庭院尺寸與風環境雙目標下的展覽建筑布局

應小宇，韓鑫裕，皇甫凡雨，梁孝鑫，秦小穎，高 婧

(1.浙江大學 建筑工程學院，杭州 310058；2.浙大城市學院 國土空間規劃學院，杭州 310015)

隨著城市化進程加快，人們在城市中的公共活動趨向于多元化、復雜化。經調研發現，展覽建筑中庭院易產生強風區和靜風區，前者的強氣流在冬季或強風季易引發風險，后者在過渡季不利于污染物擴散，在夏季不利于散熱[1]。庭院是展覽建筑中使用頻率較高、人流量較密的區域，同時承載著室外展覽、藝術集市、植物展示等多樣功能。因此，庭院空間在展覽建筑布局中至關重要。此類布局設計往往在符合消防規范前提下依賴建筑師經驗，不論是技術指標還是環境優化都沒有相關的指導。

因此，有必要通過對知名展覽建筑的技術經濟指標進行收集、歸納。將首層建筑面積和庭院面積的關系參數化，把“設計經驗”轉化為“數據經驗”，并對多種展覽建筑布局形式的庭院風環境進行分析，從建筑設計和風環境的視角出發探討方案階段的總圖布局問題。

隨著計算機模擬技術的快速發展，FLUENT、Phoenics等流體動力學軟件因其較高的可靠性和較為全面的性能被廣泛應用于風環境研究[2]。2002年文獻[3]提到“Phoenics軟件經歷過上千個算例的實驗驗證，能保證計算結果的準確性”。目前，風環境的研究主要表現為兩種類型：第一種是基于簡單模塊(圍合式、行列式等)的風環境特征研究[4-5];第二種是偏向實際案例的風環境分析評價,即結合某一案例，根據模擬結果提出優化方案[6-7]。從方案設計階段來看，前者覆蓋面廣、概括力強，對庭院風環境特點的剖析更到位，但由于其內容定性大于定量，評估缺乏準確性。后者具有較強的針對性，但由于研究評價重于設計指導，缺乏普遍的指導意義?；诖耍瑥膶嶋H案例出發，歸納簡單模塊，利用計算機技術模擬演繹，能更有效地解決庭院風環境中的突出問題。

在中國的建筑熱工設計分區中，以夏熱冬冷地區的氣候相對較復雜，因此對環境調控的需求也更加迫切[8]。本文以夏熱冬冷地區為例，探索不同庭院面積和布局下展覽建筑首層面積與庭院風環境的關系，通過實踐指導實踐[9-10]，這是風環境研究的重要方向。

1 研究數據與模擬條件的設定

1.1 數據視角下知名展覽建筑案例的庭院尺寸

為了進行對比研究，本文在普利克獎得主作品、建筑網站(archdaily、gooood等)和建筑相關期刊中，選取48例國內外知名展覽建筑作為研究對象(表1)，其中建筑首層部分為灰白色區域，庭院部分為網格區域。

表1 48例國內外知名展覽建筑面積數據Tab.1 Data of 48 well-known exhibition buildings

續表1

根據表1所示首層建筑面積X和庭院面積Y，并利用Excel軟件回歸計算(圖1)，得出函數關系式為

圖1 首層建筑面積X和庭院面積Y的函數關系Fig.1 Functional relationship between ground floor area X and courtyard area Y

Y=4×10-5X2-0.109 7X+924.98

(1)

參考《MedCalc常用統計分析教程》所述：在回歸方程中決定系數R2>0.3才有意義[11]。本回歸方程的R2=0.75，說明首層建筑面積和庭院面積存在相關性。此函數在展覽建筑方案設計階段具有較大的指導意義。

該非線性二次函數適用于首層建筑面積在0 m2到14 000 m2之間的展覽建筑，當首層建筑面積在7 000 m2以下時，曲線兩側散點的離散度較低，該函數能較準確地表達首層建筑面積與庭院面積的相關性?；谠摵瘮店P系式，設定12組實驗組進行風環境模擬，以探求不同體量展覽建筑對庭院風環境的影響。

