步高里街区空间风环境优化设计

■ 宋德萱 Song Dexuan 王莹珺 Wang Yingjun

步高里街区空间风环境优化设计

■ 宋德萱 Song Dexuan 王莹珺 Wang Yingjun

在前人对步高里街区风环境实测的基础上，通过软件模拟风环境，对里弄街区进行了定量化的评价分析。基于引风和导风两个策略对里弄街区的迎风面和街区内部空间进行探讨，并进行优化方案设计，将优化前后的地块风环境进行分析与对比，最终验证优化策略的可行性与合理性，对城市设计具有一定的指导意义。

风环境；里弄街区；STAR—CCM+；优化设计

上海里弄住宅作为上海一种传统的特色民居，是近现代上海住宅的一种类型，它鲜明地反映了住宅建筑的地域性与时代性，充分体现出上海二三十年代的浓厚风情。现存的里弄住宅普遍存在着老化、设施不全、安全隐患等一些问题，已无法满足现代人的居住需求。近年来由于城市建设对城市环境气候的影响日益明显，造成城市局部风环境恶劣、热岛效应显现等负面现象。通过对里弄住宅街区进行合理设计可以减少不良风场的产生，创造舒适宜人的里弄住宅街区风环境。

目前大部分是对民居住宅定性的研究基于丰富的原理和实测。本论文希望通过一些定量的探讨，以及借助流体软件STAR-CCM+呈现里弄街区风流场的情况，来发掘更多规律与空间改进优化措施。

1 工作框架制定

本文选用步高里住宅作为研究对象，这是上海地区中比较常见的传统民居形式。对此种民居的通风形式进行详细分析，得出具有普遍适用性和规律性的上海传统里弄住宅单体的通风原理。本文的研究框架为：①引用学者陈飞场地实测研究成果，通过实测数据来分析和预测。②使用流体软件模拟的方式进行分析和论证。根据这两个不同方面所揭示的现象及其分析的结果，相互联系相互影响，相互验证相互补充，进一步揭示里弄街区自然通风的原理。

2 步高里里弄住宅街区的自然通风实测

实测数据直接揭示了一种现象，是审查和检验理论的重要依据。因此实测在研究工作中起着重要作用。为了更严谨地讨论上海里弄住宅的通风状况，将研究基础建立在陈飞学者的论文《建筑与气候——夏热冬冷地区建筑风环境研究》中对步高里里弄住宅的实测和分析上，对论文中的实测结论提炼出来并加以总结，作为本文进行风模拟分析的重要理论依据。

2.1 测试目的

通过对全天不同时间的测试，研究建筑室外风速与室内不同功能房间风速之间的关系，客观检验了里弄街区平面与建筑平面组成对建筑室内外风环境改善的作用，并提出了相应的改进优化措施。该研究中的实测结果将为进一步深入研究提供理论依据，成为上海传统里弄民居建筑生态研究的重要组成部分。

2.2 测试方法

测试仪器选用德图 TESTO 405-V1 便携式风速仪及数字式温度表TES-1310。在一天中10:00、14:00、18:003个时段测试3组数据，采用24h不间断自动读取温度数据，尽可能做到数据的精准性。

2.3 测试点的选择

将测试点定位于上海陕西南路步高里287弄20号（图1）[1]，在测试点进行建筑室外与室内同时测试。室外测试点选在南北纵向巷道，东西横向巷道处。测量选取1.5m高度处的空气温湿度及风速，以1min10次读取数据后取平均值。

2.4 实测结果

为了研究里弄街区内风速特点及与里弄的高度、布局等因素的关系，在室内外测试点中我们发现，城市街道处的风速为0.6m/s，主弄堂测试点2处的平均风速为0.56m/s；测试点3处的平均风速为0.53m/s。在8月16日14:00测试的结果也同样分别为0.57 m/s及0.52m/s（图2）[1]。

