寒地气候环境下辽东湾新区金帛岛空间形态评价与优化

黄木梓 | Huang Muzi

张伶伶 | Zhang Lingling

李雯霏 | Li Wenfei

金帛岛位于辽东湾新区的最南端，北临金帛湾，东以大辽河为边界，南、西紧邻渤海湾。规划区总面积929.07hm2。通过填海造地打造了新的城市空间格局。核心区以滨海旅游、商务办公、会展、疗养度假功能为主，充分依托滨海优势，打造高品质的新型海岛生态住区。

从宏观视角对辽东湾新区的气候环境特征进行分析，用2015年辽东湾新区Landsat-5 TM卫星影像作为核心的数据来源，从盘锦及营口气象局收集辽东湾新区的气温气象数据，通过基础因子的叠加方式，识别出辽东湾新区潜在的城市通风廊道，运用CFD模拟的方法对金帛岛城市风道格局进行验证与分析。

1 城市气候环境的模拟与分析

首先建立辽东湾新区金帛岛的三维空间模型，再验证该区域城市风道格局构建的合理性，并找出存在的问题与不足，分析金帛岛城市气候与城市空间形态要素分布的关联，形成对建筑群体空间的评价与优化。

1.1 城市三维空间模型的建立

建立辽东湾新区金帛岛的建筑群体、道路、水系三个层次的空间模型，并导入phoenics软件的运算区域内，在软件中添加大地面（earth）以及绿化下垫面（plant）两个层次，统一将绿化下垫面进行简化（图1）。

得到三个层次的空间模型后，在phoenics软件中将湿度运算选项添加进模型信息要素中，并且设置激活外部风环境条件及太阳辐射模型。城市热岛形成的主要原因是在原有城市内有大量的构筑物，如混凝土、柏油路面等，他们的热力属性改变了下垫面的热度，因为构筑物吸热快，而其表面温度明显高于自然下垫面。

通过之前做过的相关项目为研究依据，将金帛岛道路的换热系数（heat transfer coeff）设定为10w/m2，道路表面反射系数（emissivity）为0.8；建筑的换热系数（heat transfer coeff）设定为30w/m2，建筑物表面反射系数（emissivity）为0.9；草地表面反射系数（emissivity）为1.0；通常情况下，水体的温度比空气平均温度低5℃，所以设定水温（fixed temperature）为27℃[1]。

1.2 网格的划分与边界条件的设定

确定网格的范围，首先依托金帛岛的城市模型尺寸、高度等相关因子确定网格区域的体积和边界位置，城市整体模型的尺寸为7070m×3479m，最高的建筑高度为150m，需要考虑运算的精确度和计算机的运算效率，最终我们将金帛岛区域的网格空间范围设置为9000m×6000m×300m，区域整体number of cells的数值选取为300×200×50，最后我们将建筑群体的三维空间模型放置在计算域的中心区域；对模型内的网格进行加密，进而使运算结果达到最佳效果。

金帛岛位于营口市区西北侧，气候条件受营口影响较大，我们选取营口市气象站的观测数据，进行整理与总结，得出常年主导风向以及每个月的平均风速、平均最高温度等作为城市设计的依据。最后根据全年的气象数据进行分析，得出夏季和冬季的城市气候环境问题较为明显，故决定选取夏、冬两个具有代表性的季节进行温度、湿度、风环境等气候因子进行模拟。

（1）太阳辐射条件

金帛岛的夏季太阳辐射模拟采用的是营口市夏季月份的天气数据作为计算条件，最终得出地球表面直接太阳辐射为600W/m2（图2），同理冬季采用的是相应月份的天气数据作为太阳辐射的条件进行计算。

