合肥高密度住区建筑布局对通风效能的影响研究

■ 胡 春 HU Chun 王 薇 WANG Wei 夏斯涵 XIA Sihan

0 引言

近年来，伴随着我国经济的持续快速发展，城市住宅量同步快速增长，城市土地的有偿使用和住宅的商品化，使得高密度成为居住区发展的必然方向。高密度发展这把双刃剑，不但具有高效、经济和集约的优势，还引发了高密度住区风环境的人为因素变化，高密度住区风环境对人体舒适度、空气质量以及安全和能耗问题有直接影响。由于住区形态对住区内部风环境影响较大，而住区形态中布局要素与风环境有着紧密的关联性，因此，亟需研究不同布局形态对风环境的影响机制，同时，空间形态在项目建成后具有不可逆性，在规划设计阶段考虑其对风环境的影响显得尤为重要。

当前，许多学者针对建筑布局与住区风环境的关联性展开研究，主要有两个类型：①对高度概括的简单模块进行模拟分析[1-5]；②对具体的工程实例进行模拟分析[6-8]。以上研究都证实了建筑布局与风环境的关联性，第一种研究方式覆盖面广，对风环境特点的分析精准到位，但简单模型难以体现当前住区布局的复杂性；且模型关联一系列空间形态指标，各类形态指标交互影响，难以准确剖析具体某一因素如何对风环境产生影响。第二种研究方式针对性强，可以通过模拟分析优化实际项目，但难以深究不同布局类型的基本规律，缺少指导意义。

本文根据合肥市中心城区近五年的住区建设情况和相关文献调研，在满足相关国家规范的前提下，构建了8 种不同布局类型的典型模块，基于合肥市气象数据，进行CFD 模拟分析。8 个模块的空间形态指标被严格限定，通过量化研究分析，深入挖掘总体布局与风环境的关联性。

1 研究对象

1.1 合肥高层高密度住区发展现状

容积率是衡量住区密度的重要指标，根据《合肥市城市规划技术管理规定》，一环内高层住区容积率不超过4.0；一环外高层容积率不超过3.5。统计和分析“安居客”网站检索得出的近五年合肥中心城区新建住宅的各类数据：新建住区总数共计150 项。根据网站数据，对空间分布进行分析（图1），新建项目更多地分布于高新区、经开区和滨湖新区；对容积率进行分段分析（图2），新建项目主要为高层高密度住区的开发，且容积率在2.5～3.0 区间内的住区数量占比最高，是近五年来新开发住区的容积率主要分布区间。

图1 合肥近五年新建住区空间分布示意图

图2 研究样本容积率分段分析图

1.2 典型住区的选取

针对容积率在2.5～3.0 区间范围内的住区样本进行详细统计和分析，从中提取出具有代表意义的高层高密度住区布局的典型模式，总结为以下几项：从绿地形式上看，开敞空间较多，景观尺度较为均匀；从布局形式上看，主要有行列式、错列式和混合式；从建筑朝向上看，主要以正南向为主，兼有略偏东朝向。综合以上研究结果，可将住区风环境研究模型归纳为8 种布局类型（图3），分别为：周边开敞行列式、中部开敞行列式；行列式+左右错列、行列式+前后错列；斜列式、中部开敞错列式、左右错列式和前后错列式。

图3 合肥市典型住区布局模式图

1.3 典型模块的构建

为研究各布局类型的风环境变化规律，将8 种布局类型简化成为理想模块，如图4 所示。采用简化的住区肌理模块来研究布局对风环境的影响，具有较强的代表性和普遍意义，可以通过计算机模拟预先得到风场数据，从而对规划设计提供指导。

图4 典型住区模块图

考虑到未来城市化的发展趋势，同时，根据前期调研的统计，确定了研究对象高层高密度住区的容积率为3.0；典型住区模块的街区尺寸为180 m×160 m，街区尺寸控制在200 m 以下，有利于街区内居民的日常出行，也对邻里间的和睦具有直接作用；建筑统一进深为16 m，高度为60 m，建筑前后间距为40 m，满足《合肥市城市规划管理技术规定》的要求，侧向间距均满足高层之间防火要求。各模块的空间形态指标被严格限定，仅从总体布局视角分析与风环境的相关性影响，进而通过易于掌握的布局要点控制引导风环境，改善室外舒适度，减少能源消耗。