尽管里弄街区内支弄附近的平均风速偏小，但是数据显示室外弄堂的风速与街道上风速相差不大，在冬夏两季没有太大变化。

图1 街区空间测试点选择

上海步高里里弄街区呈现东西并联、南北敞开的布局形态，形成鱼骨式的交通方式。通过南北主街联系进入东西向各支弄。通常人们认为决定里弄街区风速的重要因素是由于弄堂的狭小，通过实测发现，影响里弄街区内风速大小的首要因素与城市街道风有关。由于城市街区的高密度使街道地面处的风速减小，直接影响到里弄街区内部风环境的情况。

图2 实测数据

对于里弄街区内支弄在冬夏两季风速差别不大的原因，其分析如下：主弄与支弄呈现鱼骨式布局，利于气流的贯通。各条支弄东西两段直接对着街道敞开，由于支弄本身就狭长，所以易形成风洞效应，加速气流的运动。所以里弄街区内风速较小原因不只与狭小的空间阻碍空气流通有关，主要原因还与街道处风速状况及支弄两侧开敞度有很大关系。

3 数值模拟分析

3.1 技术分析手段

目前对于特定区域内风环境的分析主要有3种方法：现场实测、风洞试验与计算机数值模拟。

现场实测结果最直接、直观地反映实际情况，但是也有其片面性，很难排除一些外在条件的干扰，无法反映整个风环境全面的情况，而且需要有人为了保护设备和数据长期值守，费时费力。但是实测数据的重要性却不能忽视，被作为检验判断实验是否有效的重要标准之一。

风洞试验是制作小比例的建筑模型再模拟现实中的风环境，对模型附近的风速风压等参数进行读取。对于风洞试验，其费用昂贵，一般也只用于尖端的科学发展，例如飞行器的研制与设计通常要借助风洞试验来完成。

而计算机数值模拟这种方法，对于特定区域内风环境的测量，相对而言更为经济有效且数据结果直观科学。计算机数值模拟是利用CFD软件，把虚拟数字模型置放于流动风场内，根据自然界质量守恒方程、动量守恒方程和湍流方程来设定作为模拟体系的控制方程，并采用离散化的数值方法来取得风场中每一项物理量的解。在建筑风环境模拟计算研究范围内，CFD的技术使用极大程度地降低了研究的成本，并根据模拟的结果来指导建筑与规划工作并获得良好的通风效果。

3.2 CFD 软件简介

CFD是专门用来进行流场分析、计算与预算的软件，它是所有计算流体力学软件的简称。CFD可以分析和预测发生在流场中的现象，在短时间内能预测性能，并通过修改参数来实现最佳设计效果。

CFD软件的结构由前处理、求解器、后处理组成（表1）。前处理是对生成模型之前数据的处理，这一过程通常包括建模、数据录入、生成网格等。前处理完成后，CFD核心求解器会根据具体的模型完成相应的计算工作，生成结果数据。后处理指对生成的结果和数据进行组织与诠释，以直观可视的图形来输出。

目前比较好的CFD软件有：STACH-3、Fluent、Phoenics、CFX、STAR-CCM+等。其中STAR-CCM+是由CD-adapco Group公司开发的新一代通用计算流体力学（CFD）分析软件，被誉为“下一代CFD的解决方案”。它具有如下特点。

（1）强大的网格处理能力：在STAR-CCM+诞生之初，它就是专门为处理大规模网格而设计的，具有10亿以上先进的网格处理能力。它搭载了CD-adapco独创的最新网格生成技术，可以完成复杂形状数据输入、表面准备——如包面（保持形状、简化几何、自动补洞、防止部件接触、检查泄露等功能）、表面网格重构、自动体网格生成（包括多面体网格、六面体核心网格、十二面体核心网格、四面体网格）等生成网格所需的一系列作业。

（2）先进的物理模型：包括层流、湍流、多相流、气穴、辐射、燃烧、边界层转戾、高马赫数、共轭传热等，以及新的热交换器和风扇模拟。

（3）更快的求解速度：STAR-CCM+使用的多面体网格相比于原来的四面体网格，在保持相同计算精度的情况下，可以实现计算性能约3～10倍的提高，占用较少的内存和更快的求解速度。