图2 太阳辐射条件的设定

（2）外部风环境参数

在模拟风环境因素的前期，我们需要先确定其初始风速和风向：①风速选取夏季和冬季的平均风速值，夏季：3.6m/s；冬季：3.8m/s。由于寒地城市需要对冬季抵风防寒给予更多的关注，所以我们选取冬季最大平均风速为4.4m/s，并增加了实验模拟的次数。②风向则是依据气象数据统计，选取两个季节的主导风向，夏季：SSW；冬季：NNE；依据金帛岛的气候条件，冬季岛外近海海域结冰，海陆风的影响我们可以忽略不计，所以侧重点考虑冬季风对其的影响。初始风速为3.8m/s，风向依据冬季盛行风，编辑输入NNE。夏季将月平均最高温度作为环境温度，流入口温度设定为32℃，初始风速为3.6m/s，风向依据夏季盛行风输入SSW，水体温度通常低于外界空气温度5℃，设定为27℃，内部相对湿度初始数值为80%。

1.3 气候环境要素模拟过程与结果分析

（1）气候环境要素模拟的过程

通过模型导入phoenics软件，进而设定流体力学相关条件要求以及迭代运算得出计算结果。计算完成后可以按照温度场、风场、湿度场分布状况、场域等级等进行分项的数值显示，可以依据数值大小用不同的颜色、模型高度来直观显示城市气候环境的状况。

①水平高度横截面的选取。为了创造更具舒适度的城市居民活动空间，相对湿度和环境风速的影响至关重要，而且不同高度的水平横截面其相对湿度和风速程度都是有所不同的，对模拟结果，我们选取的是与人体舒适感关联性较强的1.5m水平截面的相对湿度和风速作为研究的依据。

②冬季气候环境的模拟与分析。北方寒地地区冬季采暖所产生的污染物极易滞留在空气当中，使得冬季风速、风向对城市居民健康情况和人体舒适度两个方面影响极为强烈。所以金帛岛的气候环境模拟需要提前设定初始风速、风向、边界面等条件，最终得到金帛岛1.5m、9m和18m不同高度横截面的冬季风速分布信息。

在居住组团内部也存在较大面积的静风区域，这样的区域同样不适合居住，独立的点式高层出现了较大的风速区，冬季里寒冷地区过大的风速将造成热量的快速流失，所以独立的多层建筑的风场与点式高层互相作用，形成紊流区，并且产生较混乱的状态（图3）。缓解此类现象，应在高层建筑附近种植防风的植被区域，在风速过高的区域内减少建筑物、构筑物的建设。

图3 高层建筑周边风的紊流区

③夏季气候环境的模拟与分析。通过模型观测夏季不同界面高度的风速云图，可以得出绿网、水网、主要道路网构成的通风廊道系统是确保外围空气与组团内部的空气流通的基础，同时还能够促进通风效率。

（2）结果分析

金帛岛居住片区的总体风环境较好，但是在少数建筑围合度较大的组团空间内部出现了V=0m/s的静风区（图4），这些区域在夏季不利于热空气的流通，应当改变建筑群体布局的角度，使得静风区域减少。

图4 居住组团内部静风面积较大区域

2 商业建筑群体空间环境的改善

2.1 设置商业片区的风道系统

由于辽东湾水系空间充足，形态自由灵活，围绕金帛岛滨水景观岸线布置商业综合片区以及岛内水系统可以设置多种建筑群体廊道空间，包括行列式建筑布局、密排建筑布局、点群式建筑布局以及围合式建筑布局。

在设计金帛岛商业建筑群体时，我们设置了建筑之间良好的通风廊道，这不仅要考虑水平方向上通风廊道的可能性，还应当将垂直方向上的通风廊道纳入设计范畴，通过对建筑高度的组合变化，形成多元化的建筑空间形式，有利于风场的调控变化。

通过软件我们得到金帛岛商业片区夏季1.5m的风速分布云图（图5），南侧建筑界面的空间连续性较低，建筑群的组合方式影响商业片区的局地环流情况，凉爽的西南风进入建筑群体空间，从夏季风和湿度的模拟结果，识别出3条主要风道，12条次要风道。

图5 金帛岛商业区夏季1.5m风速分布

冬季为了预防寒冷空气进入，我们通常会利用建筑物、构筑物达到一定的挡风效果，也能够防止紊乱的空气流场产生。所以，合理的自然通风系统能加强风速流动，同时还可以带走不利于居民生活的湿冷空气。

