基于GIS和CFD的城市街道通风廊道研究<br/>——以武汉为例

基于GIS和CFD的城市街道通风廊道研究
——以武汉为例

2019-07-24尹杰

中国园林 2019年6期

尹杰

詹庆明

自然风进入城市后，受制于城市内部各要素对风的阻碍作用，风速在城市内部急剧降低，建筑物等要素之间的空气流量相对于郊区开敞空间会减少90%[1]。城市自然通风潜力是指城市人工建成环境所具备的通风能力，挖掘城市通风廊道实际上是研究城市物质要素和风的相互关系。这些城市物质要素可以概括为建筑和街道2个部分。城市建成环境和通风潜力的相关关系可以帮助构建城市三维形态通风潜力的指标，城市通风廊道就是通过指标设定阈值来进行挖掘提取。

国内外相关学者和专家团队对城市微气候的改善和城市通风展开了研究。德国卡塞尔市政府于20世纪80年代组织开展了《“理想城市气候”计划》[2]，目的是改善城市空气质量，提高宜居性。研究计划利用城市环境气候图的形式，标出主要通风廊道及局地风的流通系统，将风环境现状和评估后的规划建议用规划术语表达出来，便于规划师和政府决策者参考和实施。2003年中国香港中文大学建筑学院吴恩融教授领导的国际团队开展《空气流通评估方法可行性研究》[3-4]。针对香港的城市形态和结构，从街道布局、建筑物高度，以至开敞空间的布置，建筑密度的控制、绿化等方面检视现有城市规划和设计的问题。

在通风廊道识别方面，针对城市三维形态的复杂性，部分学者将影响通风的因素投影到二维平面，通过有一定空间分辨率的网格进行表达。归纳影响通风的形态指标如迎风面积密度、空气动力学参数(粗糙度长度与零平面位移高度)等，将城市建筑三维形态降维为具有数值属性的栅格地图，栅格的数值属性用来定量描述栅格内的建筑形态，并根据指标与通风潜力的相关性，设定阈值挖掘城市自然通风廊道[5-6]。

在形态指标与通风潜力相关性研究方面，香港中文大学爱德华教授选取了风速比指标(近地层风速与高空背景风速的比)，通过建立香港建成环境的模型进行风洞实验，统计各个建成环境样本点的综合迎风面积密度与风速比的相关关系，挖掘存在潜在通风的迎风面积密度阈值，依据阈值来提取城市通风廊道[7]。但是，建成环境的建筑形态在转化成二维的迎风面积密度栅格单元时，会在一定程度上忽略线状街道的通风路径，因为适宜的街道形态可以很大程度上改善通风环境。在GIS平台中通过空间分析技术，挖掘武汉市主城区街道的通风廊道，作为迎风面积密度风道挖掘方法的补充。本文在建筑迎风面积密度通风廊道提取的基础上，归纳了街道形态指标，并通过CFD数值模拟和GIS空间分析技术的交互使用，对武汉市街道的通风廊道进行了提取。

图1 人行高度风速比率与近地层迎风面积密度之间的线性回归分析[7]

图2 武汉市主城区迎风面积密度分布图[12]

图3 武汉中心城区分布图

1 城市建筑通风评价

国内学者对城市通风廊道展开了相关研究，但更多的是以定性分析和CFD数值模拟为主[8-10]。如余庄教授团队针对武汉市的通风环境，在CFD软件中将武汉市中心城区划分为大小不等的体块，定义不同体块的建设强度和边界条件，模拟分析热环境和通风环境[11]；刘姝宇以德国斯图加特市为例，介绍了热岛局地环流的通风廊道划分方法[12]，逐渐开始使用形态指标来量化通风潜力。因此，在规划数字转型背景下，有条件通过大量建成环境数据的分析评价，探索更精细、准确和覆盖广的风道划分方法。

