城市街道宽度对街区通风影响的试验研究

2019-12-17田凯强贾娅娅刘庆宽马文勇刘小兵

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2019年4期

田凯强，贾娅娅，刘庆宽，马文勇，刘小兵

（1．石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043；2．石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所，河北石家庄 050043；3．河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室，河北石家庄 050043）

随我国城市化进程的不断推进，城市高密的建筑会阻碍城市近地面空气流动，使得城市内部的平均风速减小，在弱风天气下，城市空气中的污染物容易积累，使得城市的空气污染严重［1-2］。为了改善这种状况，除了节能减排之外，有人提出对城市进行专门规划、建立城市的通风廊道［3］来改善城市通风状况的建议，认为城市风道能减弱城市建筑对风的阻碍作用，使得空气能够吹进或者贯穿城市，驱散城市空中污染物，达到净化空气的目的［4-6］。在20世纪80年代德国卡塞尔大学Kress R［7］教授开始了“理想城市气候”计划研究，并且提出了在新区规划中建立风环境及风流通系统的概念。日本从20世纪80年代已经开始关注风环境，并在2007年提出在城市规划中建立城市风道系统［8-11］。我国在城市风道方面的研究始于20世纪80年代末，任超等［12］提出在区域规划、城市规划、街道规划、大型建设开发项目4个尺度下对城市风道进行规划。李军等［13］建议城市风道的建设必须从城市宏观总体布局和微观城市建设控制2个方面考虑。除了理论研究以外，一些城市的城市风道也在提议中。例如2013 年杭州市规划、环保等部门研究，希望建一个“城市风道”，通过城市风道，把郊外的风引入主城区，把空气中的雾霾吹走［13］。2015年初，陕西省成立了“西安城市风道景区建设调查研究”课题组，专门对西安城市风道及风道景区建设问题进行了比较深入的调研［14］；2016年陕西全省城市工作会议提出通过营造城镇风道，进一步美化人居环境［15］。

对城市进行规划建立城市风道涉及拆迁、规划、建设等许多环节，经费投入十分巨大，而城市风道对增强城市通风的效果如何，目前尚缺乏专门的试验数据分析。以某小区的建筑群为单元，改变街道的宽度和街道两侧的建筑高度及密度，测试研究了街道纵深和高度2个方向上的风速分布规律，探讨了街道对城市通风的影响，为相关的政策制定及研究提供参考。

1 风洞试验介绍

本研究选取具有高层住宅群及普通住宅群结合的、比较典型的北京市某小区作为单元，四边街道环绕，如图1所示。该区域有多层住宅8栋，30层住宅3栋，25层和30层连体住宅2栋，25层住宅5栋，14层公寓1栋，供热厂房2栋和多层的幼儿园、宾馆各1栋。平面和高度尺寸如图2所示，建筑旁边的尺寸标注分别代表建筑物的长宽高，例如左上角的建筑尺寸标注40×22×120 代表该建筑物长度40 m、宽度22 m、高120 m。

图1 单元三维电子地图

图2 单元平面布置图

将该单元沿街道纵深方向复制10次，然后进行组合，可得到2种不同的试验工况，如图3和图4所示。

图3 街道Ⅰ街道模型图

图4 街道Ⅱ街道模型图

图3所示的街道，两侧的建筑高层较多，建筑密度大，且街道两侧建筑对称分布，将该街道试验定义为街道I。图4所示的街道，两侧的建筑为沿主干街道横向整体复制平移形成，所以街道一侧以高层为主，另一侧以多层为主，两侧建筑物是非对称分布，将该街道试验定义为街道II。

按照阻塞度＜5%和其它相似关系的要求，模型的缩尺比为1∶200，由于模型表面存在明显的棱角，因此雷诺数对试验结果的影响基本上可以忽略，试验中来流控制风速为10 m／s。为了研究街道和两侧建筑对风速的影响，这里的来流没有考虑地表摩擦作用，采用的是建筑前方均匀来流的方式进行试验。

