閩東南沿海城市高層住區布局與室外熱環境優化

劉姝宇 謝祖楊 宋代風 沈小潔

摘要：城市氣候惡化的客觀現實與國家新型城鎮化轉型戰略為城市住區建設提出應對城市氣候問題、優化室外熱環境的艱巨任務。以廈門市高層住區為例，通過數值模擬與統計分析方法，探討住區布局與室外熱環境之間的作用機理，為住區設計形態生成提供必要依據。結果表明，通過布局優化改善室外熱環境的思路具可行性;多指標均值綜合得分評價體系可作為室外熱環境分析的有效工具;建設用地方位、組團規模、建筑排布、綠地布局等均可對室外熱環境產生重要影響。

關鍵詞：室外熱環境;布局;作用機理;高層住區;廈門

中圖分類號：F293.31 文獻標識碼：B

文章編號：1001-9138-（2019）06-0034-38 收稿日期：2019-05-08

快速城市化進程致使我國當前多地城市氣候問題突顯。在新型城鎮化背景下，以低碳節能、生態宜居城市建設為目標，針對城市氣候優化的城市與住區設計研究成為學界熱點。如何營造良好的室外熱環境不僅是綠色住區設計需要著重考慮的問題，而且也為低碳生態城市設計理論的研究提供必要切入點。我國幅員遼闊、氣候條件多樣，故具指導意義的研究成果必然緊密結合各地氣候條件與地域特征。本研究以廈門市為例，深入探討閩東南沿海城市高層住區布局對室外熱環境的作用規律，助力綠色住區與低碳生態城市建設。

1研究思路

我國學者陸續針對不同氣候條件下的建筑布局與微氣候作用機理展開探討，推進相關事業發展。而，鑒于設計實踐工作特點，氣候優化常非設計實踐首要任務，這在很大程度上影響了研究成果轉化。各地不同類型建筑群形態與微氣候環境控制問題仍待深入探討。面對閩東南沿海地區氣候條件與其他夏熱冬暖地區的顯著差異（即，夏季高溫、高濕、高輻射、時空分布不均等），本研究以形態設計實際工作需求為導向，基于對住區設計步驟的分解，引入參數化思維，采用定量和定性相補充的方法，在高層住區設計與室外熱環境控制之間建立橋梁。

2研究內容

2.1框架條件獲取

課題組通過對住區用地規模、住宅建筑物尺寸統計，界定典型地塊尺寸（即，384m*258m的橫向地塊、258m*384m的縱向地塊）與典型建筑物平面尺寸（即，60m*15m的板式建筑、30m*22m的點式建筑）;基于廈門市土地利用強度相關規定設定住宅建筑層數（18層）。鑒于容積率對土地開發經濟利益的決定性影響，基于設計實踐實際條件，將容積率定為上限2.3，并在此條件下獲得相應板式建筑和點式建筑的建筑物數量。

據此開展布局方案設計，在排除難以不實際的、部分對稱的布局之后，獲得272種布局，通過基于PHOENICS軟件的數值模擬，獲得上述布局近地面1.5m高處的熱環境分布情況。

2.2評價體系構建

通過對既有評價方法及評價指標的梳理，基于對問題闡述全面性、表達方式直觀性的考慮，本研究構建了含空氣溫度（TAIR）、體感溫度（TAPR）、濕球黑球溫度（WBGT）、預測平均投票數（PMV）、風速（Velocity）等指標的“多指標均值綜合得分評價體系”，以綜合評價各布局的室外熱環境優劣。在表達方面，整體上通過匯總分值獲得綜合評分，以便開展整體性量化分析;細節上，通過雷達圖示法直觀反映布局在各分項上的優劣。

2.3建模與數值模擬

首先，進行時段選取論證、軟件校準與參數調試。針對廈門市思明區海韻園二期高層住區開展的室外熱環境實測成果證實，該地區夏季最不利熱環境狀況出現在下午14點前后。故，數值模擬時段被設定為下午14點。

根據相關研究經驗與本研究具體需要，選擇PHOENICS軟件中的能量方程TEMPERATURE、湍流方程KEMODL、輻射方程IMMERSOL開展數值模擬。環境參數方面，溫度、濕度、太陽輻射、風等基本氣象框架條件的設定以廈門市氣象資料為準（見表1）。為增強仿真效果，本研究在模型中加入恒溫土壤層（土壤層溫度設為30℃）。

