基于調查和數值模擬的長春市街區風屏障空間評定方法

趙宏宇 張艾欣 張成龍 張博華 鄭 晴 余 露

(吉林建筑大學 建筑與規劃學院,長春 130118)

在全球化浪潮的席卷下,城市大規?？焖侔l展嚴重影響了人們的生活環境與品質.諸多城市現已出現霧霾、熱島效應等一系列問題.其中,我國北方寒地城市由于地理原因,冬季風環境問題突出,出行不僅舒適度差,生命安全甚至會遭到威脅.寒地城市的風環境問題,已引起政府工作人員、規劃界人士、專家學者的關注,是大家共同面臨的一大挑戰.目前，國內有關風環境研究方向涉及較為寬泛,如交通、農業、環境、規劃等領域,大多數是關注城市級別宏觀層面的風環境研究,致力于整體上改善城市氣候環境,促進城市可持續發展,而對中微觀層面開展的研究較少,涉及面也較窄.以往在土地資源十分寶貴的情況下,大部分的城市只能采取緊湊型、高密度、高容積率的發展模式.這種模式雖然有利于降低基礎設施和能源的整體消耗,但可能會在城市中心區產生風環境惡化現象[1].街區建筑群體的形態特征與城市風環境有著密切的關聯,如何在城市中尋找現有的風屏障空間,將其模式化、標準化應用到城市實踐中，是一項亟待研究的課題.

1 長春市街區風環境現狀

寒地城市風環境研究應主要考慮冬季防風,英國建筑師拉爾夫·厄斯金最早提出“風屏蔽”這一概念[2].但街區層面的“風屏蔽”對策多為景觀領域,冬季植物衰敗對寒冷地區冬季室外風環境影響不大.以長春市為例,在街區層面應從建筑群體角度出發,由此，本文提出風屏障空間概念,界定其研究范圍是城市街區層面的靜風區及降低風速區.人體舒適度是我國風環境研究領域的主流評價指標,也是針對城市街區層面風環境的主要評價內容,常用的室外風環境評價標準為:當風速值小于3.3m/s時,室外環境適宜休息停留;當風速值小于5m/s時,適宜行人正常行走;當風速值大于10m/s時,人體將感覺十分不適[3].

(1) 氣候環境基本特征. 長春市地理坐標東經125°35′北緯43°88′,位于北半球中緯度北溫帶,地處歐亞大陸東岸的中國東北平原腹地松遼平原,溫帶大陸性氣候,但冬季寒冷漫長風環境惡劣.本文參考的氣象數據均來源于中國氣象數據網,基于《氣候資料統計整編方法(1981-2010)(發布版)》,按夏季(五月至十月)與冬季(十一月至四月)進行整理統計得知：長春市冬季平均風速為5m/s,夏季平均風速為3m/s.數據將被應用到本文數值模擬中,作為基本參數的標準[4].

(2) 街區建設基本現狀. 長春市主要路網結構為環形放射式,街區建筑南北向或沿街道布置.長春市主城區內街區空間主要分為兩大類:商業街區和居住區,本文的研究范圍限定在典型商業街區和居住區內的風屏障空間.商業街區主要是以大型商場寫字樓為主的娛樂一體化街區和以個性特色為主的多層建筑群體步行商業街區.居住區主要是高層居住區、多層居住區、別墅區和混合型建筑群體居住區等.城市風在經過不同高度、密度的建筑街區會產生截然不同的影響,局部強風會對人體舒適度和人身安全造成威脅.

2 街區樣本選取

向長春市居民發放調查問卷,對長春市現有的風屏障空間進行調查、總結和歸納,然后結合 Google Earth和實地調研，篩選出長春市典型的風屏障空間,為實測與數值模擬做準備.

2.1 街區風環境問卷調查

文獻資料收集、調研長春市規劃局、建筑設計院等處以及實地走訪長春市朝陽區、南關區、寬城區、二道區、綠園區、凈月區等主要城區中的典型商業街區、居住區后，制作并發放調查問卷.實發問卷640份,回收603份,問卷回收率94%,問卷內容主要分為兩部分:第一部分包括調查日期、受訪者所居住的區域、天氣、性別、年齡和職業等基本信息；第二部分包括冬季室外活動的時長、頻率、活動場所、受訪者對冬季室外風環境的主觀評價等.初步篩選出了一些居民主觀認為的典型風屏障空間,部分結果分析見圖1.針對這些結果再一次進行實地調研,調研地點有中海國際小區、東方萬達小區、御翠園小區、紅旗街商圈、重慶路商圈、桂林路商圈等.圍繞風屏障空間進行周邊訪談、拍攝,并記錄風屏障空間位置、形式等,同時對調查地點周邊區域建筑群體布局進行歸納總結.

