面向城市设计的行人高度城市风环境评价准则与方法*

石 邢 李艳霞 SHI Xing, LI Yanxia

面向城市设计的行人高度城市风环境评价准则与方法*

石 邢 李艳霞 SHI Xing, LI Yanxia

摘 要行人高度城市风环境是城市生态环境的重要组成部分之一，是绿色城市设计需要考虑的因素之一。在城市设计阶段进行科学合理的行人高度城市风环境评价具有重要的意义。尽管国际上已有多种行人高度城市风环境评价准则，但均不适用于城市设计阶段使用。通过对已有研究成果的分析，建立了基于城市空间分析的行人高度城市风环境评价准则和方法，综合考虑了机械舒适度、安全性、风速放大系数、行人对风环境的主观容忍程度等要素，并提出了处理风环境特有的随机性的办法。

关键词城市设计；风环境；评价；CFD

石邢, 李艳霞. 面向城市设计的行人高度城市风环境评价准则与方法[J]. 西部人居环境学刊, 2015, 30(05): 22-27.

0 引 言

城市设计是一门交叉的综合学科，涉及到许多与建成环境有关的专业，包括城市规划、景观、建筑、市政等[1]。伴随着全球可持续发展的浪潮，绿色城市设计的概念自1990年代后期开始逐渐被学术界认同。现代城市设计应在遵循经典的美学、经济和人文准则的基础上，增加“生态优先”和“整体优先”的设计准则，以求得温和渐进并具有某种自主优化和自我修正能力的可持续性城镇建筑环境的发展[2]。绿色城市设计基于生物气候条件，根据生态学原理，综合研究城市环境与生物气候条件的关系，并应用系统工程、环境工程和生态工程等现代科学和技术手段协调城镇建筑环境与自然关系[3]。

绿色城市设计的一大特点就是对城市生态环境的关注，而风环境则是城市生态环境的重要组成部分之一，直接影响着城市的诸多性能指标和宜居性，且同其他环境要素（例如热环境、污染物等）有密切的耦合关系。因此，在绿色城市设计中实现良好的城市风环境具有重要的意义，而这一工作的前提条件就是能够在城市设计中对风环境进行科学合理、切实可行的评价。

1 基本概念

1.1 风环境

风环境的意义似乎不言自明，但仔细推敲，仍然有必要区分若干看似类似却有重要区别的概念，包括：自然风环境、城市风环境、行人高度风环境等。

*十二五国家科技支撑计划课题资助项目（2012BAJ14B01）

石 邢： 城市与建筑遗产保护教育部重点实验室，东南大学建筑学院，教授，博士生导师，shixing_seu@163.com

李艳霞：东南大学建筑学院，硕士研究生

自然风环境是指在自然状态下由于空气流动形成的风场，其描述指标包括风速、风向、湍流度等。在地球诞生的早期，随着大气的形成，自然风环境就出现了，远早于人类和城市的出现。

城市风环境可以理解为城市空间（通常指城市外部空间而不包括建筑内部空间）里的、因城市存在而受到影响的自然风环境。城市风环境受到多重复杂因素的影响，包括城市里的建筑、下垫面、人为活动等。

行人高度风环境是指在行人高度的风环境，通常取距地面1.5m高为标准高度，可以理解为三维风环境在这一高度的两维切面。行人高度风环境在城市设计中备受关注，因为它直接决定着城市里的行人对风环境的感知。值得注意的是，不同的专业关注的风环境高度会不同。例如，结构专业在分析高层建筑受到的侧向风荷载时会关注距地面几十米乃至几百米高处的风速。面向城市设计的风环境评价主要是对行人高度的城市风环境进行评价。

1.2 城市风环境的重要性

城市风环境对于很多专业来说都有着重要的意义。建筑师、城市规划师、景观设计师、结构工程师等都从不同的角度关注和研究城市风环境。在建筑土木学科以外，气象学、环境科学等也把城市风环境作为研究对象之一。评价城市风环境应首先回答一个问题：城市风环境在哪些方面影响着城市？