3成果分析

3.1規律探討

3.1.1建設用地方位

在集中式布局中，隨著建設用地自西向東移動，室外熱環境逐漸變差，但變化趨勢不明顯（見表2）。原因在于，當建筑群居于地塊西側時，被風帶走的輻射熱量位于建筑群背風面，并未被統計在計算范圍內。

對板式建筑群而言，隨著建設用地自北向南變化，室外熱環境變好。原因在于，板式建筑群風阻大，來風的熱量驅散能力弱;熱環境主要影響因素為太陽輻射。當建設用地置于綠地北部時，南面綠地受到太陽輻射加溫作用聚集大規模熱量;當建設用地置于綠地南部時，北面綠地在建筑物陰影中，同時建筑群熱量較少被風帶出。

對點式建筑群而言，隨著建筑群由北往南移動，整體室外熱環境先變壞后變好，總體以布局于北部為佳。原因在于，點式建筑面寬較窄，風能從南面吹入建筑群，雖能帶走南側部分熱量，但無法在建筑物背風面形成優良風場，導致北面熱量淤積。故，將點式建筑群置于北部時，建筑群輻射熱量易被風帶出地塊（見圖1）。

3.1.2組團規模

當建筑物過于集中（即建筑組團數量為1）或過于分散（即建筑組團數量大于6）時，室外熱環境均不佳;而當建筑組團數量適中（3-4個）時，室外熱環境較好（見圖2）。即，由中等規模建筑組團（3-4棟板式建筑物或4-6棟點式建筑物）組成住區的室外熱環境表現最好。原因在于，建筑物過于集中易形成大規模輻射熱源，同時熱量不易被風帶走;建筑物過于分散布置則易阻礙來風，擾亂風環境，導致排熱不利。

3.1.3建筑排布

組團內建筑排布對室外熱環境的影響與建筑物平面形態相關。即，對板式建筑群而言，東西向條狀排布的熱環境較好;對點式建筑群而言，塊狀排布的熱環境較好（見表3）。

板式建筑群東西向條狀排布時的室外熱環境最優，原因如下。其一，東西向條狀排布時，建筑物南北立面距離被拉大，南北墻面的長波輻射吸收較少，建筑間熱輻射熱量易于擴散;其二，建筑群排布整齊，易形成具光滑邊界的風廊，促使更多熱量被風帶走。

點式建筑群塊狀排布時的室外熱環境最優，原因如下。其一，南北向存在輻射影響的墻面較少，導致長波輻射吸收熱量較少;其二，綠地破碎化程度較低，通風條件較好，地塊中熱量殘留更少。

3.1.4綠地布局

綠地布局對室外熱環境影響規律如下。

第一，以整體室外熱環境優化為目標，集中布局優于分散布局（見圖3）。其一，綠地集中布局常加大組團間距，輻射熱易于散去;其二，分散布局常導致建筑物分散，難以形成良好風場、導致氣流紊亂，使輻射熱難于散去。

第二，以住區自身室外熱環境優化為目標，穿越式集中綠地方向不宜順應來風方向。結果顯示，集中綠地不順應來風方向布局的熱環境得分明顯高于集中綠地順應來風方向的布局。原有在于，集中綠地順應來風方向時，氣流沿開放空間順暢流經場地，未能深入組團帶走熱量;集中綠地不順應來風方向時，氣流被迫流經建筑群，易于帶走輻射熱（見表4）。

3.2實證研究

本研究嘗試基于研究成果對前文實測高層住區展開實證研究，以檢驗成果的合理性與有效性。出于經濟利益、可行性等考慮，以容積率保持不變、住宅建筑位置不變為前提，布局調整主要包括適當移動裙房、縮小裙房占地面積、減小道路面積與整合綠地等。布局優化前后的模擬結果顯示，基于所獲規律的布局調整在很大程度上改善了整體室外熱環境（見表5）。

4結語

本研究既驗證了住區布局對室外熱環境的顯著影響，又論證了通過布局優化改善室外熱環境思路的可行性。

鑒于室外熱環境與風環境的非穩態特性，室外環境質量評價方法必然與室內研究存在差別。囊括多個環境性能指標的“多指標均值綜合得分評價體系”可為室外熱環境分析提供可能。該體系既能提供便捷反映對象環境質量的整體評分水平，又能直觀反映各性能之優劣。

建筑學的核心任務在于創造形態。為了獲取布局形態與環境性能的關聯性，本研究通過理想實驗初步獲取了建設用地方位、組團規模、建筑排布、綠地布局等形態要素與室外熱環境間的作用規律。關于形態與環境性能之間更深入、更細致的作用機理及其原因分析則有待進一步深入探討。