單的假設與ArcGIS的一些基本分析功能，可以對建成區(qū)環(huán)境進行風環(huán)境模擬分析。在風力模型中，通常的做法是對于風環(huán)境設計一些相關因素[6-10]。

本文基于迎風面面積系數(shù)(λf)作為比較不同建筑之間對于風環(huán)境影響的要素對案例地鼓浪嶼進行建成環(huán)境的風環(huán)境模擬，對建成環(huán)境進行風環(huán)境評價。

1 研究區(qū)域

鼓浪嶼作為廈門最老的社區(qū)之一，其社區(qū)功能衰退且逐步被旅游功能所替代，逐步變成了國內(nèi)熱門景區(qū)。出于建筑文化環(huán)境保護等原因，島上建筑與廈門市內(nèi)建筑有著明顯差異。鼓浪嶼島上建筑密度高但建筑高度普遍低矮，其建成區(qū)建筑群體形態(tài)對于風環(huán)境也有獨特的影響。

本文研究對象為鼓浪嶼全島，面積為1.2 km2。通過對鼓浪嶼全島的建筑進行風環(huán)境分析，可以比較島上不同區(qū)域的通風能力，對建成區(qū)改善進行合理的建議。

2 方法

2.1 計算建筑迎風面面積系數(shù)

迎風面面積系數(shù)對建成區(qū)風環(huán)境的影響基于一個簡單的假設，即某區(qū)域的建筑迎風面面積越大，那么該區(qū)域建筑對流動風的阻礙越大，則該建成區(qū)的通風能力越低；相反，若該區(qū)域的建筑迎風面面積越小，那么該區(qū)域建筑對流動風的阻礙越小，則該建成區(qū)的通風能力越大。如圖1所示，迎風面面積系數(shù)(λf)是在迎風面方向上所有建筑迎風墻面的面積投影系數(shù)。Burian等用相似的方法評估了洛杉磯的風環(huán)境。Man Sing Wong同樣使用這個方法得出了中國香港建成區(qū)的λf值。

其中，λf為迎風面面積系數(shù)；λface為區(qū)域內(nèi)建筑在迎風面方向的投影總面積；λplane為地面面積。

本次研究數(shù)據(jù)來源于鼓浪嶼的CAD建筑圖層文件與建筑層數(shù)數(shù)據(jù)。為了統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)的迎風面面積，本文利用了Rhinoceros 5軟件中的參數(shù)化編輯計算功能建模，在模型處建立了建筑迎風面墻體并計算其面積。在計算中，對上風向的建筑有遮擋住下風向建筑的墻體面積給予了刪除，即最終得到的是建筑在迎風面的投影面積。

在計算迎風面面積時，用50 m×50 m的網(wǎng)格將建筑重新分組，分別計算迎風面面積，總共分成了1 640個網(wǎng)格。使用50 m×50 m的網(wǎng)格是因為在之前做的鼓浪嶼旅游GPS分析是以該網(wǎng)格大小為基礎分析游客旅游行為，可以在后期方便結合風環(huán)境分析游客行為。并且，為了更加精確的得出迎風面面積系數(shù)對風環(huán)境的影響，在計算時采取了8個不同的方向對每個網(wǎng)格進行計算，以8個系數(shù)的均值作為該網(wǎng)格內(nèi)建筑迎風面面積系數(shù)(分別為東、西、南、北、東北、西北、西南、東南八個方向)。鼓浪嶼是一個文化遺產(chǎn)保護區(qū)，島上有各個功能分區(qū)，居住、商業(yè)、旅游等等各個分區(qū)。但是由于建筑高度普遍不高，各個類型區(qū)域的建筑高度并沒有太大區(qū)別，所以對每個區(qū)域單獨討論所得到的結論差異并不明顯，所以本文沒有討論各種分區(qū)建筑類型對風的影響。

2.2 最小成本路徑分析

通過計算所得出的迎風面面積系數(shù)λf可以作為鼓浪嶼內(nèi)的風力阻抗，得出風在島內(nèi)流動的最小成本路徑。λ值越小，則阻抗越小，代表著這條路徑比別的路徑擁有更強的通風能力。所以，該最小成本路徑定義了風起點到終點的最小阻抗路徑，并且這風應為接近地面的近地風。除了主要通風廊道，也可以得出許多小的廊道。而迎風面面積系數(shù)作為阻力被賦值于各個50 m×50 m網(wǎng)格之中，在網(wǎng)格之中計算最小成本路徑。

3 基于λf 的風環(huán)境評價

如圖2所示，鼓浪嶼島上迎風面面積系數(shù)λf的平均值為0.1，最高值為0.25。通風環(huán)境最好的區(qū)域為沿海區(qū)域，而通風環(huán)境最差的區(qū)域位于龍頭路商業(yè)街區(qū)域與內(nèi)厝澳居住區(qū)。如圖3所示，通過最小成本路徑分析得到風廊道分析圖。廈門常年主導風向為西南風，以西南風為例，分析結果中一共得到了19條路徑，這19條路徑根據(jù)選擇最小阻抗的原則聚集了4條主要風廊道穿過全島。由北向南依次按A～D編號(見圖3)。

