居住區室外風環境研究現狀及展望

溫雅俊 ，王燕飛 （河南科技大學建筑學院，河南 洛陽 471000）

0 前言

自上世紀90年代開始，中國的城市化建設飛速發展并逐年加速。時至2017年，國家統計局數據顯示我國城鎮化率（城鎮人口占總人口比重）達58.52%。城市規模的迅速膨脹帶來了生產生活活動的大量增加，也給城市環境帶來了巨大的壓力，引發了諸如霧霾、熱島效應、溫室效應等一系列城市氣候問題。根據住區環境評價因素及人體舒適度性分析，影響居住區微氣候環境好壞主要因子有熱度、濕度、通風、日照等，其中日照因子是有規律可循并且相關研究較為成熟的可控因素，而通風因子間接決定了住區的熱度、濕度情況[2]。另外城市中產生的大氣顆粒物污染、熱島效應等問題也都與風場有著直接或間接的關聯。因此住區通風對于營造良好的居住區微氣候起到了至關重要的作用。

1 國外研究動態

國際上從20世紀60年代便已經展開了對風環境的研究，并取得了豐碩的理論成果和實踐成果。很多國家設立了專門的風環境研究機構，如澳大利亞、日本、英國、加拿大等等。W.D.Baines[7]在1965年進行了風洞實驗及實地考察，參加了名為“建筑構造物與其產生的風效應”的國際會議，并在會議上提出了實驗結論：處于自然風中的高樓會把高處能量較高的氣流引導至能量較低的下方，從而使得地面風速增大，同時高樓周圍的低層建筑會受到強氣流的影響。隨后，各個研究中心及相關學者開始對建筑周圍風環境的預測、評價及優化進行定量的分析，如：W.H.Melbourne[8]對穿堂風進行了實驗研究，發現了穿堂風和建筑物高度成正比例關系，即穿堂風的風速會隨建筑物的增高而增大。1995年，To AP與Lam KM[9]在構建了一系列相同尺度的建筑物模型，并探討了這些建筑物的排列布局方式對風環境的影響，最后得出如下結論：風速的方向與建筑朝向垂直時，迎風面建筑會對風的流動形成較大阻礙，進而影響了后排建筑的風環境，即形成了風渦流；當風速的方向與建筑朝向平行時，兩棟建筑之間產生局部高風速的現象，形成風通道即“狹道風”現象。近年來，一些國外的專家提出，在進行居住區設計規劃時要考慮小區的微氣候變化，研究的重點主要是小區室外風環境與建筑之間相互影響的關系[3]。比如 B.Blocken,T.van Hooff以Eindhoven大學校園為研究對象，運用CFD模擬軟件對其進行了數值模擬，分析了人行高度1.5m處的風環境的舒適度。

2 國內研究動態

相比國外對風環境的研究，我國的相關研究起步較晚。但是，在我國古代，不同地域的人們都知道結合當地的自然生態環境，布置村落建設住宅，從而形成最有利的自然通風，因此也形成了個各具特色的地域民居。例如北京的四合院、南方的天井等。這些建筑形式不論是在平面布局還是空間組織上都對住宅的自然通風起到了巨大的作用，這對我們進行現代住宅風環境的設計也有重要的指導意義。李曉峰[10]等人在2003年研究了最不利于自然通風的圍合式布局的住宅小區的微氣候，并提出了改進策略，即采用合理的建筑構造（如架空結構）和開口位置從而達到強化通風和降低區域溫差的良好效果。2009年陳飛[11]出版了著作——《建筑風環境：夏熱冬冷氣候區風環境研究與建筑節能設計》一書，主要討論了氣候對建筑的影響，特別是風環境對不同建筑類型、不同建筑特點的影響，并且還建立了夏熱冬冷地區的風環境評價標準。2013年，楊麗[13]利用CFD技術模擬了居住區內的風環境，研究結果表明，運用CFD技術對居住區的大氣流場進行模擬分析，具有實際的應用價值，并且對基于風環境模擬的居住區規劃具有科學的指導意義。2014年龔晨等針對行列式、錯列式、斜列式、混合式4種典型的城市住宅小區布局形式，運用ANSYS-CFX軟件建立了76種不同參數的數值模型，并對數值模型進行了三維風場模擬，分析結果表明：微風環境下，當來流風呈垂直建筑長度方向進入小區時其內部風速增幅最大；不同工況下人行高度（離地1.5m）處風速較高的地方主要為小區過道入口；建筑物長度比建筑物寬度對小區風環境的影響更為顯著，當建筑尺寸長寬度比L/B=3∶1即采用斜列式布局能夠有效改善小區內風環境狀況[12]。2017年，胡春景等人探討了行列式、錯列式和點群式三種不同的建筑形態與布局對居住區微氣候的影響，并得出塔式建筑的風場優于板式建筑的結論[16]。

3 小結

綜上，國內外關于居住區室外風環境的研究范疇主要是風與建筑之間的相互影響，包括不同的建筑布局、不同的建筑物的形狀以及不同建筑物的尺度等對風環境產生的不同的影響。

目前國內外關于分析風環境的方法主要有現場實測、風洞實驗和計算機數值模擬三種。在這之中現場實測法雖然數據的準確性能夠得到保證但應用面比較窄，因為其不能在規劃設計階段進行分析，而只能運用于已經建成的場所，并且現場實測法需要耗費巨大的人力物力，也無法對優化的結果進行檢驗；風洞試驗法解決了現場監測方法在區域風環境整體上把握不足的問題，但是僅可以了解到比較典型的建筑群的風環境的規律及特點，并且其周期很長還要花費巨大的財力，因此很難在實際項目中廣泛推廣[14]。隨著計算機的發展與成熟，計算機數值模擬技術開始應用于風環境的分析中，并且也成為了目前相對較為普遍的方法，其中 CFD（Computational Fluid Dynamics）即計算流體力學運用最為廣泛。CFD是近代流體力學、數值數學和計算機科學相互結合的交叉科學，其模擬方法具有很多優點，比如成本低廉、操作方便、模擬成果直觀易懂等，并且能將三維流場進行可視化，因此目前被廣泛地用來模擬風環境。而基于CFD技術的模擬軟件有很多種，目前比較成熟且運用較多的主要有 PHOENICSCFX、Fluent、Star—CD、NUMECA 等等。

4 展望

影響居住區室外風環境的因素是多方面的，除了受到城市上空大氣環境、居住區周圍的環境、建筑布局、建筑形態及材料、下墊面屬性等因素影響外，園林綠化對居住區室外風環境的影響起到了重要作用，如居住區內的綠化形式、綠地布局、噴泉水景、景觀設施等都會影響室外微氣候的優劣。比如，我國學者涂逢祥在其著作中說明在夏季，植物可以通過喬木的遮陽減少太陽輻射，降低建筑物表面和其他下墊面的溫度，從而改善居住區室外熱環境；在冬季，綠化植物構成的防風林可以有效緩解建筑小區外的風速，為小區居民的工作、生活提供舒適的室外風環境[15]。

但是傳統的居住區風環境評估通過改變建筑的布局、建筑覆蓋率等因子以改善室外風環境，而關于園林綠化對風環境影響的評價還很少，并且居住區景觀設計導則中涉及定量指導植被設計改善居住區室外微氣候的導則和標準也很少。因此，未來分析探討園林綠化對室外微氣候的影響，尤其是對風環境的影響，從改善室外微氣候的角度對居住區室外綠化設計提出科學的優化設計方法，對今后的居住區景觀設計具有重要的指導意義。同時這也是低成本建設生態宜居城市以及舒適的人居環境的要求。