基于山地風環境的景觀規劃設計策略研究

趙 洋 劉加根 肖 偉

(1.北京清華同衡規劃設計研究院有限公司，北京 100085； 2.清華大學建筑設計研究院有限公司，北京 100085)

1 概述

根據資料統計，自然災害造成損失中風災最為嚴重，風災是發生在人們活動區域的大風，對建筑、建筑構筑物、基礎設施與人們生活的影響和破壞。根據我國地形地貌的特點，每年7月～9月登陸臺風占全年4/5，一般5月～6月登陸華南沿海，7月擴大到整個沿海地區，9月～10月登陸長江口以南沿海，11月在廣東、海南和臺灣，12月在廣東偶有登陸。除西部邊遠省區外都受到過臺風不同程度的影響[1]。

隨著社會城鎮化的高速發展，有限的資源與日益增長的實際需求矛盾問題更加突出。相對于城市，山區空氣清新，環境優美，選擇在山水生態條件好的區域生活和室外活動受到人們追捧，但山體地形復雜，氣流經過該地區復雜的地形時流場與平坦地區有明顯差異，造成風速與風壓分布很不規則，人活動區域的選擇會面臨更多的技術上的復雜問題，因此怎樣合理利用山地土地資源，在不破壞原有生態環境又滿足人們生活需求已成為一項艱巨任務。研究山體風場分布特點及變化規律，對合理有效利用山地土地資源有十分重要的指導價值。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

本文以某沿海山地地帶景觀規劃設計為研究對象，總用地面積為公頃。通過對1971年—2010年地方氣象資料進行統計分析，可得到場地的風玫瑰圖，如圖1所示。該地區夏季主導風向為SSW，其余季節為NNE。由風玫瑰圖可知，該地區年最大風頻是NNE(30%)，次大為NE(22%)，SW風和SSW風各占8%；各風向的平均風速NNE最大，為6.0 m/s，其次是NE(5.6 m/s)和SSW(4.5 m/s)，最大風速26 m/s，風向NNE。

2.2 數學模型的選取

本文選取標準k-ε湍流模型求解山體周邊的風環境狀況，涉及到控制方程，其形式如下：

其中，φ可以為速度、湍流動能、湍流耗散率以及溫度等。

2.3 幾何模型

在本次研究中，計算域尺度為10 km×10 km×0.5 km，計算域為研究對象(如圖2所示)的100倍，其中，計算域面積為研究對象的25倍，高度為山體高度的4倍，場地位于計算區域中心。

2.4 邊界條件

1)來流邊界。來流風受下墊面粗糙程度的影響，地面以上的室外風速為隨高度遞增的梯度風，不同高度的風速不同，高度與風速變化規律可以用指數方程來描述：

其中，V為距地面Z高度處的風速，m/s；Vg為距地10 m高度處來流風的風速，m/s；Z為距地面高度，m；Zg取10 m。

2)出流邊界。在本文流場出口設置為自由流動邊界，即認為流動已不受計算域內分析對象的阻礙影響，恢復到正常流動。

3)其他邊界。因計算域尺寸遠超過研究對象尺寸，研究對象對來流風側面以及頂部流動無影響，因此側面與頂部采用對稱邊界條件；山地和地面采用固定不動的壁面邊界條件。

2.5 模擬工況

本報告根據項目所在地區風玫瑰圖確定3個模擬工況，各工況的具體風向及風速設置如表1所示。

表1 模擬工況統計表

3 風環境評價標準

人們室外活動受室外風環境影響較大，風速大會帶給行人不舒適感，甚至影響到行人正常行走和安全，對于炎熱的夏季，風速太小，行人基本上感受不到風，也會感覺到不舒適，并且不利于室外有害氣體和污染物的排放和擴散，對此，國內外學者進行了大量的測試、調研和風洞試驗，并對其進行總結，詳見表2。由此可知室外風速在0.5 m/s與5 m/s之間，室外風環境相對較舒適，相對比較容易被接受；當室外風速超過5 m/s不高于7.3 m/s時，雖不舒適但不影響正常的活動；室外風速高于7.3 m/s時，人會感覺到極不舒適且行動受影響；在15 m/s以上時，人不能忍受；超過20 m/s時，威脅到人身安全，應采取措施降低風速[2-6]。

我國現行標準中對室外風環境提出相應的指標進行評價，如GB 50378綠色建筑評價標準要求：人行高度處(1.5 m高度處)的風速不能低于0.5 m/s也不能高于5 m/s。因此，為了給人們提供舒適的風環境，在方案規劃設計階段，設計工程師們不僅要從美觀、實用角度考慮，還應當充分考慮人們實際需求，如日照、風環境等這些因素，減少因考慮不全面而導致項目運行時出現不合理的地方。