城市建筑通风评价的方法主要是将三维建筑投影到二维平面，通过有一定空间分辨率的网格进行表达。近地面层的空气流速主要是受近地面层迎风面积密度的影响，在武汉市风道挖掘研究中，采用100m×100m的栅格量化影响通风的迎风面积密度(主导风向下建筑的迎风面积与栅格地块总面积的比值)[13]。其中，香港中文大学爱德华教授团队通过对香港建成环境进行风洞实验，验证了综合迎风面积密度与通风潜力的相关程度，风洞实验在香港10个地区进行。每个地区中的若干个测点上的风速比(近地层风速与高空初始风速的比)被测定，其平均值与该区域相对应的不同计算高度下的迎风面积密度(高度1：0～15m，高度2：0～60m，高度3：15～60m)进行线性回归分析，发现0～15m的近地层与通风潜力的相关程度最高(图1)。风洞实验证明近地面层的迎风面积密度与风速比之间具有比较强的负相关关系(高度1：0～15m)。为下一步探测潜在与现有城市风道提供科学依据：当迎风面积密度大于0.6时，风速比值将小于0.1，意味着较差的城市自然通风环境；当迎风面积密度小于0.35时，则表示风速比将大于0.2，意味着理想的城市自然通风环境[7]。

利用GIS的空间分析技术计算武汉市建成环境的迎风面积密度，并进行分类(图2)，红色代表迎风面积密度较高的区域，绿色代表较低的区域，并在此基础上划分通风廊道。本研究的案例城市为武汉市主城区(图3)，中心城区面积69 466hm2，包括汉口、武昌和汉阳三镇，本研究数据来源于武汉市主城区2010年建筑普查数据和2014年4月武汉市道路网(快速路、主干道和次干道)数据。采用香港建成环境风洞实验的迎风面积密度分类，将低迎风面积密度区域与高迎风面积密度区域相区别[7]。但是，由于栅格单元的局限，基于迎风面积密度的建筑通风评价忽视了街道的通风作用，而街道是城市通风的重要通道。城市道路的通风潜力主要受街道朝向、长度和两边建筑物的影响，城市建筑的迎风面积密度分布可以作为城市道路通风评价的基础条件，作为道路通风潜力评价因素。当街道走向与盛行风向平行以及街道长度较短时，街道上的通风效果最佳；当街道走向与盛行风向垂直以及街道长度较长时，由于建筑物的遮挡，街道上的通风效果不理想。

2 基于CFD的城市街道通风潜力模拟

在建筑通风评价中，将城市建筑形态进行指标量化，通过数据分析和主观评价，确定各个指标之间的权重关系，最后对城市建筑形态的通风潜力进行综合评价，关键在于形态指标与通风潜力之间的量化关系[13]。对于街道通风潜力评价，同样可以提取街道形态的指标要素，研究形态指标与通风潜力之间的量化关系。城市街道作为城市通风的重要通道，顺应盛行风向的街道能更好改善街道的通风环境。通过计算流体动力学(CFD)模拟理想街道模型的通风情况，模拟的变量为街道与盛行风向的夹角以及街道的长度，通风潜力为1.5m高度的风速指标。软件平台为Airpak 3.0，其中边界条件中地形因素a=0.14，边界层厚度d=270m。街区规模为300m×340m，街道宽40m，建筑间距为20m，山墙间距为10m，街区模型的布局形式为单体建筑(长：60m，宽：20m，高：18m)的行列式，初始风速为5m/s。边界条件的主导风向每隔15°进行变化，0°表示主导风向与街道平行，90°表示主导风向与街道垂直。

软件Airpak 3.0中建立模拟模型和设定边界条件以后，划分计算网格(计算时一般是按照模型尺寸的1/20来划分网格的，保证模拟精度和减少模拟计算成本)，选择计算模型(采用的湍流模型为RNG K-ε模型)，选择迭代次数(500次以上)，最后计算机自动进行运算。模拟实验结果显示，随着风向夹角的增加，街道上的通风潜力在减弱。当街道与盛行风向夹角为0°时，街道上的风速达到最大，并且明显高于其他风向夹角；当街道与盛行风向平行时，风道口处的风速要高于远离风道口处的风速。随着街道长度的增加，街道中心线上人行高度的风速在减弱。

可见，当盛行风向与城市道路平行时，街道上风受到的阻力最小，同时街道两旁的建筑会加速空气的流速，通风效果最佳；当盛行风向与城市街道垂直时，气流从建筑上方或者建筑之间的间距内通过，街道上的气流是与街道两旁建筑相撞后的气流，空气流动速度较低；当盛行风向与城市道路成一定夹角时，街道的通风效果在两者之间(图4)。因此，选取街道走向作为街道通风潜力评价的重要指标，在地理信息平台(GIS)中，计算街道与盛行风向的夹角关系，从而在城市层面进行整体量化分析。

