不同容积率的城市住区风环境模拟比较

　　摘要:快速的城市化，居民环境意识的提高，人们越来越关注影响自身生活质量的小区室外环境;而小区的室外风环境是小区环境的重要组成部分。从目前对住区风环境的研究成果和要素来看，更多的研究只单纯从风环境模拟技术的角度，又或是单一地从风环境影响要素进行研究，系统性不够。因此，探索不同布局形式下住宅小区容积率与其风环境的关系，是住区环境研究的重要方向。从实验成本、成果周期、表现方法、应用程度等方面综合考量，选用计算机数值模拟方法进行研究。依据前人的研究成果，将城市住宅小区分为4种典型的布局模式:错列式、行列式、围合式、点群式;通过实地调研收集众多赣州中心城区住宅小区的平面图、容积率、建筑密度、户型等基础资料后，综合考虑日照间距、防火间距和卫生距离等要求，结合各布局模式的空间特点，抽象归纳总结得到4种建筑高度下4种典型布局的16种接近极限的容积率住宅小区理想化空间布局模式，作为模拟研究的实验模型。依据赣州市区的气象数据，来设置模拟的具体环境参数，借助CFD数值模拟技术手段进行模拟研究;以小区人行高度处的风速、风速频率作为评价标准，得到各住宅小区的风环境数据;通过对模拟数据的统计和分析，总结得出容积率与小区室外风环境的定量和定性关系，发现小区的平均风速与建筑容积率、建筑密度存在抛物线性关系，小区的最大风速与建筑容积率、建筑密度存在线性正相关，小区最大风速都与建筑高度呈线性正相关;进而对不同容积率的城市住宅的风环境进行评价，得到一个不同布局形式下不同容积率的风环境评价表，供规划设计人员参考选用。在规划建设中给出住宅容积率和空间布局的具体策略及建议，以便在住宅小区设计的初级阶段，就做好小区方案的风环境评价分析，及时发现对风环境的不利因素，进而修改规划设计，以改善住宅小区的室外通风环境。

　　关键词:住宅小区;容积率;布局形式;赣州市;风环境；环境论文发表

　　1城市住宅容积率的风环境模拟研究现状目前对住区风环境的研究，已取得一定的成果。哈尔滨工业大学的李云平研究了冬季风影响下，寒地不同平面组合形式高层住宅小区的风环境状况，得到一些定性和定量的影响规律[1]。湖南大学的杨涛通过对夏热冬冷地区住宅小区空间布局模式和要素的分析，得到各高层住宅小区空间布局模式的风环境适应性设计策略[2]。华南理工大学的张卓鹏以广州市围合式住宅小区组团作为研究对象，结合现状实测和计算机数值模拟手段，研究得到了室内风压通风能力和组团规划设计参数之间的数量关系[3]。张磊、黄欣等人针对绿色住宅小区建筑布局的风环境设计，提出针对季风导向住宅小区的风环境优化策略[4]。

　　从目前的研究成果来看，更多的研究只单纯地从风环境模拟技术的角度出发，系统性不够，研究成果还停留在定性的结论阶段;从研究要素来看，众多的研究还是从单一的风环境影响要素进行研究。从住区容积率的研究成果来看，容积率的确定方法还不够系统和科学，未就风环境与住区容积率的关系做相应的考量[5]。

　　1.1城市住宅容积率与住区风环境之间的关系

　　城市的住宅容积率和住区的布局和住宅的层数(高度)密切相关，不同的容积率对应不同的布局和住宅层数，这些因素对住区的风环境会产生不同的影响。住区的布局方式一般可分为围合、联排、点式等多种布局方面，结合不同的层数和日照间距，就可以确定一个小区的住宅容积率。因此，城市住宅容积率对通风的影响不是直接的，城市住区的风环境除了受到所处的地理位置和城市风气候影响，也受到住宅空间布局和层数的影响。因此，本文的技术路径是通过总结常见的住宅布局和层数，来确定城市住宅容积率，并进一步通过软件来进行模拟，进而评价不同容积率的城市住宅的风环境特性。以便在住宅小区设计的初级阶段，就做好小区方案的风环境评价分析，及时发现对风环境的不利因素，进而修改规划设计，以改善住宅小区的室外通风环境[6，7]。

　　1.2风环境模拟方法

　　在风环境的数值模拟中，针对住宅小区的风环境数值模拟的特点，选择合适的湍流控制微分方程、数值模拟方法和模型，以期使数值模拟更加的精准和接近实际。研究采用动质量守恒的时均控制方程，雷诺平均法(RANS)作为湍流的数值模拟方法，RNGk-ε模型作为湍流的数值模拟模型，有限容积法(FVM)来对计算区域进行离散，分离式压力修正法对模型进行求解，用SIMPLE算法进行压力与速度的解藕[8-10]。

