基于风环境评价的中学校园综合体布局形态分析

张 峙，应小宇 ，汪继起 ，潘跃进 ，邢 然，潘孟濠 （. 浙江中和建筑设计有限公司, 浙江 绍兴000；. 浙大城市学院, 浙江 杭州 005；.杭州市教育资产运营管理中心, 浙江 杭州 0000）

现行的校园建筑设计规范大多局限于日照及消防问题，未考虑建筑的布局形态可能对其周边风环境造成的不好影响。不合理的建筑布局形态会导致春秋季节污染物难以扩散、夏季不利于散热、冬季气流过大使人感到不适等问题。

基于风环境影响设计的建筑形态可以减少建筑能耗、改善建筑及其周边小气候等[1]，适宜的风环境有利于师生的学习和活动，对中小学生的成长也较为重要。因此本文结合校园综合体案例，将其简化并归为几种典型的布局形式，通过计算机软件进行风环境模拟分析[2]，得出较为合理的校园综合体建筑布局形态及设计策略。希冀可为校园综合体建筑布局形态设计提供一定的参考和评价依据。

浙江省杭州市为夏热冬冷地区，江干区是快速城市化中典型的高密度住宅区域。这种高密度的区域更需要注重室外的风环境[3]，所以选择该区域进行研究。该中学总用地面积32 200 m2，办学规模为 24 个教学组团，周边道路车流量较小，除东侧为小学校园外，周边其他建筑均为住宅。

1 风环境模拟模型的建立

1.1 模拟区域的大小

目前关于计算机模拟区域大小并无明确要求。很多研究人员都采用“试错法”来确定模拟区域的大小，因为区域的大小会影响模拟结果[4]。Chang等[5]建议建筑模型与模拟区域边缘的距离至少 5 倍于建筑模型高度。最终确定模拟区域的大小为 1 200 m×1 100 m×250 m（长、宽、高），网格范围为 1 200 m×1 100 m×250 m。

1.2 建筑模型的设定

建筑模型根据各种案例中的校园综合体建筑布局，简化为 A、B、C、D 共 4 种典型的布局形式，见图 1[6]。各不同布局形态的模型在满足现有规范所规定的日照间距、消防等条件下，保持其同高度、同层数、同面积进行风环境模拟分析计算。GB 50099—2011《中小学校设计规范》中要求，教学楼间距≥ 25 m，所以模型中建筑间距为 25 m。本文研究的是以杭州地区气象数据为基础的建筑风环境分析，在《中国建筑热环境分析专用气象数据集》提供数据中，杭州地区的夏季的主导风向为 SSW，冬季的主导风向为NNW[7]。真实环境下的风速与风向有一定的随机性，而本地区在不考虑地形影响的情况下，冬夏两季主导风向明显且主导风向的风频率明显高于其他风向。为简化模型计算，在分析中以 NNW 与 SSW 作为冬、夏两季的主要风向。

图 1 4 种典型的校园综合体布局类型

1.3 风环境评价标准

在实际室外环境中，通过比较风速绝对值来比较建筑不同布局是比较困难的，因为每种布局的初始来风风速就已经不同，因此研究人员大都使用风速比来衡量建筑布局对风环境的影响程度。风速比是测点（人行高度 1.5 m）风速的绝对值与同高度下初始来风风速绝对值的比值[8]。计算公式如式（1）所示。

式中：R—风速比；

Vs—测点风速，m/s ；

v—初始来风风速，m/s。

相关研究表明，当某区域风速比＞2.0 时，行人会感觉风过于强烈；风速比＜0.5 时，该区域风速过低，不利于空气流动[9]。因此本文中评价风环境标准为风速比介于0.5～2.0 之间[10]。

2 模拟结果及分析

在模拟中共设置 6 个主要风速测点，见图 2。以 A 布局为例，分别以 C 1～C 6 命名，其中 C 1、C 2、C 3 表示 3 个由建筑体量围合而成的活动庭院，C 4 表示为操场区域，C 5、C 6 分别代表夏季迎风区域和冬季迎风区域。通过研究这几个测点在夏季以及冬季的风速与初始风速的比值即风速比基本可以说明建筑布局对风环境的影响情况，图 3，图 4 分别为 4种布局夏季、冬季的风速布局。