图4 街道通风潜力模拟分析步骤图

图5 一致性等级划分角度示意图(5-1 东南，5-2 南，5-3 西南)

3 基于GIS的城市街道通风潜力评价

街道的通风潜力主要受街道的朝向、长度和两旁建筑物迎风面积的影响，街道走向越顺应盛行风向，通风潜力越高；街道两旁建筑物迎风面积越低，通风潜力越高；街道长度越长，通风潜力越低。将迎风面积密度、街道长度和城市道路朝向3项指标在GIS平台中进行计算和量化。

首先，在GIS中计算各个类型街道走向与夏季盛行风向的夹角，评判通风的潜力，需要在属性表的字段计算器中进行计算；然后，统计各类型街道的长度，并进行重分类，参与通风潜力的评价过程；最后，通过GIS的缓冲区分析，建立各类型街道的缓冲区(各个类型街道的缓冲区范围为250m)，并与迎风面积密度图层进行叠加和关联，得到各类型街道的平均综合迎风面积密度(迎风面积具有方向性，综合夏季各个盛行风向取平均值)，随着街道两旁建筑迎风面积密度的增加，街道的通风潜力在减弱。

街道走向通风潜力的量化标准需要进一步界定清楚。利用地理信息系统的空间分析技术，将街道与盛行风向的夹角程度作为道路通风与通风不畅的界定值，标准以15°作为道路通风潜力的变化值。在理想街区人行高度的风速模拟中，当街道与盛行风向的夹角超过45°时，通风潜力急剧降低；当街道与盛行风向的夹角小于30°时，街道的通风潜力较高；当街道与盛行风向的夹角小于15°时，街道的通风潜力最佳。因此，在GIS中，将街道的通风潜力划分为4类。以武汉市夏季主导风向(东南风、南风和西南风)为边界条件，以正西方向为180°、正南方向为90°和正东方向为0°建立街道朝向的通风潜力评价标准(图5，表1)。

以夏季的盛行风向南风为例，以南90°为基准将城市道路系统分为4级，道路走向与盛行风向的一致性被划分为：1)道路走向与水平轴夹角为75～105°时，道路走向与盛行风向的关系为一致，通风效果最佳；2)道路走向与水平轴夹角为60～75°或105～120°时，道路走向与盛行风向的关系为较一致，通风效果较好；3)道路走向与水平轴夹角为45～60°或120～135°时，道路走向与盛行风向的关系为基本一致，通风效果一般；4)道路走向与水平轴夹角为0～45°或135～180°时，道路走向与盛行风向的关系为不一致，通风效果较差。

由于道路走向可以同时满足多个主导风向的通风需求，在城市道路系统通风潜力的单一方向评价的基础上，通过叠加计算各个盛行风向下道路的通风潜力得分值，综合评判各级道路的综合通风潜力，从而挖掘出不同通风程度的城市道路。对道路走向与盛行风向的一致性程度进行打分，然后将3个盛行风向的得分值进行相加，并考虑街道长度衰减和迎风面积密度衰减，得到各级道路的综合评分(表2)。

表1 各级道路综合打分表

表2 街道长度和迎风面积密度衰减系数表

根据公式，综合评价值W等于主导风向下的打分值之和乘以衰减系数，其中，东南、西南和南风下的打分值为衰减系数。当综合评价值大于3并小于4时，表示道路通风程度最好；当综合评价值大于2并小于3时，表示道路通风程度较好；当综合评价值大于1并小于2时，表示道路通风程度一般；当综合评价值小于1时，表示道路通风程度较差。

在夏季盛行风的作用下，主城区范围内道路系统的综合评价可以帮助规划师挖掘出通风不畅的道路，并以规划策略加以改善。在武汉市现状道路的综合评价中(图6、7)，现状主干路通风程度最好和较好的道路长度比例最高，占据现状主干道总长度的20.3%；其次，现状次干道通风程度最好和较好的道路长度比例为16.4%。现状快速路通风程度一般的道路长度比例达到了65.2%，而通风程度最好和较好的道路长度比例只有8.9%。各道路类型通风不畅的道路长度比例基本一致，保持在30%左右。可见，武汉市现状主干道的路网系统空间形态的通风适应性最好，而快速路由于道路长度过长，通风适应性要低于主干道和次干道。即使在迎风面积密度最高的汉口老城区，也存在通风潜力较好的城市道路。

