基于调查和数值模拟的长春市街区风屏障空间评定方法

赵宏宇 张艾欣 张成龙 张博华 郑 晴 余 露

(吉林建筑大学 建筑与规划学院,长春 130118)

在全球化浪潮的席卷下,城市大规模快速发展严重影响了人们的生活环境与品质.诸多城市现已出现雾霾、热岛效应等一系列问题.其中,我国北方寒地城市由于地理原因,冬季风环境问题突出,出行不仅舒适度差,生命安全甚至会遭到威胁.寒地城市的风环境问题,已引起政府工作人员、规划界人士、专家学者的关注,是大家共同面临的一大挑战.目前，国内有关风环境研究方向涉及较为宽泛,如交通、农业、环境、规划等领域,大多数是关注城市级别宏观层面的风环境研究,致力于整体上改善城市气候环境,促进城市可持续发展,而对中微观层面开展的研究较少,涉及面也较窄.以往在土地资源十分宝贵的情况下,大部分的城市只能采取紧凑型、高密度、高容积率的发展模式.这种模式虽然有利于降低基础设施和能源的整体消耗,但可能会在城市中心区产生风环境恶化现象[1].街区建筑群体的形态特征与城市风环境有着密切的关联,如何在城市中寻找现有的风屏障空间,将其模式化、标准化应用到城市实践中，是一项亟待研究的课题.

1 长春市街区风环境现状

寒地城市风环境研究应主要考虑冬季防风,英国建筑师拉尔夫·厄斯金最早提出“风屏蔽”这一概念[2].但街区层面的“风屏蔽”对策多为景观领域,冬季植物衰败对寒冷地区冬季室外风环境影响不大.以长春市为例,在街区层面应从建筑群体角度出发,由此，本文提出风屏障空间概念,界定其研究范围是城市街区层面的静风区及降低风速区.人体舒适度是我国风环境研究领域的主流评价指标,也是针对城市街区层面风环境的主要评价内容,常用的室外风环境评价标准为:当风速值小于3.3m/s时,室外环境适宜休息停留;当风速值小于5m/s时,适宜行人正常行走;当风速值大于10m/s时,人体将感觉十分不适[3].

(1) 气候环境基本特征. 长春市地理坐标东经125°35′北纬43°88′,位于北半球中纬度北温带,地处欧亚大陆东岸的中国东北平原腹地松辽平原,温带大陆性气候,但冬季寒冷漫长风环境恶劣.本文参考的气象数据均来源于中国气象数据网,基于《气候资料统计整编方法(1981-2010)(发布版)》,按夏季(五月至十月)与冬季(十一月至四月)进行整理统计得知：长春市冬季平均风速为5m/s,夏季平均风速为3m/s.数据将被应用到本文数值模拟中,作为基本参数的标准[4].

(2) 街区建设基本现状. 长春市主要路网结构为环形放射式,街区建筑南北向或沿街道布置.长春市主城区内街区空间主要分为两大类:商业街区和居住区,本文的研究范围限定在典型商业街区和居住区内的风屏障空间.商业街区主要是以大型商场写字楼为主的娱乐一体化街区和以个性特色为主的多层建筑群体步行商业街区.居住区主要是高层居住区、多层居住区、别墅区和混合型建筑群体居住区等.城市风在经过不同高度、密度的建筑街区会产生截然不同的影响,局部强风会对人体舒适度和人身安全造成威胁.

2 街区样本选取

向长春市居民发放调查问卷,对长春市现有的风屏障空间进行调查、总结和归纳,然后结合 Google Earth和实地调研，筛选出长春市典型的风屏障空间,为实测与数值模拟做准备.

2.1 街区风环境问卷调查

文献资料收集、调研长春市规划局、建筑设计院等处以及实地走访长春市朝阳区、南关区、宽城区、二道区、绿园区、净月区等主要城区中的典型商业街区、居住区后，制作并发放调查问卷.实发问卷640份,回收603份,问卷回收率94%,问卷内容主要分为两部分:第一部分包括调查日期、受访者所居住的区域、天气、性别、年龄和职业等基本信息；第二部分包括冬季室外活动的时长、频率、活动场所、受访者对冬季室外风环境的主观评价等.初步筛选出了一些居民主观认为的典型风屏障空间,部分结果分析见图1.针对这些结果再一次进行实地调研,调研地点有中海国际小区、东方万达小区、御翠园小区、红旗街商圈、重庆路商圈、桂林路商圈等.围绕风屏障空间进行周边访谈、拍摄,并记录风屏障空间位置、形式等,同时对调查地点周边区域建筑群体布局进行归纳总结.