　　1.3风环境评价方法

　　选择合适的评价指标，是住宅小区的风环境评价可以更加准确的重要保证。根据前人研究成果及参考我国现有的相关规范，将表1的数据作为住宅小区人行高度处的风环境的评价标准(见表1)。指标认为，当风速低于1m/s时，行人对风基本没有感觉，该风速下的住区区域被称为风阴影区;当风速在1～5m/s之间时，行人感觉较舒适[11]。

　　2不同容积率的城市住宅小区风环境数值模拟分析

　　2.1住宅小区风环境数值模拟物理综述

　　2.1.1风向角的选取

　　选取赣州市的气象参数作为数值模拟的原始计算参数。考虑到赣州市区所处夏热冬暖、冬夏季较长、春秋季较短的气候特点，侧重研究夏季主导风向对住宅小区的风环境影响。赣州市区夏季盛行西南偏南(SSW)风，室外平均风速为2.0m/s。

　　2.1.2计算模型综述

　　在研究中，以简洁明了为原则，把典型住区模式分为行列式、错列式、点群式和围合式四种[12]。住宅小区的容积率按建筑高度和建筑体量的不同来划分。为简化计算和接近实际情况，建筑高度按住区建设中较为常见的6层、12层、18层和32层4种来划分;其次，综合考虑日照间距、防火间距和卫生距离，得到4种建筑高度下4种典型布局的16种接近极限的容积率住宅小区布局模型，并以此为模拟研究的对象，根据笔者总结，详见图1示意和表2具体建筑系数。

　　在物理模型的假设方面，为了使物理模型不会过度的复杂，研究暂不考虑小区四周商业建筑裙房、建筑架空、绿化植被、景观水面等因素对小区风环境的影响，而只对容积率与小区风环境的关系做模拟分析，以得到有针对性的结论。但在后续的研究中，可对以上因素逐一考虑，综合各种因素来模拟小区风环境，使得模拟更加贴近实际。

　　2.1.3计算区域的确定和网格生成

　　对于住宅小区的风环境数值模拟，选择合适来流面和流出面，避免互相干扰;可以减少网格数目，缩短计算耗时，同时提高计算精度[13];本研究采用内部区域加外部区域的划分方法，内部区域为小区基地所占的区域(X×Y×3Z)，外部区域为边界控制区域(5X×8Y×3Z)。采用非结构网络对计算区域进行离散，对于流场入口流面和出口流面，采用四边形非结构面状网络，建筑表面采用三角形非结构面状网络;对于小区基地所占体积的内部区域，采用四面体形状的非结构网格;对于区域用六面体非结构网格进行划分。整个计算区域网格数量为80万～180万个，以行列式的住宅小区为例，网格划分如图2所示。

　　3模拟评价结果

　　通过对相关风环境数据进行统计和分析，归纳总结得到室外风环境评价表，具体见表7。

　　根据实验模拟得到各工况的风环境数据，以小区人行高度处的平均风速和风速低于1m/s的频率作为主要评价指标，将各小区室外风环境划分为4个等级，其中一级的风环境最优，四级的最差。总体评价来看，各种布局小区都是6层低容积率的风环境最差，这和小区较低的容积率时往往有较高的建筑密度不无关系。大部分的容积率模式下，4种布局中，围合式的通风要好于其他3种，其次是点群式，最后依次是错列式和行列式。

　　其次，各种布局方式室外风环境的平均风速、低风速频率占比的优劣顺序:当容积率为1.5左右时，依次为围合式、行列式、错列式、点群式;当容积率为2.0～2.5左右时，依次为错列式、行列式、围合式、点群式;当容积率为3.2左右时，依次为围合式、点群式、错列式、行列式;当容积率超过4时，依次为围合式、错列式、行列式。

　　4实践的应用建议

　　4.1关于住宅容积率和空间布局的建议

　　一般来说，当容积率在1～2.4左右时，多采用行列式或者错列式布局，建筑高度多以多层或者小高层为主。当容积率在3左右时，采用围合式、点群式居多，多以18～22层的高层围合式住宅;32层左右的高层以点群式住宅为主。当容积率超过4时，基本都是采用32层左右的围合式住宅为主。依据前文对4种布局模拟分析的结果来看，城市住宅容积率和户外风环境有一定的联系。因此，在今后的小区规划设计中，要注意地块的容积率对户外风环境的影响，可参照表6选择合适的空间布局形式和住宅层数。

　　4.2关于高容积率住区风环境的改善措施建议

　　在高密度的住区开发中，特别是行列式或者错列式高容积率住区布局中，由于建筑群体布局的整齐划一，形成或大或小的轴线、走廊等，这些区域往往变成顺利通风的风道;再加之过高的建筑高度，这些区域的巷道风被显著加强，就容易出现急速风，甚至是“峡谷风”，严重影响小区的风环境品质。当建筑高度过高时，为避免“峡谷风”效应，可以通过增加建筑的侧向间距来弱化巷道风、峡谷风效应;在来流的上风向，种植绿化植被，又或是在巷道的中心区域规划设计绿地广场来弱化巷道效应。