利于城市通风的绿地廊道设计探索

1520.利于城市通风的绿地廊道设计探索唐春张巍摘要：本文着重于从利于城市通风，缓解城市热岛的角度，对城市绿地廊道组织城市通风的功能作为研究内容，从城市规划设计的角度对利于城市通风、缓解城市热岛的绿地廊道模式及形态关系进行探索和创新。利用空气动力学的基本原理，分析绿地廊道对于促进城市通风的作用，以及缓解城市热岛效应的意义；借助于计算机风洞模拟的实验手段，校核了在城市规划设计当中常用的几种绿地廊道模式的通风效果，并提出利于城市通风的绿地廊道模式所需具备的基本条件；依据流体力学中伯努利定律的基本原理，对常见绿地廊道体系的形态提出更利于城市通风、缓解热岛效应的优化设计，并结合计算机风洞软件进行模拟校核。此分析方法在城市设计未来发展方向之一，即理性科学分析方面，具有较强的创新探索价值。关键词：城市绿地廊道城市通风热岛效应风洞软件城市绿地廊道是城市内部具有一定宽度、并拥有高绿地率的带状绿地空间，在城市规划实践中通常与河流、道路、自然山林等相结合进行布局，以绿地廊道为骨架形成城市绿网，并与郊野自然环境进行有机联系。城市绿地廊道在城市环境建设中具有重要的作用。它可促进动植物物种的多样性，为动物提供保护和安全的迁移路线，保持自然群落在城市内外的连续性。同时，绿地廊道深入渗透到城市内部，丰富了城市景观环境，利于营造城市生机与情趣。城市绿地廊道不仅是维护城市生态平衡、美好城市景观环境的重要手段，同时，它有机联系城市内外自然环境，引入郊野新鲜空气，可缓解城市热岛效应，改善城市气候。因此，城市绿地廊道也是组织城市通风的重要载体。尤其对于长沙、武汉这类夏热冬冷气候城市，夏季高温是其最恶劣气候条件，利用绿地廊道组织城市自然通风为城市降温显得尤为重要。本文将对城市绿地廊道组织城市通风的功能作为研究内容，从城市规划设计的角度探索利于城市通风、缓解城市热岛的绿地廊道模式及形态关系。1利于城市通风的绿地廊道模式1.1城市自然通风的形成所谓自然通风，是指利用空气的密度差引起的热压或风力造成的风压来促使空气流动而进行的通风换气。在建筑设计中常见的“穿堂风”即是利用这一原理：风在流动过程中，受建筑物阻档，使得建筑的迎风面空气密度增加，背风面空气密度减小而造成建筑前后的压力差，这时在建筑的前后两个面开窗，便能直接形成建筑前后高低压区域的空气流动，从而形成有效的建筑内部自然通风，即“穿堂风”（图1）。将这一原理运用到城市也具有类似的效果。一个典型的城市空间整体形态具有以下特点：城市以密集硬质的人工建设为主，并被绿地山林等自然郊野所包围。在城市内部，通常中心地区建筑密度、高度较大，并由城市中心向边缘过渡，因此在整体形态上形成内高外低的金字塔式模型（图2）。当风从城市外围自然郊野吹来，城市的密集建设在整体上形成阻挡，自然风在近地面处受到阻挡和摩擦，使得风速下降，同时风向由地面向城市冠层爬升，导致城市迎风面和背风面的风压和风速发生较大变化，并会在城市内部形成较多静风区。若利用“穿堂风”的原理，顺应城市主导风向，在城市内部构建一些能够贯通城市，并与外围郊野直接沟通的的大型城市通廊，如城市绿地廊道，便能形成城市的穿堂风。当市郊温度相对较低的新鲜洁净的空气随着城市“穿堂风”导入城市，城市内的原空气与新鲜空气经湿热混合之后，在风压的作用下导出市区，从而形成城市大气循环的良性运转，并能有效缓解城市内部的热岛效应和静风问题。值得注意的是，城市本身并不是一个实体，通常认为，城市内部纵横交错的各级道路和街道同样也能作为城市风廊起到城市通风的作用。但通过计算机城市风场模拟分析可以发现：一般的城市道路和街道由于宽度不够、朝向不合理、下垫面阻碍较多、城市风速不够以及街道本身的温度较高，实际上难以达到为城市通风散热的目的[1]。因而，基于自然要素的城市通廊将是促进城市通风、缓解城市热岛的主要载体，本文探讨的城市绿地廊道正是其中的重要类型。图1建筑单体的穿堂风示意图图2建筑群体的金字塔效应图1.2利于城市通风的绿地廊道模式在城市规划设计中，城市绿地廊道的构建大多是从城市绿地系统本身或者景观环境营造的角度入手。