2 模拟条件设定

2.1 边界条件与计算域

本研究主要基于Fluent 软件模拟计算平台，进行风环境的风速和气流模拟。根据合肥气象数据，夏季盛行南风，平均风速2.9 m/s，冬季盛行东北风，平均风速2.39 m/s。对于住区研究主要针对居民室外活动场地的风环境情况，因此，显示均为1.5 m人行高度处的模拟结果。计算域选择以研究边界区域外扩4H的矩形范围，H为建筑物高度的最大值。

2.2 测点布置

为考察各个模块的风速，分别在8 个模块中设置了30 余个测点以记录不同室外空间位置的模拟数据，以模块1 为例，测点布置参见图5。测点主要分为三大类：①为反映住宅东西向间距室外空间的风环境特征，将测点布置于住宅侧向间距的中点，如测点1～6；②为反映住区中央开放空间的风环境状况，将测点布置在东西侧距与南北间距连线的交点，如测点7～14；③为模拟住宅南北间距室外空间的风环境舒适度，将测点放置于住宅南北间距的中部位置，如测点15～38。上述三类测点的模拟数据，基本可以表达住区外部空间风环境的分布状况，即以此为基础，量化分析风速，研究各模块的风环境状态。

图5 测点位置及编号示意图

2.3 评价标准

研究表明，人对于环境风速存在适应区，风速与人的感受之间较为具体的关系如表1 所示。

表1 风速与舒适度关系表

3 结果与分析

3.1 夏季风环境比较分析

对比8 个模块在1.5 m 高度处的风速和风压云图（图6、7），可以看出，不同布局形态下室外空间通风状况与主要风环境参数都存在显著差异（表2）。根据夏季对住区通风的需求，将模块分解为界面和内部，从进风和导风两个方面研究布局对风环境的影响，进风是对住区界面的处理，导风则是对住区内部开敞空间的探讨。

表2 夏季典型模块静风区面积比、风速数值统计表

图6 夏季室外风环境风速云图

3.1.1 各模块风环境典型性特征分析

在夏季主导风向的气候条件下，人行高度1.5 m 处，各模块中第一排建筑迎风面的正风压较高，前后表面压差值较大；两侧出现最大风速，风速值在3 m/s 以上；建筑背风面风速较小，有大面积静风区和涡旋；面宽较大的板式住宅风影区面积明显大于点式住宅，故点式住宅有利于夏季通风；而气流流经住区到达北部后风速骤减，所以，住区内北部空地的风速情况不如南部。

因气流入射角度为正南向，与建筑主要迎风面相互垂直，气流不能充分改善住宅南北间距空地的风环境。从气流走向看，宅间空地的风向分布规律性强，走向基本上与流经的建筑边缘一致，即南北间距处空地室外风向为东西方向，建筑侧向间距内的风向为南北向。各栋建筑迎风面角部是风速与风向的转换区，不仅风速在此处产生较大的数值差异，风向在此处也有明显转变。

3.1.2 各模块风环境差异性特征分析

各模块静风区面积比模块1 最高，模块8 其次，均超过地块面积的60%，而模块2 最低，为52.7%；8 个模块的平均风速与最高风速差异较小，均属于舒适风速区，其中，模块2 的平均风速略大于其他模块，为1.509 m/s，而模块6 最低；模块8的最高风速略高，模块4 最低。

行列式布局的两个模块中，模块1 的静风区面积比、平均风速两项指标都大于模块2，两个模块的进风界面宽度均为50 m，但模块1 将其分解为两个进风口，气流不能充分进入住区内部，这是导致二者风环境差异巨大的主要原因。可见，宽敞开阔的进风界面能够有效提高住区内部的通风舒适度，这对于行列式布局尤为重要。

模块3 和4 的布局较为类似，其中，模块4 的静风区面积、平均风速略大于模块3，总体上二者差异不大，这两种模块均构建了开敞的进风口以及宽阔的导风空地，导风空地犹如“呼吸器”一般，顺畅地将气流引入住区内部。这两个模块中，南部区域产生了较大面积的强负压，风压值＜-3Pa 的面积明显更大一些，风速在负压区内有明显的降低，在跨越建筑物一段距离后才得以恢复。

模块5 加大了建筑南北向之间的间距，弱化了风影区的影响，气流更加畅通，所以风环境条件较好；模块6 的中央导风空地虽然尺度小，但也有效地改善了中部围合区域的风速条件；模块7 和8 在建筑角隅部风压差值较大，形成强风区；模块7 中的气流被左右错列的建筑所阻挡，整体通风效果较差，后排区域部分建筑表面的压差值不足0.5 Pa，将会影响部分房间的室内通风；模块8 的进风口虽然宽阔，但整体布局紧凑，导风空地有限，气流受到明显干扰，削弱了自然通风的能力。

