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城市风环境研究论文

 论文栏目:环境研究论文     更新时间:2014-8-17 9:23:33   

1城市风环境研究内容

1.1城市风环境相关概念

城市环境中的自然风是指在城市环境中基于城市环境风压差及热压差所产生的非机械式通风,在空间地域的分布状态就称为风环境或风场。城市风环境所研究的区域,在垂直方向上主要处于城市大气分层的对流层,其中又可划分出高空风场(城市覆盖层以上的风场)、城市冠层风场(从地表到建筑物屋顶面范围的风场)和城市近地层风场(城市覆盖层以内、与地面紧邻的大气层)三个不同的层次。城市风环境研究的平面层次和尺度不同,其所研究的核心内容和在垂直方向上的研究区段也有较大的差异,一般地域和城市尺度的大尺度城市风环境研究主要集中于高空风场和城市冠层风场,来研究城市下垫面性质与形态对城市局地风环境的影响,以此来形成宏观的城市规划引导与设计工具,诸如城市气候图、城市气候规划建议图、城市通风道以及城市污染扩散等的相关研究,同时也有如冯娴慧、魏清泉等人通过实测对广州城市尺度的近地风场研究;城市局部和街区尺度的中尺度城市风环境以及建筑尺度的小尺度城市风环境则主要偏重于城市近地层风场,近地风环境状况与城市建成区范围、城市布局、城市空间形态、建筑高度与密度、开敞空间面积以及分布状况等因素均相关,人呼吸以及可感知的高度也都在近地层内,因此多数的城市风环境研究都集中于这一层次内。

1.2城市风环境的研究方向

目前城市风环境的研究除建筑单体风环境的研究以外,在城市规划方向大致可以分为四个层面关系,即风环境与城市空间形态、与城市热岛效应、与城市空气污染以及与城市公共空间。

1.2.1风环境与城市空间形态

在城市空间形态层面,风环境研究首先是从风环境良好的建筑布局研究入手,逐步扩大到住区气场与风环境的问题,重视住宅布局的顺气,从风循环流动的角度来解释人的居住环境的舒适性,从住区布局模式和空间关系出发来研究风环境良好的住区室内外空间模式;随着城市高层建筑建设的兴起,高层建筑以及高大建筑群显著的改变了城市近地面层风环境结构,建筑高度和体量造成下风向建筑处于其风影区、建筑底部空间风环境复杂化、形成狭管效应导致局部风速过大过强等不利影响,因此进一步关注研究城市高层建筑群风环境状况,提出高层建筑布局模式以及风环境改善的设计策略;扩大到城市街区层峡——城市建成环境中最为重要的城市活动场所和行为空间之一,其风环境表现出屋顶上主导气流趋使下的次级环流的特征,并且次级环流受到街道的走向和几何形的强烈影响,研究探讨不同风向、不同高宽比、不同疏密程度下街道的风环境状况。

1.2.2风环境与城市热岛效应

在城市热岛效应层面,很多地区城市夏季炎热的气候条件,加之人工气候调节方式耗费能源所产生的热量加剧形成城市热岛效应,增加了环境、气候变化的脆弱性,使不少城市难以达到宜居环境的标准。对此针对研究的城市风环境则通过合理建设城市风道将郊区新鲜凉爽的空气引入城区并激发城市内部的局地环流,促进城市通风、缓解城市热污染。

1.2.3风环境与城市空气污染

在城市空气污染层面,城市雾霾越来越成为我国大多数城市环境中亟待研究与解决的问题。城市雾霾的形成不仅仅是城市生活生产、汽车尾气排放等污染源单方面所导致的,同时城市静风、无风以及涡流等风环境问题也导致污染物不能够迅速地扩散,形成高浓度的污染,严重影响局部地区的空间质量,影响人们的日常生活与身心健康。通过建筑形态、开敞空间的控制,形成城市内部的通风透气,改善城市风环境,逐步消减城市空气污染。该层面的风环境主要研究的是城市街谷的空气污染物扩散的机制以及影响污染物扩散及分布的街谷形态、街道植被、交通形态等影响因子。