从金帛岛冬季的1.5m风速分布云图（图6）可以看出，北部建筑群体的空间界面连续性低，造成其挡风效果的弱化，几处点式高层的周边出现较大面积风速积聚区域。从冬季风环境模拟的结果来看，应当对其进风口、迎风面以及高层建筑的形式进行调整与优化。

图6 金帛岛商业区冬季1.5m风速分布

2.2 预留商业建筑间的引风口

预留和调整金帛岛滨水建筑引风口是改善街区总体风环境的基础，引风口能够引入均匀、合适的气流，对街区内部风环境舒适性有绝对性的意义。通过对金帛岛商业建筑群体空间的风环境模拟的结果进行分析，片区的风速还是存在不稳定的情况，主要是因为片区外围的建筑对盛行风向的阻挡作用还不够。因此应当对商业片区的城市设计方案及建筑单体形态进行优化设计，增加金帛岛商业片区的建筑密度，提高建筑基底的覆盖率。

通过以上研究及模拟，我们对方案进行调整，优化了进风口的数量和位置，并结合金帛岛夏季西南风、冬季东北风的盛行风向，增大了南向开口的尺度，提高开口的数量，减少北向引风口的面积，增加北部建筑界面的连续性（图7）。

图7 引风口的调整

3 居住片区建筑布局形式的选择

3.1 建筑群体布局形式的优化

局地气候会对建筑使用舒适度产生较大的影响，而建筑群体布局形式能在一定程度上对其利用和改善，如抵御恶劣天气危害、创造适宜的建筑小气候环境。在金帛岛建筑群体布局上，需要保证寒地建筑群体布局的特殊地域因素，即夏季需要有利于建筑群体间的通风与防晒，冬季则需争取日照的最大化模式。

（1）获取良好的日照

由于金帛岛位于寒地范围圈，冬季昼短夜长，良好的建筑朝向是能够获取较多阳光的先决条件。相关研究表明，在其他条件相同的情况下，南北朝向的要比东西朝向的建筑热耗低5%左右。朝向东南的建筑可以在清晨气温较低时接受阳光的照射，提升室内的温度，在气温较高的午后避免阳光直射[2]。

（2）户外热环境的提升

城市热环境是指在城市空间内客观存在的热场和人对热场主观感觉的总和。居民出行是离不开户外环境的，通过改善户外热气候环境质量，创造安全、舒适的户外空间环境，对于增加城市居民的社会交往和增强城市活力都具有十分重要的意义。

当前国内外研究中，热环境的评价标准大致可分成三类：①安全标准——不影响人的身体健康；人的热调节系统不失调，人体生理机制不损失或死亡；②工效标准——环境热状况影响人的敏感度，从而影响人从事体力劳动和脑力劳动的效率；③舒适标准——冷热湿度，热感觉舒适。在此区域内人体调节机能的应变最小[3]。

（3）空间风环境的改善

①促进通风的建筑布局。斜列式、错列式以及自由式的建筑布局形式是可以避免建筑相互挡风，使得风能更好地分散，较并列式、周边式而言更利于通风。斜列式与自由式可在一定的限制情况下，根据朝向、地形和地势等条件灵活布置；错列式则需要加大前后排建筑间距，对通风是有利的；周边式的布局形式总会使得部分建筑的前、后区域处于负压区，不利通风，同时总会存在部分东西向的建筑形式，不利夏季防晒；而采用并列式时，应使建筑与主导风向成一定角度布置，利于整体的系统通风。

②挡风作用的围合布局。在现实的城市规划设计中，围合式的建筑布局易产生大面积的静风区域，不利于区域内污染物扩散。我们对围合式的建筑空间进行模拟实验，通过软件的实验结果（图8）可以看出，不同高度的影响下庭院内部的空间均形成了一定的静风区，内部风场形成涡旋，缺乏与外界空气之间的流通。采用单一的围合式布局是不能够满足现代多样的城市空间气候环境需求，应针对寒冷地区的气候特殊性，逐步关注局部地段风环境的分析。

