居住区室外风环境研究现状及展望

温雅俊 ，王燕飞 （河南科技大学建筑学院，河南 洛阳 471000）

0 前言

自上世纪90年代开始，中国的城市化建设飞速发展并逐年加速。时至2017年，国家统计局数据显示我国城镇化率（城镇人口占总人口比重）达58.52%。城市规模的迅速膨胀带来了生产生活活动的大量增加，也给城市环境带来了巨大的压力，引发了诸如雾霾、热岛效应、温室效应等一系列城市气候问题。根据住区环境评价因素及人体舒适度性分析，影响居住区微气候环境好坏主要因子有热度、湿度、通风、日照等，其中日照因子是有规律可循并且相关研究较为成熟的可控因素，而通风因子间接决定了住区的热度、湿度情况[2]。另外城市中产生的大气颗粒物污染、热岛效应等问题也都与风场有着直接或间接的关联。因此住区通风对于营造良好的居住区微气候起到了至关重要的作用。

1 国外研究动态

国际上从20世纪60年代便已经展开了对风环境的研究，并取得了丰硕的理论成果和实践成果。很多国家设立了专门的风环境研究机构，如澳大利亚、日本、英国、加拿大等等。W.D.Baines[7]在1965年进行了风洞实验及实地考察，参加了名为“建筑构造物与其产生的风效应”的国际会议，并在会议上提出了实验结论：处于自然风中的高楼会把高处能量较高的气流引导至能量较低的下方，从而使得地面风速增大，同时高楼周围的低层建筑会受到强气流的影响。随后，各个研究中心及相关学者开始对建筑周围风环境的预测、评价及优化进行定量的分析，如：W.H.Melbourne[8]对穿堂风进行了实验研究，发现了穿堂风和建筑物高度成正比例关系，即穿堂风的风速会随建筑物的增高而增大。1995年，To AP与Lam KM[9]在构建了一系列相同尺度的建筑物模型，并探讨了这些建筑物的排列布局方式对风环境的影响，最后得出如下结论：风速的方向与建筑朝向垂直时，迎风面建筑会对风的流动形成较大阻碍，进而影响了后排建筑的风环境，即形成了风涡流；当风速的方向与建筑朝向平行时，两栋建筑之间产生局部高风速的现象，形成风通道即“狭道风”现象。近年来，一些国外的专家提出，在进行居住区设计规划时要考虑小区的微气候变化，研究的重点主要是小区室外风环境与建筑之间相互影响的关系[3]。比如 B.Blocken,T.van Hooff以Eindhoven大学校园为研究对象，运用CFD模拟软件对其进行了数值模拟，分析了人行高度1.5m处的风环境的舒适度。

2 国内研究动态

相比国外对风环境的研究，我国的相关研究起步较晚。但是，在我国古代，不同地域的人们都知道结合当地的自然生态环境，布置村落建设住宅，从而形成最有利的自然通风，因此也形成了个各具特色的地域民居。例如北京的四合院、南方的天井等。这些建筑形式不论是在平面布局还是空间组织上都对住宅的自然通风起到了巨大的作用，这对我们进行现代住宅风环境的设计也有重要的指导意义。李晓峰[10]等人在2003年研究了最不利于自然通风的围合式布局的住宅小区的微气候，并提出了改进策略，即采用合理的建筑构造（如架空结构）和开口位置从而达到强化通风和降低区域温差的良好效果。2009年陈飞[11]出版了著作——《建筑风环境：夏热冬冷气候区风环境研究与建筑节能设计》一书，主要讨论了气候对建筑的影响，特别是风环境对不同建筑类型、不同建筑特点的影响，并且还建立了夏热冬冷地区的风环境评价标准。2013年，杨丽[13]利用CFD技术模拟了居住区内的风环境，研究结果表明，运用CFD技术对居住区的大气流场进行模拟分析，具有实际的应用价值，并且对基于风环境模拟的居住区规划具有科学的指导意义。2014年龚晨等针对行列式、错列式、斜列式、混合式4种典型的城市住宅小区布局形式，运用ANSYS-CFX软件建立了76种不同参数的数值模型，并对数值模型进行了三维风场模拟，分析结果表明：微风环境下，当来流风呈垂直建筑长度方向进入小区时其内部风速增幅最大；不同工况下人行高度（离地1.5m）处风速较高的地方主要为小区过道入口；建筑物长度比建筑物宽度对小区风环境的影响更为显著，当建筑尺寸长宽度比L/B=3∶1即采用斜列式布局能够有效改善小区内风环境状况[12]。2017年，胡春景等人探讨了行列式、错列式和点群式三种不同的建筑形态与布局对居住区微气候的影响，并得出塔式建筑的风场优于板式建筑的结论[16]。

3 小结

综上，国内外关于居住区室外风环境的研究范畴主要是风与建筑之间的相互影响，包括不同的建筑布局、不同的建筑物的形状以及不同建筑物的尺度等对风环境产生的不同的影响。

目前国内外关于分析风环境的方法主要有现场实测、风洞实验和计算机数值模拟三种。在这之中现场实测法虽然数据的准确性能够得到保证但应用面比较窄，因为其不能在规划设计阶段进行分析，而只能运用于已经建成的场所，并且现场实测法需要耗费巨大的人力物力，也无法对优化的结果进行检验；风洞试验法解决了现场监测方法在区域风环境整体上把握不足的问题，但是仅可以了解到比较典型的建筑群的风环境的规律及特点，并且其周期很长还要花费巨大的财力，因此很难在实际项目中广泛推广[14]。随着计算机的发展与成熟，计算机数值模拟技术开始应用于风环境的分析中，并且也成为了目前相对较为普遍的方法，其中 CFD（Computational Fluid Dynamics）即计算流体力学运用最为广泛。CFD是近代流体力学、数值数学和计算机科学相互结合的交叉科学，其模拟方法具有很多优点，比如成本低廉、操作方便、模拟成果直观易懂等，并且能将三维流场进行可视化，因此目前被广泛地用来模拟风环境。而基于CFD技术的模拟软件有很多种，目前比较成熟且运用较多的主要有 PHOENICSCFX、Fluent、Star—CD、NUMECA 等等。

4 展望

影响居住区室外风环境的因素是多方面的，除了受到城市上空大气环境、居住区周围的环境、建筑布局、建筑形态及材料、下垫面属性等因素影响外，园林绿化对居住区室外风环境的影响起到了重要作用，如居住区内的绿化形式、绿地布局、喷泉水景、景观设施等都会影响室外微气候的优劣。比如，我国学者涂逢祥在其著作中说明在夏季，植物可以通过乔木的遮阳减少太阳辐射，降低建筑物表面和其他下垫面的温度，从而改善居住区室外热环境；在冬季，绿化植物构成的防风林可以有效缓解建筑小区外的风速，为小区居民的工作、生活提供舒适的室外风环境[15]。

但是传统的居住区风环境评估通过改变建筑的布局、建筑覆盖率等因子以改善室外风环境，而关于园林绿化对风环境影响的评价还很少，并且居住区景观设计导则中涉及定量指导植被设计改善居住区室外微气候的导则和标准也很少。因此，未来分析探讨园林绿化对室外微气候的影响，尤其是对风环境的影响，从改善室外微气候的角度对居住区室外绿化设计提出科学的优化设计方法，对今后的居住区景观设计具有重要的指导意义。同时这也是低成本建设生态宜居城市以及舒适的人居环境的要求。