基于室外微气候评价的住宅区地下空间覆土深度优化研究

李素华　苏小超　赵旭东　魏梦晓　张楠楠

关键词：地下空间；覆土深度；住宅区；室外微气候；ENVI-met

中图分类号：X820 文献标志码：B

前言

中国城市化的快速发展导致城市微气候逐渐恶化，尤其夏季城市热岛效应日益明显。热岛效应降低了城市居民室外活动的热舒适性，增加了建筑制冷能耗，引发的高温热浪甚至会增加热死亡率。城市住宅区作为居民在城市中聚居的主要场所，热岛效应问题更为突出。

为了应对这一问题，专家指出开发城市地下空间能够增加绿化面积、减少环境污染，对改善住宅区微气候具有积极作用。然而，在地下建筑上方进行景观设计，地下空间覆土深度的设计至关重要。覆土深度仅能满足草坪生长，不仅会影响植物群落多样性，对室外微气候的改善效果也将大打折扣。覆土深度若能够满足乔木生长，则能够丰富景观设计内容，构造多样性植物群落，有效改善室外微气候。合理的植物搭配和乔灌木比例对构造植物群落、营造富有层次感的景观至关重要。文章通过分析地下空间覆土深度对地面植物群落及室外微气候的影响机理，提出基于室外微气候的地下空间覆土深度优化设计流程，以南京市常见的围合式住宅小区为例，运用植物中高层和中低层植物搭配，模拟分析乔灌比为1：2，1：3和2：3三种情况下的室外微气候变化，并根据模拟结果对地下空间覆土深度优化设计给出意见和建议。

1地下空间覆土深度对地面植物群落及室外微气候的影响机理

1.1地下空间覆土深度对地面植物群落的影响

植物群落由不同种类植物组成，在地下建筑上进行覆土绿化设计，植物种类的选择取决于地下空间覆土深度。为了防止植物快速生长对地下结构造成破坏，地下建筑顶板上的覆土深度设计在能够满足植物生存的范围内即可。根据《种植屋面工程技术规范JGJ155-2013》可知，地被植物、灌木和乔木对覆土深度的要求是依次递增的，比如美人草等草坪、地被植物生存所需的最小土深为100～200mm；金叶女贞等小灌木植物生存所需的最小土深为300～400 mm；金边黄杨等大灌木植物生存所需的最小土深为450～600 mm；桂花等小乔木植物生存所需的最小土深为800～900 mm；香樟等大乔木植物生存所需的最小土深为900～1200 mm。如果地下空间覆土深度小，则只能种植草坪和灌木，不适于高大乔木的种植，相应的景观设计也略显单调，对室外微气候的改善效果有限；若覆土深度能够满足种植高大乔木，相应的景观设计也更加丰富，也更有利于改善室外微气候。

1.2植物群落对室外微气候的影响机理

合理构造植物群落能够有效改善室外微气候。高大乔木形成的树荫能够遮挡太阳辐射，降低建筑外表面的温度，减少建筑物向周围环境的长波热辐射；植物冠层能够削减风速。灌木类植物由于高度接近人行高度，叶片的蒸腾作用能够消耗辐射热，对行人高度的能量分布产生影响。地皮植物通过光合作用和蒸腾作用，能够减少地面吸收的太阳辐射并加强土壤散热，在降低地面温度的同时，还可以减少地面向周边环境的长波热辐射。

2地下空间覆土深度优化设计流程

基于室外微气候的地下空间覆土深度优化设计流程，见图1。该流程由四部分组成。

2.1提出问题

在此阶段，设计者根据不同设计目的，提出优化覆土深度设计的目标、方法和评价标准。

2.2模型建立

这一阶段主要作为案例设计，由4部分组成：地面绿化配置、初始边界条件、网格尺寸和建筑模型。其中，地面绿化配置能够直接影响室外微气候，绿化配置取决于地下空间覆土深度的设计，不同地下空间覆土深度对应的地面绿化配置方式不同，比如，当覆土深度仅仅在100～200mm时，地下空间开发区域仅能种植一些地皮植物；当开发区域最深的覆土深度达到800～900 mm，地面可以种植小乔木时，地下空间开发区域能够选择乔木、灌木、草坪等多种相互搭配的绿化方式。初始边界条件主要包括风速、风向、初始大气温度、室外大气压力和相对湿度。在研究中，我们主要关注夏季室外微气候，选择南京夏季的典型天气数据作为初始边界条件。网格尺寸包括网格数量和网格步长。网格数量决定了模拟区域的范围；网格步长决定了数值模拟的精度。建筑模型，包括建筑材料、建筑高度和建筑朝向等。

2.3模拟和分析

在研究中，运用ENVI-met进行数值模拟，该软件主要由大气模型，土壤模型，植被模型和地表模型组成，其适用性和准确性已在前期研究中进行了校验。通过模拟计算，可以得到风速、空气温度、相对湿度、标准有效温度等微气候指标。我们将计算标准有效温度的时刻平均值和日平均值来分析不同方案下的室外微气候变化。

2.4室外微气候评估

根据设计者的设计目的，我们能够得到室外微气候最优的绿化配置。根据地下空间覆土深度与地面绿化配置之间的对应关系，则最优的绿化配置对应的地下空间覆土深度即最终所要求得的地下空间覆土深度。

至此，建立起了基于室外微气候评价的地下空间覆土深度优化设计流程。

3研究方案

在地下建筑上方进行绿化设计，通常采用乔、灌、草相结合的复层植物搭配方式形成植物群落，以产生良好的生态效益和景观效果。目前植物群落常见的设计手法有中高层景观设计和中低层景观设计两种，如图2所示。通常覆土绿化不建议种植高大乔木，以免增加对承重结构的压力，因此，研究主要讨论分析当地下空间开发区域最深的覆土深度达到800～900mm时，地面绿化采用小乔木、灌木和草等多种植物搭配的绿化方式对室外微气候的影响。