2.2 典型街区样本选取

结合 Google Earth、实地调研、问卷分析及长春市中心城区活力图,对长春市现有的风屏障空间进行初步统计和筛选,确定商业街区实测点为重庆路商业街区;居住街区实测点为东方万达小区、金色世界小区、吉林建筑大学学生公寓.重庆路商业街区为长春市高层簇群式街区,建筑风环境较为复杂、风速变化较为明显,易判别现有风屏障空间的模式.其次,重庆路商业街区是长春市活力较高的街区之一,便于访谈和问卷的发放.问卷分析结果表明,长春市常见居住区布局模式为:行列式、斜列式、山墙错落式、L型围合式几种模式(见图2).

再结合资料、实地调研和街区冬季室外活力程度、居民对其小区的满意程度等其他问卷分析结果，综合考虑,确定重庆路商业街区、行列式东方万达小区、山墙错落式金色世界小区及L型围合式吉林建筑大学学生公寓为最终实测点,具体信息见表1.

图1 冬季室外商业街活力问卷分析Fig.1 Analysis of the questionnaire of the vitality of outdoor commercial street in winter

图2 受访居民所在居住街区模式比例Fig.2 The proportion of residential model of surveyed residents

MeasuringperiodMeasuredobjectLocateddistrictRealmapMeasuredpointsmarkedinsatellitemap1-30/11/2017ChongqingRoadblockNanguandistrict1-30/11/2017DongfangWandaresidentialareaNanguandistrict1-30/11/2017GoldenWorldresidentialareaNanguandistrict1-30/11/2017ApartmentinJilinJianzhuUniversityNanguandistrict

3 街区样本调查

实测与访谈相结合，对街区风环境进行主客观评价,对所调研街区风屏障空间的评定进行初步探索.

3.1 街区风环境实测

(1) 调研日期的选择. 根据长春市气象数据资料,11月份出现平均风速5m/s的几率较大,因此选取11月1～30日为调研时期.由于实际风环境十分复杂,鉴于时间等因素的限制,本文主要选择接近长春市平均风速且为西南风向的晴天进行测量,风速过大的特殊天气不在本文的研究范围内.测量的主要数据是温度、风速、风向,测量高度为1.5m[5].

(2) 街区观测点选择与数据收集. 对于空气温度与风速、风向测量主要采用Testo 435多功能测量仪.该仪器适用于现场直接测量风环境状况,主要测量环境温度、风速及风压等多项参数,且具有清晰的分析和存档功能[6].

(3) 观测点的选择. 为研究建筑群体周围风速的变化,在监测建筑群体内部时,按如下分类方法将观测点划分为7类，详见表2[7],各街区实测点具体选点，见图3～图6.

表2 布局模式内选点方式Table 2 Layout mode within the point of choice

图3 重庆路街区实测点Fig.3 Measured points in Chongqing Road block

图4 东方万达小区实测点Fig.4 Measured points in Dongfang Wanda residential area

图5 金色世界小区实测点Fig.5 Measured points in Golden World residential area

图6 吉林建筑大学学生公寓实测点Fig.6 Measured points of apartment in Jilin Jianzhu University

(4) 观测数据采集. 由于建筑群体对室外风环境的影响因素主要是风速、风向等,从而造成对人体舒适度指标的改变,因此主要测量风速、风向参数.

根据整体气象数据来看,上午8∶00～下午16∶00时段的空气温度、风速、风向的波动较为明显,测量该时间段的相关数据较有典型性，其中中午12∶00～下午14∶00的波动最为剧烈，作为软件模拟时段则更具代表性.在测量过程中,沿着实测区域的主导风向,以20min～30min为1个周期,多次测量并读取相应数据,取其算数平均值.

3.2 街区风环境满意度访谈

在实测的同时,随机选取上述街区周边行人或居民进行访谈,以主观评价风速,并将其对风速的满意程度划分为4个等级,依次赋值为1，2，3，4,根据受访者选取的权重赋值结果进行比较.内容包括:

一是受访者所认为的周边静风区和降低风速区有哪些.