图7 夏季室外风环境风压云图

可以得出结论：在建筑布局方面，开阔的进风口是实现夏季自然通风的首要条件，间距大的进风口正压区能够吸纳更多的风量，能为实现畅通的住区内部风环境创造优渥的条件。开敞的内部空间决定了住区内部的导风效能，通过构建迎向主导风向、单方向且空间连续的廊道，引导气流进入住区；同时，加大建筑南北向间距，生成有效的导风空地，促进气流的流通。其中，通风廊道的导风效果较为显著。开阔的进风口和导风空地这两项要素对于改善住区内部夏季通风条件和微气候，具有十分重要的作用和意义。

3.2 冬季风环境比较分析

对比冬季与夏季的风速、风压云图，发现各模块两季的风环境状况截然相反，这也反映了夏热冬冷气候区节能设计的难度，“冬季采暖”和“夏季致凉”二者均需满足，偏废一项都意味着失败。8 个模块在1.5 m高度处的室外风环境有着显著的差异（图8、9），各模块的主要风环境参数见表3。

表3 冬季典型模块高风速区面积比及风速数值统计表

图8 冬季室外风环境风速云图

图9 冬季室外风环境风压云图

3.2.1 各模块风环境典型性特征分析

避免过高风速是合肥冬季风环境的规划目标。从各模块风速云图中可以看出，冬季主导风向为东北风，与建筑朝向成45°，寒冷的气流可以不受阻挡地进入住区内部，犹如脱缰的野马奔袭直入，所以，8 个模块中均出现风速大于5 m/s 的局地强风。这些强风区主要位于迎风界面处的建筑角隅部，给建筑围护结构造成较强的风压，增加了窗和墙的风渗漏，使室内环境采暖负荷加大[9]，并且会产生“风声呼啸”的噪音，影响居民的日常生活。

3.2.2 各模块风环境差异性特征分析

考察各模块的强风区面积比，其中，模块2 最大，达9.98%，模块6 最小，为5.69%；冬季静风区面积明显小于夏季，其中，模块7 最高，模块6 和模块3 次之，均超过20%；8 个模块的平均风速均属于舒适风速区，其中，模块8 最高，为2.581 m/ s，模块1 最低，为1.828 m/ s；各模块的最高风速差异不大，但均超过绿标中要求的5 m/ s。

模块1 和模块2 在东侧迎风界面处的布局一致，模块1 的北向界面连续封闭，有效阻挡了寒风的进入。模块2 位于北向迎风界面处，开口宽阔，中央开放绿地更是天然的导风廊道。因此，活动区域的强风区面积达2 400 m2，夏季的纳凉空地成为冬日里居民避之不及的场所。

模块3 的北侧迎风界面排布较为密集，建筑对风的遮挡大，有效减少了疾风区的出现。而模块4 中，北侧前后错列布局形成了宽阔的进风口，冷风可以毫无阻挡地进入住区内部，建筑迎风面与背风面风压差过大的部位较多。

模块5 东侧界面两列建筑虽能构成屏障，但因南北向间距较大，布局略显通透，故高风速区面积较大；模块6 的北侧界面进风口宽度较大，但前后两排建筑间距较小，合力成为屏障阻挡了大部分寒流，仅在建筑角部形成小面积强风区，东侧界面也是同理，故强风区面积最小；模块7 利用迎风界面处建筑布局的连续性，阻挡了部分寒流的侵入；模块8 由于进风口宽大，并且开口位置与主导风向配合不当，冷风毫无阻挡，疾风区面积最大。

可以得出结论：冬季阻风应充分考虑封闭寒流主导向，一是分解建筑群斑块，形成连续封闭的迎风界面，使住区达到避风节能的目的；二是控制半封闭迎风界面的开口方向和位置，使之与主导风向配合得当，避免造成局部范围内寒风的流速加剧，影响居民的室外活动。

4 相关性分析

4.1 形态因素的选取和量化

良好的住区风环境能够创造舒适的外部环境和低能耗的室内空间，若能在规划设计阶段通过引导性指标来控制住区空间形态，对于改善风环境有着重要的意义。根据上述对8 个模块风环境模拟结果的分析可知，夏季，住区布局的通风效能主要受迎风界面和导风空地的影响；冬季，布局的阻风效应主要受迎风界面的影响。反映在具体的空间形态指标上：迎风口平均高宽比、平均迎风面积比能够体现迎风界面的宽阔程度和建筑连续性；街谷平均长宽比可以描述气流在住区内部的流通程度；而天空开阔度和布局紧凑度能够展现住区形态的全局特征。因8 个模块的容积率、建筑密度和错落度均无差异，故不再讨论这三个指标与通风情况之间的关系。

