基于迎风面面积系数计算的鼓浪屿建成区风环境模拟

谢 嘉 宬

(厦门大学建筑与土木工程学院，福建 厦门 361000)

基于迎风面面积系数计算的鼓浪屿建成区风环境模拟

谢 嘉 宬

(厦门大学建筑与土木工程学院，福建 厦门 361000)

通过ArcGIS10.2与Rhinoceros 5软件的分析计算功能，选取鼓浪屿建成区建筑迎风面面积系数作为要素，模拟了鼓浪屿的风环境，并对风环境模拟图与通风廊道进行了分析，评价了该方法的适用范围以及鼓浪屿建成区环境。

迎风面面积系数，风环境，通风廊道，CFD

城市建成区会形成城市热岛效应，城市中心的气候温度会明显高于城郊。而城市建成区的高建筑密度是导致城市热岛效应的主要原因。低水平面的风速受到城市建筑迎风面面积的影响,风速的受阻导致城市气温的整体升高。

城市建成区的风环境模拟一直是风环境研究的一个重要研究方向[1-3]。从研究方法上看，微观尺度的风环境模拟多用到动态流体模型(CFD)，通过风环境模拟实验得出城市整体风环境[4,5]。然而，CFD在城市甚至在区域尺度的风环境模拟的应用往往受限于硬件条件，而基于一个简单的假设与ArcGIS的一些基本分析功能，可以对建成区环境进行风环境模拟分析。在风力模型中，通常的做法是对于风环境设计一些相关因素[6-10]。

本文基于迎风面面积系数(λf)作为比较不同建筑之间对于风环境影响的要素对案例地鼓浪屿进行建成环境的风环境模拟，对建成环境进行风环境评价。

1 研究区域

鼓浪屿作为厦门最老的社区之一，其社区功能衰退且逐步被旅游功能所替代，逐步变成了国内热门景区。出于建筑文化环境保护等原因，岛上建筑与厦门市内建筑有着明显差异。鼓浪屿岛上建筑密度高但建筑高度普遍低矮，其建成区建筑群体形态对于风环境也有独特的影响。

本文研究对象为鼓浪屿全岛，面积为1.2 km2。通过对鼓浪屿全岛的建筑进行风环境分析，可以比较岛上不同区域的通风能力，对建成区改善进行合理的建议。

2 方法

2.1 计算建筑迎风面面积系数

迎风面面积系数对建成区风环境的影响基于一个简单的假设，即某区域的建筑迎风面面积越大，那么该区域建筑对流动风的阻碍越大，则该建成区的通风能力越低；相反，若该区域的建筑迎风面面积越小，那么该区域建筑对流动风的阻碍越小，则该建成区的通风能力越大。如图1所示，迎风面面积系数(λf)是在迎风面方向上所有建筑迎风墙面的面积投影系数。Burian等用相似的方法评估了洛杉矶的风环境。Man Sing Wong同样使用这个方法得出了中国香港建成区的λf值。

其中，λf为迎风面面积系数；λface为区域内建筑在迎风面方向的投影总面积；λplane为地面面积。

本次研究数据来源于鼓浪屿的CAD建筑图层文件与建筑层数数据。为了统计区域内的迎风面面积，本文利用了Rhinoceros 5软件中的参数化编辑计算功能建模，在模型处建立了建筑迎风面墙体并计算其面积。在计算中，对上风向的建筑有遮挡住下风向建筑的墙体面积给予了删除，即最终得到的是建筑在迎风面的投影面积。

在计算迎风面面积时，用50 m×50 m的网格将建筑重新分组，分别计算迎风面面积，总共分成了1 640个网格。使用50 m×50 m的网格是因为在之前做的鼓浪屿旅游GPS分析是以该网格大小为基础分析游客旅游行为，可以在后期方便结合风环境分析游客行为。并且，为了更加精确的得出迎风面面积系数对风环境的影响，在计算时采取了8个不同的方向对每个网格进行计算，以8个系数的均值作为该网格内建筑迎风面面积系数(分别为东、西、南、北、东北、西北、西南、东南八个方向)。鼓浪屿是一个文化遗产保护区，岛上有各个功能分区，居住、商业、旅游等等各个分区。但是由于建筑高度普遍不高，各个类型区域的建筑高度并没有太大区别，所以对每个区域单独讨论所得到的结论差异并不明显，所以本文没有讨论各种分区建筑类型对风的影响。

2.2 最小成本路径分析

通过计算所得出的迎风面面积系数λf可以作为鼓浪屿内的风力阻抗，得出风在岛内流动的最小成本路径。λ值越小，则阻抗越小，代表着这条路径比别的路径拥有更强的通风能力。所以，该最小成本路径定义了风起点到终点的最小阻抗路径，并且这风应为接近地面的近地风。除了主要通风廊道，也可以得出许多小的廊道。而迎风面面积系数作为阻力被赋值于各个50 m×50 m网格之中，在网格之中计算最小成本路径。

