某 TOD 商業(yè)綜合體室外風環(huán)境綠化改進研究

王利珍，繆嘉晨，喬正珺（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 201108）

伴隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，很多城市都出現(xiàn)了城市大型綜合交通樞紐，并且綜合交通樞紐的地位和作用越來越突出。以公共交通為導(dǎo)向開發(fā)（Transit-Oriented Development,TOD）的綜合體項目是交通功能和城市功能高度融合，集交通、商業(yè)、休閑、辦公等多功能于一體的大型建筑。建筑室外風環(huán)境與人們的生活息息相關(guān)，對室外環(huán)境舒適度、人們健康和安全都有重要影響作用。這種新型的大型綜合體建筑，既具有建筑屬性又具有交通屬性，呈現(xiàn)出多標高、多首層的空間格局，建筑易造成旋渦、穿堂風等現(xiàn)象，使得建筑周圍附近的局部風速增大，從而影響人們的舒適性和安全性。因此，在設(shè)計時要對室外風環(huán)境進行優(yōu)化。

目前，在室外風環(huán)境評估和模擬優(yōu)化方面，已有一些研究集中在風環(huán)境數(shù)值模擬方面[1-7]。呂祥翠等[8]對現(xiàn)有樹木布局和改進的樹木布局下，進行了建筑群周圍的風速場和壓力場的數(shù)值分析和比較。程向明[9]利用計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）數(shù)值模擬計算了綠化植物對周圍風環(huán)境的影響因素。但對大跨度復(fù)雜特征的外形建筑進行大渦模擬的數(shù)值計算方面還有待深入研究。本文以上海市某 TOD 商業(yè)綜合體為研究對象，詳細研究 TOD商業(yè)綜合體多標高、多首層的人員活動區(qū)室外風環(huán)境問題,模擬研究結(jié)果為建設(shè)大型 TOD 商業(yè)綜合體的室外環(huán)境舒適性提供條件保障。

1 大渦模擬基本理論及風環(huán)境評價準則

1.1 大渦模擬

大渦模擬(large Eddy Simulation,LES)可提供高精度、高分辨率的湍流風場時空信息，是當前計算風工程領(lǐng)域研究的熱點。LES 將直接模擬與次網(wǎng)格尺度模型相結(jié)合，利用次網(wǎng)格模型模擬小尺度湍流運動，用直接數(shù)值模擬來模擬大尺度湍流運動。LES 首先對湍流脈動進行空間平均，使用濾波函數(shù)將湍渦分為大尺度和小尺度湍渦。大尺度的湍渦因含有邊界層中大部分的湍動能，在大渦模擬中對其采用直接數(shù)值模擬；而小尺度的湍渦則從大尺度的湍渦處獲取湍動能，并在分子尺度上將之耗散，且具有統(tǒng)計意義上各向同性的特點。LES 技術(shù)對于研究許多流動機理問題提供了更為可靠的手段，可為流動控制提供理論基礎(chǔ)。

1.2 室外風環(huán)境評價

GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》要求冬季建筑物周圍人行區(qū)距地高 1.5 m 處風速＜5 m/s，戶外休息區(qū)、兒童娛樂區(qū)風速＜2 m/s。

2 TOD 商業(yè)綜合體建筑室外風環(huán)境模擬

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

目前在工程領(lǐng)域有多種 CFD 模擬軟件可用于風環(huán)境模擬[10]，常見的幾種軟件如 Airpak、Pheonics、WindPerfect、Star-CD、Fluent 等。Windperfect 是針對建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System,GIS）設(shè)計開發(fā)的三維熱流體解析軟件，可對空氣、水、油，液態(tài)金屬等不可壓縮流體的流動及傳熱進行模擬。 軟件自帶網(wǎng)格生成模塊，采用可調(diào)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可實現(xiàn)局部網(wǎng)格加密。WindPerfect 基礎(chǔ)方程包括：連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、組分質(zhì)量守恒方程及狀態(tài)方程等。本文采用Windperfect 軟件作為數(shù)值模擬工具，將計算區(qū)域劃分為若干網(wǎng)格，使每一個網(wǎng)格上的點都有一個互不重復(fù)的控制體，用待求解的微分方程對每一個控制體進行積分，從而得到一組離散的計算流體力學(xué)基本控制方程。