1)在北部風廊道主要通過北部公園，避開了內(nèi)厝澳片區(qū)的大片居住區(qū)。公園內(nèi)建筑密度比較低，大多為小型的公共設施，對風的阻力比較小。該風廊道并沒有穿越很多的建筑，而是避開建筑選擇了自然風光區(qū)域。

2)廊道主要是從龍頭路建筑群與內(nèi)厝澳居住建筑群之間穿過。首先從濱海沙灘經(jīng)過，然后穿越建筑群時經(jīng)過了筆山公園，最后經(jīng)過八卦樓區(qū)域到達東北角比較開闊的環(huán)島步道上。可以發(fā)現(xiàn)該路線穿過了島上的公園、開闊地帶與低密度建筑。

3)該廊道以菽莊花園為起點，在經(jīng)過日光巖腳下的比較低矮的建筑群之后，穿過運動場，到達天主堂附近后該風廊道的集中度變低，由數(shù)條小風廊道明顯分散開來，以各自到終點的最近距離，沿著分散的道路抵達終點。

4)通風廊道沿著鼓浪嶼島南部沿海步道通行，經(jīng)過英國領事館，最終到達皓月園。

4 不足與總結

研究中未考慮地形對風環(huán)境的影響。鼓浪嶼是個地形比較起伏的島嶼，包括日光巖等山體對風的阻礙作用比較明顯；環(huán)島水體對風的作用等等，本文并沒有考慮地形對風環(huán)境的影響，只是將建筑迎風面作為單一的因素考慮建筑建成區(qū)對風的阻礙作用。

本文使用了迎風面面積系數(shù)λf對鼓浪嶼全島建筑區(qū)域建立了迎風面系數(shù)模型。根據(jù)分析結果顯示，龍頭路商業(yè)區(qū)域以及內(nèi)厝澳片區(qū)內(nèi)居住區(qū)的λf系數(shù)最高，通風條件不好；而沿著全島環(huán)島外圍區(qū)域的λf系數(shù)則比較低，有比較良好的通風條件。

根據(jù)廈門夏季主導風向做了風廊道分析所示，從西南至東北形成了四條主要的通風走廊，四條通風走廊的共同特點是趨向通過建筑密度低或者建筑高度低的區(qū)域。A，D兩條廊道趨向通過環(huán)島步行道、沙灘、海邊公園廣場等比較開闊的區(qū)域；B廊道則在比較密集的區(qū)域中尋找到低建筑密度的綠地公園、廣場，在較高建筑密度的商業(yè)區(qū)、居住區(qū)中尋找較小的阻抗的路線；而C廊道更趨向于一條比較開闊的步行道，廊道沿著道路通行。

[1] Baker L A,Brazel A J,SeloverN,et al.Urbanization and warming of Phoenix (Arizona,USA):Impacts,feedbacks and mitigation[J].Urban Ecosystems,2002,6(3):183-203.

[2] 劉輝志,姜瑜君,梁 彬,等.城市高大建筑群周圍風環(huán)境研究[J].中國科學(地球科學),2005,35(A1):84-96.

[3] 吳鳳林.城市建筑與風環(huán)境研究[J].實驗流體力學,1988(3):17-21.

[4] 韋婷婷.基于CFD技術的城市氣候模擬及氣候適應性規(guī)劃策略研究[D].長沙：中南大學,2010.

[5] 吳珍珍,鄢 濤,付祥釗.基于CFD模擬技術的深圳市城市風環(huán)境分析[A].中國建設工程質量論壇[C].2009.

[6] 劉春艷,彭興黔,趙青春.沿海城市住宅小區(qū)風環(huán)境研究[J].福建建筑,2010(7):15-17.

[7] 王 晶.基于風環(huán)境的深圳市濱河街區(qū)建筑布局策略研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2012.

[8] 楊俊宴,張 濤,譚 瑛.城市風環(huán)境研究的技術演進及其評價體系整合[J].南方建筑,2014(3):31-38.

[9] Ren C,Ng E.An investigation into developing an urban climatic map for high density living-initial study in Hong Kong[J].Palenc,2007(8)：39.

[10] Man S W,Nichol J E,To P H,et al.A simple method for designation of urban ventilation corridors and its application to urban heat island analysis[J].Building & Environment,2010,45(8):1880-1889.

The wind environment simulation of Gulangyu Islet built up area based on windward area coefficient

Xie Jiacheng

(ArchitectureandCivilEngineeringSchool,XiamenUniversity,Xiamen361000,China)

Through the analysis and calculation function of ArcGIS10.2 and Rhinoceros 5 software, this paper selected the building windward area coefficient of Gulangyu Islet built up area as the elements, simulated the wind environment of Gulangyu Islet, and analyzed the wind environment simulation diagram and ventilation corridor, evaluated the application scope of the method and the Gulangyu Islet built up area environment.

windward area coefficient, wind environment, ventilation corridor, CFD

1009-6825(2017)01-0012-03

2016-10-20

謝嘉宬(1991- )，男，在讀碩士

TU834.5

A