对这一问题的回答应力求全面，城市风环境起码影响着下列城市的性能和品质。其中，前3项与行人高度城市风环境密切相关。

城市中行人的机械舒适度；

城市中行人的热舒适度；

城市通风及与之密切关联的污染物集聚和扩散；

城市中建筑的自然通风；

城市中建筑承受的风荷载；

其他城市生态和环境指标。

1.3 设计中评价和使用后评价

城市设计中对风环境的评价属于设计中评价。设计中评价（in-design evaluation）不同于使用后评价（post-occupancy evaluation）。Reizenstein和Zimring认为，使用后评价指的是使用者对设计和建成的环境之有效性的评价[4]。建成环境的使用后评价是一重要的研究方向，可被评价的指标多种多样，包括热环境[5]、能源消耗[6]、主观满意度[7]、绿色建筑的综合性能[8]等。国内也有学者对建成环境使用后评价进行了研究[9]。

设计中评价是在设计过程中对设计对象（建筑或城市）的功能和性能进行评价。显然，在设计过程中无法对这些功能或性能进行实际的测量，只能通过理论分析和计算获得相关数据用于评价。

设计中评价和使用后评价有以下几点重要的区别：

因为可以通过实地测量获得详尽的数据，使用后评价一般说来更加可靠。设计中评价的可靠性很大程度上取决于理论分析和计算的准确性。

设计中评价通常更加便捷。对建筑和城市的性能进行理论计算或模拟分析虽然比较复杂，但毕竟可以在相对较短的时间内完成。而现场测量需要使用仪器设备，开展传感器安装、数据采集、数据分析等工作，耗时较长。同时，使用后评价往往还会受制于现场的具体情况。

设计中评价对建筑和城市的最终品质能够产生更加直接和深远的影响。使用后评价尽管可靠，但由于评价时建成环境已是既成事实，发现的很多问题难以获得有效的更改。而设计中评价伴随设计的深化而推进，其目的就是指导设计的调整和优化，从而确保建筑或城市建成后的品质。

建立面向城市设计的行人高度风环境评价方法有一点值得注意，就是在少数离散点上评价风环境是不适合的。城市设计处理的是三维的连续空间，而城市风环境也是在三维的连续空间里不断变化的物理量。因此，合理的城市设计中风环境评价方法应该建立在空间分析的基础上。

2 研究动态——行人高度城市风环境评价准则综述

城市风环境评价的研究始自于20世纪70年代，以世界风工程开拓者Davenport教授为代表的一批学者陆续提出了多种行人高度城市风环境评价准则，例如：Davenport和Isyumov在1975年提出的评价准则[10]，Hunt等在1976年提出的评价准则[11]，Lawson在1978年提出的评价准则[12]，Lawson和Penwarden在1975年提出的评价准则[13]，Melbourne在1978年提出的评价准则[14]，Penwarden在1973年提出的评价准则[15]，Penwarden和Wise在1975年提出的评价准则[16]等。这些研究开启了世界范围内对行人高度城市风环境研究的重视，来自欧洲、北美和亚洲（主要是日本）的学者发表了一批相关的研究论文，其中尤以几篇比较性论文值得关注。

Ratcliff和Peterka比较了相关学者提出的5种不同的行人高度城市风环境舒适度或可接受性评价准则[17]。另一项重要的比较研究由欧洲科学与技术研究协会（Cooperation in the field of Science and Technical Research，简称COST）在2006年完成[18]。该研究覆盖了Ratcliff和Peterka比较过的5种行人高度城市风环境评价准则，还增加了欧洲四国（英国、法国、丹麦、荷兰）已执行的城市风环境评价标准。最新的一项比较研究由Blocken等发表于2013年[19]。这些比较研究的结论不尽相同，但有一点是统一的，就是不同的行人高度城市风环境评价准则在应用于复杂城市时往往会得到非常不一样的评价结果，即评价的一致性较差。

上述多种行人高度城市风环境评价准则都属于机械舒适度评价，因为它们考察的实际上是特定风速对行人造成的不同程度的影响，轻微的例如吹动衣角，严重的例如行走困难甚至吹倒体弱者。如前所述，行人高度城市风环境对城市生态有多重影响，因此单纯基于机械舒适度建立评价准则是不够全面的。例如，Ratcliff和 Peterka就指出，建立行人高度城市风环境评价准则时也应考虑冷风侵袭等造成的热舒适度问题[17]。Cote等认为，全面的行人高度城市风环境评价准则应包括风荷载、热舒适度、冷风侵袭等要素，并据此提出了一套相当复杂的理论模型[20]。