上海某 TOD 商業(yè)綜合體是軌道交通的上蓋也是該軌道交通車輛段的上蓋，其中蓋上用地面積 17.02 萬 m2，包括商業(yè)、辦公、商墅等。蓋上匯聚商業(yè)辦公人流，蓋下是龐大的車輛段檢修庫，為商辦服務(wù)的停車庫和集中設(shè)備區(qū)且位于檢修庫下方，是“夾心餅”式布局。由于車輛段柱網(wǎng)、地下車庫、蓋上商業(yè)建筑的布局，形成上下錯位，整個項目呈現(xiàn)多標高、多首層的空間格局。

本文將 TOD 商業(yè)綜合體按照原尺寸建立三維幾何模型（圖 1），并劃分網(wǎng)格。商業(yè)綜合體是長跨度多標高，為了滿足模擬要求和保障計算結(jié)果的穩(wěn)定，CFD 流場計算域大小為 3 001 m× 3 001 m×133 m（長×寬×高）（圖 2）。整個流場采用長寬高比為 1:1～1:1.2 的體塊進行網(wǎng)格劃分，模型為四面體網(wǎng)格，項目位于軌道交通車輛段上方，項目內(nèi)6 個地塊共有 6.5 m、14 m、21 m 與 24 m 等 4 個不同的標高，在整體計算域里設(shè)置了均勻的網(wǎng)格，并在 4 個不同高度的計算高度均預(yù)留了計算面，計算域中的網(wǎng)格數(shù)約為 951 萬個。模型采用中心差分格式進行計算，LES 的數(shù)值模擬計算時間 500 s，時間間隔 0.1 s。

圖 1 商業(yè)綜合體 SketchUp 模型圖

圖 2 CFD 流場計算域模型圖

2.2 邊界條件

上海市屬亞熱帶季風氣候，四季分明，季風氣候年際變化大，常年氣候既穩(wěn)定又有變異。根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中上海典型氣象年的參數(shù)統(tǒng)計各季節(jié)的主導(dǎo)風向、風速，如表 1 所示。其中冬季西北風的頻率最大；夏季東南風的頻率最大；過渡季東北風的頻率最大。因此，本文采用表 1 條件作為模擬分析的邊界條件。

表 1 上海市典型氣象年風向、風頻統(tǒng)計表

2.3 未綠化情景下商業(yè)綜合體室外風環(huán)境模擬分析

TOD 項目基于公共交通為導(dǎo)向，建造設(shè)計時要以保障公共交通的正常運行使用為主，從而導(dǎo)致上蓋項目有不同的絕對標高，在項目拐角處有可能產(chǎn)生不利風速、風場的地方。項目地塊整體抬高，夏季的東南風容易在東南角的河岸處出現(xiàn)風速過大，令人不適。

在未進行綠化布置時，圖 3 中 05 地塊周圍人行區(qū)處的最高風速達到 4.5 m/s，且存在旋渦。圖 4 中 06 地塊周圍人行區(qū)處的最高風速達到 5 m/s，且多處存在旋渦。圖 5 為河岸周圍的風速矢量圖，春季工況與夏季工況中，由于來流風為東南風向，直接撞擊場地內(nèi)的高臺，在高臺下方的河岸人行道處有較大的風速變化。秋季工況下，由于來流風為東北方向，來流風流經(jīng)東部河岸形成渦旋并產(chǎn)生較大風速。

圖 3 無綠化情況下商業(yè)綜合體 05 地塊風速矢量圖

圖 4 無綠化情況下商業(yè)綜合體 06 地塊風速矢量圖

圖 5 無綠化情況下商業(yè)綜合體河岸風速矢量圖

通過上述分析可知，在上海典型風環(huán)境下，未進行樹木綠化的 TOD 商業(yè)綜合體室外風環(huán)境不滿足行人舒適度要求。

3 樹木計算模型和種植方案

3.1 樹木簡化計算模型

WindPerfect 軟件中，采用植栽配置模型，設(shè)置樹木冠幅、樹高、抵抗系數(shù)和穿孔率，喬木的抵抗系數(shù)和穿孔率設(shè)置參考 JGJ/T 449—2018《民用建筑綠色性能計算標準》。

3.2 樹木種植方案

結(jié)合項目圖紙與未綠化情景下的風環(huán)境模擬結(jié)果，建議在風速過大的區(qū)域直接種植樹木，以降低該區(qū)域的最大風速。項目 05 地塊樹木種植方案如圖 6 所示，對其進行室外風環(huán)境模擬計算。

