基于风环境的高层住区植被优化设计

符兴源，温 琦，邹铁安

(1.东北农业大学园艺园林学院，哈尔滨 150000；2.东北农业大学公共管理学院，哈尔滨 150000)

风环境作为影响城市室外环境满意度的重要因素，对室外环境热舒适、颗粒污染物扩散、局部热岛效应消解等方面都起着重要作用[1]。随着城市人口的扩张，建筑密度不断提高，城市空气流动逐渐“复杂化”[2]。城市整体建成环境的风速、风强与种类的相互作用更加丰富的同时，也使城市内局部风环境恶化。城市环境中的高层建筑加剧上述情况。高层居住区作为与城市功能密切相关的功能板块，其风环境舒适度对整体城市环境与生活质量具有重要影响。在高密度的建筑布局下，建筑与风场形成的“狭管效应”“角落效应”“涡流效应”等一系列问题[3]，对居民的生活品质产生了直接影响。

居住区绿地作为住区空间的重要组成部分，对于改善住区风环境具有重要作用。运用植被优化手段改善风环境具有绿色生态、适应性好、可操作性强等诸多优势[4]。许多学者对植物与风环境的相互关系进行了研究。Buccolieri等[5]和Gromke等[6-7]基于风洞试验的方法证明了树木对风环境具有较大影响。柯咏东等[8]运用实测比较的方法，证明了城市绿化带对高层建筑物周围行人高度处的风环境具有显著影响。

近年来，以计算机流体力学(computational fluid dynamics，CFD)为理论基础的数值模拟分析，被广泛地运用到高层住区风环境的研究当中[9]。冯博等[10]通过数值模拟技术研究了原始建筑群的风环境情况，并通过分层优化方法改善建筑群的风环境；马申[11]对不同建筑布局的建筑群进行模拟实验，并对长春市一住区进行风环境优化；Li等[12]运用CFD技术模拟了不同树冠模型对于风环境的影响，并将其用于建筑周围风环境的定量分析。在实测与数值模拟的基础上，Mochida等[13]通过不同案例的模拟比较，对CFD树冠模型的附加项及其系数进行了修正；Zhang等[14]提出较大叶密度指数和树冠直径的高大树木应该是改善室外环境舒适度的优先考虑事项；武哲羽[15]分别对9种树木在庭院环境下进行风环境模拟，研究树木高度、冠幅、叶面积指数等树木特征对风环境的影响；曾晶[16]分别模拟分析了孤植、对植、一列直线状、二列直线状、曲线状、围植、闭合的植物栽植形式对风速的不同削减作用。

尽管植被对于改善住区风环境具有重要意义，但目前大多数住区的植物种植设计仅从景观美感的角度出发，从改善住区风环境方面的考虑较少。在实际的植物设计中往往缺乏对环境规划所带来的影响因素的具体研究，尤其是在风环境较差的地区，更容易受到这些问题的困扰。受季风气候的影响，东北地区刮风频率高且强度大[17]，大风灾害对农业、工业产生危害的同时，同样给城市居民的日常生活带来影响，因此基于风环境改善的住区植被优化设计研究对于改善人居环境，营造安全、舒适的住区空间至关重要。目前研究多着重于考察植物群落的微观环境布置与植物个体特征对于风环境的作用，缺乏对住区规划形式所形成的风环境特征与植被布局以及配置方式的关系研究。

为此，运用场地实测与CFD模拟技术[18]相结合的方法，在确定高层住区内存在风环境问题的关键区域与气流特征基础上，针对高层住区所形成的特定风环境，从树种配置方式和群落布局形式两个方面，对不同植被设计方式对具体风环境的影响进行分析，探讨通过植物设计改善高层住区风环境的方法与规律。

1 研究方法

1.1 区位及场地概况

以哈尔滨市高层住区为对象，哈尔滨属中温带大陆性季风气候，受季风辐合带及环流系统影响，具有典型的季风特征，其中春、秋过渡两季气旋活动较为频繁，尤以春季风力较强。且春末之际，树木枝叶逐渐繁密，对于植被对住区风环境影响的研究较为适宜。

