风环境视野下杭州基座与毗邻式裙房布局分析

应小宇 ，梁孝鑫 ，李思源 ，杜诗祺 ，GRACE Ding

（1. 浙大城市学院工程分院，浙江 杭州 310015；2. 悉尼科技大学建筑环境学院，澳大利亚 悉尼 NSW2007）

在当前有限的土地资源条件下，高层建筑为主附加裙房的形式，因占地面积小利用率高，同时又可以带来较高的商业附加值，已成为了城市发展的必然趋势.

高层建筑同时也存在许多问题，日照间距和消防要求已成为规范的主要内容，得到了充分考虑，而高层建筑和裙房的连接方式对建筑群周围风环境的影响没有得到足够的重视[1]，由此带来的不良风环境比比皆是，冬季强冷空气使行人感到不适，多风季节引发危险[2-3]；夏季室外静风区闷热，不利于污染物和废气的消散. 因此，对于高层建筑不同裙房布局的风环境研究从人身安全角度和城市规划角度上都十分必要[4-6].

吴义章等[7]通过数值模拟方法对某高层建筑周围的行人高度风速场进行了计算，对行人在不同状态下的风环境舒适性作出了评价并提出了控制措施；Tsang等[8]通过风洞实验法从建筑规模、间距和裙房方面对高层建筑人行区域进行研究，得出裙房对风环境的影响有利有弊，但是对于需要自然通风的地区来讲是不利的，加裙房后整体风速降低，且裙房增大了不利风环境区域；Dye[9]通过风洞实验得出裙房的存在可以降低最不利点风速；王辉[10]对深圳前海三、四开发单元进行分析，得出开发单元风环境主要受到建筑朝向、建筑平面形式、建筑体量、建筑立面构成、沿街裙房立面细部要素的影响，讨论了不同裙房平面对风环境的影响，得出选取边角越光滑的裙房，对风环境影响越小.

总体来看，国内目前对于高层建筑裙房的研究多集中于有无裙房和裙房的荷载与振动上. 针对某一地块，结合当地法规、周边建筑、植被与地貌，探究裙房形体尺寸的改变及其与高层建筑主体的联结方式是否会对当地风环境造成影响的研究并不深入.

本文将分析杭州钱江新城高层建筑聚集区中的风环境问题. 选择风环境问题最突出的区域中某单体建筑为例，探究单一高层建筑裙房形体尺寸和主楼的连接方式对人行区域风环境的影响.

1 地区模型的建立与风环境模拟

1.1 实测过程

用地位于杭州市钱江新城，介于富春路和剧院路之间，北临丹桂街，南临新业路. 常年夏季风为西南风，冬季风为西北风. 通过对地块内日常天气风速数据的研究及实地问卷，发现夏季风环境问题在钱江新城四季路地块比较突出，局部风速过大，出现闷热静风区. 因此，选择夏季风向频率最高的典型日，安排8人分布在该地块内. 每人负责一个测点，采用Testo425风速仪同时记录室外行人高度（1.5 m）处的风速. 由于实际风速不稳定，因此每人每隔1 min记录一次，测量总时长为30 min，每个测点获取30个风速测量值.

1.2 模拟边界条件的设定

姚征等[11]对一些常见的CFD （computational fluid dynamics）通用软件作了介绍和比较，计算机数值模拟是基于AUTODESK CFD平台上开发的衍生软件，如Phoenis、Fluent和Airpak. 一般而言，对于常见的建筑（群）风环境模拟可以考虑采用Phoenics等软件提高模型建立的速度与效率，因此本文采用Phoenics进行模拟. 相比于实测法与风洞实验法，计算机数值模拟操作简便，结果精确直观，可以获得风压值、风速比等一系列分析数据. 近年来，计算机数值模拟技术越来越成熟，国内外众多学者通过计算机数值模拟法研究建筑周边风环境的状况，Hang等[12]在不同街道高宽比和建筑面积密度的条件下利用计算机数值模拟法和风洞试验法模拟了高层建筑风环境. Chan等[13]通过计算机数值模拟法探索街道建筑的形体尺寸对污染物扩散的影响.

初始风作如下设定：由于地表摩擦的作用，接近地表的风速随着离地高度的减小而降低；只有离地300 m以上的地方，风速才不受地表的影响，可以在大气梯度的作用下自由流动. 因此，来流面风速变化规律以指数率表示为

式中：V(z) 为任意高度z处的平均风速；VG为标准高度zG处的平均风速；α为地面粗糙度指数.