（4）可信赖的结果：STAR-CCM+Solver的稳健性良好。

（5）网格兼容性：支持STAR-CD、ICEM、GridGen、Gambit等。

对于STAR-CCM+计算求解过程与一般的CFD模拟软件基本相同，对于具体的模拟案例，可按照下述基本方法或制定更加详细的求解方案和步骤：输入模型、准备网格、选择物理模型、设定边界条件、设定初始条件、运算、后处理。

3.3 上海市风环境数值模拟分析参数设置

希望借助于CFD软件在来流风吹向建筑时，模拟步高里里弄住宅内部的风流场，并对模拟实验进行分析和总结，进一步寻求其中的原理和规则。

表1 CFD软件三大模块的功能划分

CFD软件模拟参数的设置：

（1）风速风向（表2）采用的是k-e模型。

表2 室外风环境模拟风速风向表[2]

图3 推荐计算域尺寸

（2）地面粗糙度。地面粗糙度的选取应符合以下规定。内环线以内：0.30

外环线和内环线之间：0.22

外环线以外：0.15

外环线以外的例外情况：郊区、郊县的城镇中心，且目标建筑（群）周边

500m范围内绿地或农田面积占比≤50%的：0.22。

（3）计算域。目标建筑（群）东南西北各为H1应予以建模。H1为建筑（群）长、宽中的较大值。计算域水平方向的长、宽分别不宜小于6H1、5H1（含建筑本身）、垂直方向高度不宜小于3H2、H2为建筑（群）高度（图3，上海市数值模拟分析参数设置——讨论稿）。

（4）网格。网格优化应符合以下规定：①地面与地面以上1.5m之间的网格应为3～6层；②宜采用多尺度网格，使目标建筑较远处网格疏松，目标建筑近处网格致密；③对形状规则的建筑宜使用结构化网格，网格过渡比不宜大于2。

（5）物理模型的选择。模型的设置条件选取有以下7项：三维、稳态、气体、分离流求解器、理想气体、湍流、SST k-o 湍流模型。STAR-CCM+提供了多种湍流模型，如k-e和k-o湍流模型，本文在保证满足计算精度的前提下选用了SST k-o 湍流模型。这种模型结合了k-e模型和k-o模型的优势，在近壁面采用的是k-o模型，在远离壁面的地方

4 模拟结果与优化策略

4.1 里弄街区风环境模拟结果

步高里里弄街区西北侧临路方向的住宅，南面为高层建筑，高层建筑东南面为操场空地，模拟结果显示这个方向的风廊没有受到影响，反而由于高楼风作用而使西北侧住宅的来流风速极速加大，超出了5m/s的舒适风速范围。由于里弄街区联排住宅面宽过长，致使内部通风不畅。街区西侧由于靠近马路，会出现风洞效应，在街区口风速会加大。街区东侧拥有一块待建的空地，起到了很好的导风和引风作用，街区东侧区域通风效果相对较好。

在模拟结果图4中，建筑19号和4、5、6、7、8、9、10对风环境有遮挡作用，易形成风影区。使里弄街区的背风区产生较小的风速。建筑西部和北部风环境较差，是由于建筑朝向为东西向且里弄街区前排建筑未形成良好的通风开口，致使来流风流经街区后在建筑西部和北部后风速急剧骤减。在该来流风的作用下对街区风环境的改善不利，里弄街区内建筑与建筑之间的间距较小，未能形成良好的通风廊道，整体通风风场较不畅。

图4 街区空间风速云图与矢量图

通过对上海市步高里里弄街区风环境的特殊性分析，可以看出里弄街区风环境的研究具有一定的典型性。总体风环境一般，开敞空间优化了风环境。在东南风的作用下，街区北部和西部的风环境较差。不同的建筑对街区风环境影响很大，街区内部风环境较差的原因是由于建筑密度过大且建筑间距较小，未能形成良好的风环境。优化城市里弄街区风环境的同时还能改善热环境，进而改善周边城市更大区域范围内的风热环境。总之，研究上海市步高里里弄街区风环境具有更大的现实意义。

