建筑布局与夏季舒适度相关性研究

黄叶梅 HUANG Yemei 彭英子 PENG Yingzi

0 引言

随着城市建设加快，产生了许多城市气候环境问题，危害人类身心健康和生存环境。在《伦敦的气候》一书中首次提出了“城市热岛（Urban Heat Island）”效应的理念，从此开启了城市气候问题研究[1]。20 世纪以后，城市气候问题在城市设计领域受到较多关注，但在城市规划过程中的关注度相对较少[2-4]。

现今，建筑数量随着城市规模的扩大而增多，在一定程度上阻碍了城市的通风，致城市空气污染和热岛效应愈加突出[5-6]，城市气候问题更明显。因此，如何规划出满足人们适用性和舒适性的建筑布局形态显得极其重要。目前的研究主要集中在单一建筑形态的通风效率、工程实例整体风热环境和指定类型建筑布局形态的风热环境舒适度这三方面[7-11]。K Steemers等[7]研究了6 个不同建筑高度与宽度，但容积率一定的建筑组合通风效率，指出通风效率最好的是板式建筑组合，最差的是院落式和联排式建筑组合。黄怡等[8]对昆明某住区行列式和围合式建筑布局的风热环境舒适度进行整体研究，指出行列式和围合式结合的风热环境较好。胡一东等[9]研究了上海地区行列式、点式、围合式三种建筑布局形式对风环境的影响，指出点式通风最佳，依次是行列式、围合式。王珍吾等[10]研究了行列式、错开式、斜列式和周边式建筑布局的风环境舒适度，指出行列式、错开式和斜列式的建筑布局风环境较好。Bo Hong等[11]研究了不同建筑布局形态对热岛效应的影响，指出合理的建筑布局是提高风热环境舒适度的主要手段之一。

然而，以上关于建筑布局风热环境的研究中，多种建筑布局形态影响人体舒适度的研究较少，建筑布局形态的确定存在一定的偶然性，很难得出不同建筑布局形态的对比规律。此外，目前建筑布局的三类典型形态中一般只研究了其中的一种，而实际上三类典型形态中有10 种常见基本形态[8,9,10,12]，另外7 种形态对人体舒适度的影响还有待研究。

本文以多种建筑布局形态舒适性为研究对象，通过对三类典型形态中的10 种常见基本形态理想模型的构建，采用城市微气候仿真模拟软件ENVI-met4.0 进行定量模拟。以期为规划出满足人们适用性和舒适性的建筑布局形态，构建宜居城市提供参考借鉴。

1 概况

1.1 建筑布局平面形态

从目前研究成果可知[8,9,10,12]，建筑布局平面形态最典型的是行列式、围合式和点式（图1）。

图1 建筑布局三类典型形态示意图

1.2 理想模型

由于建筑设计的相关规范[13-15]对建筑间的日照间距及防火间距等做了明确的确定，且容积率[16]一定时，不同的建筑布局形式会影响建筑外风热环境舒适度。故本文以满足日照间距、防火间距及容积率等参数为前提，研究理想模型设定如下：三类典型形态中的10 种常见建筑布局基本形态为行列式（建筑错开式1、建筑错开式2、单元错开式1、单元错开式2、）、围合式（全围合式、半围合式1、半围合式2、半围合式3）和点式（规整式、自由式）（图1）。地块尺寸长×宽为226 m×168 m，容积率均控制为2.0，模型各参数详见表1。模型内铺装材质相同，根据模型实际与城市设计理论户外空间类型，在模型内公共空间、半公共空间均匀布置6 个传感器（R1-R6），通过这6 个传感器的各项数据（如温度、风速和湿度）来计算舒适度指数，进而对不同建筑布局形态的舒适度进行评价。模型位于广州肇庆，地理位置东经111°20′～112°52′，北纬22°45′～24°24′，研究采用联合国环发署的SWERA（Solar and Wind Energy Resource Assessment Program）气象数据作为对场地模拟分析数据库。模拟日期为典型气象日2015 年6 月22 日，模型设置开始时间凌晨5:00，初始温度为26.5℃，高度10 m 处风速为3 m/s，风向为西北向135°，相对湿度为85%，总模拟时长24 h。

表1 模型参数设置一览表

1.3 建筑布局室外人体舒适性的评价指标

人体舒适度指数[17-20]是从气象角度来评价在不同气候条件下人体的舒适感，根据人体与大气环境之间的热交换而制定的人体舒适度指数分级（表2）。

表2 人体舒适度指数分级[21]

