環(huán)渤海典型圍合式住宅組團風環(huán)境模擬及布局研究★

孫 磊

(南京大學建筑與城市規(guī)劃學院，江蘇 南京 210093)

環(huán)渤海城市處于寒冷地區(qū)，圍合式布局能產生較大的風影區(qū)，有利于環(huán)渤海的冬季防風，因此開展圍合式布局與風環(huán)境的關聯(lián)性研究具有重要價值。

當下，關于城市住宅的風環(huán)境模擬主要分為以下兩種類型，第一種是簡化形體與環(huán)境條件，建立數個理想原型進行比選實驗，例如劉政軒等人建立了長沙市10棟相同住宅樓的4種布局原型，以風速比、空氣齡為評價指標進行對比，得出最佳布局。第二種是針對某具體案例進行CFD風環(huán)境模擬，將模擬的數值與現今的風環(huán)境評價指標進行對比，進而分析案例設計，例如葉宗強等人對西安某居住區(qū)的研究。

本文選取了環(huán)渤海地區(qū)的3個典型圍合式住區(qū)，作為3種基本模塊，并設計9種比選模塊。以1.5 m人行高度平均風速比為核心指標，對比模塊的風環(huán)境。案例滿足如下條件：1)具有高度的圍合特征、通過底層架空進入組團；2)具有不同的密度和形態(tài)特征(見表1)。

1 典型案例中的圍合模塊

筆者提取三個案例中的典型圍合組團(見圖1)，結合案例所在城市的風環(huán)境，從開口位置、開口大小、剖面關系三個角度簡要分析。

1.1 案例所在城市的風環(huán)境

北京的冬季主導風向為北風，平均風速2.8 m/s，夏季的主導風向為南風，平均風速1.9 m/s；濟南的冬季主導風向為南偏東75°，平均風速3.2 m/s，夏季主導風向為西南風，平均風速2.8 m/s[2]。

表1 典型案例的基本信息

1.2 案例形體特征

北京菊兒胡同：1)組團從東、西側架空進入，在冬季主導風向(北)不開口，北側設置開敞樓梯間；2)兩個開口的大小相等；3)使用坡屋頂，南北側建筑高于東西側。

北京海運倉社區(qū)：1)垂直于冬季主導風向(北)布置架空主入口，夏季主導風向(南)開次入口；2)開口大小不相等；3)使用坡屋頂，四向建筑等高。

濟南自由城公寓：1)南、北、西三側底層架空。開口沿夏季主導風向布置，避開冬季主導風向；2)開口大小不相等；3)采取退臺的策略，冬季主導風向(南偏東75°)建筑高于西側，夏季主導風向(東南)建筑低于西北側。

2 模擬條件設定

2.1 實驗模型設定

本文設計了12種比選模塊。其中模塊1、模塊2、模塊3為案例原型；模塊1-1、模塊2-1、模塊3-1調整了圍合院開口位置；模塊1-2、模塊2-2、模塊3-2修改了開口大小關系；模塊1-3、模塊2-3、模塊3-3修改了圍合院的建筑高度，如圖2所示。

2.2 風環(huán)境模擬及評價標準

本文基于Airpak軟件對3個案例進行風環(huán)境模擬(見圖3)，將平均風速比作為評價指標。對特定的模擬對象和來流方向，風速比不會隨來流風速的變化而變化，故能較為客觀的反映圍合模塊的防風性，平均風速比RZ的計算公式為：

RZ=VZ/V0。

其中,VZ為行人高度1.5 m的平均風速，本文提取模塊內0 m～3 m空間的平均風速；V0為未受建筑物干擾的平均風速，本文取來流風速，軟件的邊界及網格尺寸均滿足計算精確度。一般來說，組團風速比越大，代表組團在該風環(huán)境下的通風性能較好；組團風速比越小，代表組團在該風環(huán)境下的防風性能較好。環(huán)渤海位于寒冷地區(qū)，應重點考慮住宅組團冬季的防風性能，兼顧夏季的通風性能，因此冬季風速比低、夏季風速比高的模塊，較為符合環(huán)渤海的氣候特征。