试验在石家庄铁道大学风工程研究中心STU-1风洞低速试验段中进行。该风洞低速试验段宽4．4 m，高3 m，长24 m，风速1～30 m／s连续可调［16-17］。试验风速测量所使用的仪器包括：4孔眼镜蛇三维脉动风速仪，用于风洞内风速的测量；三维移测架，用于风洞内眼镜蛇的移动。4孔眼镜蛇三维脉动风速仪不仅可以测量速度3个方向的分量，而且还可以测量±45°范围内的偏角和攻角；将4孔眼镜蛇三维脉动风速仪安装在移测架上，可以对有效测量范围内任意点的风速进行测量，三维移测架顺风向的有效移动距离为4．0 m，横风向有效移动距离为2．4 m，竖向有效距离为4．0 m。本试验针对街道I和街道II的2种街道类型，分别改变街道宽度为40 m、80 m、120 m、200 m，针对每种宽度街道的中心平面进行了风速测量。

为了方便描述，取街道入口底面中心为坐标原点，沿街道通向城市纵深方向为x 轴，与街道中心横向为y 轴，高度方向为z轴，如图5所示。试验测点布置如图6所示。

为了方便进行风速比较，定义风速比K，为不同位置处街道内风速与相同高度处来流风速之比

式中，vC为眼镜蛇测点的风速；vK为风洞的控制风速，本试验的控制风速为10 m／s。

图5 坐标示意图

图6 试验测点布置图

2 试验结果与分析

2.1 街道Ⅰ结果分析

街道I中心风速分布的试验结果如图7所示。

对比图7（a）～图7（d）可知：风速在进入街道前风速比基本上在1．0左右，进入街道后风速急剧增大，具有“峡谷效应”，在距离街道入口100 m 左右风速最大，宽度40 m、80 m、120 m、200 m 的街道在此处的风速比分别是1．4、1．23、1．22、1．17。

图7 街道I中心各高度风速比分布

街道宽度越宽，入口处高风速在街道纵深方向上影响越远，但是风速增大的不是很多，并很快形成底部风速低、随着高度风速逐渐增大的风剖面。在街道纵深方向到达一定距离后，风剖面趋向稳定，同一高度处的风速不再随纵深的距离增大而增大。

2.2 街道II结果分析

街道II中心风速分布的试验结果如图8所示，从图8中可以看出，街道II的变化规律和街道I基本上类似。同街道I两侧均为高层建筑相比，街道II一侧以多层为主，理论上较矮的建筑对风的阻碍作用较弱，从本试验结果同图7比较可知，两者的风速差别并不明显。

图8 街道II中心各高度风速比分布

2.3 建筑高度对风的影响

为了进一步比较建筑高矮对街道内风速的影响，图9（a）～图9（d）对比分析了街道中心10 m、40 m、60 m、100 m4个高度处街道I和街道II 2种结果下风速比沿街道深度的变化情况。2种状态下街道的宽度均为40 m。

从图9可以看出，虽然街道I两侧均为较高的建筑，但是街道I的风速比只在500～1 000 m 的街道纵深范围内比街道II的结果稍小，随着向城市内部的延伸，2种状态下的风速比趋于接近，说明城市内部街道两侧一定高度内的建筑对街道的风速影响减弱。

另外，从入口处风速增大，之后逐渐减小到形成较为稳定风速的距离，基本在离开入口1 000 m 前后，考虑到形成较为稳定的风剖面的位置（即风速比不再随x 而变化的位置）离开街道入口的距离仅仅有几公里，同大城市尺度（如北京五环边长约为25 km）相比所占的比例太小，除去入口的几公里之外，城市内部街道上的风剖面可以认为是城市平均地貌类别的风剖面，街道的宽度对街道的通风影响不明显。

在这种情况下，通过规划城市通风廊道，使得城市之外的风顺着廊道贯穿城市，从而达到净化城市空气的方案值得慎重考虑和深入研究。

另外，城市空气污染严重的时期基本是大区域内风速很小、或者是没风的天气，此时不但城市内空气流动微弱，城市之外没有高层或多层建筑的田野乡村也没有风，在这种状态下城市风道更不具备引进城外的风进入市区的功能。