鄭州市居住區(qū)建筑布局對風(fēng)環(huán)境的影響

梁 濤, 甘義猛, 陳珂珂, 何瑞珍

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南鄭州 450002)

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鄭州市居住區(qū)建筑布局對風(fēng)環(huán)境的影響

梁 濤, 甘義猛, 陳珂珂, 何瑞珍*

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南鄭州 450002)

快速的城市化進(jìn)程中，高密度城市中的不同建筑布局帶來的風(fēng)環(huán)境改變的問題日益受到關(guān)注。研究選取鄭州市區(qū)不同方位上離市中心不同距離、不同布局的“寶景花園”“東郡香域巴黎”“帝湖花園”和“非常國際”4個住宅小區(qū)，并對其風(fēng)速進(jìn)行測量記錄,研究小區(qū)的建筑布局對風(fēng)環(huán)境的影響。結(jié)果顯示：春季靜風(fēng)狀態(tài)下，距離市中心由遠(yuǎn)及近的小區(qū)風(fēng)速有減小趨勢；不同布局特點的建筑風(fēng)速大小有差異，呈現(xiàn)為點狀式>行列式>圍合式。

鄭州市；住宅小區(qū)；建筑布局；風(fēng)環(huán)境

快速的城市化改變了氣候的下墊面，高層的出現(xiàn)增加了城市的粗糙度，使得市區(qū)的平均風(fēng)速有減小的趨勢，同時也造成局部地區(qū)風(fēng)速過大，甚至形成災(zāi)害。如何通過規(guī)劃控制城市的規(guī)模和城市冠層高度成為亟需研究的問題。由于城市化的快速發(fā)展、人口快速增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)的客觀要求，高層高密度的集約城市建筑形態(tài)已成為未來城市建筑布局發(fā)展的主要選擇。城市氣候環(huán)境的好壞及如何改善當(dāng)前城市建筑布局的風(fēng)環(huán)境引起了學(xué)界的廣泛思考。住宅小區(qū)戶外綠色空間是居民日?；顒拥闹饕獔鏊^(qū)的風(fēng)環(huán)境是影響其居住舒適性的重要因素之一。然而,當(dāng)前隨著“城市熱島”問題、城市靜風(fēng)問題和空氣顆粒物污染問題的頻發(fā)，如何實測分析小區(qū)風(fēng)環(huán)境并以此為基礎(chǔ)探討景觀環(huán)境的優(yōu)化，進(jìn)而改善小區(qū)風(fēng)環(huán)境成為值得關(guān)注的焦點[1-3]。

Gordon.B.Bonan在測量Crestview和Greenfild的居住區(qū)風(fēng)速變化時發(fā)現(xiàn)，住宅的建筑布局對風(fēng)速有明顯的減弱作用[4]。通常針對城市中的一塊綠色棲息地中的空氣溫度、濕度、風(fēng)速、太陽輻射的滲透和表面輻射溫度進(jìn)行測量，以確定綠色空間微氣候影響因素及對周邊地區(qū)的影響[5]。風(fēng)環(huán)境的舒適性是建筑使用者對建筑進(jìn)行評價的一項重要微氣候因子，住宅小區(qū)的風(fēng)環(huán)境通常與小區(qū)室外熱環(huán)境、居民生活舒適度、建筑的安全節(jié)能水平有密切聯(lián)系[6-10]。

1　研究對象和研究小區(qū)概況

1.1研究對象鄭州市位于112°42′～114°13′E，34°16′～34°58′N，氣候類型為北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季盛行風(fēng)向是東南風(fēng)，年平均氣溫在14.0～14.3 ℃，年平均降雨量約為640.9 mm，主要氣候特點為春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雪。為此，在鄭州市主城區(qū)內(nèi)抽樣了4個典型小區(qū)(圖1)。在相同條件下測量各小區(qū)中開敞空間的風(fēng)速變化情況，并對12 h的瞬時風(fēng)速測量值進(jìn)行方差分析，對比得出各小區(qū)不同建筑布局對風(fēng)速造成的影響。

1.2研究小區(qū)概況東部的測量區(qū)域包括“寶景花園”和“東郡香域巴黎”兩個地方，在“寶景花園”設(shè)立5個樣點，在“東郡香域巴黎”設(shè)立3個樣點；“帝湖花園”測量區(qū)規(guī)劃建筑位于河南省鄭州市中原區(qū)，在多層區(qū)共設(shè)立了9個樣點，在高層區(qū)共設(shè)立了3個樣點；“非常國際”位于河南省鄭州市金水區(qū)，小區(qū)共設(shè)立了6個樣點。將各測量區(qū)數(shù)據(jù)整理如表1。