分析植被对哈尔滨市住区风环境的影响时，选择研究的住区应遵循以下原则：有相当规模的植被且类型丰富的高层住宅，住区公共空间内有较多的活动人群，同时周围没有其他建筑对住区风环境产生显著影响，以保证变量的统一。研究选定具有代表性的3个居住区：睿城、远创樾府、盟科视界(图1)。

图1 调研住区平面卫星图Fig.1 Planar satellite maps of research areas

风环境特征采用李志强对建成环境气流特征的归纳方式，运用理想假设，以恒定气流条件为前提，将高层住区建筑周围流场区域定性划分，共计5个区域：穿流区、角流区、涡流区、风影区、迎风区[19](图2)。

图2 高层住区水平流场典型分布Fig.2 Distribution of the typical air flow fields in High-rise residential areas

1.2 CFD数值模拟

1.2.1 模型构建

将建筑模型进行适当简化后以其真实高度进行建模，采用混凝土作为建筑外墙表面材料，采用沥青作为地面材料。植被模型中，根据格林所做的风洞试验[20]，长方体形状的树冠模型所得的结果与实测数据吻合度最高，并且计算时长最短,因此本研究中树木使用长方体形状建模。已有研究证实，低矮灌木和草本对行人高度处的风环境影响较小[21]，因此只考虑乔木和高大灌木对风环境的影响。

调研3处居住区，由于植物种类繁多，为了简化植物模型，把植物分为3类，即大乔木、小乔木、灌木。挑选每类中所占比例大的植物，使用AutoCAD根据植物树干高度，树冠长宽等进行建模后，导入CFD PHOENICS对植物叶面积指数(LAI)、拖拽力系数(Cd)[22]进行设置，如表1所示。

表1 住区植被分类Table 1 Classification of the vegetation in residential areas

1.2.2 模拟初始条件设置

模型初始条件的设置对数值模拟实验的准确性和合理性具有决定性作用。参照日本建筑学会(AIJ)指南对模拟参数的边界进行设置，如表2所示。其中计算域的两侧边长为2.3W(W为建筑模型所占面积的宽度)，计算域流体出口方向的边长为15H(H为最高建筑的高度)[23]。网格划分采用非均匀结构化网格技术的方式，建筑区域采用局部网格加密技术，取1 m×1 m×1 m网格。初始气象数据设置结合国家气象局发布的天气情况，结合哈尔滨市春季的主导风向和测试日的主风向进行综合计算，风速则选取当天测试的平均值。

表2 模拟计算参数设置Table 2 The parameter settings of digital simulations

2 模拟校验与方案设计

2.1 实测风速数据获取

2.1.1 测点布置

根据建成环境气流特征，穿流区、角流区、涡流区、风影区、迎风区为高层住区内的典型风环境区域[25]，故在该5个区块设置测点。考虑哈尔滨春季主导风向为西南风及南风，以及高层住区建筑主要布局形式，迎风区多位于住区空间之外，故未对迎风区进行研究，调研住区测点分布如图3所示。

图3 调研住区测点分布Fig.3 The measuring points of research areas

2.1.2 测试时间

实验针对哈尔滨春季大风天气，选取2019年4月30日(睿城、南风)、2019年5月5日(远创樾府、南风)、2019年5月12日(盟科视界、西南偏南风)进行实验。测试选取当日风环境较为稳定的时段，由于风环境的瞬时性及不确定性，故每5 min获取一次数据，采集10次取平均值与模拟值进行对比分析[26-27]。

2.1.3 测试仪器

选用希玛手持式风速仪AS856S(精度：0.001 m/s，范围：0.3～45 m/s，误差：±0.1 m/s)。根据实验仪器特性，将仪器放置在各测点距离地面1.5 m处行人高度进行风速测量。

2.2 实测与模拟数据比较分析

结合上文所述，构建模型并设置相关参数，初始气象数据结合国家气象局发布的天气情况。由于无法定义动态的风向，因此风向的确定需结合哈尔滨市春季4～5月的主导风向和测试日的主风向进行综合计算，风速则选取当天测试的平均值。基于CFD PHOENICS软件对住区风环境进行数值模拟，迭代次数设置为1 000次，数据收敛精度至10-4。将得出的各测点模拟数据与实测风速的平均值进行对比，得出图4。