图8 围合式建筑1.5m、9m、18m风速分布

（4）“高低错落”的处理方式

在建筑群体空间布局中，避免建筑高度的不断升高，同时高层建筑的周边也会出现局部的高风速空间，应当通过建筑群体布局高度的调整、降低建筑高度等方式加以改进。

通过高度不同的建筑群体空间风速分布云图、风场图可以看出，建筑周围的静风区面积明显减少，前高后低的建筑布局形式，使得建筑之间未形成较大的旋涡区域，加快空气的交换流通，东西向形成了连续的通风廊道（图9）。

图9 高度变化的建筑群体风场

（5）高层建筑风场的优化

通过模型检测模拟发现，高层建筑周边易产生比较复杂的风环境，地面以及立面会产生具有一定危险性的高速风。通常情况下，两栋高度具有很大差异的相邻建筑都会产生比较明显的风效应。研究表明，由于高层建筑比周边环境高出许多，近地面风速也会随之急剧增大，建筑周边环境与风场相互影响，便会产生对居民生活以及建筑自身具有负面影响的恶性风流[4]。

在寒冷地区，恶性的风环境同样会降低人体户外活动的热舒适度，这是北方冬季居住区产生低质量户外活动空间的原因之一。实验模拟通过在高层建筑底部空间增设裙房的方法，能够极大地防止恶性风场的出现，缓冲过大风速对人体的影响。

3.2 建筑朝向的选择

金帛岛上建筑群体朝向的选择需要考虑通风及日照等因素，冬季天气寒冷，建筑需要获得充足的太阳辐射，同时避免冬季风的风速过大。这不仅是因为冬季来自北向的寒空气会对建筑热工环境产生不利的影响，还因为北向的居住空间较难获得足够的日照，所以建筑北向要尽量减少开口；在夏季，满足自然采光的前提下需要防止过多的太阳辐射带来的热量，充分结合自然通风的效果，利用金帛岛滨水区的湿热效应达到空气湿度的平衡。

基础信息建立完毕，再利用Ecotect软件的Weather Tool模块进行分析，对于建筑最佳朝向进行选择，输入该地区最热和最冷的月份，并对营口市（近金帛岛片区）全年气象数据进行编辑整理（图10）。

图10 逐时数据的编辑

通过模拟以及相关气象资料的整理与编辑，可知全年每个月份的太阳辐射量，金帛岛最热月份是6、7、8三个月份，最冷月份为12、1、2三个月份，同时根据全年过热期和过冷期内的太阳辐射情况计算金帛岛建筑最佳朝向，为设计提供依据。

3.3 建筑间距的控制

设计过程中建筑间距的确定需要综合考虑通风与日照的因素。首先，风对建筑间距产生的影响不可忽视，金帛岛四面环水，春季大风天气较多，冬季寒潮依然存在，良好的通风环境有利于将内部过多的湿气进行疏散，防止因天气寒冷、湿度过高而带来的不适反应。

太阳辐射也对建筑间距控制有较大的影响，1980年建设部规定：各地区可根据住宅建筑的布局形式，综合考虑分别确定房屋的间距。原则上，房屋的日照间距应当按照当地冬至日住宅底层日照不小于1个小时的要求来计算[5]。金帛岛地处寒冷地区，所以冬季的日照时间应当多一些，计算依据一般可以选在冬至日正午的太阳位置作为研究数据。

结语

本文首先通过CFD软件模拟的方法对辽东湾金帛岛内湿度、热、风等城市气候环境进行依次模拟，运用模拟结果，对城市气候环境的问题区域提出优化的策略。通过设置商业建筑群体的通风廊道体系、控制迎风面边界、预留引风口等设计方法改善商业建筑群体的空间环境；最后通过对城市居住片区多种空间组合形式的气候环境进行模拟，进而对建筑群体布局形式加以优化，控制建筑的朝向和间距；达到城市空间气候舒适性的目的，进而将金帛岛的建筑空间形态进行优化，并得出在寒地气候的影响下城市空间的基本策略。

资料来源：

文中所有图片均为作者自绘。