基于风热环境的开敞空间周边建筑围合研究*

司 睿，任绍斌 ，王 振

在高密度的大城市中心地区，微气候密切地影响着居民的生活质量，如何通过空间形态塑造改善街区环境舒适性已受到普遍的研究关注[1-3]。深入了解大部分城市设计导则，环境舒适性相关内容多以指导性意见为主，对实际操作的管控力度较弱。近年来城市设计内容层级和空间范围不断升级，城市形态的量化控制成为的核心问题。

已有研究大致分为两类。一类是模拟重要街区，分析评价其空间布局对城市风热环境的影响，并籍此提出建筑空间组合及规划设计的改进方案[4，5]；另一类是用规则排列的矩形来简化城市形态[6，7]，探讨天空开阔度、平面建筑密度、迎风建筑密度、孔隙率、相对褶皱率和弯曲率等指标[8-11]，并尝试建立评价体系。在指标选择上，空间形态指标与街区风热环境的相关性研究已取得了一定的成果，但是存在与规划指标衔接不够全面，对于规划设计的指导意义不够深刻的问题[12，13]。在研究对象上，城市风热环境研究目前多关注居住区[14，15]和旧城区[5，6]，对城市公共空间的关注较少。然而，开敞空间的微气候影响到城市户外空间品质与活力，其周边建筑空间形态与人们活动舒适性密切相关。

研究方法主要为实地测量和数值模拟，有学者采用实地测量[9，14]的手段，也有学者运用计算机流体力学软件模拟的方法[8，11]。实地测量的方法虽然准确，但由于实际空间环境的边界条件及建筑空间组合复杂多样，存在难以形成单一因变量进行相关性讨论的问题，进而较难对城市空间指标进行指导。鉴于此，本文拟运用CFD数值模拟的研究方法，选取冬冷夏热地区的典型城市武汉市为样本对象，模拟分析其城市集中建设区开敞空间周边街区围合度与风热环境的相关关系，并为街区的空间形态控制与设计提供相关建议。

1 研究基础与研究方法

1.1 研究对象

为得到具有代表性的开敞空间形态组合，首先在武汉市集中建设区内选取68 处围合式开敞空间（图1）。然后，在建筑类型学的基础上总结出主要空间组合方式A-H 共8 种（图2）。A 为四面围合、B 为四面点式围合；C 为西北东三面围合、东北和西北角边开放角封闭，D与C在南北方向对称；E为南北面围合；F为东西面围合；G 为东北角与东南角边开放角封闭，西北角和西南角边封去角开放；G 与H 在东西方向对称。将实际街区的长边、短边及建筑高度求平均值，相同面积下九种平面布局形式的围合度逐渐递增形成1-9 的矩阵（图2）。

图1 武汉市集中建设区开敞空间分布图

图2 理想空间模式图

1.2 边界条件与网格划分

武汉是夏热冬冷地区的代表城市。在中国气象局数据网（data.cma.cn/）下载2017 年6 月22 日至8 月22日以及2017 年12 月22 日至2018 年2 月28 日的气象数据。分别计算各气象数据的平均数和众数，选择出夏季典型日2017 年7 月12 日和冬季典型日2018 年1 月23 日作为模拟初始条件。夏季数值模拟的初始温度设置为30.7℃，风速为2.5m/s，相对湿度71%，夏季风向设置为西南风（192°）；冬季数值模拟的初始温度设置为3.8℃，风速为5.1m/s，风向设置为东北风（40°），空气相对湿度为80%；SUN 模块根据季节进行调整，取正午时分太阳辐射1000w/m2。理想情况下，内部开场空间设置为密集草地，其余下垫面均为水泥地面，模型中的墙体表面采用混凝土墙面。结合相关标准和文献中计算域的高度应至少不小于模拟半径范围内最高建筑高度H的两倍,模拟半径不小于2H 的模拟经验[16]，经过多次试验比较，确定模拟中500m×400m×40m 的计算域范围，最终划分网络数量约312 120个。综合考虑各种传热效应，选择RNG k-ε 模型对速度场模拟。开敞空间正中点和四个角点作为观察点记录模拟结果。