根据欧洲COST和日本AIJ关于建筑物周围人行风环境的CFD模拟实际应用指南[14-15]，再结合文献[16]，设定如下：

1）zG为400 m，该高度处VG为13.000 m/s，α为0.25，地面52 m以上湍流强度为12%.

2） 入口边界条件：调整计算域入口方向为浙江杭州夏季室外主导风向西南风向（SSW），入口风速参考杭州冬季室外10 m高度的平均基准风速2.500 m/s.

3） 出口边界条件：采用自由边界，静压为0.

4） 地面粗糙度设置：根据周边实际以及规划情况，地面粗糙度指数取0.35.

1.3 模拟区域大小与建筑网格划分

按实际三维尺寸建立模型，基地模型如图1.场地大小658 m（长） × 723 m（宽） × 250 m（高），建筑群位于模拟区域的中心位置，因此模拟区域大小为3250 m × 3160 m × 1500 m.

1.4 风环境评价标准

在真实室外环境中，通过风速绝对值大小来衡量建筑群布局是不合理的，因为不同布局的初始风速各不相同. 因此，现阶段通常用风速比来衡量建筑布局对风环境的影响程度. 风速比[17]为

式 中：Vs为测点风速；V0为初始风速.

图1 基地模型Fig. 1 Base model

Kubotaa等[18]研究表明：当某区域的风速比大于2.00时，行人会感觉风过于强烈；风速比小于0.50时，该区域内空气流动程度过低，不利于人的健康，且场地内不应出现涡旋以及无风区. 本文中风速比评价标准为0.50～2.00.

1.5 现场实测与Phoenics模拟结果

通过现场实测及Phoenics模拟对数值模拟模型结果进行验证. 在实地风速测量中，针对使用频次较高的行人通道选取有裙房建筑和无裙房建筑的入口处、建筑拐角处共8个实测点进行风速测量，得到现场实测数据如图2所示. 图中：测点1、3、4、5、7为拐角处，测点2、6、8为人行入口处.

图2 实际测量平均风速与离散程度Fig. 2 Actually measured average wind speed and dispersion degree

由图2可知：有裙房建筑周边风环境较无裙房建筑更为复杂，波动值却明显更小，说明裙房的遮挡使得周边无风区域增多（如测点1、2、3与测点4、5、6的对比）；而同为有裙房的建筑，周边风环境状况差异较大，风影区大小与长短也不同（如测点4、5与测点7、8的对比）. 该现象形成的原因可能是：底部裙房和建筑核心体之间的连接方式的不同；裙房规模尺寸的不同，如裙房与主楼的位置、裙房高度、裙房迎风面宽度、裙房进深[19-21]. 图3为Phoenics的模拟结果，可见模拟结果与现场实测数据相符. 将Phoenics模拟图中建筑背风侧风速急剧减小且风向发生偏转的区域定义为建筑风影区[22].

图3 原建筑风环境模拟Fig. 3 Wind environment simulation of original buildings

由于测点6西北侧高层建筑周边风环境变化显著且裙房平面较为规整，因此选择该建筑作为主要研究对象，来探究裙房形式对建筑周边人行高度处风环境的影响.

2 主楼与裙房连接方式的影响

建筑平面布局如图4所示：为便于研究将原建筑柱网统一为7.8 m × 7.8 m，保持主楼位置、尺寸与底部裙房面积基本不变，将原主楼与裙房的布局模式设定为基座式. 改变裙房与主楼的连接方式，形成分离模式与毗邻模式. 风向设定仍为夏季SSW，选择建筑入口、拐角处与人行区域共8个风环境较为复杂的测点作为研究对象，并进行模拟，模拟结果如图5所示.

3种平面布局风速比如图6所示. 整体风速比大小为基座式 < 分离式 < 毗邻式，曲线缓和程度为毗邻式 < 基座式 < 分离式. 基座式裙房周围整体风速均匀但平均风速比低，风影区最长，不利于夏季散热与污染物消散；分离式裙房对于降低建筑周边风速效果最明显，但周围风场最为复杂且风影区最大，易形成涡流区，不利于行人活动；毗邻式风影区小，风速均匀，利于提升风环境质量.

综上，对于杭州高层建筑密集地块，毗邻式裙房在一定程度上属于较优裙房方案，基座式为钱江新城地块最常见的裙房形式，故将对以上两种布局进一步研究，以供设计者优化当地风环境.