1.2 實驗模型及尺寸設定

為滿足夏季散熱和冬季防風的要求，杭州地區公共建筑的庭院布局宜以南、西和東向為主[12]。上述建筑案例可歸納為并列式、L型圍合、U型圍合、口型圍合以及分段圍合等5類典型布局，根據庭院位置不同，可衍生出14種平面形式(圖2)，其中白色部分為建筑，網格部分為庭院。

圖2 14種展覽建筑平面形式Fig.2 Plane layout of 14 exhibition buildings

模擬中測點選擇分為3類，第一類位于庭院角落，距離邊界1 m位置的測點a、b、c、d，此類測點位于庭院空間的邊界，風速易受布局形態影響；第二類測點i則位于庭院空間的幾何中心，人流量較大；考慮第一類測點存在壁面邊界層的影響，第三類測點選擇中心i與庭院四角連線的中點e、f、g、h。對3類共9個測點綜合分析，能客觀反應庭院風環境狀況。

從上述案例中發現，展覽建筑的首層面積集中在2 000 m2至13 000 m2區間。因此，為進一步探討首層面積和庭院面積與庭院風環境的相關性，將首層面積從2 000 m2至13 000 m2分為12組實驗組，利用式(1)，輸入首層建筑面積Xn，計算得出庭院面積Yn(表2)。

表2 12組實驗組的面積Tab.2 Area of 12 experimental groups

1.3 計算域與邊界條件設定

據2020年杭州地區各展覽館官網數據統計顯示(圖3)，受冬夏兩季天氣影響，杭州地區近年來室外展覽活動集中在5、6月和10、11月，因此本文重點關注春秋季的庭院風環境。據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》[13]，將風速、風向等設置如下：以杭州的春季平均風速(風向：SSW；風速：2.7 m/s)、秋季平均風速(風向：NNW；風速：2.65 m/s)作為氣象條件。

圖3 2020年度杭州全城每月室外展覽場次Fig.3 Monthly outdoor exhibitions in Hangzhou in 2020

在模擬條件下，建筑模型設定為4層，高度20 m，建筑間距滿足消防規范。模擬區域的邊緣距離建筑模型100 m[14]；最小網格尺寸為1 m，背景網格尺寸為4 m[15]；模擬采用k-ε湍流模型，收斂精度為0.000 1，迭代次數為6 000次，計算達到收斂即停止，此精度下，同一項目在進行多次實驗以及縮小網格重復實驗中，誤差近0。

1.4 風環境評價標準的建立

現有的風環境評估方法中，風速比評估的評價指標較客觀，是以某測點實際風速與無干擾狀態下理想風速的比值大小來反映建筑物對風環境的影響程度，其計算公式為

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式中：R0為風速比，V0為實際風速，V為理想風速。

文獻[16]的研究和GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》中提出：風速比介于0.5～2.0之間比較舒適。

然而在現有的評價標準仍存在風速標準無差異化等局限性[17]。因此，在綜合考慮室外觀展空間特殊需求的基礎上，參考人行高度的Beaufort指數[18-19]中“風速>2.68 m/s時會產生錦旗飛舞、紙塵飛揚等現象”和“風速<0.3 m/s為靜風區”[15]，采用0.3 m/s～2.68 m/s作為適宜風速標準；庭院中風速變化的幅度過大會影響觀展體驗，甚至產生安全隱患。為滿足展覽建筑室外觀展的需求，提出以下標準：

評價標準一：風速比。杭州市年平均風速為2.7 m/s，因此風速比介于0.11～0.99之間較適宜。

評價標準二：風速穩定性。測算庭院各測點風速的方差能夠直觀地得到風速的變化情況，從而反映該庭院各區域之間的風速變化是否穩定，其計算公式為

(3)

2 研究結果與分析

2.1 春季風影響下模擬結果分析

圖4為不同面積條件下，14種平面形式在春季風影響下室外人行高度(1.5 m)處風環境模擬結果，圖5為組1的可視化結果。統計分析每種方案的9個測點數據，以及適宜風環境區域的面積占比。

圖4 春季適宜風環境的庭院面積占比Fig.4 Proportion of suitable courtyard area for wind environment in spring

圖5 首層建筑面積2 000 m2布局方案的春季風模擬結果Fig.5 Spring wind simulation results of 2 000 m2 layout plan

