风环境导向的城市地块空间形态设计

1风环境导向的城市地块空间形态设计1——以同济大学建筑与城市规划学院地块为例叶钟楠1陈懿慧2(1.华东建筑设计研究院，上海200092；2.同济大学，上海200092)摘要：风环境影响着城市的舒适度、空气质量以及建筑能耗等诸多要素，城市风环境的优化是生态城市规划和建设必须考虑的问题。本文站在设计师的角度，从城市地块空间形态入手，首先建立了四项风环境评价指标，进而提出了优化风环境的五项空间手法，并在此基础上建立了基于风环境营造的地块空间形态设计思路，最后，本文通过同济大学建筑与城市规划学院地块的风环境优化模拟论证了通过空间手法来改善地块风环境的可行性。关键词：风环境，城市地块，空间形态设计1风环境对城市的影响1.1风环境与公共空间舒适度城市公共空间的局部风环境会影响室外活动者的感官，适宜的风速、风压使人感到舒适，不适宜的风速、风压则会造成不适，从而降低城市空间的品质。对于城市的广场、公园等重要的公共空间而言，不适宜的风环境将会降低空间的使用率。1.2风环境与城市空气质量城市中的汽车，建筑等均会产生的大量的气体污染物，这些污染物如果不能够迅速地扩散就会在局部地区形成高浓度的污染，严重降低局部地区的空气质量，并影响在该地区活动的人群的健康。而气体污染物的扩散依赖于空气的流动，只有在足够的风速条件下，污染物才能够及时扩散，得到稀释。如果在城市某一局部地区的风速很低，或者有涡流区，那么这一地区则很可能成为空气高污染区域。1.3风环境与建筑节能建筑能耗是城市能耗的重要组成部分，而在建筑的各种能耗中最主要的是制冷和和制热。建筑周边的风速过大会增加建筑的冷热负荷,表面放热系数增大,加重建筑能耗。在计算通过围护结构的得热量或热损失时,为确定壁体的总传热系数,需确定表面放热系数，而外表面放热系数的大小首先取决于风速。可见合理的风速将能够降低建筑的能耗，进而降低城市的能耗。2城市地块风环境描述指标设计2.1指标设计的意义城市地块的风环境是地块内各点风环境的总合，实际情况中，城市某一地块内各点的风向，风速可能各不相同，因此单纯的风速或者风向指标无法描述一个城市地块内的风环境情况。这种描述指标的缺失使得城市地块风环境难以评价1科技部“十一五”国家科技支撑计划重点项目“城市重大项目生态设计综合技术集成及应用示范”(项目编号2007BAC28B05)。城市规划与交通网和比较，因此本文尝试建立地块平均风速，静风区面积比，强风区面积比以及风速离散度四项指标来描述城市地块内部的风环境，以便评价地块风环境的优劣，并进一步开展风环境优化手段的研究。本文主要研究对公共空间品质影响较大的近地面风环境，因此选择距离地面1.5m处作为风速测速的基准高度，以确保所测得风速对地面人群有较大的影响。2.2地块平均风速指在给定的环境风速条件下，研究地块范围内1.5m高度平面上各点风速的平均值。地块的平均风速反映了城市地块内的总体风速快慢情况。由于城市地块内任意两点的风速不会完全相同，因此实测和风洞模拟的方法难以比较准确地计算出地块平均风速，而计算机数值模拟由于可以对计算单元进行无限细分，因此能够计算出最接近的地块平均风速值。2.3静风区面积比地块内部风速过小可能造成体感闷热，空气质量下降等问题，静风区指的是城市地块内，风速由于小于某一值而容易形成上述问题的区域。本文将风速小于1m/s的区域定义为静风区。静风区面积比指地块内静风区的面积与整个地块内的空间面积之比。2.4强风区面积比强风区指的是城市地块内，风速由于大于某一值而形成较不利风环境的区域，这种不利有可能是造成风灾，也有可能仅是使室外活动者略感不适。