2.2 典型街區樣本選取

結合 Google Earth、實地調研、問卷分析及長春市中心城區活力圖,對長春市現有的風屏障空間進行初步統計和篩選,確定商業街區實測點為重慶路商業街區;居住街區實測點為東方萬達小區、金色世界小區、吉林建筑大學學生公寓.重慶路商業街區為長春市高層簇群式街區,建筑風環境較為復雜、風速變化較為明顯,易判別現有風屏障空間的模式.其次,重慶路商業街區是長春市活力較高的街區之一,便于訪談和問卷的發放.問卷分析結果表明,長春市常見居住區布局模式為:行列式、斜列式、山墻錯落式、L型圍合式幾種模式(見圖2).

再結合資料、實地調研和街區冬季室外活力程度、居民對其小區的滿意程度等其他問卷分析結果，綜合考慮,確定重慶路商業街區、行列式東方萬達小區、山墻錯落式金色世界小區及L型圍合式吉林建筑大學學生公寓為最終實測點,具體信息見表1.

圖1 冬季室外商業街活力問卷分析Fig.1 Analysis of the questionnaire of the vitality of outdoor commercial street in winter

圖2 受訪居民所在居住街區模式比例Fig.2 The proportion of residential model of surveyed residents

MeasuringperiodMeasuredobjectLocateddistrictRealmapMeasuredpointsmarkedinsatellitemap1-30/11/2017ChongqingRoadblockNanguandistrict1-30/11/2017DongfangWandaresidentialareaNanguandistrict1-30/11/2017GoldenWorldresidentialareaNanguandistrict1-30/11/2017ApartmentinJilinJianzhuUniversityNanguandistrict

3 街區樣本調查

實測與訪談相結合，對街區風環境進行主客觀評價,對所調研街區風屏障空間的評定進行初步探索.

3.1 街區風環境實測

(1) 調研日期的選擇. 根據長春市氣象數據資料,11月份出現平均風速5m/s的幾率較大,因此選取11月1～30日為調研時期.由于實際風環境十分復雜,鑒于時間等因素的限制,本文主要選擇接近長春市平均風速且為西南風向的晴天進行測量,風速過大的特殊天氣不在本文的研究范圍內.測量的主要數據是溫度、風速、風向,測量高度為1.5m[5].

(2) 街區觀測點選擇與數據收集. 對于空氣溫度與風速、風向測量主要采用Testo 435多功能測量儀.該儀器適用于現場直接測量風環境狀況,主要測量環境溫度、風速及風壓等多項參數,且具有清晰的分析和存檔功能[6].

(3) 觀測點的選擇. 為研究建筑群體周圍風速的變化,在監測建筑群體內部時,按如下分類方法將觀測點劃分為7類，詳見表2[7],各街區實測點具體選點，見圖3～圖6.

表2 布局模式內選點方式Table 2 Layout mode within the point of choice

圖3 重慶路街區實測點Fig.3 Measured points in Chongqing Road block

圖4 東方萬達小區實測點Fig.4 Measured points in Dongfang Wanda residential area

圖5 金色世界小區實測點Fig.5 Measured points in Golden World residential area

圖6 吉林建筑大學學生公寓實測點Fig.6 Measured points of apartment in Jilin Jianzhu University

(4) 觀測數據采集. 由于建筑群體對室外風環境的影響因素主要是風速、風向等,從而造成對人體舒適度指標的改變,因此主要測量風速、風向參數.

根據整體氣象數據來看,上午8∶00～下午16∶00時段的空氣溫度、風速、風向的波動較為明顯,測量該時間段的相關數據較有典型性，其中中午12∶00～下午14∶00的波動最為劇烈，作為軟件模擬時段則更具代表性.在測量過程中,沿著實測區域的主導風向,以20min～30min為1個周期,多次測量并讀取相應數據,取其算數平均值.

3.2 街區風環境滿意度訪談

在實測的同時,隨機選取上述街區周邊行人或居民進行訪談,以主觀評價風速,并將其對風速的滿意程度劃分為4個等級,依次賦值為1，2，3，4,根據受訪者選取的權重賦值結果進行比較.內容包括:

一是受訪者所認為的周邊靜風區和降低風速區有哪些.