據圖4曲線可得，14種平面形式中大部分區域的風速比均在閾值以內，首層建筑面積的變化會對部分布局的風環境產生巨大影響。隨著首層建筑面積的增大，并列式(南北庭院)、并列式(東西庭院)和L形圍合(東南庭院)的適宜區域占比迅速下降，因此以上3種平面形式比較適合小體量的展覽建筑。與之相反的是，口型圍合隨著首層建筑面積的增加，適宜風環境區域占比有明顯的提升。

U型圍合(東向庭院)、分段圍合(西向庭院)、分段圍合(東向庭院)的適宜風環境區域占比在99%左右，可提供理想的室外觀展空間。對比其他U型圍合布局可得：在春季風條件下，西向和南向庭院均存在靜風區，不利于空氣流通；而分段圍合通過設置通風廊道在一定程度上解決了這個問題，但是要避免將開口置于主導風的來向一側，否則仍會產生“狹管效應”，造成不利影響和安全隱患。

由于存在適宜風環境區域占比差異較小的情況，庭院風環境優劣還需對3類測點作進一步分析。

第一類是角落測點a、b、c、d，見圖6，兩條紅色虛直線分別表示風速比0.99和0.11的上下限閾值，4個測點的風速比均在閾值以內的是U型圍合(西向庭院)和分段圍合(東向庭院)，其邊界風環境較適宜。

圖6 春季庭院四角測點風速比Fig.6 Wind speed ratio of courtyard corners in spring

第二類是中心測點i，分析圖7可得，上述3類適宜風環境占比達99%的布局僅有分段圍合(西向庭院)在閾值以內。并列式和L型圍合的中心位置風環境良好，U型和口型圍合均存在中心風速較低的問題，但分段圍合的風速明顯改善。

圖7 春季庭院測點i風速比Fig.7 Wind speed ratio of point i in spring

第三類測點是中心與四角連線的中點e、f、g、h，其風速比基本上在閾值以內，風環境較為適宜。

風速比在閾值以內的面積占比能夠為庭院風環境評價提供重要參考，而測點風速的方差能夠描繪

該區域風速的變化情況，如春季庭院測點風速方差(圖8)所示，U型圍合(東向庭院)和口型圍合的測點風速方差值在0.3以下，風速變化較穩定；而L型圍合(西南庭院)和并列式(東向庭院)的方差值較高，風速變化較大。說明在春季風作用下，上風向有遮擋的庭院風速變化更小，更適合進行觀展活動。

圖8 春季庭院測點風速方差曲線Fig.8 Variance of wind speed in spring

針對方差曲線中某些曲線較復雜的問題，可以從各測點平均風速比及其方差中找到定性的規律。

如表3所示，U型圍合(東向庭院)和口型圍合的方差最小，風速變化最穩定；L型圍合(西南庭院)、并列式(東向庭院)、分段圍合(南向庭院)的方差較大，風速變化最大；其余布局的方差差距較小，且存在實際方差值因首層面積變化而改變的情況。

表3 春季各測點平均風速比和方差Tab.3 Average wind speed ratio and variance of each measuring point in spring

從模擬結果分析可以得出，在夏熱冬冷地區春季風影響下，庭院布局中所產生的“狹管效應”會帶來高風速區域，其中以南北庭院所產生的效果較顯著，而東西庭院則能夠起到改善作用；L型圍合(東南庭院)在首層建筑面積>6 000 m2時，適宜區域面積占比減小，因此該種形式比較適合小體量的展覽建筑。U型圍合(東向庭院)、分段圍合(西向庭院)、分段圍合(東向庭院)的適宜風環境區域占比均達到99%。在進一步的測點分析中發現，分段圍合(東向庭院)的四角測點在閾值以內，邊界風環境較適宜，分段圍合(西向庭院)其中心測點在閾值以內，人流最密集區域的風環境較適宜，而U型圍合(東向庭院)的測點方差值均較小，能夠提供較平穩的庭院風環境，有利于開展室外展陳活動。