图 2 测点分布图

图 3 4 种布局夏季的风速分布

图 4 4 种布局冬季的风速分布

图 5 给出了夏季各布局下室外人行高度（1.5 m）处的风速比等值线图。

图 5 4 种布局测点夏季风速比

从图 5 中可以直观地看出，C 1 测点风速比大小为 A 布局＜C 布局=D 布局＜B 布局，C 2 测点风速比大小为 A 布局＜B 布局＜D 布局＜C 布局，C 3 测点风速比大小为 A 布局＜B 布局＜C 布局＜D 布局，且在朝向夏季主导风向开放的测点风速比都＞0.5。这说明面向夏季主导风向开放的测点区域风速都较高，利于夏季的散热，提供舒适的风环境。C 4 测点由于位于风影区，所以风速比都＜0.5，通风较差。C 5 测点位于迎风面，在场地内几乎未被遮挡，所以风速比在各布局中相差不大，C 6 测点的风速比只有 D 布局＞0.5。各类型布局中 A 布局中各测点的数值相差最大，风速比变化范围为 0.17～1.13，说明气流经过该布局的建筑时，风速受布局影响明显，与之相对的 C 布局的各测点数值相差最小，风速比变化范围为 0.29～1.09，说明气流经过该布局的建筑时，风速受布局影响较小。由图 5 中风速比平均值曲线可看出，D 布局的各测点平均值在所有布局中最高为 0.68；其次是 C 布局，平均值为 0.62；A 布局的平均值最低为 0.45，这种布局在夏季室外气流较小，通风效果相较其他布局形式最差。比较 C 1～C 3 的 3 个测点可知，随着测点面向主导风向数量的增加，风速比也随之增加，所以活动区域尽量多地迎向夏季主导风向。

图 6 为冬季各布局下室外人行高度（1.5 m）处的风速比等值线图。

图 6 4 种布局测点冬季风速比

由图中可知，C 布局各测点的数值相差最小，风速比变化范围为 0.09～0.59，说明气流经过该建筑时，风速受到布局影响较小。这其他 3 种布局形态的建筑各测点的数值差都相对较大，其中 A 布局最大，风速比变化范围为0.11～0.65，说明气流经过该建筑时，风速受到布局影响在 4种布局中相对明显。观察图中风速比平均值曲线可看到，A布局的各测点平均值是最高为 0.38。D 布局测点平均值最低为 0.28，其次是 C 布局平均值 0.29，这 4 种布局在冬季的风速比都＜0.5，气流都较弱，由此说明这 4 种布局形式对冬季的主导风都具有较好的阻挡作用。在分析中还发现基地北面的住宅对冬季主导风已经有了一定的削弱作用，以至迎风的C 6 测点风速比相较夏季迎风的 C 5 测点要小很多。

综合图 5 与图 6 分析，A 布局在夏季时除测点 C 5 外，各个测点处通风效果最差，冬季时平均风速比在 4 种布局中最大，但依然有较好的阻挡冬季风效果。B 布局在夏季通风效果也较差，在冬季对冬季主导风也有不错的阻挡作用；C布局与 D 布局类似，在夏季风环境下有良好的通风，冬季对冬季主导风阻挡效果与 D 布局接近，但未面向夏季主导风向的 C 3 测点风速比在夏季＜0.5。杭州地区为夏热冬冷地区，在夏季应该引导主导风向带走热量，而冬季需要阻挡主导风带走热量，创造一个舒适人行区域风环境。所以在该地区，这四种布局中优先考虑 D 布局，其次考虑 C 布局。通过这些不同布局的风环境模拟分析，在夏热冬冷地区校园综合体建筑设计中建筑面向夏季主导风向区域应该尽量开放或架空[11]，同时也需要适当考虑冬季对主导风的阻挡。在夏季，操场区域产生了部分的风影区，可将建筑在靠操场一侧底层架空或将操场摆放在夏季主导风向一侧来解决这一问题。

由于体量之间的相互遮挡，位于风影区的风速较低。在夏季时过低的风速对空气流动不利，在其中活动的人也会感觉到不舒适，所以在这些风影区建议安排绿化。在冬季时风影区风速较低反而较好，所以在冬季风下的风影区可以作为活动场地。

3 结 语

通过风环境模拟工具，分析 4 种典型布局形态的校园布局，对比在人行高度（1.5 m）处的风速比和相应的风向分布，得到风环境优劣状况与不同校园布局形态之间的关系。以上结论为校园综合体建筑布局形态提供了一定的参考依据。试验分析揭示了校园综合体建筑的布局形态对其周边风环境的影响，尤其是人行高度风环境的影响。除风环境影响下的建筑布局形态之外，还对室外的景观、活动场地的设置提出了优化建议。得到的具体结论为以下几点。

（1）夏季时 A 布局中各测点的数值相差最大，风速比变化范围为 0.17～1.13，且测点风速比平均值最低，仅为0.45；D 布局的各测点平均值在所有布局中最高为 0.68；其次是 C 布局，平均值为 0.62。冬季时 4 种布局的测点风速比平均值大小：D 布局＜C 布局＜B 布局＜A 布局。所以综合考虑，在这几种布局形态中，杭州地区校园综合体建筑设计优先考虑使用 D 布局，其次为 C 布局，不建议采用 A 布局。

（2）在夏热冬冷地区校园综合体建筑设计中建筑面向夏季主导风向区域应该尽量开放或架空，同时也需要适当考虑冬季对主导风的阻挡。

（3）在夏热冬冷地区，夏季风速较大，冬季风速较小的测点区域，适合做室外活动场地，夏季风速较小，冬季风速较大的区域，可以种植一些高低结合的立体绿化，既能阻挡冬季一定的风也能合理地利用室外用地。