根据上述文献调研可以得到以下结论：（1）自20世纪70年代以来，国际学者就行人高度城市风环境评价展开了广泛的研究，提出了多种不同的评价准则，互相之间存在一定的差异。（2）大多数行人高度城市风环境评价准则只考虑行人的机械舒适度，包括其他要素的评价准则较少。（3）几乎所有行人高度城市风环境评价准则都建立在离散点分析的基础上，没有考虑连续的三维城市空间，不适合在城市设计中使用。

3 面向城市设计的行人高度城市风环境评价准则

3.1 以风环境评价为目标的城市空间类型划分

“空间”一词是城市和建筑研究领域的核心概念之一，Lefebvre对此进行了深入的哲学上的探讨[21]。就城市设计而言，空间通常指室外的、三维的、连续的物质空间。由于城市风环境随空间的变化而变化，因此面向城市设计的行人高度城市风环境评价准则必须基于空间分析。城市空间有不同的分类方法，站在风环境评价的视角，可以采用如表1所示的分类。

表1 用于建立行人高度城市风环境评价准则的一种城市空间分类方法Tab.1 an urban spatial categorization method for establishing urban wind environment at pedestrian level

3.2 行人高度城市风环境模拟分析

获得行人高度城市风环境数据有3种方法：理论计算、现场实测、风洞试验。在城市设计中评价风环境只能采用理论计算或风洞试验。风洞试验需要大型的城市环境风洞试验设施及非常专门化的试验技术，试验周期和投入都很大。从精确性和可靠性上说，风洞试验通常好于理论计算，因此常被用来校验理论计算结果的正确性[22]。理论计算通常采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）技术。CFD技术首先应用于机械工程和航空航天工程领域的相关研究和设计[23]，后来才进入城市设计领域。相比风洞试验，CFD模拟分析具有速度快、成本低、可视化程度高等优势。同时，CFD技术较为复杂，使用难度较高。因此，有专门的关于如何在城市环境研究中进行CFD模拟分析的技术导则或指南[24]。

在进行完CFD模拟分析后，通常的做法是截取行人高度（1.5m）的风环境进行分析。在1.5m高处的风环境截面上，可以计算确定两个重要的参数：空间平均风速Vavg和空间最大风速Vmax。Vmax指截面上出现的最大风速，Vavg可用方程（2）来计算，其中ai指第i个方向边界风所占的比例，Vj指第j个网格里的风速，n指截面上总网格数量。

3.3 城市风环境评价的随机性的处理方法

评价城市风环境首先需要处理的一个问题就是风的随机性。作为设计中评价，在城市设计时评价风环境需要预测城市实际建成后可能发生的情况，因此任何评价的结论都不可能是确定性的，具有随机性且需要使用概率的方法。大多数行人高度风环境机械舒适度评价准则都采用了概率的方法，其一般形式如方程（3）所示。

其中，V代表行人高度的实际风速，Vthresh代表预先定义的风速限值，Paccep是可接受的概率，P表示实际风速超过风速限值的概率。方程（3）的内在含义是要求实际风速超过预设风速限值的概率小于某一可接受的值，从而使得在大多数时间行人的机械舒适度可以得到保证。现有的评价准则在Vthresh和Paccep的取值上有所不同。例如，Lawson和Penwarden规定Paccep等于4%[13]，而Hunt等则使用10%作为Paccep的取值[11]。为了验证方程（3）的有效性，需要进行现场测试。但是在城市设计中进行行人高度风环境评价只能依靠CFD模拟分析获得风环境，因此如何基于CFD模拟分析考虑风环境评价的随机性就变成了一个关键的问题。对此，本文提出如下的方法。

首先，在使用CFD模拟分析获得行人高度城市风环境时，需要设定的关键参数之一是边界风速。为了考虑方程（3）中包含的随机性，可使用边界风速Va，并且确保在一年中实际风速超过Va的概率等于Paccep，如方程（4）所示。

这一方法的实质是把风环境评价内生的随机性前移，从而不再需要现场测量风速，而是通过选择合理边界风速进行CFD模拟分析来实现。站在城市设计的视角，方程（4）远比方程（3）实用有效。