3 基于λf 的风环境评价

如图2所示，鼓浪屿岛上迎风面面积系数λf的平均值为0.1，最高值为0.25。通风环境最好的区域为沿海区域，而通风环境最差的区域位于龙头路商业街区域与内厝澳居住区。如图3所示，通过最小成本路径分析得到风廊道分析图。厦门常年主导风向为西南风，以西南风为例，分析结果中一共得到了19条路径，这19条路径根据选择最小阻抗的原则聚集了4条主要风廊道穿过全岛。由北向南依次按A～D编号(见图3)。

1)在北部风廊道主要通过北部公园，避开了内厝澳片区的大片居住区。公园内建筑密度比较低，大多为小型的公共设施，对风的阻力比较小。该风廊道并没有穿越很多的建筑，而是避开建筑选择了自然风光区域。

2)廊道主要是从龙头路建筑群与内厝澳居住建筑群之间穿过。首先从滨海沙滩经过，然后穿越建筑群时经过了笔山公园，最后经过八卦楼区域到达东北角比较开阔的环岛步道上。可以发现该路线穿过了岛上的公园、开阔地带与低密度建筑。

3)该廊道以菽庄花园为起点，在经过日光岩脚下的比较低矮的建筑群之后，穿过运动场，到达天主堂附近后该风廊道的集中度变低，由数条小风廊道明显分散开来，以各自到终点的最近距离，沿着分散的道路抵达终点。

4)通风廊道沿着鼓浪屿岛南部沿海步道通行，经过英国领事馆，最终到达皓月园。

4 不足与总结

研究中未考虑地形对风环境的影响。鼓浪屿是个地形比较起伏的岛屿，包括日光岩等山体对风的阻碍作用比较明显；环岛水体对风的作用等等，本文并没有考虑地形对风环境的影响，只是将建筑迎风面作为单一的因素考虑建筑建成区对风的阻碍作用。

本文使用了迎风面面积系数λf对鼓浪屿全岛建筑区域建立了迎风面系数模型。根据分析结果显示，龙头路商业区域以及内厝澳片区内居住区的λf系数最高，通风条件不好；而沿着全岛环岛外围区域的λf系数则比较低，有比较良好的通风条件。

根据厦门夏季主导风向做了风廊道分析所示，从西南至东北形成了四条主要的通风走廊，四条通风走廊的共同特点是趋向通过建筑密度低或者建筑高度低的区域。A，D两条廊道趋向通过环岛步行道、沙滩、海边公园广场等比较开阔的区域；B廊道则在比较密集的区域中寻找到低建筑密度的绿地公园、广场，在较高建筑密度的商业区、居住区中寻找较小的阻抗的路线；而C廊道更趋向于一条比较开阔的步行道，廊道沿着道路通行。

[1] Baker L A,Brazel A J,SeloverN,et al.Urbanization and warming of Phoenix (Arizona,USA):Impacts,feedbacks and mitigation[J].Urban Ecosystems,2002,6(3):183-203.

[2] 刘辉志,姜瑜君,梁 彬,等.城市高大建筑群周围风环境研究[J].中国科学(地球科学),2005,35(A1):84-96.

[3] 吴凤林.城市建筑与风环境研究[J].实验流体力学,1988(3):17-21.

[4] 韦婷婷.基于CFD技术的城市气候模拟及气候适应性规划策略研究[D].长沙：中南大学,2010.

[5] 吴珍珍,鄢 涛,付祥钊.基于CFD模拟技术的深圳市城市风环境分析[A].中国建设工程质量论坛[C].2009.

[6] 刘春艳,彭兴黔,赵青春.沿海城市住宅小区风环境研究[J].福建建筑,2010(7):15-17.

[7] 王 晶.基于风环境的深圳市滨河街区建筑布局策略研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2012.

[8] 杨俊宴,张 涛,谭 瑛.城市风环境研究的技术演进及其评价体系整合[J].南方建筑,2014(3):31-38.

[9] Ren C,Ng E.An investigation into developing an urban climatic map for high density living-initial study in Hong Kong[J].Palenc,2007(8)：39.

[10] Man S W,Nichol J E,To P H,et al.A simple method for designation of urban ventilation corridors and its application to urban heat island analysis[J].Building & Environment,2010,45(8):1880-1889.

The wind environment simulation of Gulangyu Islet built up area based on windward area coefficient

Xie Jiacheng

(ArchitectureandCivilEngineeringSchool,XiamenUniversity,Xiamen361000,China)

Through the analysis and calculation function of ArcGIS10.2 and Rhinoceros 5 software, this paper selected the building windward area coefficient of Gulangyu Islet built up area as the elements, simulated the wind environment of Gulangyu Islet, and analyzed the wind environment simulation diagram and ventilation corridor, evaluated the application scope of the method and the Gulangyu Islet built up area environment.

windward area coefficient, wind environment, ventilation corridor, CFD

1009-6825(2017)01-0012-03

2016-10-20

谢嘉宬(1991- )，男，在读硕士

TU834.5

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