图6 主城区现状道路GIS评价图

图7 主城区现状道路通风程度统计

4 城市街道通风潜力案例分析

从城市尺度进行道路通风廊道挖掘以后，需要微观层面的CFD数值模拟技术进行进一步的通风潜力分析。选取武汉光谷创业街为模拟对象，街道全长约1.8km，街道区位位于武汉市中心区边缘，周边有华中科技大学、光谷广场等重要的教育文化设施，为主城区次干道。

街道两侧用地类型主要为居住、商业和工业，街道的走向为东西向，与夏季主导风向(东南、西南和南方向)不一致，在东南风向打分为1(与东南风向夹角为0～15°或75～90°)，综合打分为1。在街区综合通风潜力评价中，通风程度较差，街道两边平均综合迎风面积密度为0.23，FAD衰减系数为1，街道长度衰减系数为0.4。

模拟边界条件为夏季盛行风向南风。武汉市夏季盛行风向南风的平均风速为2.7m/s。软件平台为Airpak 3.0，其中边界条件中地形因素a=0.14，边界层厚度d=270m。统计范围为图8中的红线内区域，模拟计算以后生成1.5m高度的规划与现状风速断面图(图9、10)，并从Airpak 3.0中将街区高度3m以下的风速节点数据导出，便于进行规划与现状的对比分析(图11)。

通过采取规划设计措施，降低建筑的占地面积和迎风面积，减少街道连续面的长度，为空气流通开辟空间。具体规划措施包括以下几点。

1)街区东端片区内存在大量工业厂房，建筑层数小于3层，单体建筑体量较大，占地面积较大，布局紧凑。规划措施将降低单体建筑的占地面积，减小建筑密度，通过形态分割，转化为小体量的厂房建筑，厂房建筑之间留出足够的空隙，引导空气进入地块内部。

2)街区西端主要为居住和商业建筑，建筑形式以点式和板式建筑为主，建筑层数为多层和高层。点式建筑有利于空气流动，但是点式建筑的裙房会阻挡人行高度的气流通过，因此规划措施减少迎风处的裙房，打断高层建筑的连续面，结合点式建筑组织空气流通的廊道。

3)街道与盛行风向南风垂直，街道长度较长，沿街建筑的迎风面积对街区内部通风条件有重要影响，规划措施缩短沿街建筑的连续面长度，降低沿街建筑的迎风面积，打通垂直于街道的通风路径，通过通透性设计增加街道的风渗透性。

通过街区夏季盛行风向南风的微观模拟，统计规划与现状街区3m以下风速节点的风速频率。现状街区的最小风速为0.02m/s，最大风速为4.07m/s，平均风速为1.83m/s。通过规划措施改善街区建筑形态以后，规划街区的最小风速为0.03m/s，最大风速为3.97m/s，平均风速为1.88m/s，规划后街区的整体通风水平要强于现状街区。将规划范围以内高度3m以下的风速节点进行频率统计(表3，图11)，可以发现规划后街区的风速在2.0～3.2m/s的频率要高于现状，而风速在0.0～1.8m/s的频率要低于现状，风速得到了增强。

5 结语

综合迎风面积密度的风道划分方法将城市建成区转换为单元大小一致的栅格，通过设定阈值来提取城市的通风路径，城市通风环境通过形态指标的量化进行评估[14]。街道通风廊道的挖掘方法可以帮助我们挖掘潜在的街道通风廊道。研究不足在于建立的理想模型是行列式，根据需要可以对其他街区形态进行模拟，发现其中的特征和规律。

本文将地理信息系统和CFD数值模拟的方法进行交互使用，以街道形态为核心，归纳街道朝向、街道长度和街道旁建筑的迎风面积等指标作为风道划分的评价标准，实现了对整个城市建成区的综合评价。在迎风面积密度较高的区域，平行于盛行风向的道路仍然可以引导空气进入，从而实现通风路径的精准和深入挖掘。城市尺度使用GIS进行整体评价，街区尺度使用CFD进行微观模拟，弥补了2个软件空间分析的不足。最后，通过迎风面、街道长度和街道朝向提出空间形态的优化。