表2 風環境評價指標統計表

基于以上的研究分析，本文將以室外風速在0.5 m/s～5 m/s為舒適區間，不超過7.3 m/s為可接受的室外風速為依據，為山體風景規劃設計提供設計策略建議。

4 模擬結果分析

4.1 山體近地面風速分布特征

圖3為冬季及過渡季風速6.0 m/s的東北偏北風場下，山體近地面風速分布圖，圖4為夏季風速4.5 m/s的西南偏南風場下，山體近地面風速分布圖。由圖3與圖4可知：1)室外風速隨山體高度增加逐漸增大，山底周圍風速最低，山峰附近風速最高。山底風速在3.5 m/s以下，適合行人室外活動，山頂部風速冬季達到10 m/s，夏季達到7 m/s，均不利于行人室外活動；2)山谷近地面風速特點：冬季與過渡季山谷近地面風速在1.5 m/s～5.0 m/s之間；夏季山谷近地面風速在1.0 m/s～3.0 m/s之間，山谷輕風，室外風環境較為舒適，比較適合漫步；3)山峰及山脊附近風速特點：冬季與過渡季北側山峰及山脊近地面風速在8.0 m/s～10.0 m/s之間，南側山峰及山脊風速略小在5.0 m/s～8.0 m/s；夏季北側山峰及山脊附近風速在5.0 m/s～7.0 m/s之間，南側山峰及山脊風速略小在4.0 m/s～7.0 m/s；山峰與山脊風速較大，不利于室外行人行走。

圖5為極大風速26.0 m/s的東北偏北風場下，山體近地面風速分布圖。由圖5可知：1)風速分布特點與工況1與工況2相似：山底近地面風速最低，山峰及山脊附近風速最高；但山底部周圍風速仍在13.0 m/s左右，不利于室外行人活動，有一定危險性；2)與其他2個工況不同：由于北側山峰較高，與N向風呈90°夾角，有一定阻擋作用，山南側山峰及山脊風速明顯低于北側，但風速也均在26.0 m/s以上，非常不利于室外行人，影響人身安全。

4.2 人行高度處風速分布特征

由圖6工況1與工況2人行高度處風速分布云圖可知：冬季及過渡季風速6.0 m/s的東北偏北風場下，山體周圍人行高度處風速在1.2 m/s～3.0 m/s之間；夏季風速4.5 m/s的西南偏南風場下，山體周圍人行高度處風速在1.5 m/s～3.3 m/s之間，均在行人室外行走的舒適范圍內。

5 基于風環境的景觀設計策略

基于“綠色生態”的理念，盡可能不改變或不破壞山體地貌和現有植被的景觀設計策略：1)在山底或山谷選擇景區入口和主要室外活動場所。由于本文所涉及案例的山底東側有現狀污水廠，不是公園入口或室外主要活動場所最佳地，根據模擬結果分析，建議其公園入口和主要室外活動場所設置在山底西側與北側，山體可適當緩解大風對室外的影響，夏季也無明顯渦流，有利于污染物擴散；2)人員憩息場所和人行道路的選擇避開山峰和山脊地帶：從模擬結果可知，山峰和山脊附近風速較大，不利于室外人員活動，因此建議人員憩息場所和人行道路盡量避開山峰與山脊；3)景區建筑構筑物風力荷載確定：在極大風工況下，山底周圍風速在13.0 m/s左右，山峰附近風速也接近來流風速的2倍，非常不利于室外行人，且有一定危險性，建議山底部建筑物及構筑物能抵抗15.0 m/s風速的負載負荷，山峰建筑物及構筑物抵抗來流風速2倍以上的風速的負載負荷。

6 結語

本文研究了山地風環境特征，結合室外風環境舒適性標準，提出山地景觀規劃設計中的公園入口、室外活動場地、憩息場所和行人道路的設計策略。

山地風環境特征：室外風速隨高度增加風速逐漸增大，山底風速最低，在3.5 m/s以下，適合行人室外活動，山峰附近風速最高，冬季高達到10 m/s，夏季達到7 m/s，不利于行人室外活動；山谷附近室外風環境較為舒適，比較適合漫步；山峰與山脊風速較大，不利于室外行人行走。極大風工況下，山底部周圍風速仍在13.0 m/s左右，不利于室外行人活動，有一定危險性。

規劃設計策略：景區入口和主要室外活動場所盡量選擇在山底或山谷背風負壓區域；人員憩息場所和人行道路的選擇盡量避開山峰和山脊風的正壓區域；景區建筑物及建筑構筑物風力荷載負荷應滿足一定要求。

本文研究是計算流體力學與景觀規劃設計相結合的初步嘗試，在景觀規劃設計階段利用CFD計算流體力學的量化結果指導設計，使得設計方案更加科學化、合理化。