二是将实测初步结果与受访者主观感受进行比对,并判断其是否为人们主观认为的静风区或降低风速区.

据此得出初步结果:住在L型围合式小区的居民认为，其小区冬季室外风环境舒适，满意度最高,而重庆路这种高层建筑群体密集的商业街区满意度较差,评价标准见表 3.

表3 所在街区冬季风环境满意度调查Table 3 Satisfaction survey of winter wind environment in block

4 街区风屏障空间评定与结果分析

4.1 风环境数值模拟

为避免实测误差导致不准确结果,作者选取Ecotect(Autodesk Ecotect Analysis)软件及Win Air4插件进行数值模拟分析,以便得出客观评价结果.风环境模拟技术Win Air 4是计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,英文缩写CFD)模拟技术的主流平台之一[8],具有计算速度快、相对准确、数据处理方便等优点,适用于中微观区域层级的风环境计算模拟.

4.2 模拟结果及验证

将每个街区的实测值汇总与模拟的结果进行横纵向比较，见表4～表7.以上四个街区的实测结果与模拟结果相匹配,见图8、图10、图12、图14.结合访谈结果,将模拟图进一步量化，分析得出风速变化极为明显的区域,从而判别风屏障空间.在街区层面的建筑群体中,高层密集的商业街区既能形成较大的风影区减缓风速,又极容易形成狭管效应出现强风，见图7～图8.

表4 重庆路街区模拟与实测风速对比Table 4 Comparison of wind speed simulated and measured in Chongqing Road block

图7 重庆路街区模拟风速Fig.7 Wind speed simulated in Chongqing Road block

图8 重庆路街区模拟与实测风速曲线Fig.8 Curves of simulated and measured wind speed in Chongqing Road block

居住区街区建筑群体模式中,风屏障空间区域由大及小，见图9～图14,依次排序为:L型围合式>山墙错落式>行列式.结合现状可知：适宜长春市的居住街区风屏障空间为L型围合式与山墙错落式.

表5 东方万达小区模拟与实测风速对比Table 5 Comparison of wind speed simulated and measured in Dongfang Wanda residential area

图9 东方万达小区模拟风速Fig.9 Wind speed simulated in Dongfang Wanda residential area

图10 东方万达小区模拟与实测风速曲线Fig.10 Curves of simulated and measured wind speed in Dongfang Wanda residential area

MeasuringpointAveragewindspeedsimulated/(m·s-1)Averagewindspeedmeasured/(m·s-1)MeasuringpointAveragewindspeedsimulated/(m·s-1)Averagewindspeedmeasured/(m·s-1)A13.9542.895C43.4162.214B13.2572.143A53.1382.243C13.1462.057B52.9971.899A21.7200.682C52.2271.123B22.9761.895A63.7672.679C21.7110.923B62.8861.798A32.8861.799C61.7320.967B32.6701.598A72.0551.312C31.9630.897B73.6982.435A42.7081.87C72.5231.612B42.6881.721

图11 金色世界小区风速模拟Fig.11 Wind speed simulated in Golden World residential area

图12 金色世界小区模拟与实测风速对比图Fig.12 Curves of simulated and measured wind velocity in Golden World residential area

MeasuringpointAveragewindspeedsimulated/(m·s-1)Averagewindspeedmeasured/(m·s-1)MeasuringpointAveragewindspeedsimulated/(m·s-1)Averagewindspeedmeasured/(m·s-1)A11.8491.956C42.3432.147B12.5032.361A51.2030.658C13.2122.827B51.4431.025A22.6142.435C51.7452.098B23.3462.526A61.4901.678C22.6861.448B61.4031.023A31.1560.945C61.0041.526B31.3791.529A71.5381.714C31.4660.896B71.8492.416A43.2042.468C71.5941.836B42.2631.834

图13 吉林建筑大学学生公寓风速模拟Fig.13 Wind speed simulated of students’ apartment in Jilin Jianzhu University

图14 吉林建筑大学学生公寓模拟与实测风速曲线Fig.14 Curves of wind speed simulated and measured in Jilin Jianzhu University apartment

5 结语

本文采用以问卷调查、实地访谈和数值模拟为基础的主客观方法,对长春市现有风屏障空间的评价进行了探索,初步判定出长春市冬季室外风环境下舒适度较高的街区空间,为我国寒地城市街区风屏障空间的评定提供了借鉴.

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