1.3 街区围合度算法

城市形态围合特征往往是指实体形态的封闭程度，即阻碍风的能力。通过分析围合分布特征可以实现对开敞空间内部不同方位的风热环境的评价。在对开放空间的控制指标中，有开放空间与风廊耦合、绿地与冷源布置、下垫面布置等指标[12]，但以上指标不能对城市设计提出较为直接的指导建议。围合度计算方法上，有学者通过街区沿街建筑开口程度来间接表达围合度[17]；也有学者提出围合度由外部空间剖面高宽比、平面通透率、天穹可见度、地面升起或下沉的高差等概念组成[18]，国外学者通常运用天穹可见度（Sky View Factor）指标探讨城市形态封闭程度与微气候之间的关系[19]，相比之下围合度更加注重面域的完整度。

本文所定义的围合度从城市设计视角出发，表征街区水平方向上的围合封闭特征，即围合度等于街区建筑物外立面周长总和与街区建筑界面控制线总周长的比值。计算公式为C=(L1+L2+L3+...)/L（图3）。

图3 围合度示意图

2 理想街区风热环境模拟分析

2.1 数值模拟

2.1.1 夏季数值模拟

模拟可以得到夏季各类型各围合度形态所对应的风速图（图4），夏季整体风速在0m/s 至4m/s 之间，风速较高区域主要集中在南部及西南部。A、C 和D 类空间由于四面皆有遮挡气流通行受阻，风速衰减形成静风区；但在围合度较高时C 类通风条件优于D 类。B 类由于建筑密度较低，日间大部分区域暴露在日影以外，太阳辐射直接到达开敞空间内部场内温度上升。E 类和F 类在空间形态上只是朝向不同，F 类建筑未遮挡南北向气流，因此开敞空间内风速较高；E 类留出一条盛行风通道，因此位于西南和东北方向的监测点风速整体大于F 类。G 类和H 类，风旋涡发展不完全相互间有干扰，随着围合度减少气流间相互干扰减少，但由于更多高比热容的地面和道路接受太阳辐射导致空气温度上升；I 类相比于H 类在夏季迎风方向观测点风速波动极大。

图4 夏季各类型理想空间风速云图

2.1.2 冬季数值模拟

冬季各类型各围合度所对应的风速图（图5），场内整体风速在1m/s 至7m/s 之间，风速较高的区域集中在东北部。C 类和F 类由于建筑挡住东北方向的气流，建筑物背风向形成风影区，且在建筑转角及迎风面首排建筑易出现表面风压较大的情况；F 类开敞空间内部中心点风速整体大于C 类。A 类和D 类空间类型皆有遮挡，A类比D 类通风条件更好，因此A 类冬季御风能力较弱；A 类的风影区集中在开敞空间内部，D 类集中冬季盛行风下风向。B 类点式建筑冬季御风能力差，开敞空间内部风环境复杂且转角处风速过高，整体上风速值波动大。E 类由于开口方向皆顺应冬季盛行风，开敞空间内部风速高于其他类型。G 类和H 类比较，G 类在冬季御风能力强，H类东侧单独一列将气流阻塞导致气流快速穿过组合内部狭小空间，建筑组合中风速数值波动大。

图5 冬季各类型理想空间风速云图

2.2 整体相关性探讨

图6 展示了A 类至H 类8 类空间类型的围合度箱图，B 类由于以点式为主围合度整体偏小，A 类和E 类围合度跨度较大，C 类和D 类由于空间形态限制围合度数值比较集中。图7 展示各类型空间环境指标分布特征，B 类空间类型场内风压平均值整体较小，由于建筑密度较小导致建筑前后风压及风速变化较少；G 类和H 类建筑密度较大对风造成的遮挡明显增加，建筑之间形成涡流，开敞空间内压力平均值整体偏高。通过对比图6 和图7 初步可知，围合度与夏季1.5m 处5 个观测点的平均风速、平均空气压力呈现一定负相关关系。

图6 各类型理想空间围合度箱图

图7 各类型理想空间1.5m 处观测点平均空气速度、温度、压力箱图

2.3 平均值线性方程拟合

首先，使用围合度、冬夏季1.5m 处五个测点的平均空气速度、平均温度、平均压力等576 个样本绘制散点图（图8），并计算显著性水平、Pearson 的相关系数、决定系数（表1）。然后，对比Pearson 的相关系数和决定系数R2，推测围合度对空气速度的影响夏季大于冬季；对冬夏两季平均空气温度的影响皆不显著；围合度对空气压力的影响夏季大于冬季，该值高低主要由空间类型决定。最后，通过综合考量可知，在95%的置信水平下，围合度在一定程度上能解释夏季空气速度的变化，线性回归方程见表1。