图4 3种形式建筑平面布局Fig. 4 Three types of layout plane of buildings

图5 3类风环境模拟Fig. 5 Three types of wind environment simulation diagram

图6 3种平面布局风速比Fig. 6 Wind speed ratio for three types of plane layouts

3 裙房不同参数对风环境的影响

原基座式裙房为5层，高24.0 m，迎风面宽度70.2 m，进深54.6 m，主楼高度141.0 m. 原毗邻式类房为5层，高24.0 m，迎风面方向宽度为70.8 m，进深46.8 m，主楼高度141.0 m.

3.1 裙房位置变化的影响

将裙房与主楼的位置关系分为中心式、偏心式、边缘式3种，原建筑类型属于中心式，现将裙房和主楼的位置关系作为单一变量，选用模拟对象柱跨，裙房往左、右各偏移1跨（7.8 m）分别形成偏心式1、偏心式2，同理左、右各偏移2跨（15.6 m）分别形成边缘式1、边缘式2，平面布局如图7所示. 经过Phoenics模拟，结果如图8所示.

由图8可知：当裙房由边缘式1偏移为边缘式2的过程中，毗邻式与基座式的风影区宽度由窄变宽，风影区长度由短变长，风影区形状向着裙房移动反方向扭曲，扭曲程度为毗邻式 > 基座式；建筑风影区宽度为边缘式1 < 偏心式1 < 中心式 < 偏心式2 <边缘式2；建筑风影区长度为边缘式1 < 偏心式1 <中心式 < 偏心式2 < 边缘式2；总体风速比毗邻式均优于基座式，曲线和缓程度为基座式 > 毗邻式；当裙房由边缘式1向边缘式2偏移，毗邻式和基座式的风速比大小均为边缘式1 > 偏心式1 > 中心式 > 偏心式2 > 边缘式2；毗邻式布局中边缘式1与偏心式1的风速比均在1.50左右，风环境满足舒适性需求，风环境得到了相应优化.

对于杭州高层建筑密集地块，不论是基座式裙房布局还是毗邻式裙房布局，裙房的偏移利于改善建筑周边风环境，风影区形状向着裙房移动反方向扭曲，扭曲程度为毗邻式 > 基座式. 在实际生活中考虑主楼与裙房的偏移关系时，应结合风环境进行考虑. 可选用与主楼合适的偏移关系，同时也要结合建筑周边人群使用的相应功能，将人群活动设施，如广场等布置在优化区，在负优化区种植绿化和植被，进一步解决由于风速比较低造成的空气不流通的问题.

图7 5种类型建筑平面布局Fig. 7 Five types of plane layout of buildings

图8 5种平面布局风速比Fig. 8 Wind speed ratio of five types of plane layouts

3.2 裙房高度变化的影响

根据调研结果，钱江新城地块高层办公楼裙房高度主要分布区间为2～5层，因此将裙房高度作为变量，选取9.6 m （2层）、14.4 m （3层）、19.2 m（4层）、24.0 m （5层）四种类型高度对基座式与毗邻式裙房建筑进行模拟，建筑布局如图9所示，经过Phoenics模拟，结果如图10所示.

由图10可知：随着裙房高度的增加，建筑风影区先变短后变长，风影区范围内风速较小区域增多，最小风速主要位于建筑背后风影区，建筑两边风速较大区域面积变大，长度变长.

通过模拟发现基座式裙房的高度变化对风速比影响不大，但基座式裙房布局与毗邻式普遍存在以下相同规律：随着层高增加，平均风速增大，当裙房层高为4层时，整体风环境状况较好；当裙房高度由3层变为4层时，测点1、5、8处的风速比有明显的差异，其余曲线之间差异均不明显.

图9 4类裙房高度建筑布局Fig. 9 Podium layouts with four types of heights

图10 4类高度布局风速比Fig. 10 Wind speed ratio of four types of heights

综上所述，杭州高层建筑密集地块裙房无论是基座式还是毗邻式，高度设计范围最好为15.0～20.0 m，该地区应尽量避免建造更高的裙房，这是由于裙房高度越高，产生的建筑风影区越大，导致风速降低，不利于污染物的扩散.

3.3 裙房迎风面宽度变化的影响

根据调研，钱江新城地块建筑裙房迎风面宽度主要集中在40.0～70.0 m，故将迎风面宽度作为单一变量，原基座式与毗邻式裙房为9跨（70.2 m），两边各偏移一跨，选用模拟对象柱跨，选取5跨（39.0 m）、7跨（54.6 m）建模并模拟，平面布局如图11所示，经过Phoenics模拟，结果如图12所示.