3 模擬結果與分析

表2 12種模塊的冬夏季平均風速比及冬季最大風速比

3.1 三種圍合原型的風環(huán)境對比

橫向對比模塊1、模塊2、模塊3的風速比(見表2)，可見圍合模塊的風環(huán)境與容積率并無線性關系，高密度圍合式住區(qū)依然可以通過設計手法，創(chuàng)造出良好的風環(huán)境。

在模塊1這組實驗中，模塊1-2的數據最符合環(huán)渤海風環(huán)境，這說明菊兒胡同在開洞設計上存在較大優(yōu)化空間；在模塊2、模塊3兩組實驗中，原方案(模塊2，模塊3)的數據較符合環(huán)渤海氣候，即說明該兩則案例的形體設計較好的適應了環(huán)渤海風環(huán)境(見圖4)。

3.2 9種變體模塊的風環(huán)境對比

3種原型模塊及其9種變體模塊的冬、夏季風速圖像如圖5所示。

1)洞口位置對組團風環(huán)境的影響。

模塊1-1：將模塊1的兩個開口自東西向調整為南北向(正對冬、夏季主導風向)，冬季與夏季的風速比均顯著提高。

模塊2-1：將模塊2背對冬季主導風向的開口移動到主導風向上，冬季風速比顯著提高。

模塊3-1：將模塊3的一處開口移動到冬季主導風向，冬季風速比顯著提高；由于另外兩處開口依舊正對夏季主導風向，故夏季風速比無明顯變化。

以上的數據表明：在環(huán)渤海區(qū)域，當一個組團有多個開口時，避免在冬季主導風向上開口，能夠有效加強組團冬季防風性能；同時宜考慮在夏季主導風向上設置開口，以兼顧夏季通風。

2)開口大小對組團風環(huán)境的影響。

模塊2-1：當取消模塊1在冬季進風側(北)的開敞樓梯間時，組團冬季風速比明顯降低。此數據表明，在冬季主導風向上應避免設置較大的洞口。

模塊2-2：將模塊2背對冬季主導風向的開口尺寸(南)從3 m調整為6 m，冬季風速比無明顯變化，夏季風速比有較明顯提高。此數據表明，正對主導風向的開口大小對組團風環(huán)境的影響較大；背對主導風向的開口大小，對組團風環(huán)境影響較小。

模塊3-2：將模塊3南側開口從4 m調整為8 m，北側開口從12 m調整為8 m，模塊冬季風速比提升0.03，夏季風速比降低0.04。此數據表明，改變進出風口大小帶來的組團風環(huán)境變化，還受到開口與來流風向的夾角影響。

3)屋頂形式及高差對組團風環(huán)境的影響。

模塊1-3：將模塊1北側(進風側)抬高一層，冬季風速比略微降低。

模塊2-3：將模塊2的坡屋頂改為平屋頂，組團冬季風速比有略微降低。

模塊3-3：取消模塊3的高度變化，冬季風速比略微上升，夏季風速比略微下降。

以上數據表面屋頂形式、建筑高差對組團平均風速比的影響幅度較小，應基于日照需求，合理布置。

4 結語

通過典型案例的分析，表明了圍合式布局在環(huán)渤海地區(qū)當代住宅設計中具有多樣的存在形式；對12種圍合模塊的風環(huán)境模擬，證明了圍合式布局的開口、高度關系與圍合組團風環(huán)境存在密切的相關性。受制于篇幅，本文僅從案例的實際出發(fā)，探討幾種典型的優(yōu)化策略對組團帶來的風環(huán)境影響，為將來適應環(huán)渤海區(qū)域氣候的圍合式住區(qū)設計提供參考。未來在建筑風環(huán)境研究領域，應該通過更精確的變量實驗，探求適應區(qū)域風環(huán)境的形體設計方法。