而本文将从利于城市通风、缓解城市热岛的角度，结合风洞软件对通风效果的模拟，对常见的城市绿地廊道模式的合理性进行分析评判。同时，要利于城市通风，首先绿地廊道的主体方向应顺应城市的主导风向，本文对不同绿地廊道模式通风效果的校核，均以绿地廊道主体方向与风向平行这一较为理想模式为前提。①轴线式：绿地廊道与外围自然环境有效贯通，宽度较为规整统一，并以平直的方式贯穿城市（图3）。这种廊道界面统一，指向较为强烈，利于形成有序的景观轴线。通过风洞软件对其的通风效果进行校核可以发现，当绿地廊道顺应主导风向，会在平直廊道内形成较强烈的通风效果，但由于廊道形式的均等通畅，风会快速通过廊道导出城市，若无其他因素对廊道的通风进行干预，会使得对廊道周边区域通风效果反而不佳。（图4）②绿岛式：在城市内部形成带状绿地廊道，未与外围自然环境直接贯通，通常结合城市中心区，采用弧形等形式感强烈的几何形式（图5）。此种绿地廊道模式通常主要是出于营造城市景观的考量，以此作为城市中心的景观标志。集中的形式化的中心绿地在空间上也许能较好地形成景图3轴线式廊道图4轴线式廊道的风环境表现图5绿岛式廊道图6绿岛式廊道风环境表现观核心，但通过风洞软件对其通风效果进行校核发现，若绿地廊道未能与外围的开放空间形成有效贯通，则无法直接迎受来自城市外围的新鲜自然风，只能通过道路等其他廊道间接承受相对少量风流，不利于区域通风。（图6）。③曲折式：由于城市自然地形或现状建设的限制，绿地廊道无法连续平直贯穿城市，但仍以曲折形态在总体方向上保持与外围自然环境的贯通联系（图7）。通过风洞软件对其通风效果进行校核发现，当主廊道的最终出口方向顺应主导风向时，自然风进入廊道后，会随着廊道的形态而改变风向，进入与主廊道相联系的各条小风道内。但稍微调整廊道形式重新进行模拟，我们也发现，在曲折的廊道中，一旦形成了三边闭合的空间，就会在该空间内形成静风区。因此，通过该模拟实验可以看出，贯穿城市的曲折式绿地廊道更有利于自然风在城市内部各个方向的流动，利于形成城市内部街区的通风，但前提条件是绿化廊道需要贯通城市，并且主廊道的最终出风口方向应顺应城市主导风向。（图8）因此，根据对不同模式绿地廊道的通风模拟演示结果，我们可以发现，利于城市通风，缓解城市热岛的绿地廊道通常应具备两个条件：一是方向性：绿地廊道应顺应本地区的主导风向，并且，根据实验研究显示，当风向与廊道风口呈一定夹角，具体为30°~60°时，“穿堂风”最为顺畅，且风速均匀[2]（图9）。同时，在保证廊道主体方向顺应主导风向的前提下，廊道形式的曲折会增加风在城市内部的流动。二是贯通性：城市绿地廊道应尽量与城市外围郊野绿地直接沟通，形成整体，并贯穿城市内部，避免在城市内部形成绿化孤岛。图7曲折式廊道图8曲折式廊道风环境表现图9风向与建筑夹角对风环境的影响根据以上结论，我们可对绿岛式绿地廊道进行修正，将绿岛两端廊道打通，与外围自然环境形成同一方向的直接联系。在此基础上还可进一步优化，在保证整体同一方向的前提下，增加绿地廊道与外围自然环境沟通的开口，并适当丰富廊道形式，以枝状绿地廊道与外围进行沟通联系（图10）。通过风洞软件再次进行模拟校核可以发现，经修正优化后的绿地廊道能较好地形成城市通风。（图11）2利于城市通风的绿地廊道体系形态在实际城市中，绿地廊道通常不是单一孤立存在的，而是由多条绿地廊道共同构成城市的绿地网络体系，绿地廊道之间不同的形态与相互关系也会影响到廊道体系对于城市的通风效果，因此，在实际的城市中，绿地廊道通风状态也会更为复杂。但通过对流体系统基本理论的巧妙运用，我们可以对城市绿地廊道体系形态进行适当优化，提高其对于城市的通风效率。2.1伯努利定律被称为“流体力学之父”的丹尼尔·伯努利于1726年提出了“伯努利定律”，该定律可简单概括为：在一个流体系统，如气流、水流中，流速越快，流体产生的压力就越小（图12）。