2.2 秋季風影響下模擬結果分析

圖9為不同面積條件下，14種平面形式在秋季風影響下室外人行高度(1.5 m)處風環境模擬的結果，圖10為組1的可視化結果。統計分析每種方案的9個測點數據，以及適宜風環境區域的面積占比。(秋季的數據圖表僅展示最重要的部分，結論以文字為主。)

圖9 秋季適宜風環境的庭院面積占比Fig.9 Proportion of suitable courtyard area for wind environment in autumn

圖10 首層建筑面積2 000 m2布局方案的秋季風模擬結果Fig.10 Autumn wind simulation results of 2 000 m2 layout plan

在秋季風影響下，并列式(南北庭院)仍表現出較不利的庭院風環境。當首層建筑面積小于7 000 m2時，并列式(東西庭院)的風環境較為舒適，隨著面積增加，風環境質量逐漸下降。U型圍合(東向庭院)、分段圍合(西向庭院)、分段圍合(東向庭院)適宜風環境區域占比基本穩定在99%左右，可以提供較理想的室外觀展空間，該結論與春季的模擬結果相同。

對3類測點風速比圖分析后發現，四角測點a、b、c、d的風環境在U型圍合(西向庭院)和分段圍合(東向庭院)中均為良好；中心測點i的風環境在并列式和L形圍合的庭院中較為良好，在U型和口型圍合的庭院中最差，在分段圍合的庭院中有所改善；中心與四角連線的中點e、f、g、h均在閾值以內，風環境良好。

測點風速方差曲線呈現出更復雜的趨勢(圖11)。秋季的方差值相較于春季更低，14種平面形式的庭院風速更加穩定?？谛蛧系臏y點風速方差值最低，風速變化最穩定；U型圍合的東向庭院比南向庭院的方差值更小，風速變化更穩定。而并列式(東向庭院)和分段圍合(南向庭院)的方差值較高，測點風速變化較大。

圖11 秋季庭院測點風速方差曲線Fig.11 Variance of wind speed in autumn

從模擬結果中可以得出，在夏熱冬冷地區秋季風影響下，適宜風環境區域占比的分析結果與春季相同。在進一步的測點分析中發現，分段圍合(東向庭院)的邊界風環境較適宜，分段圍合(西向庭院)中心區域的風環境較適宜，而U型圍合(東向庭院)的測點方差值均較小，能夠提供較平穩的庭院風環境，有利于開展室外展陳活動。

3 結 論

本文通過適宜風環境的面積占比和測點風速的穩定性來評價建筑布局對庭院室外風環境的影響，為創作具備良好風環境的展覽建筑提供設計參考。以夏熱冬冷氣候條件(以杭州為例)為依據進行風環境模擬，得出以下結論：

1)國內外知名展覽建筑共同反映出首層建筑面積與庭院面積存在非線性的一元二次函數關系，表達式為：Y=4×10-5X2-0.109 7X+924.98,(R2=0.75)。該函數的適用于首層建筑面積在2 000 m2～13 000 m2之間的展覽建筑，當首層建筑面積在7 000 m2以下時，該二次函數最能準確地表達首層建筑面積與庭院面積的相關性。

2)在夏熱冬冷地區春秋季的風速條件下，U型圍合(東向庭院)、分段圍合(西向庭院)、分段圍合(東向庭院)的適宜風環境區域占比基本穩定在99%左右，可以提供較理想的室外觀展空間。

3)上述3種平面形式中，分段圍合(東向庭院)的邊界風環境較適宜；分段圍合(西向庭院)中心區域的風環境較適宜；而U型圍合(東向庭院)的測點方差值均較小，庭院整體風環境較平穩，最適宜開展觀演、文娛等室外展陳活動。

4)口型庭院的布局在展覽建筑中較為常見，經模擬計算發現，其庭院整體風環境最平穩，但是邊界容易產生靜風區，不利于空氣流通，因此可以通過體塊打斷、設置架空層等方式引入氣流，營造更適宜的庭院風環境。

本文以首層建筑面積與庭院面積為切入點，主要研究對象為用地規模在10 000～20 000 m2之間的規則建筑形體，因為室外風環境較容易受到此類建筑群體的影響。目前尚未對復雜建筑形體、異形庭院空間、庭院數量和建筑架空層等其他影響因素進行具體的研究和探討，這將是下一步研究的方向。