图8 围合度与1.5m 处平均空气温度、风速、空气压力散点图

表1 围合度与1.5m 处平均空气速度、温度、空气压力相关分析

2.4 讨论

围合度反应开敞空间内部开敞程度对于风热环境的影响，要探究内部空间域微气候的变化规律需要从周边建筑的开口位置、开口数量以及开口大小思考，要提出合理的空间提升策略则需综合考虑冬夏季情况。因此，本文根据开口情况将所有理想模型重新分类，并选出各类型中围合度处于0.8 至0.9 之间的空间模型，依据行人高度处相对舒适Beaufort 标准分别评价夏季和冬季风环境，将空间划分为静风区域、长时间停留区域、短时间停留区域和散步区域，最后将评价结果综合放置于10m×10m 单元中形成开敞空间冬夏季综合评价图（图9）。

图9 基于风环境相对舒适的开敞空间开口方向、位数与数量论图

在围合度相近的基础上，（1）开口位置决定了气流在开敞空间内部的流动方向与轨迹，如E2 类空间两面开口皆在冬夏季迎风面，不利于冬季风环境的人体舒适感受，开敞空间出入风口处设置短时间停留活动较为适宜；开口仅设置在迎风方向的侧面时，没有受到阻挡的部分气流进入空间内部，但整体静风面积仍然较大，例如D5 与A2。（2）开口大小决定开口处气流流动速度，开口面积越大越能引导气流进入，但开口小可以增加该处风速。例如D5 静风面积及长坐类型活动区域明显大于F2，但其南面入口风速大于D5。（3）开口数量决定空间内部气流总体路线及复杂程度，H4 类明显空间综合活动评价复杂，这对于开敞空间内部规划提出更高的要求。

3 规划设计策略建议

开敞空间作为市民常使用的城市场所，其周边建筑组合方式及空间形态对于城市微气候具影响。针对以上特点基于优化城市开敞空间微气候的原则提出设计策略。

（1）围合度接近的情况下，可以通过控制围合形态优化舒适性。①夏季盛行风方向塑造通风廊道或拓宽现有风道宽度或数量，利用整体建筑界面遮挡冬季盛行。②各方向合理设置开口位置、开口大小和开口数量。开口位置方面，单侧开口会降低通风效率，主风向两侧布置开口辅助增强流通效果；开口大小方面，在夏季迎风方向设置尺度较小的开口增加流通速度；开口数量上，尽量避免开口过多。原因在于，其一开口过多无法形成完整界面，造成开敞空间内部风环境复杂迎风面转角处风压和风速较大；其二建筑底面积较少需要通过提高建筑高度实现建设容量要求，随着建筑密度和高度的增大，风通过低层建筑群后气流下降形成涡流，影响开敞空间内部行人舒适。

（2）综合措施协同改善开敞空间风热环境。武汉市夏季日照时间长且空气温度高，开敞空间内部通常硬质土地面积比例高，地面材质较难参与温湿度平衡。从以上冬夏季各理想空间的模拟可以看出，开敞空间内部存在很大的差异，可以通过改善下垫面的方式对开敞空间的热环境进行优化。首先，在植被选择方面可以选择乔木等植物增加绿化阴影从而减少夏季的天穹可见度；其次，可以通过其他植被的蒸发作用改变开敞空间内的热湿平衡；再次，改变开敞空间内部下垫面材质，选择可渗透性地面替代沥青路面、混凝土地面等硬质铺地对于改善微气候是经济可行的方式之一。

结语

本文基于冬冷夏热地区的武汉市集中建设区开敞空间总结出8 种理想空间模式，运用Phoenics 数值模拟的研究方法对不同围合度的理想空间进行模拟，并运用SPSS 等工具进行分析并拟合出线性方程，为已建成的集中建设区开敞空间的风热环境改造设计提供了必要的科学依据。本文研究对象较为单一，对于城市热岛效应明显的高密度地区的开敞空间而言，植被优化以及建筑表面材质选择是改善局部微气候的有效途径，在选取合理范围城市切片的前提下进一步研究昼夜之间空气温度的变化具有实践指导价值[20]。《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》与《城市设计管理办法》中多次提到保护自然环境并鼓励应用新技术开展城市设计工作。但是在城市设计的成果要求中并没有明确对环境模拟和标准化测试的要求。在今后城市设计实践中，可以根据相应的城市空间类型选择适合该类型的空间指标或者拆分已有的建筑环境指标，通过实测、模拟以及理想空间模拟来探索规律，从而实现对城市建设的指导和最优方案的选取，并落实到具体的空间单元上，并提出合理的导控与管理办法。

图、表来源

文中图、表均由作者绘制。