二是將實測初步結果與受訪者主觀感受進行比對,并判斷其是否為人們主觀認為的靜風區或降低風速區.

據此得出初步結果:住在L型圍合式小區的居民認為，其小區冬季室外風環境舒適，滿意度最高,而重慶路這種高層建筑群體密集的商業街區滿意度較差,評價標準見表 3.

表3 所在街區冬季風環境滿意度調查Table 3 Satisfaction survey of winter wind environment in block

4 街區風屏障空間評定與結果分析

4.1 風環境數值模擬

為避免實測誤差導致不準確結果,作者選取Ecotect(Autodesk Ecotect Analysis)軟件及Win Air4插件進行數值模擬分析,以便得出客觀評價結果.風環境模擬技術Win Air 4是計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,英文縮寫CFD)模擬技術的主流平臺之一[8],具有計算速度快、相對準確、數據處理方便等優點,適用于中微觀區域層級的風環境計算模擬.

4.2 模擬結果及驗證

將每個街區的實測值匯總與模擬的結果進行橫縱向比較，見表4～表7.以上四個街區的實測結果與模擬結果相匹配,見圖8、圖10、圖12、圖14.結合訪談結果,將模擬圖進一步量化，分析得出風速變化極為明顯的區域,從而判別風屏障空間.在街區層面的建筑群體中,高層密集的商業街區既能形成較大的風影區減緩風速,又極容易形成狹管效應出現強風，見圖7～圖8.

表4 重慶路街區模擬與實測風速對比Table 4 Comparison of wind speed simulated and measured in Chongqing Road block

圖7 重慶路街區模擬風速Fig.7 Wind speed simulated in Chongqing Road block

圖8 重慶路街區模擬與實測風速曲線Fig.8 Curves of simulated and measured wind speed in Chongqing Road block

居住區街區建筑群體模式中,風屏障空間區域由大及小，見圖9～圖14,依次排序為:L型圍合式>山墻錯落式>行列式.結合現狀可知：適宜長春市的居住街區風屏障空間為L型圍合式與山墻錯落式.

表5 東方萬達小區模擬與實測風速對比Table 5 Comparison of wind speed simulated and measured in Dongfang Wanda residential area

圖9 東方萬達小區模擬風速Fig.9 Wind speed simulated in Dongfang Wanda residential area

圖10 東方萬達小區模擬與實測風速曲線Fig.10 Curves of simulated and measured wind speed in Dongfang Wanda residential area

MeasuringpointAveragewindspeedsimulated/(m·s-1)Averagewindspeedmeasured/(m·s-1)MeasuringpointAveragewindspeedsimulated/(m·s-1)Averagewindspeedmeasured/(m·s-1)A13.9542.895C43.4162.214B13.2572.143A53.1382.243C13.1462.057B52.9971.899A21.7200.682C52.2271.123B22.9761.895A63.7672.679C21.7110.923B62.8861.798A32.8861.799C61.7320.967B32.6701.598A72.0551.312C31.9630.897B73.6982.435A42.7081.87C72.5231.612B42.6881.721

圖11 金色世界小區風速模擬Fig.11 Wind speed simulated in Golden World residential area

圖12 金色世界小區模擬與實測風速對比圖Fig.12 Curves of simulated and measured wind velocity in Golden World residential area

MeasuringpointAveragewindspeedsimulated/(m·s-1)Averagewindspeedmeasured/(m·s-1)MeasuringpointAveragewindspeedsimulated/(m·s-1)Averagewindspeedmeasured/(m·s-1)A11.8491.956C42.3432.147B12.5032.361A51.2030.658C13.2122.827B51.4431.025A22.6142.435C51.7452.098B23.3462.526A61.4901.678C22.6861.448B61.4031.023A31.1560.945C61.0041.526B31.3791.529A71.5381.714C31.4660.896B71.8492.416A43.2042.468C71.5941.836B42.2631.834

圖13 吉林建筑大學學生公寓風速模擬Fig.13 Wind speed simulated of students’ apartment in Jilin Jianzhu University

圖14 吉林建筑大學學生公寓模擬與實測風速曲線Fig.14 Curves of wind speed simulated and measured in Jilin Jianzhu University apartment

5 結語

本文采用以問卷調查、實地訪談和數值模擬為基礎的主客觀方法,對長春市現有風屏障空間的評價進行了探索,初步判定出長春市冬季室外風環境下舒適度較高的街區空間,為我國寒地城市街區風屏障空間的評定提供了借鑒.

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[4] 中國氣象數據網http://data.cma.cn/

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