基于建筑室外风环境的长春市高层住区建筑布局优化策略

孙睿珩

(长春工程学院建筑与设计学院，长春 130021)

0 引言

目前我国城市化进程发展迅猛，城市人口激增，为满足其所带来的居住问题，高层住区在城市中大量兴建，由此产生的高层住区风环境问题日益显现，特别是严寒地区，由于冬季寒风凛冽且时间持续长，室外风环境处理不当对人体热舒适性的影响尤为突出，集中体现在过高的建筑密度、容积率、建筑高度、不合理的建筑布局、组合方式造成局部强风和恶性气流，严重影响了居民室外活动的舒适性和安全性。如何通过规划、建筑设计手段营造舒适安全的高层住区风环境，已经逐渐被业界及设计师重视。本文采用CFD即计算机数值模拟的方法，对严寒地区典型城市长春市的高层住区万科城进行建筑风环境模拟，根据模拟结果进行评价，对存在的风环境问题提出相应的优化策略，以期为严寒地区高层住区创造节能、生态、宜居的室外风环境提供有指导性的参考。

1 研究方法

1)利用计算机数值模拟技术CFD(Computational Fluid Dynamics)，变量为不同建筑布局形式，其他实验条件为不变量，模拟出室外风环境的特点。

2)生成风环境分析图，直观地表达出室外风环境所存在的问题并针对模拟结果提出建设性优化策略。

3)模拟软件选取PHOENICS。

2 建筑室外风环境的影响因素

2.1 建筑高度

建筑高度的变化对室外风环境的影响表现在随着建筑高度的增加，建筑背风面风速、风影区面积增加，并且涡流上升的范围随之增加。对高层住区而言，在前期场地规划阶段，建筑间距主要由日照间距和防火间距决定，使得楼宇之间的建筑室外风环境更加复杂(表1，图1)。主要表现为遮挡建筑迎风面的风速小于被遮挡建筑迎风面的风速，风影区内的风速变化很小。当遮挡与被遮挡建筑之间的建筑间距变大，被遮挡建筑的迎风面风速变化增加，形成的背风面风影区面积变大而风速值增加幅度较小。

表1 不同建筑高度风速表

图1 不同高度建筑室外风环境示意

2.2 风向入射角度

室外风环境另一个影响因素是建筑的迎风面与风向之间的入射角度，也称为风向投射角(表2，图2)。不同的风向入射角，风环境不同。当入射角度为0°时风速值、风影区面积值最大，涡流效应最显著，风环境差；当入射角度增至60°时，风速值变化较小，而风影区面积、涡流效应显著缩小，风环境得到改善。这种关系表明，建筑间距在确保日照及防火间距满足规范条件下，建筑朝向应适当与风向形成入射角度，避免强风直接吹向建筑迎风面可以有效改善风环境[1]。

表2 不同风向入射角度风速表

图2 不同风向入射角度建筑室外风环境示意

2.3 建筑布局形式

不同的建筑布局也是影响建筑室外风环境的重要因素。严寒地区高层住区的布局形式有行列式、错列式、半围合式、围合式。通过对不同布局形式的风环境分析可知，半围合式的风速值最大，围合式的风速值最小[2]。行列式由于存在风的狭管效应导致比较明显的局部瞬间气流加剧，并且在背风面的风影区内存在较多的涡流效应(表3)。

表3 不同建筑布局形式风速表 单位：m/s

综合对以上室外风环境影响因素的分析可总结出：改善建筑室外风环境可以通过适当地降低建筑高度、缩小建筑间距、增加建筑与风向之间的角度、建筑布局形式尽量采用围合式这几种方式。

3 高层住区风环境模拟与优化策略

3.1 高层住区室外风环境数值模拟

选取的典型严寒地区高层住区——长春万科城一期工程作为模拟对象，该项目位于南关区净月组团，春水街与天富路交汇处，用地面积约6.68 hm2，容积率2.96，建筑密度18.1%。由10栋高层建筑组成，其中6栋为塔式高层，4栋为板式高层。