人体的热平衡机能、体温调节、内分泌系统、消化器官等人体的生理功能，受到空气温度、湿度、气压、光照、风速等多种气象要素的综合影响。一般而言，气温、相对湿度、风速这三个气象要素对人体感觉影响最大，人体舒适度指数就是根据这三项要素而建成的非线性方程。人体舒适度指数计算公式为：

其中Ssd为人体舒适度指数，t为平均气温（℃），f为相对湿度（%），v为风速（m/s）。

2 结果与讨论

2.1 舒适度比较分析

对不同建筑布局形态的舒适度进行比较分析，其分析的时间点分别为6:00、10:00、14:00 及18:00（图2）。

由图2a 可知，6:00 在不同建筑布局中，感应器的舒适度指数大多在59.39～67.99 之间，处于人体舒适度的0 级，人体感觉最为舒适，最可接受，只有围合形态中部分感应器在56.55～58.3 之间，处于人体舒适度的-1 级，人体感觉略偏凉，较为舒适。行列式、围合式和点式这三类建筑布局形态中，感应器的舒适度指数范围分别是59.39～65.00、56.55～67.99、60.66～63.81。大部分情况下，行列式和点式布局舒适性较好，围合式舒适性相对较差。

由图2b 可知，10:00 在不同建筑布局中，感应器的舒适度指数大部分在71.02～74.98 之间，处于人体舒适度的1 级，出现人体感觉偏暖的状态，但较为舒适。少部分舒适度指数范围在66.78～69.36 之间，处于人体舒适度0 级，人体感觉最为舒适，最可接受。极少部分舒适度指数范围在76.02～78.78 之间，处于人体舒适度2 级，人体感觉不舒适，应注意防暑降温。行列式、围合式和点式这三类建筑布局形态中，感应器的舒适度指数范围分别是69.81～72.89、68.85～76.02、67.71～69.32。点式布局较为舒适，其次是行列式，围合式相对较差。

图2 不同建筑布局形态人体舒适度

由图2c 可知，14:00 在不同建筑布局中，感应器的舒适度指数主要集中在70.15～75.84 及76.15～79.96之间，分别处于人体舒适度的1、2 级，人体感觉分别为舒适与不舒适，对于不舒适的情况则应注意防暑降温。少部分舒适度指数在79.08～90.65 之 间，处于 人体舒适度的3、4 级，极不舒适，应注意防暑降温，以防中暑。行列式、围合式和点式这三类建筑布局形态中，感应器的舒适度指数范围分别是73.30～79.08、72.62～90.65、69.31～73.49。点式布局较为舒适，其次是行列式，围合式相对较差。

由图2d可知，18:00在不同建筑布局中，感应器的舒适度指数主要集中在64.47～69.86 及71.04～75.31 之间，分别处于人体舒适度的0、1 级，人体感觉分别是最为舒适与较舒适。少部分舒适度指数在76.36～83.00 之间，处于人体舒适度的2、3 级，人体感觉炎热，不舒适，应注意防暑降温。行列式、围合式和点式这三类建筑布局形态中，感应器的舒适度指数范围分别是69.81～74.82、67.59～83.71、64.47～70.52。故点式布局整体舒适性优于行列式，围合式相对较差。

显然，由模拟结果分析得出，大部分情况下，不同建筑布局的整体舒适性较好，而在14:00，人体舒适度指数大多为2 级，处于不舒适状态。因此，这一时间点的数据将被用来分析和比较不同建筑布局的舒适性，以确定相对较舒适的建筑布局形态。

2.2 模拟结果比较分析

对14:00 三类10 种建筑布局的温度、风速与湿度模拟结果进行分析（图3～5）。

图3 14:00 不同建筑形态1.5 m 高度处的温度模拟结果图

图3 是14:00 不同建筑的温度模拟结果图。由图3 可知，不同建筑布局的温度在28.1～37.78℃之间，高于30.90℃为不可接受的温度[22]，即为高温区。建筑点式布局中的最高温度比其它布局的最高温度低3.11℃～8.34℃，且无高温区；大部分情况下，建筑围合式布局的最高温度比其他布局形式的最高温度高5.03～8.34℃，且高温区面积相对较多；建筑行列式布局的整体温度介于点式与围合式之间，但单元错开式1、单元错开式2 的最高温度比围合式中的全围合式、半围合式1 的最高温度高1.64℃，且高温区面积较多。