4.2 里弄街区风环境整体优化方案策略

步高里里弄住宅拥有特殊的地理位置和自然优势，因此在整体城市环境中有着特殊的风环境。将里弄住宅街区从引风和导风两个层面对建筑的布局来研究。引风主要从引风口方面来探讨，导风主要从通风廊道和开敞空间两方面来探讨。将这两个方面应用于街区，并从实际研究出发提出对里弄住宅街区空间风环境的研究。

对里弄街区进一步的优化措施包括以下几点。

（1）底层架空。调整街区的引风口，目的为了增加进风量并且调整风向。引风开口的大小和位置不仅要考虑里弄街区边界设计及布置，还要结合街区内部空间考虑开口位置和大小，顺应建筑布局的方向设置开口。通过合理的引风，增强黄浦江河道湿热效应的扩散，优化街区内风环境。将里弄住宅5、6、7、8号后排建筑在街区纵向街道延伸处设置底层架空，疏导街区内纵向街道的来流风，减少风影区的产生。

（2）建筑间距的调整。建筑布局遵循原有的行列式布局方式，建筑与建筑之间间距越大，两排建筑间所形成的风影区范围越小，其自然通风效果也越好，反之则越差。步高里里弄街区住宅间距过小，在优化方案中将建筑进深相对街区位置前后各缩进1m，使街区内的街道面宽相对扩宽2m，从而改善自然通风，减少风影区的产生。

（3）优化建筑高度的组合。在来流风的作用下，迎风处的建筑对风环境影响较大，风遮挡作用明显。前排的低层建筑产生的风影区小，对后排建筑周边的风环境影响也小。当来流风由层高低的建筑吹向层高高的建筑时，能有效减少前排较高建筑对风的遮挡作用，改善风环境。在优化方案中，里弄住宅整体采用前低后高的高度布局组合，最后一排里弄住宅增至4层，不仅将来流风更好地过渡到街区前后所有位置，而且里弄街区的整个容积率相对有所增加，满足住房的需求。

（4）强化通风廊道。通过将自然通风廊道和人工通风廊道结合，多层次地加强通风效果。黄浦江河道水体在通风廊道中调节风速、温度、湿度方面起着明显作用，建筑的布局尽量在河道水体方向布置，利于气流流通。人工通风廊道主要对道路和建筑布局产生影响，促进自然通风，提高了风速和稳定性。

根据模拟的结果分析可得，通风廊道主要为西侧的陕西南路道路、连排里弄间纵向的街巷和东侧纵向街道这3条主要的通风廊道。由于建筑联排开间较长，阻碍了通风廊道贯穿于里弄之间，适当缩短里弄开间的长度和调整联排里弄住宅的面宽，增加一条纵向里弄街道，并调整街道宽度，使其能作为通风廊道良好贯穿里弄街区内的自然通风，增加通风廊道并强化其作用。

（5）优化开敞空间。在里弄街区内设置并优化开敞空间，利于风场的集中和扩散。现有街区内一些开敞空间布局零散且不成体系而不利于良好的自然通风。

18、19号两楼之间的开敞空间风环境中风速较大，局部地区已经达到了9m/s的风速，严重影响了居民的正常生活，所以要调整此处的开敞空间，减小此处高楼风的风速。在18号高层楼旁设置一些小的构筑物或高大的植物来调节18号高层楼西边开敞空间处的高楼风，将高楼风分解并引入里弄住宅街区内部和西边的道路上，保证场地整体的风速控制在5m/s的舒适极限范围内。