3.4 机械舒适度评价准则

现有的行人高度城市风环境机械舒适度评价准则存在一定的差异，深入比较这些差异并确定最合理的准则超出了本文的研究范畴。为了提出面向城市设计的行人高度城市风环境评价准则和方法，可基于Soligo等建议的机械舒适度准则并进行适当修正[25]（表2）。表2所示的机械舒适度准则建立在对多个不同准则的综述和比较的基础上[10-14, 16]，而且与特定的行为状态关联，而这些行为状态又可以和表1中的城市空间类型建立起联系。使用的80%概率较为合理，因为Penwarden和Wise通过对开发商和建筑管理者的调研也确定了80%的取值[16]。值得注意的是，80%的取值具有一定的弹性，城市管理者可以根据当地经验和需求适当调高或调低这一取值[16]。

表2 基于Soligo等并进行了适当修正的、考虑了不同行为状态的行人高度城市风环境机械舒适度评价准则Tab.2 mechanical comfort evaluation criteria with modifications and consideration of urban wind environment at pedestrian level based on Soligo, etc.

3.5 安全性评价准则

极端条件下的高风速可以把行人吹倒而造成危险，大多数行人高度城市风环境评价标准都会考虑这一情况，设定一高风速的限值以避免危险。从概率角度来说，在建立安全性评价准则时，方程（4）里的Paccept应该取一个非常小的值。表3比较了5种不同的行人高度风环境安全性评价准则以及允许的发生概率。

在分析安全性时，CFD模拟分析的边界风速设定应该与分析机械舒适度时使用的边界风速有所不同。分析安全性的边界风速需要考虑阵风效应，即：由于随机性，在某一时刻的风速可能显著高于平均风速。在表3中，Lawson和Penwarden[13]使用2.68作为阵风系数来确定安全性风速阈值Ud。阵风系数可定义为3秒滚动平均风速与10分钟平均风速的比值[26]。使用这一系数，可以用方程（5）计算考虑阵风效应的边界风速。

其中，Vg代表阵风风速，Va是80%平均边界风速，g是阵风系数，σV是风速作为一个随机变量对应的标准方差。考虑安全性的行人高度城市风环境评价准则可以解释为：在一个给定的城市空间里，当考虑阵风效应的边界风速为4.56m/s时，最大风速超过23.7m/s的概率不应超过2%。

3.6 风速放大系数的评价准则

如前所述，一套合理的行人高度风环境评价体系应该考虑自然风环境和城市风环境的区别，因为这一区别反应了城市设计对自然环境的影响。风速放大系数可以反应这一影响，如方程（6-8）所示。

其中，AFi为在城市空间的第i个评价点上的风速放大系数；Vu,i为该点的行人高度城市风速；Vn,i为该点的行人高度自然风速，在大多数情况下，Vn,i可假定为与边界风速相等；AFavg为按照空间平均的放大系数；AFmax为空间里最大放大系数；k为在1.5m高处切面上的网格数。风速放大系数的这一定义与Blocken和Carmeliet提出的基本一致[27]，一点细微的差别是，Blocken和Carmeliet里使用气象站的风速统计数据，而本文使用的是在同一个评价点上的自然风速。Bottema把风速放大系数分解为两部分：与设计关联的部分和与自然地形关联的部分，理由是城市和地形的存在都会改变自然风环境[28]。

和其他评价准则一样，风速放大系数的评价准则也需要考虑空间上的变化。因此，对某一城市空间而言，可确定两个不同的风速放大系数，分别是按空间平均的放大系数AFavg和空间里最大的放大系数AFmax。按空间平均的放大系数反应了城市设计对自然风环境的总体影响，而空间里最大的放大系数则反映了城市设计导致风速升高的最不利情况。

风速放大系数可以通过风洞试验或理论模拟的方法进行研究，其值大小取决于许多因素，包括观察点、建筑形状和体量、开放空间的形式等。根据Blocken和Carmeliet的研究，建筑间狭缝的风速放大系数通常在1.4到1.6之间[27]。Blocken等采用CFD技术计算了荷兰爱丁霍温理工大学校园里的行人高度风环境，发现风速放大系数总体小于1.0[29]。综合文献报道的数值，按空间平均的风速放大系数的限值可取1.0，空间里最大放大系数的限值可取1.5。换言之，对于确定的某城市空间，按照整个空间平均的风速不应超过自然边界风速，而空间内部出现的最大风速不应超过自然边界风速的1.5倍。