图4 是14:00 在不同建筑的风速模拟结果图。由图4 可知，不同建筑的风速在0.01～5.77 m/s 之间。建筑点式布局的整体风速比其他布局形态的整体风速高1.13～1.49 m/s，且风速高于1.40 m/s 的面积相对较多；围合式布局的高风速区面积比行列式布局的高风速区面积多些，但大部分情况下，行列式布局的整体风速较围合式布局的整体风速分布更均匀，且单元交错式1、单元交错式2的风速高于1.40 m/s 的面积，比围合式中的全围合式、半围合式1 的面积多。

图4 14:00 不同建筑形态1.5 m 高度处的风速模拟结果图

图5 是14:00 在不同建筑的湿度模拟结果图。由图5 可知，不同建筑的湿度范围是50.05%～75.65%。建筑点式布局的整体湿度比其他布局的最高湿度低5.53%～12.27%。大部分情况下，建筑围合式布局的最高湿度比其他布局形式的最高湿度高5.53%～6.74%，且湿度大的面积相对较多；建筑行列式布局的整体湿度介于点式与围合式之间，但行列式中的单元交错式1、单元交错式2 的最高湿度区面积比围合式中的全围合式、半围合式1 的最高湿度区面积多些。

图5 14:00 不同建筑形态1.5 m 高度处的湿度模拟结果图

为了进一步分析14:00 在不同建筑布局形态对人体舒适性的影响，将不同建筑布局形态人体舒适度指数列于表3 中。由表3 可知，建筑点式布局中，各感应器的舒适度指数在69.31～73.49 之间，比其它布局形态的舒适度指数小1～18，处于人体舒适度指数的0、1 级，为可接受的舒适状态；围合式布局形态中，感应器的舒适度指数范围为72.62～90.65，处于人体舒适度指数的1～4 级，大多为不可接受的很不舒适状态，其中，半围合式2 感应器的舒适度指数最高，为82.51～90.65，相较其他布局形态，其舒适性为最不舒适；行列式布局形态中，感应器的舒适度指数范围为73.3～79.08，处于人体舒适度指数的1、2 级，大多为不可接受的不舒适状态，且大部分情况下，行列式中的建筑错开式1、建筑错开式2 感应器的舒适性比围合布局形态的舒适性好，其舒适度指数相对小1～10，但围合式中的全围合式、半围合式1部分公共空间的感应器（R2、R4、R6）舒适度指数，比行列式中的单元错开式1、单元错开式2 部分公共空间的感应器舒适性好，且其舒适度指数相对小1～4。故建筑点式布局的舒适性最好，其次为行列式中的建筑错开式1、建筑错开式2，最后是围合式中的全围合式、半围合式1，整个研究范围内，行列式布局中的单元错开式与围合式布局中的半围合式3的舒适性比围合式布局中的半围合式2 舒适性好。

表3 14:00 不同建筑布局形态人体舒适度指数

3 结语

本文以多种建筑布局形态的舒适性为研究对象，通过对三类典型形态中的10 种常见建筑布局基本形态理想模型的构建，采用ENVI-met4.0进行定量模拟，得出以下结论：①多种建筑布局在6:00 时，舒适度指数范围在57～68 之间，即建筑整体舒适性较好，与建筑布局形态无关。10:00 和18:00 时，建筑布局舒适度指数范围在65～84 之间，点式布局与行列式布局的整体舒适性较好，舒适性最差的是围合式布局形态，故人体舒适度与建筑布局形态有关。而多种建筑布局在14:00 时，舒适度指数范围在70～91 之间，点式布局的整体舒适性较好，行列式与围合式布局的部分舒适性不好，故人体舒适度与建筑布局形态有关。②在14:00 时，不同建筑布局形态的人体舒适性存在差异。具体情况如下：建筑点式布局（规整式、自由式）的舒适度指数相对较小，且在69.31～73.49 之间，其舒适度最好，最可接受；其次为行列式中的建筑错开式1、建筑错开式2；最后是围合式中的全围合式、半围合式1。整个研究范围内，行列式布局中的单元错开式与围合式布局中的半围合式3 的舒适度比围合式布局中的半围合式2 舒适度好。