相关指标的内涵解读如下：①迎风口平均高宽比：表征迎风界面的开阔程度，比值＜0.5 则宽阔，大于2则闭塞。②街谷平均长宽比：比值约为3 称短街谷，约为5 称中等街谷，约为7 称长街谷。③平均迎风面积比：衡量建筑对气流的阻挡，比值越小，阻挡越小，有利于通风。④平均天空开阔度：选用ArcGIS 平台的天际线分析工具计算，表征建筑因素的遮蔽影响；在计算单点天空开阔度的基础上，统计地块天空开阔度的平均值。⑤布局紧凑度：选用ArcGIS 平台的平均最近邻工具计算，表征建筑的聚集或离散程度。

以上5 项空间形态指标均能对住区的风环境造成影响，将数据进行标准化处理，转化为无量纲数值以便于分析比较，各模块空间形态指标量化见表4。

表4 空间形态指标量化表

4.2 形态因素与风环境参数的相关性分析

为筛选与住区风环境关系较为明显的形态因素，利用Pearson 相关性分析方法，将夏冬两季各模块1.5 m高度处风环境参数与空间形态指标进行分析。其中，风环境状况由静风区面积比、强风区面积比和平均风速等指标共同表征。

4.2.1 形态指标与夏季风环境的相关性分析

结果如表5 所示：夏季，平均天空开阔度、布局紧凑度是影响静风区面积比的主要因素，布局越紧凑，越不利于环境通风；平均迎风面积比、平均天空开阔度是影响平均风速的主要因素。其中，平均天空开阔度与表征风环境参数的两项指标都存在显著的相关性，说明住区内部越开阔，气流越畅通，所以，静风区面积越小，平均风速越高。其他形态指标没有通过显著性水平检验，因此，与风环境参数不具有相关性。相关性分析是基于8 个模块的环境参数和形态要素，存在着一定的局限性。

表5 夏季风环境参数与形态指标的相关性

分析286 个测点样本的风速与单点天空开阔度的相关性，从表6 中的数据可知，二者之间存在显著的正相关关系，即单点天空开阔度越高，风速越大。

4.2.2 形态指标与冬季风环境的相关性分析

结果如表7 所示：冬季，街谷平均长宽比、平均迎风面积比、平均天空开阔度三项指标是影响疾风区面积的主要因素，街谷越深，建筑对气流的阻挡越小，越容易形成疾风区；平均天空开阔度是影响地块平均风速的主要因素，迎风口越开阔，地块内风速越高。其中，平均天空开阔度与疾风区面积比、平均风速都存在显著的相关性，说明住区内部越开阔，出现高风速区的面积越大，平均风速越高。而其他形态指标没有通过显著性水平检验，因此，与风环境参数不具有相关性。对各测点风速与单点天空开阔度的分析如表6 所示，二者并无显著相关性。

表6 测点风速与天空开阔度的相关性

表7 冬季风环境参数与形态指标的相关性

根据以上分析，不同季节，住区空间形态因素影响风环境参数的程度不同。但天空开阔度这一指标在夏、冬两季，同时与多项风环境参数有着较强的显著相关性，说明可以将天空开阔度作为评估住区通风的引导性指标加以重视。在合肥地区的项目前期规划中，通过对天空开阔度的控制，能够达到改善夏季通风和冬季阻风的目的。

5 结语

合肥地处夏热冬冷地区，夏季炎热、冬季寒冷的气候特点十分明显，合肥地区的住区规划布局应综合考虑夏季通风散热和冬季阻风防寒。通过对以上8 种不同类型的居住模块通风模拟结果的比较分析，可以总结出以下结论：①夏季，进风和导风是改善住区风环境的重要因素。在建筑布局上，注重构建迎风界面处开阔的进风口和住区内部开敞的导风空地，其中，可采用单一方向、空间连续的廊道引导风向，或采用宽阔的南北向宅间空地作为导风空地。②冬季，封闭寒流主导向是冬季阻风的先决要素。一是形成连续封闭的迎风界面；二是控制半封闭迎风界面的开口方向和位置，与主导风向配合得当，避免寒风在住区内部流速加剧。③天空开阔度在本文设定的条件内与多项风环境参数相关性极强，可以将天空开阔度作为控制住区风环境的引导性指标。