环渤海典型围合式住宅组团风环境模拟及布局研究★

孙 磊

(南京大学建筑与城市规划学院，江苏 南京 210093)

环渤海城市处于寒冷地区，围合式布局能产生较大的风影区，有利于环渤海的冬季防风，因此开展围合式布局与风环境的关联性研究具有重要价值。

当下，关于城市住宅的风环境模拟主要分为以下两种类型，第一种是简化形体与环境条件，建立数个理想原型进行比选实验，例如刘政轩等人建立了长沙市10栋相同住宅楼的4种布局原型，以风速比、空气龄为评价指标进行对比，得出最佳布局。第二种是针对某具体案例进行CFD风环境模拟，将模拟的数值与现今的风环境评价指标进行对比，进而分析案例设计，例如叶宗强等人对西安某居住区的研究。

本文选取了环渤海地区的3个典型围合式住区，作为3种基本模块，并设计9种比选模块。以1.5 m人行高度平均风速比为核心指标，对比模块的风环境。案例满足如下条件：1)具有高度的围合特征、通过底层架空进入组团；2)具有不同的密度和形态特征(见表1)。

1 典型案例中的围合模块

笔者提取三个案例中的典型围合组团(见图1)，结合案例所在城市的风环境，从开口位置、开口大小、剖面关系三个角度简要分析。

1.1 案例所在城市的风环境

北京的冬季主导风向为北风，平均风速2.8 m/s，夏季的主导风向为南风，平均风速1.9 m/s；济南的冬季主导风向为南偏东75°，平均风速3.2 m/s，夏季主导风向为西南风，平均风速2.8 m/s[2]。

表1 典型案例的基本信息

1.2 案例形体特征

北京菊儿胡同：1)组团从东、西侧架空进入，在冬季主导风向(北)不开口，北侧设置开敞楼梯间；2)两个开口的大小相等；3)使用坡屋顶，南北侧建筑高于东西侧。

北京海运仓社区：1)垂直于冬季主导风向(北)布置架空主入口，夏季主导风向(南)开次入口；2)开口大小不相等；3)使用坡屋顶，四向建筑等高。

济南自由城公寓：1)南、北、西三侧底层架空。开口沿夏季主导风向布置，避开冬季主导风向；2)开口大小不相等；3)采取退台的策略，冬季主导风向(南偏东75°)建筑高于西侧，夏季主导风向(东南)建筑低于西北侧。

2 模拟条件设定

2.1 实验模型设定

本文设计了12种比选模块。其中模块1、模块2、模块3为案例原型；模块1-1、模块2-1、模块3-1调整了围合院开口位置；模块1-2、模块2-2、模块3-2修改了开口大小关系；模块1-3、模块2-3、模块3-3修改了围合院的建筑高度，如图2所示。

2.2 风环境模拟及评价标准

本文基于Airpak软件对3个案例进行风环境模拟(见图3)，将平均风速比作为评价指标。对特定的模拟对象和来流方向，风速比不会随来流风速的变化而变化，故能较为客观的反映围合模块的防风性，平均风速比RZ的计算公式为：

RZ=VZ/V0。

其中,VZ为行人高度1.5 m的平均风速，本文提取模块内0 m～3 m空间的平均风速；V0为未受建筑物干扰的平均风速，本文取来流风速，软件的边界及网格尺寸均满足计算精确度。一般来说，组团风速比越大，代表组团在该风环境下的通风性能较好；组团风速比越小，代表组团在该风环境下的防风性能较好。环渤海位于寒冷地区，应重点考虑住宅组团冬季的防风性能，兼顾夏季的通风性能，因此冬季风速比低、夏季风速比高的模块，较为符合环渤海的气候特征。

3 模拟结果与分析

表2 12种模块的冬夏季平均风速比及冬季最大风速比

3.1 三种围合原型的风环境对比

横向对比模块1、模块2、模块3的风速比(见表2)，可见围合模块的风环境与容积率并无线性关系，高密度围合式住区依然可以通过设计手法，创造出良好的风环境。

在模块1这组实验中，模块1-2的数据最符合环渤海风环境，这说明菊儿胡同在开洞设计上存在较大优化空间；在模块2、模块3两组实验中，原方案(模块2，模块3)的数据较符合环渤海气候，即说明该两则案例的形体设计较好的适应了环渤海风环境(见图4)。

3.2 9种变体模块的风环境对比

3种原型模块及其9种变体模块的冬、夏季风速图像如图5所示。

1)洞口位置对组团风环境的影响。

模块1-1：将模块1的两个开口自东西向调整为南北向(正对冬、夏季主导风向)，冬季与夏季的风速比均显著提高。

模块2-1：将模块2背对冬季主导风向的开口移动到主导风向上，冬季风速比显著提高。

模块3-1：将模块3的一处开口移动到冬季主导风向，冬季风速比显著提高；由于另外两处开口依旧正对夏季主导风向，故夏季风速比无明显变化。

以上的数据表明：在环渤海区域，当一个组团有多个开口时，避免在冬季主导风向上开口，能够有效加强组团冬季防风性能；同时宜考虑在夏季主导风向上设置开口，以兼顾夏季通风。

2)开口大小对组团风环境的影响。

模块2-1：当取消模块1在冬季进风侧(北)的开敞楼梯间时，组团冬季风速比明显降低。此数据表明，在冬季主导风向上应避免设置较大的洞口。

模块2-2：将模块2背对冬季主导风向的开口尺寸(南)从3 m调整为6 m，冬季风速比无明显变化，夏季风速比有较明显提高。此数据表明，正对主导风向的开口大小对组团风环境的影响较大；背对主导风向的开口大小，对组团风环境影响较小。

模块3-2：将模块3南侧开口从4 m调整为8 m，北侧开口从12 m调整为8 m，模块冬季风速比提升0.03，夏季风速比降低0.04。此数据表明，改变进出风口大小带来的组团风环境变化，还受到开口与来流风向的夹角影响。

3)屋顶形式及高差对组团风环境的影响。

模块1-3：将模块1北侧(进风侧)抬高一层，冬季风速比略微降低。

模块2-3：将模块2的坡屋顶改为平屋顶，组团冬季风速比有略微降低。

模块3-3：取消模块3的高度变化，冬季风速比略微上升，夏季风速比略微下降。

以上数据表面屋顶形式、建筑高差对组团平均风速比的影响幅度较小，应基于日照需求，合理布置。

4 结语

通过典型案例的分析，表明了围合式布局在环渤海地区当代住宅设计中具有多样的存在形式；对12种围合模块的风环境模拟，证明了围合式布局的开口、高度关系与围合组团风环境存在密切的相关性。受制于篇幅，本文仅从案例的实际出发，探讨几种典型的优化策略对组团带来的风环境影响，为将来适应环渤海区域气候的围合式住区设计提供参考。未来在建筑风环境研究领域，应该通过更精确的变量实验，探求适应区域风环境的形体设计方法。