生态模拟技术在某住宅小区方案设计中的应用

李运江 徐瑾丹 叶 隽 范 波

(1.三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌443002;2.深圳市建筑设计研究总院有限公司,深圳 518031;3.武汉科技大学城市建设学院,武汉 430065)

物理环境是人们生存环境的重要组成部分.在人们所处的各种物理环境中,总伴有声、光、热等外部因素的刺激.一个好的建筑规划设计方案就是要控制和优化物理环境刺激量,使之处于一个最佳的范围之内.只有这样,才能最大限度地节约各种资源、保护环境和减少污染,为人们提供健康、适用和高效的绿色使用空间,从而符合人类社会可持续发展的基本原则.

图1为深圳市某高新住宅小区的建筑规划方案,建筑沿道路方向布局,南北两排共7栋塔楼.这种布局的好处在于住宅朝向上绝大多数朝向东南和西南,庭院尺度大,对视少.通过对建筑错落摆放,每栋建筑物均有良好的景观视野,沿街立面形象整体.结合建设部《绿色建筑评价标准》和《深圳市绿色建筑设计导则》的相关原则和指导意见,采用了 ECOTECT、PHEONIX以及ODEON等商用专业仿真软件对该小区的噪声分布、日照时间及遮挡、太阳辐射、可视度以及风环境(风速、风压和弱风区分析)进行了模拟和计算,并根据得到的结果对该小区建筑方案和布局进行了优化.

1 主要生态模拟参数

1.1 光环境模拟

光是建筑环境的重要组成部分,优秀的建筑光环境设计会全面综合人、建筑以及经济与环境等多方面因素,满足居住者复杂的生理与心理主客观需求.

图1 某小区建筑规划方案

(1)日照模拟分析.太阳不断以电磁波的形式向宇宙空间发射出巨大的能量,虽然距离遥远,但在地球上依然能够时刻感受到太阳的影响.作为建筑物外部最主要的气候形成条件之一,日照对于建筑和建筑设计都有着深远的影响.优秀的日照设计可以提高建筑的舒适度和卫生条件,降低照明、采暖能耗并提供清洁的能源.图2～4是模拟某一建筑物在大寒日的日照时间以及小区建筑当天日照阴影变化关系.

经计算,发现小区只有东北角那一栋住宅楼日照时间不能满足规范要求,经与建筑师沟通,最终决定对该楼方案的平面布局进行调整,将公共交通空间部分和住户辅助用房摆放到日照时间不足的立面上.经过调整后,小区所有建筑均满足《民用建筑设计通则》(GB 50352-2005)和《城市居住区规划设计规范》(GB50180-93)规定的日照时间要求.

(2)太阳辐射分析.对小区场地的太阳辐射进行了定量分析计算,得到了如图5～6所示的建筑用地范围内全年日平均辐射分布.根据这些辐射强度,建议在靠近建筑周边的红色区域中,由于太阳辐射较弱,将种植干高冠大、且夏天茂盛、冬天落叶的乔木;在辐射较强的区域种植落叶乔木和灌木,不仅夏季可以降低热岛效应,冬季还可以降低室外风速.

1.2 可视度模拟

由于本区域建筑较为密集,高度也较高,希望其中的某些楼宇能够成为本小区一个标志性建筑,让尽可能多的区域能够看到该建筑的大部分立面,使得人们对本小区留下较为深刻的印象.图7～8展示了场地和道路上的规划可视度,分析结果表明该建筑相对来说还是较为醒目的.

1.3 环境噪声模拟

有关研究表明,我国的城市噪声主要来源于道路交通噪声.在小区周边的3条道路科裕路、科发路和十八号路上分别布置线声源来模拟各道路的噪声源情况,噪声源声压级SPL分别为:科裕路90dB、十八号路80dB、科发路80 dB,然后模拟计算出小区距地1.2m平面及各主要沿街立面的噪声分布云图,如图9～11所示,计算结果表明:由于建筑的遮挡,小区围合部分内场地SPL为45dB以下;靠科裕路与十八号路的建筑立面绝大多数房间SPL分布均小于50 dB.为降低道路交通噪声对临街建筑的影响,本小区将在道路与建筑物之间种植大片草坪和高大的常绿乔木与灌木组成的绿化带(宽度大于1.5 m),除此之外,住户的所有门窗也应选择隔声效果较好的产品.采取上述降噪措施后,本小区所有建筑完全能够满足《民用建筑设计通则》(GB 50352-2005)、《住宅建筑规范》(GB 50368-2005)和《城市区域环境噪声标准》(GB GB3096)对允许等效声级LAeq的相关要求.

1.4 风环境模拟

建筑环境有别于自然环境,是人为的建筑物和构筑物形成的人工环境.建筑环境有舒适与非舒适之分,人们追求的总是舒适性环境.就小区室外热环境来说,可以通过优化建筑布局、引入自然通风等建筑设计手法,尽量利用当地的气候特点,采用被动式的建筑物理技术,在节能和生态的前提下获得最大限度的热舒适,这正是绿色建筑所追求的发展方向.本项目的研究就是结合具体的建筑设计及小区规划布局方案,对夏季室外风环境进行模拟分析,从而说明本方案的生态设计亮点.

根据《绿色建筑平静标准GB/T50378-2006》的相关要求,住宅区的风环境设计应该着重考虑过渡季及夏季的自然通风.而《深圳市居住建筑节能设计规范》也规定,在对居住小区的自然通风进行设计时,应以夏季为主,将夏季主导风引向建筑主立面,并应避免居住小区内出现滞流区;而在确定建筑物相对位置时,应使建筑物处于周围建筑物的气流漩涡区外.此外,深圳属于夏热冬暖气候区,借鉴南方地区传统的被动式建筑设计手法,夏季及过渡季节适宜采用穿堂风来进行通风降温,因此要求在建筑物的前后形成适当的压差,使其具备自然通风的潜力.

(1)风压模拟结果

小区室外风环境风压模拟结果如图12～13所示.从图中可以看出,建筑单体前后形成较合理的风压差,增大了建筑内部采用自然通风降温的潜力.若配合适当的开窗及合理的平面布局,夏季完全可采用自然通风.

(2)风速模拟结果

小区室外风环境风速模拟结果如图14～15所示.模拟结果显示,在小区内居民休憩的主要场所,行人高度(1.5m高)的平均风速约为1.06m/s,为舒适风速范围内.小区内自然通风状况良好,无滞流区,各建筑单体均位于气流漩涡区之外.

图14 1.5m高处风速分布

(3)弱风区分布

小区内弱风区分布状况如图16所示.相关研究显示,当夏季室外风速小于0.5m/s时,人体热感觉下降,会出现不舒适的情况.因此,风速不足0.5m/s的弱风区分布状况也是评价小区室外风环境指标之一.从图中可以看出,小区内不存在大面积的弱风区,表明室外风环境情况较理想.

图15 风速分布矢量图

图16 小区内行人高度处弱风区(风速＜0.5m/s)分布情况

2 结 语

建筑节能减排是我国可持续发展策略的重要组成部分,建筑技术人员应在建筑规划方案阶段就加以介入,并运用计算机模拟手段,对方案进行模拟和评估,并配合建筑师对其方案进行优化和完善,从而使建筑方案满足绿色生态建筑的相关要求.

[1] 柳孝图.人与物理环境[M].北京:中国建筑工业出版社,1987.

[2] 王福军.计算流体力学分析——CFD软键原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2007.

[3] 金招芬,朱颖心.建筑环境学[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[4] 田 军.绿色建筑评价标准在某公建项目中的应用简析[J].华中建筑,2009,29(11):63-66.