圖 6 商業(yè)綜合體 05 地塊樹木種植方案

根據(jù)提供的園林設(shè)計總圖與苗木表，苗木表中灌木與綠籬基本低于 50 cm，對人行高度處（1.5 m）影響較小，選取常綠喬木與落葉喬木作為主要建模模擬對象，研究喬木類樹木對場地人行區(qū)域的影響。其中喬木類樹木分為常綠喬木與落葉喬木等，對于冬季的場地風環(huán)境有不同的影響效果。

4 綠化對商業(yè)綜合體室外風環(huán)境改善模擬分析

植樹之后，如圖 7 所示冬季工況西北風向條件下，項目場地周圍來流風風速降低，且樓棟間的風速降低明顯，降低幅度為 0.7～1.3 m/s，場地風環(huán)境得到改善。圖 7 中圓圈內(nèi)為兒童活動區(qū)域，最大風速由 3.4 m/s 降低至 0.7m/s，符合綠色建筑評價標準中的要求：兒童活動區(qū)域風速＜2 m/s。

圖 7 商業(yè)綜合體 05 地塊種植樹木后的風速矢量圖

圖 8 為冬季工況下 06 地塊種植樹木后的風速矢量圖。由圖 8 可見，樹木種植方案可以符合場地內(nèi)風環(huán)境的優(yōu)化需求。

圖 8 商業(yè)綜合體06地塊種植樹木后的風速矢量圖

由圖 8（a）可知，南部商業(yè)休閑廣場內(nèi)最大風速由3.2m/s 降到 2.2m/s。種植行道樹后中心道路周圍的最大風速有明顯降低，最大風速由 5 m/s 降到 3.8 m/s（且僅為小部分區(qū)域）。人行道位置的風速范圍由 2.3～4.8 m/s 降低至0.6～1.2 m/s，符合人體舒適度要求。

由圖 8（b）可知，場地內(nèi)最大風速降至 2.8 m/s。項目場地內(nèi)的樹木綠化設(shè)計可以保障冬季場地內(nèi)風環(huán)境的舒適度。

由圖 8（c）可知，項目場地內(nèi)平均風速為 1.8 m/s，最大風速為 3.0 m/s。其中最大風速出現(xiàn)區(qū)域是車行道和消防登高場地，不是主要人員活動區(qū)。

由圖 8（d）可知，項目場地內(nèi)平均風速為 1.2 m/s，最大風速出現(xiàn)在項目西北側(cè)的樓棟間，為 3.2 m/s。由于圖中最大風速出現(xiàn)區(qū)域為消防登高場地，無法種植樹木，建議在項目最北側(cè)種植樹木，遮擋部分來流風并降低最大風速。

圖 9 河岸在春夏秋冬 4 個季節(jié)中都有較好的風環(huán)境。春季工況與夏季工況中，來流風為東南風向，直接撞擊場地內(nèi)的高臺，導(dǎo)致高臺下方的河岸人行道有較大的風速變化。在種植樹木后，可以看到未種植樹木的方案中風速較大的區(qū)域都有了較為明顯的改善。在夏季工況下，場地內(nèi)平均風速由5.8 m/s 降到 3.2 m/s。秋季工況下，由于來流風為東北方向，來流風流經(jīng)東部河岸形成渦旋并產(chǎn)生較大風速。種植樹木后，減少了東部河岸人行活動區(qū)域與來流風的接觸，減小了該區(qū)域的風速。較大風速出現(xiàn)在河流上方，使河流的舒適溫度快速流經(jīng)場地各處。

圖 9 商業(yè)綜合體植樹木后河岸周圍的風速矢量圖

5 結(jié) 語

本文運用 CFD 方法和 LES湍流模型，結(jié)合上海地區(qū)風環(huán)境，以城市空間中 1.5 m 人行高度處風速＜5 m/s 、戶外休息區(qū)、兒童娛樂區(qū)風速小于 2 m/s 為評價指標。在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，對長跨度、多標高的 TOD 商業(yè)綜合體建筑室外風環(huán)境及優(yōu)化的綠化布局方案進行研究，得到的主要結(jié)果如下。

（1）在冬季工況下，在場地內(nèi)風速較大區(qū)域種植常綠喬木，有利于改善場地內(nèi)的風環(huán)境，在冬季有較為舒適的活動場地。

（2）商業(yè)綜合體的拐角處易出現(xiàn)渦流和過高風速區(qū)，在進行設(shè)計優(yōu)化時應(yīng)予以充分考慮。

（3）項目 06-01 地塊在合理布置樹木后，可以將地塊內(nèi)風環(huán)境最大風速下降約 1m/s。

（4）落葉喬木適宜種植在風速較小的區(qū)域，其對于改善場地風環(huán)境的作用較小，適宜觀賞。