由图12可知：随着裙房迎风面宽度的增加，基座式裙房风影区长宽变化不大，毗邻式裙房建筑风影区的长度与宽度随着跨数的增加先增大后变小；基座式和毗邻式整体平均风速比均为7跨 < 5跨 <9跨；当裙房迎风面宽度为9跨时，裙房周围的风环境较好，风速得到提升，风环境状况良好；对于风速比增大程度，基座式裙房差异不大，而毗邻式裙房当裙房迎风面宽度增大时，拐角处风速变化高于人行区域风速变化，且迎风面拐角处风速变化 < 背风面拐角处风速变化.

图11 3种宽度建筑平面布局Fig. 11 Plane layouts with three types of windward side widths

图12 3种迎风面宽度风速比Fig. 12 Wind speed ratio with three types of windward side widths

3.4 裙房迎风面进深变化的影响

钱江新城地块建筑裙房进深主要集中在40.0～70.0 m，故将裙房迎风面进深作为单一变量，选用模拟对象柱跨，选取5跨（39.0 m）、6跨（46.8 m）、7跨（54.6 m）、8跨（62.4 m）、9跨（70.2 m）对基座式与毗邻式裙房建模并模拟，平面布局如图13所示，经过Phoenics模拟，结果如图14所示.

由图14可以发现：基座式与毗邻式的建筑风影区由长变短，风影区宽度基本保持不变；建筑两侧风速较大区域随着裙房迎风面进深长度增加先增后减；基座式整体平均风速比5跨 < 9跨 < 6跨 < 8跨 <7跨；毗邻式整体风速比5跨 < 9跨 < 8跨 < 6跨 <7跨；随着裙房迎风面进深增加，基座式与毗邻式的风速比增大程度均为先增长后减小，在7跨时达到最大.

对于杭州高层建筑密集地块，当裙房迎风面进深长度在50.0、60.0 m时，最大风速比可达到1.98，且局部也不出现无风区，风环境状况良好.

图13 5种进深建筑平面布局Fig. 13 Plane layouts with five types of windward side depths

图14 5种进深风速比Fig. 14 Wind speed ratio with five types of windward side depths

4 结束语

通过对杭州高层建筑密集地块常见的基座式与毗邻式裙房进行深入分析，对比在行人高度（1.5 m）处的风速比和测点周围的风环境分布情况，改变裙房的位置、高度、迎风面宽度、进深，得出两种裙房类型对于风环境影响的普遍规律. 该规律适用于杭州高层建筑密集地块的基座式与毗邻式裙房，主楼高度为110.0～160.0 m，为裙房高度为10.0～24.0 m，迎风面宽度为40.0～70.0 m，迎风面进深为40.0～70.0 m. 具体如下：

1） 基座式裙房周围整体风速均匀但平均风速较低，风影区最长，不利于夏季散热与污染物消散；毗邻式裙房风影区小，整体风速均匀，利于提升当地风环境质量. 在杭州高层建筑密集地块进行高层办公建筑裙房设计时，毗邻式裙房布局优于基座式.

2） 裙房的偏移有利于提升建筑周边风环境质量，实际考虑裙房与主楼位置关系时，应慎重考虑当地建筑群布置，并结合周边环境与人群使用情况布置，结合风环境选用与主楼合适的偏移关系.

3） 杭州高层建筑密集地块的裙房高度设计范围最好是15.0～20.0 m之间，该地区应尽量避免建造更高的裙房，这是由于随着裙房高度增加，风影区的面积也随之增大，不利于空气的流动和污染物消散.

4） 杭州高层建筑密集地块的迎风面宽度设计范围为70.0 m左右时，裙房周围风环境较好；裙房迎风面进深长度在50.0～60.0 m时，风环境状况最好. 今后设计高层建筑时，设计者可通过改变裙房的位置，高度，迎风面宽度与进深来改善高层建筑人行区域风环境.

本文只考虑了当前地块的夏季风环境的情况，缺乏对秋冬季节的研究；本文只重点分析了基座式裙房与毗邻式裙房的影响因素，未对分离式进行深入研究；本文虽然解决了杭州地区高层建筑密集地块的风环境优化问题，但仍较有局限性，设计者需要应用本文的研究思路与分析方法，重新进行模拟；同时本文对风环境影响因素的研究也有一定局限性，未考虑裙房细部如开口、檐口、立面的研究，

致谢：浙大城市学院扈军老师提供了专业的软件指导.