根据相关人体舒适度的研究，5m/s的风速已经能够对地面活动者产生轻微的影响，这种影响在冬季则更为明显，因此本文将风速大于5m/s的区域定义为强风区。强风区面积比指地块内强风区的面积与整个地块内的空间面积之比。2.5风速离散度城市地块内因为受到建筑布局的影响，可能在很小的范围内有较大的风速差异，这种差异会影响人的舒适度，也容易造成涡流，对地块的风环境造成负面影响，因此有必要把地块内的风速分布是否均匀亦即风速分布离散度也作为评价风环境的一项指标。在统计学中常用数据标准差来衡量一个数据集的离散程度，本实验也使用这一指标，采用地块内各级风速区面积比率的标准差来衡量地块风环境的离散度，离散度越小，说明风速分布越均匀，离散度越大，说明风速分布越不均匀，出现极端风环境和涡流区的可能性也就越大。3地块风环境优化的空间手法3.1体量转移体量转移是指在地块总建筑量和平面布局不变的条件下，将一部分建筑体转移至适当的位置，以降低建筑体量对地块风环境造成的影响，甚至将原有的负面影响转变为正面影响。由于大部分情况下不宜为了风环境的优化而对城市地块建筑开发量或平面布局进行较大的调整，因此体量转移可以说是在建筑总面积和平面布局不变的条件下，地块内建筑层高的重新分配，对于有高层建筑的地块，体量转移往往意味着高层建筑位置的转移。3.2裙房设计此处的裙房设计是指以风环境优化为目标，通过高层建筑底部裙房的形态设计，来对城市地块产生不同的围合效果，以改变地块的风环境。城市规划与交通网在城市地块的设计实践中，高层建筑的布局由于受到日照间距，建筑朝向，形象需求等各方面要素的限制而具有很大的局限性，但是相比而言，高层建筑的裙房层数低，功能综合，对日照的需求地，因此在形态布局上具有很大的灵活性。从城市地块风环境优化的角度来考虑，裙房布局的这种灵活性就可以方便地改变城市地块的边界开口率，从而达到影响地块风环境的效果。3.3底层架空在高大建筑或围合性较强的建筑群的背风面往往形成大面积的静风区，这些区域的实际情况往往不仅是风速过慢，还常伴随空气涡流。造成这些区域的原因主要是建筑物对环境风的阻挡，而将阻挡建筑的底层架空则能够十分显著地改变局部通风情况，优化风环境和空气质量。3.4防风设施在城市地块的空间形态设计中，除了利用建筑物来改变风环境之外，各种构筑物和设施也能够对局部地段的风环境起到一定的改善效果。除了专门设计的挡风板之外，各种读报栏，自行车停车棚，乃至变电箱，垃圾站等设施在位置上的合理布局以及在形式上的巧妙设计都能够使其起到改善地区局部风环境的作用，这些设施的作用虽然有限，但由于其方便灵活，可以兼具其他功能的优点，在城市地块的风环境优化上能起到很好的辅助作用。3.5绿化植被绿化植被是城市地块设计工作的一部分，从风环境控制和优化的角度来看，合理的绿化植被设计也能够对城市地块的风环境产生一定的影响。和防风设施一样，植被对风环境的影响只要体现在挡风作用上，并且效用有限，一般只作为辅助手段。不同的植物和种植方式对风的阻挡作用不同：一般而言高大乔木对地面风环境的影响较小，而高度在1.8米以上的绿篱对地面风环境的影响较大，因此运用绿化来改善局部地段风环境时也应注意植物种类的搭配。4.基于风环境营造的地块空间形态优化4.1地块简介同济大学建筑与城市规划学院地块位于同济大学四平路校区东北端，主要由七栋建筑构成，分别为：建筑与城市规划学院A楼，B楼，C楼，留学生楼，能源楼，汇文楼和同济建筑设计研究院办公楼。该地块内建筑的主导朝向为南偏西约15度，最高建筑高度约为40m，最低建筑高度约为6m，地块建筑间的公共空间面积约为28000m2，地块平面布局及具体空间形态如图4.1，图4.2所示。