模拟软件选取CFD中的PHOENICS，将项目平面CAD文件导入软件中，模块选用FLAIR，因高层建筑高度较高，建筑间距较大，故选取10 m×10 m的网格划分，风向选取长春市冬季盛行风向——西南风，风速为冬季室外平均风速3.9 m/s[3]。输入参数条件后，由PHOENICS生成冬季风速矢量图(图3)及风速现状图(图4)计算结果。如图显示，风速值由弱到强对应的显示颜色由浅到深。结果显示，因为该小区是由多个板式高层、塔式高层、多层公寓及沿街道布置的低层商铺组成的相对围合的空间，所以风速较高区域位于场地西侧和南侧，为高层的迎风面，建筑边缘转角位置角隅风效果明显，位于基地北侧的板式高层，由于长度及高度值大，迎风面积大，风速值同样较高，且转角处角隅风明显，建筑的背风面形成范围很大的风影区。

图3 长春万科城一期冬季风速矢量图

图4 长春万科城一期冬季风速现状图

3.2 优化策略

根据计算机数值模拟结果评价的图示，可以直观地显示出计算区域内风速过大所造成的风环境不利的区域，针对其提出风环境优化策略(图5)。网格尺寸为10 m×10 m，颜色的由浅到深对应风速值的由小到大。

图5 长春万科城冬季风环境评价图

3.2.1 建筑朝向、布局及平面形式优化

应尽量避免高层建筑垂直于盛行风向，使盛行风向与建筑呈一定的入射角度可以有效削弱风力；从建筑布局角度，对于严寒地区，宜采用半围合式建筑布局，利用建筑自身的遮挡作用来抵御冬季寒风。从模拟结果看，万科城一期项目内高层建筑南北朝向，长春市冬季盛行风向为西南风，场地的西南角布置了塔式高层，其建筑朝向与盛行风向角度接近45°，并且由于塔式高层较板式高层更合理的长宽比，有效地减弱了角隅风，但西侧及西南角的两栋塔式高层建筑之间没有底层商铺，建筑间缺少必要的围合，所以在建筑转角及左侧活动场地内人行高度处的风速值仍较大，风环境不理想；南侧的小区出入口位置及高层与底层商铺之间的开口造成了很强的风狭管效应，并在主入口后侧高层住宅的作用下，风力加强，严重影响了右侧园区内活动场地的人行高度处风环境。针对模拟结果，该小区风环境优化策略可以针对西侧、西南角塔式高层之间以及南侧出入口与塔式高层之间开口位置合理设置底层商铺来增强围合度，利用建筑本身的遮挡作用，削弱风力，并设置绿植、挡风板、建筑小品等设施进一步削弱人行高度处的强风，为园区场地内人行高度处提供较舒适的风环境。

3.2.2 风场及功能布局优化

颜色最深(黑色)区域风速值≥6.85 m/s，风速较强，舒适度差，为保证安全及改善人行高度处舒适度，不宜布置室外活动场地，可以利用植被，如低矮灌木结合停车位布置及高大乔木作为风屏来抵御强风；深灰色区域风速值≥5.33 m/s，虽较黑色区域风速值有所降低，但风速值仍较大，并且涡流效应明显，行人高度处风环境舒适度仍不理想，需要注意垃圾及扬尘随风吹起所引起的环境卫生问题，可通过种植高大乔木配合低矮灌木的立体植被来削弱风力；浅灰色区域风速值≥3.23 m/s，风速值进一步降低，风环境得到充分改善，可以充分利用此区域布置居民的室外活动场地；颜色最浅的白色区域为建筑背风面风影区，风速值在0.07～2.36 m/s之间，同样可作为冬季室外活动场地。

3.2.3 绿化配置及防护措施优化

可利用植物及各种建筑小品的遮挡作用作为调节改善局部风环境的重要手段。可选择在小区出入口、建筑间开口处、建筑的角部种植比较高大的乔木树种作为园区行道树，有效削弱强风对行人舒适度的影响；也可充分利用低矮的乔木来减小风影区内的涡流，结合停车位、健身场地营造好的室外活动场地；建筑小品的选用，如景观墙、亭、连廊等也有阻挡气流，降低风速的作用并能够削弱风狭管效应造成的瞬时强风。

4 结语

严寒地区高层住区的冬季室外风环境，直接影响着居民的生活环境和生活品质，同时对降低冬季采暖能耗、改善冬季室内热环境及营造良好的室外舒适微气候意义重大。通过计算机数值模拟的方法，对严寒地区典型城市——长春市的高层住区风环境进行研究、分析，提出有效的优化策略，以期为长春市高层住区未来的建设提供有效的建议。