由图4可以看出，模拟风速值与实测风速结果的规律性基本一致，将各测点的实测风速平均值与模拟风速值相对比并进行回归分析，得出R2=0.938,可见模拟与实测数据的拟合度较高。在考虑实地测量仪器的精度范围和模拟植被模型与实际植被不可避免的偏差的前提下，CFD PHOENICS模拟软件能够较好地模拟高层住区内风速的空间分布规律，经过相应的模型修正后可以用于住区风环境的模拟研究。

图4 睿城、远创樾府、盟科视界各测点风速实测及模拟值Fig.4 Measured and simulated values of wind speed at each measuring point in Ruicheng，Yuanchuangyuefu，Mengkeshijie

2.3 流场区域分析

通过高层住区模拟所得风场矢量图，为更为直观观察测点周围风场环境，故将模型内树木模型进行隐藏(图5)，结合测点周边建筑布局与测点周围流场情况对测点进行划分，不同流场区域测点分布如表3所示。由模拟所得风速，分别对各住区风环境分析，睿城内测点1、5风速较高，远创樾府内测点6、7风速较高，盟科视界内测点13、18风速较高。哈尔滨市高层住区内流场穿流区、角流区，为住区内风环境最为恶劣的区域，同为建筑背风面的涡流区与风影区风速均较低。由住区风场矢量图(图5)可知，涡流区与周围气流形成剪切作用，使该区域的风向较风影区更为紊乱，区内涡流减缓气流交换、滞留污染物，危害居民的健康。综上，根据风速、风向的情况确定哈尔滨市高层的穿流区、角流区、涡流区为优化布局的关键区域。

图5 风场矢量图Fig.5 The vector-graph of air flow fields

表3 不同流场区域测点分布Table 3 The distribution of measuring points in different air flow field areas

2.4 基础单元模型构建

对睿城、远创樾府、盟科视界内部主要植物进行实地调查，对住区内树种类型进行分类(表1)。通过实地调研及对现有植被进行理想化构建，所调研住区内树种配置方式主要包括大乔木+小乔木；大乔木+灌木；小乔木+灌木3种配置方式。群落布局形式主要为行式、列式和围合式(图6)。

图6 不同群落布局模拟平面图Fig.6 The simulation plan of different tree community configurations

模拟实验从植被个体角度分析不同树种及配置方式对风环境的影响程度，以哈尔滨市4～5月平均风速3.5 m/s作为模拟入流风速。从整体角度，分别分析不同群落布局形式在穿流区、角流区、涡流区的风环境变化特征。由于所调研住区内各流场区域风环境较为复杂，故对高层住区空气流场做理想假设，构建基础单元风环境模拟模型(图7)。各群落在相同场地内均取等量小乔木进行布局，模拟来流风速取3.5 m/s，风向取调研期间高频风向南风。

图7 基础单元模型Fig.7 The model of basic unit

3 数值模拟分析

3.1 树种配置方式对风环境的影响

3.1.1 树种类型

分析不同树种类型对风环境的影响，风向从左到右，风环境模拟如图8所示。分别对大乔木、小乔木、灌木下风向，1.5 m行人高度处测点A1、A2、A3进行模拟取值，测点风速分别为2.38、2.29、1.65 m/s，可得灌木对于1.5 m处风场影响最大。同时由图8可知，大乔木对风场的减弱范围最大，小乔木次之，灌木最小。

A1、A2、A3为不同树种下风向，1.5 m行人高度处测点图8 不同树种风速垂直分布(风向从左到右)Fig.8 The vertical distribution of wind speed of different vegetation(the wind blows from left to right)

3.1.2 配置方式

分析不同树种配置方式对风环境的影响，风向从左到右，风环境模拟如图9所示。分别对3种配置方式下风向，1.5 m行人高度处B1、B2、B3进行模拟取值，大乔木+小乔木配置下，风速为2.33 m/s；大乔木+灌木配置下，风速为2.29 m/s；小乔木+灌木配置下，风速为2.19 m/s，可知小乔木+灌木的配置方式对于1.5 m处风场的减弱效果最明显，大乔木+灌木次之。同时由图9可知，大乔木+小乔木的配置方式对风场的减弱范围最大，大乔木+灌木次之。