1.2.4风环境与城市公共空间

在城市公共空间层面,城市公共空间的局部风环境会影响人们的风舒适性与热舒适性,适宜的风速、风压使人感到舒适,同时能够降低夏季炎热引起的不适,而不适宜的风速、风压则会造成不适、甚至危险,从而降低公共空间的环境品质,降低其使用率。另一方面,利用公共开敞空间的连通来构建城市的通风廊道,形成不同区域的有利的局地环流。将绿地空间过滤空气、缓减高温的作用与风稀释污染、疏散热量的作用结合起来,可以使两者改善城市微气候的生态作用得到最大限度的发挥,合理引导城市绿地的空间分布,结合风环境使有限的绿地面积能发挥最大的生态效应。

2城市风环境研究的技术演进的主要阶段

城市风环境的分析技术源于对城市气候的研究。最早于1807年,英国化学家LukeHoward对伦敦城市热岛效应进行了观测研究,之后世界上许多国家陆续开始了城市气候的研究。至今,在建筑与城市规划领域,越来越重视对城市微气候的评价,已经发展到研究城市微气候的各个因素,通过实测或者利用计算机进行数值模拟和数学建模分析,与研究与实际设计工作紧密联系。从城市风环境研究方法的角度来看,其技术演进大致可以分为实地测试、物理模拟以及计算机数值模拟三个阶段。这三个阶段在时间维度上并没有形成明显的技术断代,主要是由于世界各地开始城市风环境研究的年代存在差异,同时各方法在不同尺度上以及不同研究内容中应用的便捷性与实用性也不同,三种研究方法在现今的研究当中均都有所体现。

2.1实地测试法

城市风环境的实地测试始于对城市热岛效应的研究。1930年代,欧洲的研究者们通过观测发现了城市夜间存在由市郊向市中心辐合的风场,该风场即为热岛环流。此后一直到1950年代,欧美国家都广泛采用移动观测技术来描述城市风、温的状况,得出了城市热岛的空间分布图。随着对单独的城市风环境特性研究的展开,1970年代开始逐渐将实地测试法应用到单体建筑及建筑群风环境特征的研究当中。其中较早的是,1975年WirenBG对连接两个单体建筑的过道中心线上的平均风速的实测研究,该研究还停留在简单形体和简单排列的基础阶段。接着,1985年StathopoulosT等人对不同高度和不同风向下的建筑物过道的风速进行了实测研究,通过分析发现了其风场的湍流分布特征。1986年,ShuzoM等人为了评估东京市区某高层建筑周围的风环境状况,在其建筑周围布置观测点,并长期监测其风环境状况,对高层建筑的周边风场特征进行了基本研究。1995年,To和Lam通过设置在建筑物行人高度处的光纤探针来得到了水平风速和风向角的记录,对不同风向下,成排高层建筑物周边行人高度处的风环境进行了评估。2008年日本学者TetsuK、MasaoM,YoshihideT等则进一步研究了住宅小区建筑密度、布局与其风速的相关关系,以日本的22个不同密度、容积率的住宅区为研究案例,对16个风向下行人高度处的风速进行采集,利用风速比和风频分布图,比较了低层、多层、高层住区的风环境的差异。由于城市风环境因受气象条件和实际地理环境影响而很难控制,容易受到监测技术手段的限制,而且长期观测数据具有一定的困难,因此很难应用到更大规模的城市风环境研究当中,因而现今城市风环境研究中往往把实地测试法测得的风速资料作为实际研究中风环境参数的参考,对其他模拟分析进行校正和比对。