表3 5种不同的行人高度城市风环境安全性评价准则境机械舒适度评价准则Tab.3 five different safety evaluation criteria for urban wind environment at pedestrian level

3.7 容忍系数

人们在城市空间里活动时，有意识或无意识地对空间的环境品质有一个期待。在某些特定类型的空间里，这种期待水平会较高。例如，大多数人在公园里活动时，会期待一个较为安静的环境；反之，在街道上行走时能够容忍较大的噪音。这一规律同样适用于行人高度城市风环境评价。当人们在滨水空间活动时，一般会对高风速有较大的容忍度，这是由于他们知道滨水空间风速一般较高。此现象在建立行人高度城市风环境评价准则时不应被忽视，但少有研究涉及这一问题。本文提出容忍系数的概念考虑这一现象，表1中所示的8种不同城市空间的行人高度风环境容忍系数如表4所示，容忍程度按照“高”、“中”、“低”3个层级划分，分别对应1.2、1.0、0.8的容忍系数。需指出的是，表4中容忍系数的数值确定带有一定的主观性，未来可从行人对风环境的心理容忍度出发，开展更多更深入的研究。

表4 8种城市空间里行人对风环境的容忍度和对应的容忍系数Tab.4 pedestrian tolerance of wind environment and its corresponding tolerance coefficients in eight different urban spaces

表5 行人高度城市风环境评价准则涉及的风速限值、风速放大系数限值和容忍系数Tab.3 wind speed limits, wind speed amplification coefficients and tolerance coefficients related with evaluation criteria of urban wind environment at pedestrian level

4 评价流程

图1 城市设计阶段评价行人高度城市风环境的流程Fig.1 process of assessing urban wind environment at pedestrian level on the urban design stage

至此，面向城市设计的行人高度风环境评价体系的主要内容和准则已全部确定。所有的评价准则可归纳为方程（9-12），所有的限值归纳在表5里。在表5中，每一种空间类型对应一种主要活动类型。Um值可以通过计算不同行为对应的数值的平均值来确定（表2）。例如，如果某一空间类型里的主要活动为行走和站立，则Um值等于行走对应的5.0m/s和站立对应的3.9m/s的平均值，即4.45m/s。

当需要在城市设计阶段评价行人高度城市风环境时，可以遵循图1所示的评价流程进行。

5 结 语

城市风环境是城市生态环境的重要组成部分之一，在城市设计阶段对其进行评价具有重要的意义，评价结果可用于指导城市设计方案的调整和优化。面向城市设计的行人高度城市风环境评价准则和方法应兼具科学性和可操作性。

城市设计阶段的风环境评价本质上是设计中评价。评价应该基于对空间的分析，而不能仅仅建立在对离散点风速的考察上。因为风环境影响城市的诸多性能和品质，因此建立评价体系时应综合考虑多重因素。本文提出的评价准则和方法考虑了机械舒适度、安全性、风速放大效应以及行人对风环境的主观心理容忍度。尽管如此，仍有若干重要因素未能考虑，包括热舒适度、污染物扩散等，这些有待未来进一步研究。

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图表来源：

表1-5：作者绘制

图1：作者绘制

（编辑：刘志勇）

中图分类号TU982

文献标识码B

文 章 编 号2095-6304(2015)05-0022-06

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20150504

作者简介

收稿日期：2015-09-21

Evaluation Criteria and Methodology for Pedestrian-Level Wind Environment in Urban Design

Abstract:Urban wind environment at pedestrian level is one of the important components of a city’s ecological environment and should be considered in green urban design. It is important to be able to assess urban wind environment at pedestrian level on the urban design stage. Although numerous studies on wind comfort criteria are available, they are not suitable in urban design. Through a review of existing studies, this paper establishes the criteria and methodology to evaluate urban wind environment at pedestrian level based on spatial analysis. The proposed methodology considers mechanical comfort, safety, wind speed amplification factor and tolerance. It also suggests a means to treat the stochastic nature of wind.

Keywords:Urban Design; Wind Environment; Evaluation; CFD