城市规划与交通网日上海市的气象数据作为实验条件，根据气象台数据，2010年3月17日上海市风向为南风，风力3~4级(约4~8m/s)，因此本次实验输入风向为正南风，风速条件为8m/s。4.2.2其它参数实验过程中的其它参数设置情况如下，地面粗糙系数：0.33。大气边界层厚度：300m。风速仪高度：10m。风场模拟方程：标准k-ε模型。计算区域大小：500m*500m*300m。计算网格类别：六边形网格。计算网格数量：约20万。顶面和侧面属性：对称壁面。数值模拟迭代次数：500次。4.3现状风环境模拟根据以上输入条件对地块现状空间形态下的风环境进行模拟，模拟过程和输出数据详见图4.3,图4.4，及表4.1,表4.2。图4.3地块现状空间形态下风环境模拟矢量图城市规划与交通网地块现状空间形态下风环境描述指标从模拟结果可知，在现状的空间形态条件下，地块的平均风速约为1.11m/s，静风区面积比为48.7%,强风区面积比为0%，风速离散度为0.15。由此可知，仅管输入环境风速达到较高的8m/s，但由于地块建筑的主要朝向与当天的风向接近垂直，因而对风的阻挡较严重，导致环境风在地块内部迅速减速，整个地块的平均风速较低，静风区面积比较高，空气流动性不太理想。4.4地块空间形态优化根据前文所述的风环境优化手法对建筑与城市规划学院地块的空间形态进行优化，考虑到地块风环境的主要问题是风速过小，空气流动较慢的问题，故主要针对适宜改动的建筑部分采用局部底层架空，局部体量转移和形态改造等手法，各种手法在地块内的运用详见图4.5。城市规划与交通网优化后地块风环境模拟采用相同的气象条件和模拟参数针对优化后的建筑与城市规划学院地块进行风环境数据模拟，模拟后地块内的平均风速为1.32m/s,静风区面积比为35.2%，强风区面积比为0%，风速离散度为0.14，具体模拟过程及输出数据详见图4.6，图4.7，和表4.3，表4.4。图4.6优化后地块空间形态下风环境模拟矢量图图4.7优化后地块空间形态下风环境数据云图城市规划与交通网模拟结果对比将优化前后的模拟数据进行比较可以看到，模拟后地块内的平均风速由原来的1.11m/s提高到了1.32m/s,静风区面积比由原来的48.7%降低到了35.2%，也就是说，地块内的空气流动速率加快了，而地块的风环境在一定程度上得到了优化。5结论城市地块风环境是构成地块小气候的重要要素，风环境不仅能够直接影响地面活动人群的感受，从而左右公共空间的品质，同时也能影响空气质量以及城市建筑能耗，在低碳生态城市的规划设计和建设中，应当把地块风环境作为一项不可忽略的指标进行控制。本文从城市规划设计的角度，探索通过改变空间形态来优化地块风环境的途径，建立了“空间形态设计—风环境模拟—风环境评价—空间手法运用—空间形态优化—风环境营造”的设计思路。而针对同济大学建筑与城市规划学院地块的风环境优化模拟则证明了通过体量转移，底层架空，裙房设计等空间手法来优化地块风环境是具有一定可行性的。城市规划与交通网——ACaseStudyOfCAUPArea,TongjiUniversityYEZhongnan1CHENYihui2(1.EastChinaArchitecturalDesignandResearchInstitute,上海20009China;2.TongjiUniversity,上海20009China)Abstract:WindEnvironmenthasinfluencesonthecomfort,airqualityandarchitecturalenergyconsumptionofcities,theoptimizationofurbanwindenvironmentisanimportantissueineco-cityplanningp