2.2物理模拟法

城市风环境的物理模拟法主要是指边界层风洞实验方法,结合常规气象资料来模拟研究城市风环境。其测量方法主要可以分为两种,一为“点”的测量,即对实验对象的模拟流场特性进行逐点测量、分析;二为“面”的测量,即对模拟流场的分布特征提供整体性和连续性信息。前者主要通过压力探针和全向风速计测量,后者则通过油纹红外线热感应图像以及刷蚀技术来描绘相对风速大小的区域和轮廓。从1960年代起,风洞实验逐渐被引入到城市风环境的研究当中,使得对建筑周边气流运动的准确模拟成为可能,为风环境的研究提供了新的技术方法,陆续得到了广泛的应用。在建筑布局对风环境影响当中,1971年,日本学者IshizakiH等利用风洞实验对不同布局模式下的相邻建筑周边的风场进行了模拟研究。高层建筑周边风环境研究里,1999年,中国空气动力研究与发展中心的李会知利用风洞实验研究了16个来流风向下某高层建筑建成前后周围的风环境,并结合当地的气象风速资料,分析了建筑周围26个位置的行人高度风环境在坐、站、行三种情况下的舒适性状况;2010年同济大学的关吉平通过分析风洞试验数据,对上海浦东一拟建大楼周边的行人高度风环境进行了评估研究。在城市风环境研究当中,WhiteBR于1992年通过风洞实验对旧金山人行高度处风环境进行了模拟研究,证明了风洞实验在城市尺度上风环境研究的可能性。同时在1986年英国伦敦的CanaryWharf城市开发项目,1990年的加拿大安大略省城市开发项目,以及2004年北京大学王宝民采用风洞刷蚀技术对北京商务中心区行人风环境的研究当中风洞实验都有较好的应用。

2.3计算机数值模拟法

风洞实验的物理风环境模拟之后,建筑空间动力学进而被广泛的应用于室外风环境的研究当中,伴随着计算机数值计算技术的进步,利用计算机和流体动力学方程来对建筑物周边的风场进行数值求解,模拟出建筑物周边真实的风场,并通过可视化技术形成易于读取的风场分布图,该计算机数值模拟法简称为CFD(ComputationalFluidDynamics),即计算流体动力学。其强大的模拟、数据处理和可视化能力,相比于物理模拟更为灵活高效、节约成本的特点被更广泛的应用于城市风环境研究领域。从1990年代起至今,基于计算机数值模拟的城市风环境研究形成了较为连续的研究阶段。1999年,ShuzoMurakami等学者运用CFD计算机数值模拟技术,对从人可感尺度到城市尺度的风环境进行了预测研究,指出城市内部风场的复杂性。其研究进一步推动了计算机数值模拟技术在城市风环境研究中空间尺度的拓展,之后大量的学者在城市风环境研究以及实际工程项目、规划设计当中都进行了进一步的深入研究,总体来看,计算机数值模拟技术在单体建筑或群体建筑周边风环境、群体建筑布局风环境、住区风环境、城市开敞空间风环境、城市中心区及商业街区风环境中都有较好的应用,并结合人的风、热舒适度以及近地风安全等问题进行了评价研究。在此过程当中,诸如同济大学的杨伟、顾明(2003)、埃因霍温大学的Blocken(2004)、奥克兰大学的Richards(2007),以及东京理工大学的Yoshie(2007)在城市风环境研究的同时,对于基于CFD的模拟软件(Fluent、CFX、STAR-CD、Airpak等)的不同的计算模型进行了探讨与分析比较,并结合风洞实验结果相验证,探讨计算机模拟的精度等问题,对于计算机数值模拟技术在风环境研究中的有效利用具有较大的价值。相对来说,CFD数值模拟的计算结果更直观、更详细,可以在三维的研究区域内查看任一节点的风的分布情况,相比实地测试法和物理模拟法有着较大的优势,对现今及未来的城市风环境研究提供了重要的技术支撑,也将是未来城市风环境技术研究的重点。

3城市风环境评价体系的整合

在实际的城市空间当中,城市某一地块内各点的风向、风速可能不尽相同,不同时间风速、风向的变化也较为复杂,因此单纯的风速、风向指标难以表征其风环境特征。城市环境中风环境问题的研究应有一套切实可行的标准,用来衡量风环境的优劣程度同时也将成为城市中风环境评价所依据的参考。合理有效的城市风环境评价体系的构建是城市风环境研究的重要内容,也是解决风环境问题的基础。

3.1国内外城市风环境评价体系

对于风环境的评价,世界上已经有许多城市要求在建筑建造施工前进行风环境的评价,并对建筑周边不同区域的风速进行了限制和规定,美国旧金山还在规划法规中对公共休闲区的风速进行了风速限制,应≤5m/s。国内外对风环境评价还没有统一的标准,从大量的城市风环境研究当中,大致可以归纳出三种常用的风环境评估方法,即相对舒适度评估法、风速概率评估法、风速比评估法。