B1、B2、B3为不同配置方式下风向，1.5 m行人高度处测点图9 不同配置方式风速垂直分布(风向从左到右)Fig.9 The vertical distribution of wind speed of different tree community configurations(the wind blows from left to right)

3.2 群落布局形式对风环境的影响

3.2.1 穿流区

a1～a7为行式群落各测点位置；b1～b7为列式群落各测点位置；c1～c7为围合式群落各测点位置图10 穿流区不同群落布局风速水平分布Fig.10 The horizontal distribution of wind speed of different tree community configurations in the turbulent flow area

模拟所得穿流区不同群落布局风速水平分布如图10所示，各测点风速值如表4所示。从3个群落在穿流区的风速分布情况来看，相较于列式布局，行式与围合式群落布局内风速较小，是因为垂直于风向的群落布局对来风形成有效遮挡，而列式布局由于迎风面开口，植被缩减了两栋楼之间的风道宽度，加剧了气流的“通道效应”。分析群落的风速变化可知，列式群落内部风速变化大于行式、围合式群落。3个群落均在测点3处达到群落内风速最大值，行式、列式、围合式群落内风速最大值分别为3.75、4.95、3.91 m/s。同时，在群落北侧下风向的风速最大值为测点4处，a4、b4、c4风速分别为4.36、5.39、4.67 m/s，且列式布局下的静风面积小于行式、围合式布局。综合来讲，对于住区穿流区而言，垂直于风向的行式群落布局对风速的遮挡效果最佳，围合式次之，而平行于风向的列式布局加剧了气流的“通道效应”。

表4 穿流区各测点风速值Table 4 The wind speed values at measuring point in the turbulent flow area

3.2.2 角流区

模拟所得角流区不同群落布局风速水平分布如图11所示，各测点风速值如表5所示。从3个群落在角流区的风速分布情况来看，不同群落内部风速的分布差异较小，且群落内部东侧风速大于西侧，是由于南侧来流风与建筑撞击后，产生西方向分流风，使建筑边角处产出角隅效应，产生强风。由图11可知，3个群落内部风速最大值均出现在建筑角隅测点8处，行式、列式、围合式群落内风速最大值点d8、e8、f8分别为6.10、5.29、5.97 m/s。列式群落该点风速较小是因为群落对西方向分流风形成遮挡，而行式、围合式群落由于该点处开口，因此引导分流风进入群落，导致风速较大。对群落西侧下风向的测点1、2、3风速变化进行分析，行式群落风速在4.30～5.03 m/s波动，列式为3.98～4.99 m/s，围合式为4.24～5.01 m/s。综上所述，对于角流区而言，不同群落内部风速的分布差异较小，列式群落布局对风速的调节效果略优于行式、围合式布局。

d1～d9为行式群落各测点位置；e1～e9为列式群落各测点位置；f1～f9为围合式群落各测点位置图11 角流区不同群落布局风速水平分布Fig.11 The horizontal distribution of wind speed of different tree community configurations in the angle flow area

表5 角流区各测点风速值Table 5 The wind speed values at measuring point in the angle flow area

g1～g9为行式群落各测点位置；h1～h9为列式群落各测点位置；i1～i9为围合式群落各测点位置图12 涡流区不同群落布局风速水平分布Fig.12 The horizontal distribution of wind speed of different tree community configurations in the vortex flow area