3.1研究对象

研究选择南京市具有地下停车功能的围合式住宅小区为研究对象。原因一方面是因为南京市是中国著名的火炉城市之一，夏季热岛现象明显，夏季热岛强度要大于冬季，且有明显的增强趋势。城市住宅区是城市居民生活、活动的主要场所，占地比重占城市建设用地的40%～50%，夏季热岛效应问题尤其突出，而围合式建筑布局是南京市最常见的住宅建筑布局之一。另一方面在于，南京市的地下空间开发量巨大，2013年的地下空间开发量已达2450×104m²，根据城市规划，开发量在2030年将达到8600×104m²。同时，地下空间开发在南京住宅区的应用已经非常普遍，其中，住宅区开发利用地下空间的最常见的功能就是地下停车功能。

3.2优化设计目标

在夏季，人们常常希望获得舒适的室外热舒适环境。研究采用修正的标准有效温度（SET*）指标来评价室外的热舒适，该指标已经在室外人体热舒适的评价中广泛应用。

3.3案例命名及汇总

为了研究方便，我们将模拟案例进行命名编号，规则如表1所示。比如W-D-13即围合式布局中，采用中低层植物搭配，乔灌木比例为1：3。

3.4模拟工况

研究针对围合式布局住宅，共分析6组案例（平面示意如图3所示），研究地下空间覆土深度与地面植物群落以及室外微气候之间的关系。采用南京夏季典型气象日数据作为模拟的初始条件，其中风速为2.4 m/s，风向为157.5°，原始大气温度为294.95K，室外大气压为100250 Pa，相对湿度为80%；建筑模型的尺寸为38m×18m×30 m（L×W×H），材质为混凝土；模拟网格数量为110×110×30（X×Y×Z），网格步长为1×1×7.5（X×Y×Z）；植物配置的相关信息中，小灌木尺寸为1 m×1m×1m（L×W×H），大灌木尺寸为3m×3 m×2m（L×W×H），横向乔木尺寸为7m×7m×6m（L×W×H），竖向乔木尺寸为5m×5m×10m（L×W×H）。研究中忽略绿化配置中各种植物的相对位置对室外微气候的影响。需要说明的是，在建模阶段，绿化配置中每种植物所占的网格面积均为1m²，也就是说，针对每种绿化配置中乔灌木之间的数量比等同于植物之间所占的地下空间开发区域的面积比。对于中低层植物搭配，其设计方式包含乔木、大灌木和小灌木三种植物，在文章研究中，乔木、大灌木和小灌木在不同乔灌木比例（2：3，1：2和1：3）条件下对应的植物数量比分别为：2：1：2，2：2：2和2：4：2。

4模拟分析与讨论

地下空间开发区域两种植物搭配在不同乔灌木比例条件下行人高度的SET*变化如图4所示（地上1.5 m，下午15：00）。在SET*的空间分布上，由于绿化的作用会降低室外SET*。同种植物搭配在不同乔灌木比例下的行人高度SET*有一定的差别，通过平均值对比发现，中低层和中高层植物搭配的行人高度的SET*平均值分别相差在0.017℃～0.034℃和0.002℃～0.058℃范围内。随着乔灌木比例的增加，人行高度的SET*呈现降低的趋势，说明乔灌木比例的增加有利于改善室外的热舒适度。

通过SET*日平均值对比发现（如图5所示），在中低层植物搭配中，W-D-13的SET*值最低，比案例W-D-23和案例W-D-12分别低0.016℃和0.009℃。在中高层植物搭配中，W-G-13的SET*值最低，比W-G-23和W-G-12分别低0.014℃和0.0120C。另外，在相同的乔灌木比例条件下，中低层植物搭配的SET*值低于中高层植物搭配，在乔灌木比例为2：3，1：2和1：3三种情况下，两种植物搭配下的SET*值分别相差0.129℃，0.226℃和0.131℃。另外，六种工况中，W-D-13的SET*最低，说明从时间角度分析，当地下空间覆土深度能够满足中低层植物搭配时，能够有效地改善室外热舒适，当乔灌木比例为1：3时，改善室外热舒适的效果最好。则对于设计者而言，在围合式建筑布局中，为了改善室外热舒适，则应选择中低层植物搭配，且乔灌木比例应设置为1：3，则在地下空间开发区域，1/4开发面积的地下空间覆土深度应设置在800～900 mm，2/4开发面积的地下空间覆土深度应设置在450～600 mm，1/4开发面积的地下空间覆土深度应设置在300～400 mm，这样能够有效降低室外SET*值，改善室外热舒适。

5结论

研究提出基于室外微气候评价的地下空间覆土深度优化设计流程，以围合式布局的住宅小区为研究对象，运用ENVI-met模拟分析了不同乔灌木比例条件下（2：3，1：2和1：3），由中高层和中低层植物搭配形成的植物群落对室外微气候的影响，并根据模拟结果对地下空间覆土深度的设计给出建议。研究得出：在地下建筑上方进行覆土绿化设计，合理的植物搭配和乔灌木比例，能够增加植物群落的多样性和有效改善室外微气候。适当提高乔灌木的比例，能够有效改善室外热舒适度。为了有效改善室外热舒适，地面绿化应采用中低层植物搭配，且乔灌木比例应设置为1：3，因此，在地下建筑上方进行覆土绿化应将1/4、2/4和1/4的地下空间开发区域面积的覆土深度分别设置在800～900 mm、450～600 mm和300～400 mm。