3.1.1相对舒适度评估法

建筑会对周边的风场产生阻碍等影响,形成紊流或者涡旋,会改变行人高度处的风舒适性。相对舒适度评估法即以人的舒适性需求为出发点,通过对行人高度处人的舒适度感觉设置权重系数进行打分评价,综合了人的风不舒适程度以及风不舒适发生的次数进行分级。该方法基于人的主观性评价,具有很大不确定性。

3.1.2风速概率评估法

该评价方法主要是通过研究人行高度处风速与人体舒适度之间的关系来对风环境进行评价。1978年,SimiuE与ScanlanR.H依据大量研究数据,结合不同风速和气流分布影响范围,构建了人的不舒适度与不舒适风(V>5m/s时)的关系。1981年,ShuzoMurakami和KiyotakaDeguchi在NewcriteriaforwindeffectsonPedestrians一文中引入了临界风速的概念,并提出了人在不同姿势下满足舒适性的最大风速及风频的具体要求。此后,加拿大学者Soligo等、丹麦学者KossHH引入以及概率的理念,提出了超越风速概率数值评价标准,其评价方法是利用某个时间跨度内风速超过某一标准的比率来形成的,是风速概率评估法的进一步延伸。风速概率评估法相对于舒适度评估法具有更大的指导意义,作为基本的人行高度风环境的评价依据有其合理性,具有较广的适用性。但其指标是依照气象台常年观测信息来研究设置的,同时也涉及到人的主观性问题,并不能一概而论的将其应用到城市的所有区域的城市风环境评价当中来。相对来说,超越风速概率评估法基于学与概率学,也更为准确与完善,可信度较高,在风环境评价中具有较为重要的作用。

3.1.3风速比评估法

风速比评估法则以实际风场中某点的行人高度处的平均风速与相同高度处未受干扰来流的平均风速的比值的大小来反应由于建筑物的存在而引起的风速变化程度,以是否出现了风速放大的情况来判定风环境恶劣的情况。在实际应用中是利用研究所得的风速比分布图与当地风玫瑰的风向风频进行参照来预测行人高度处风环境状况。相关研究中,1980年美国乔治亚理工学院的RichardM和Aynsley曾研究过当风速比R>1.4时对人的安全的影响。风速比评价标准较为客观,具有一定的应用价值,但研究中不受干扰的来流风速因受当地气象条件影响难以确定,同时参照风玫瑰来进行预测,也难以较为全面的反映出研究地块完整的风环境情况,存在一定缺陷。

3.2风环境评价体系特征

现阶段对于城市风环境评价的指标体系仍然处于初级的阶段,基本是从某一至两方面对风环境进行评价,具有一定的辅助作用,并没有形成完善的评价体系。从风本体而言,表征风特性的要素主要由风速、风压、建筑前后风压差及涡旋范围和个数等,这些要素不与城市本体的空间形态以及城市的居住者人建立相关性,就难以形成具有实际意义的评价标准。因此,未来的城市风环境评价体系的构建可以从评价性指标体系和参量化指标体系两个层面入手,前者依托人的舒适、健康、安全来构建多层级的评价结构,后者则应结合城市空间形态来构建良好风环境的城市空间量化指标体系,能够真正意义上将城市风环境评价落实到城市空间上来。

4结语

城市风环境的研究技术跟随着人类科技进步以及对于城市气候的关注的演变而不断发展,从实地测试法到物理模拟法,再到现今广泛应用的计算机数值模拟法,各技术方法都为城市风环境的研究建立了一种有效的研究途径,实际运用中可灵活选择。现存的城市风环境评价方法仍处于基础阶段,未来研究的空间较大。我国城市风环境研究虽起步较晚,但近年来国内逐渐开始重视城市风环境的研究,从1990年代开始至今部分学者围绕城市风环境做了很多的相关研究,大大促进了城市微气候研究的发展。从未来发展来看,对于城市风环境研究需要宏观上加强多学科的合作研究,综合考虑“城市•建筑•人•风环境•气候”的相互影响与制约,建立综合的研究途径,共同促进城市环境的优化发展;微观上需要拓展多尺度、多类型的城市风环境研究实践,丰富和深化相关研究成果,不断推进相关理论和方法的发展;在行动上则需要将景观规划实践与城市风环境的研究成果结合起来,构建风环境良好的规划设计方法体系。

作者:杨俊宴 张涛 谭瑛 单位:东南大学建筑学院

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