而在流体系统中，压力差会引发流体流动。利用这些基本原理，对城市绿地廊道体系的形态进行适当调整，可有效提高城市通风效率，缓解城市内部热岛效应。图10绿岛式廊道的优化方案图11绿岛式廊道优化方案的风环境表现图12伯努利定律实验示意图2.2伯努利定律在城市绿地廊道体系通风中的运用在通常的规划设计中，往往会采用这种平行的直线型绿化廊道体系，这种布局会形成良好的城市景观界面，且利于建筑的规整布局。但从城市通风的角度来看，两条平行的直线廊道，不论其宽度是否相等，由于在廊道内的风速基本一致，廊道之间无法形成气压差，因而廊道之间的区域难以对流，易形成静风区，故而难以形成良好的城市内部通风。但基于伯努利定律的基本原理，我们可以对该绿化廊道体系的形态进行适当的优化：在同样的位置分别对两条绿地廊道进行缩窄和拓宽，通过错位变形的方法同步反向改变两条平行廊道的形态，从而改变绿地廊道内的风速，且使两条廊道内的风速在相同位置产生差异，以造成两条廊道之间的压力差，进而使得廊道之间形成通风对流。为了更为直观的检验两种廊道的通风效果，我们在风洞软件中构建了两种廊道的基本形态进行通风效果模拟。试验结果证明：在直线型平行廊道体系中，在自然风进入廊道的初始阶段，由于受到不同阻碍物的影响，进入两条廊道内的气流初始速度会略有不同，使得两条廊道之间局部区域会形成短暂的通风对流。但当空气流动达到平衡时，两条廊道的风速也达到了一致，廊道之间的气压也达到了平衡，因此廊道之间的区域（即城市内部建设区域）无法形成空气的对流（图13）。在形态优化后的廊道体系中，在自然风进入廊道后，受到风口大小的变化，迅速形成了狭管管效应[3]。风口大的廊道风速减小，气压增大；风口小的廊道风速增大，气压减小。由于两条平行廊道在相同位置风速发生变化，在对应的位置形成了气压差，从而使得自然风从高气压的风口较大区域流向另一廊道中低气压的风口较小区域，从而在廊道之间形成了有序的通风对流。（图14，图上红色代表风速较大，蓝色代表风速较低）由此可见，相对应变形的绿地廊道体系比统一直线型的绿地廊道体系更利于将外围自然图14优化后廊道体系的风环境表现图13直线型廊道体系的风环境表现风引入城市内部，更利于城市通风，改善城市微气候。3结语通过以上分析研究，可以认为：在城市中构建绿地廊道对于促进城市通风，缓解城市热岛效应具有十分积极的意义。但并非只是在城市内部简单设置绿地廊道就能对城市通风，缓解热岛起到良好作用。必须从绿地廊道相对于城市主导风向的方向性、与城市外围自然环境的贯通性，以及廊道与廊道之间的形态互动性等方面，结合城市现实进行综合统筹考量与设计，才能真正构建促进城市通风，缓解热岛效应的城市绿地廊道体系。注释1：参见：AhmadK，KhareM.Windtunnelsimulationstudiesondispersionaturbanstreetcanyonsandintersections-areview[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，2005，93(9)：697-7072：参见：BaruchGivoni，PassiveandLowEnergyCoolingofBuildings[M].NewYork：VanNosterandReinhold，1994：42-513：根据伯努利定律，平行流动的流体在运动过程中，能量守恒。如果使流体的出口面积小于进口面积，则出口的流动速度大于进口速度，反之亦然。这种狭管形态对流体的影响，被称为“狭管效应”参考文献1AhmadK，KhareM.Windtunnelsimulationstudiesondispersionaturbanstreetcanyonsandintersections-areview[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，2005，93(9)：697-7072BaruchGivoni，Pass