3.2.3 涡流区

模拟所得涡流区不同群落布局风速水平分布如图12所示，各测点风速值如表6所示。从3个群落在涡流区的风速分布情况来看，不同群落内部风速的分布差异较小。由于涡流区内，风向形成一定回旋，故分别对涡流中心、群落边界进行分析。分析群落西侧边界，3个群落风速均为两边低，中间高，对西侧中心测点2风速进行取值，行式、列式、围合式群落g2、h2、i2风速分别为1.82、1.71、1.74 m/s，可见西侧群落边界，布局开口处较封闭处风速较高。分析群落南北侧边界，风速均由西向东逐渐递增，同样对两边中心点风速进行取值，3种布局北侧边界中心点g6、h6、i6处风速分别为1.50、1.82、1.59 m/s；南侧边界中心点g4、h4、i4处风速分别为1.81、1.96、1.94 m/s，可见南北两侧同样开口处风速较高，对东侧群落边界进行分析，结果亦同。由图12可知，涡流中心为涡流区风速最低点，行式、列式、围合式涡流中心处风速分别为0.39、0.29、0.18 m/s。综上。对于涡流区，风由群落布局的开口处流向群落内部，故群落布局开口处风速较高，且由图及数据可得，围合式群落布局由于群落布局较为密闭，对风速的调节效果优于行式、列式布局。

表6 涡流区各测点风速值Table 6 The wind speed values at measuring point in the vortex flow area

3.3 植被优化设计分析

通过上述研究所得，选取睿城住区内3个典型风环境区域。在不影响住区消防、采光，且不破坏原有景观格局的前提下，进行植被优化设计研究。通过对该住区进行优化的3个区域进行现状分析，分析现有植被类型及布局，根据场地风环境特征及所处住区位置，提出相应的植被优化策略，睿城植被优化前后风速水平分布如图13所示，睿城植被优化策略如表7所示，并通过数值模拟对植被优化后住区风环境进行验证。由图13可知，通过对住区内3个典型风环境区域进行植被优化，在相同的边界条件下，住区的风环境得到了明显改善。

图13 睿城植被优化前后风速水平分布Fig.13 The horizontal distribution of wind speed before and after vegetation optimization in Ruicheng

表7 睿城植被优化策略Table 7 The policy of vegetation optimization in Ruicheng

4 结论

通过风环境实测和CFD数值模拟技术，对哈尔滨市3处高层住区的风环境进行探讨。研究结果表明，计算机模拟技术能够较好地呈现高层住区内风速的空间分布规律，并能够较好进行种植与风环境模拟研究。得出以下结论。

(1)哈尔滨市高层住区内风环境较为恶劣的区域分别为穿流区、角流区、涡流区三类区域，进行植被优化设计时应优先考虑。

(2)在植物配置设计中，不同树种对风环境的影响因高度与种类的不同而有差异。灌木对1.5 m行人高度处风场削弱效果最好，小乔木次之；大乔木对风场的减弱范围最大，小乔木次之。

(3)良好的树种搭配方式可以有效提升植物配置对风环境的改善程度。小乔木+灌木的配置方式对于1.5 m行人高度处风环境的减弱效果最明显；大乔木+小乔木的配置方式对风场的减弱范围最大。

(4)在总体布局中，植物群落布局形式需要结合风环境中的具体气流特征区别对待。在穿流区，垂直于风向的行式群落布局对风速的遮挡效果最佳，围合式次之；在角流区，不同群落内部风速的分布差异较小，列式群落布局对风速的调节效果略优于行式、围合式布局；在涡流区，围合式群落布局风速的调节效果优于行式、列式布局。

提出如下设计建议。

(1)在实际植物配置中，小型活动空间及必要性通行的区域以灌木或小乔木+灌木的配植方式为主，能够有效提升局部风环境舒适度。在面积较大且风速较高的区域(如广场等)，边界迎风方向种植大乔木及大乔木+小乔木的配植，可有效降低风速并形成良好景观。

(2)群落布局形式应综合考虑建筑规划布局所导致的风流特征。来流风方向(迎风方向)楼间穿流风区域采用与风向垂直的行式布局、建筑边角处角流风区域采用平行于风向的列式布局、建筑与建筑之间的大面积涡流处宜采取围合式布局形式，能够有效降低风向变化所产生的多向气流影响。

综上所述，在高层住区的植被设计中，设计者可通过实测与模拟相结合的手段，确定风环境较为恶劣的区域，根据其流场风环境类型，并针对不同的周边建筑布局及风环境提出相应的景观植被优化策略。首先通过植物布局形式对关键风环境区域进行优化，其次根据需要调整植物配置方式提升风环境舒适度的设计步骤，可以有效地指导东北寒冷地区高层住区植被设计。