结合场地实测的结果，在里弄街道朝向西侧道路开口处，易形成风洞效应，风速会在此处增大。所以对1号楼及其附近空地稍作调整，增强陕西南路通风廊道的作用，同时适当强化风洞效应，优化里弄街区内部的风环境，也帮助削弱前排高速气流。联排建筑1～5号住宅西边的风速由5m/s逐渐降至1.5m/s左右，将5号楼与后排建筑中的开敞空间进行优化，防止风影区的产生并形成较为畅通的通风廊道。16号与17号两楼之间的开敞空间风速适宜，不用再做调整，但需要将此开敞空间的风引入里弄街区内部。8号、9号与10号之间的风速也过小，通过调整建筑的边角处空间，将通风廊道延伸至此开敞空间，改善此处开敞空间的自然通风。

（6）在建筑肌理方面，注重与旧建筑的衔接关系。步高里原本的住宅建筑肌理与当地融合较为贴切，所有优化后的肌理形式基本保持原状，注重与旧建筑的良好衔接，在优化方案中只是在街区纵向方向增加了通风廊道，凸显通风廊道空间，其它地方的肌理顺应原状，对里弄街区的原貌保持了极大尊重的态度。

4.3 风环境数值模拟与优化前后对比分析

从优化模拟前后的结果对比分析显示，优化后的里弄住宅街区风环境得到了明显的改善，方案优化前后对比如图5、6和表3所示。

可见，通过对通风廊道、开敞空间、建筑间距、高度优化组合、里弄住宅形态的调节，并规划适宜的里弄街区大小，能有效改善里弄街区的风环境。

5 结语

图5 优化前街区空间风速云图与矢量图

图6 优化后街区空间风速云图与矢量图

目前大部分对民居住宅定性的研究基于丰富的原理和实测。本文希望通过一些定量的探讨，以及借助流体软件STAR-CCM+呈现里弄街区风流场的情况，来发掘更多规律与空间改进优化措施。

本文基于前人对步高里街区风环境实测基础上，通过模拟计算的定量分析，从引风和导风两个策略对里弄街区的迎风面和街区内部空间进行探讨，将强化通风廊道、优化开敞空间、调整建筑间距、优化高度组合、底层架空、顺应肌理等策略应用于实际地块中，进行优化方案设计，对设计结果进行数值模拟计算，并将优化前后的地块风环境进行分析与对比，在通风廊道的数量、最大风速、最小风速和适宜风速比重等对比因素中，优化后的里弄住宅街区风环境得到了明显的改善，最终验证优化策略的可行性与合理性。

21世纪是绿色建筑的世纪，绿色建筑提倡既节能环保又舒适健康的建筑。不仅是现代建筑的发展要求，也是传统建筑“保护-更新-改造-利用”的发展方向。上海里弄住宅的自然通风改善，不仅使居民获得健康舒适的居住环境，提高了生命质量，而且在探索传统里弄住宅通风过程中，使用的技术手段将帮助我们在保护历史建筑的道路上积累更加丰富的经验，有利于开展全国各地历史建筑保护工作，更有利于中华民族传统文化的继承与发扬。

表3 方案优化前后结果的量化对比

[1 ]陈飞.建筑与气候——夏热冬冷地区建筑风环境研究[D].上海:同济大学,2007.

[2]中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].中国建筑工业出版社.2005年.

The Optimal Design of Spacial Wind Environment at BuGaoLi Blocks

Based on the previous surveys at BuGaoLi Blocks, the author quantitatively evaluates and analyses the wind environment at LiNong Blocks by means of software simulation. By applying the strategies of inf ation and def ation, this thesis explores the windward side and internal space at LiNong Blocks so as to form an optimal design. Analyzing and comparing the pre-optimal wind environment at plots with the optimized one can con f rm the feasibility and rationality of the optimal strategies, which has instructive signif cance to the urban design.

wind environment, LiNong Blocks, STAR—CCM+, optimal design

2016-03-30）

宋德萱，同济大学建筑与城市规划学院教授、博导；王莹珺，同济大学建筑与城市规划学院13级硕士研究生。