2　研究方法和測量內(nèi)容

主要以各樣點在同一時間定點測量為主，測量實驗采用路昌LM-8000溫度、相對濕度、風(fēng)速、照度四合一環(huán)境測量儀對各測量點1天中12 h的每小時時段數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，研究小區(qū)內(nèi)不同地點，如主干道、林蔭道以及湖邊或人工水池附近設(shè)置測量樣點，主要測量行人高度(距地 1.5 m)處的空氣溫度、相對濕度及風(fēng)速風(fēng)向等數(shù)據(jù)。具體測量時間為2015年4月22～24日(3 d的氣象臺天氣均為晴朗凈空，云量<2 oktas,平均風(fēng)速<2 m/s)，測量時間段為8:00～ 19:00，測量間隔時間為1 h，測量持續(xù)時間10 min以上，每組數(shù)據(jù)內(nèi)數(shù)據(jù)點采集時間間隔為10 s。測量樣點垂直高度 1.5 m 處的瞬時風(fēng)速，每個數(shù)值讀取2次，取該時間段的平均值作為最終的試驗數(shù)值，并記錄該測量點的瞬時風(fēng)向。得到的數(shù)據(jù)采用SPSS分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以此進(jìn)一步分析總結(jié)，以研究小區(qū)內(nèi)部風(fēng)環(huán)境的差異，以及不同小區(qū)建筑布局，如建筑密度、容積率、建筑高度及建筑排列方式等情況對這些差異造成的影響。

圖1　鄭州市測量小區(qū)分布Fig.1　The layout of four measured residential districts in Zhengzhou City

地點Site建成年代Buildtime建筑結(jié)構(gòu)Buildingstructure建筑形態(tài)Architecturalform建筑距市中心距離Distancefromthebuildingtourbandistrict建筑布局方式Buildinglayoutmode“帝湖花園”高層“High-storybuildingsofDihuGarden”2007鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高層塔樓較遠(yuǎn)點狀式布局“帝湖花園”多層“Multi-storybuildingsofDihuGarden”2007鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)多層板樓較遠(yuǎn)行列式布局“非常國際”“FeichangInternationalCommunity”2006鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高層塔樓較近點狀式布局“東郡香域巴黎”“DongjunXiangyuPairs”2008鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)多層板樓中等行列式布局“寶景花園”“BaojingGarden”2003磚混結(jié)構(gòu)多層板樓中等圍合式布局地點Site建筑寬高比Width-heightratioofthebuilding建筑密度Buildingdensity%建筑平均層數(shù)Averagelayernumberofthebuilding容積率Plotratio%綠地率Ratioofgreenspace%SVF(各樣點的開敞程度平均值Meanofopendegreeofeachsamplesite)“帝湖花園”高層“High-storybuildingsofDihuGarden”W/H=1/1或W/H=1/519.89336.5627.2047.82“帝湖花園”多層“Multi-storybuildingsofDihuGarden”W/H=3/139.8062.3919.8062.77“非常國際”“FeichangInternationalCommunity”W/H=1/119.11336.3048.2154.75“東郡香域巴黎”“DongjunXiangyuPairs”W/H=3/135.6362.1426.9060.44“寶景花園”“BaojingGarden”W/H=5/133.0461.9819.0543.10

注：SVF是Sky view factor的縮寫。

Note:SVFis the abbreviation of sky view factor.

3　結(jié)果與分析

測量結(jié)果主要用于說明建筑布局與風(fēng)速的關(guān)系，實驗中所討論的建筑布局包括實驗小區(qū)樓層高度、所處位置(距市中心距離)、布局方式、綠化布局4個方面。由于各實驗小區(qū)的樓層高度都高于底部的綠化種植高度，因此研究不對綠化布局做重點討論(表2)。

3.1建筑高度與風(fēng)速之間的關(guān)系5個小區(qū)根據(jù)建筑高度可以分為高層和多層兩種，“寶景花園”“東郡香域巴黎”“帝湖花園”多層同屬于多層布局形式，“帝湖花園”高層、“非常國際”屬于高層布局形式(圖2)。

由于測量的風(fēng)速為瞬時風(fēng)速，每次測量的風(fēng)速大小并不呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，但總體而言多層建筑高度的風(fēng)速大于高層建筑高度的風(fēng)速，且通過建筑類型與風(fēng)速的單因素分析可得高層建筑布局形式與多層建筑布局形式的建筑外部風(fēng)環(huán)境具有顯著性差異(表3)。

3.2到市中心距離與風(fēng)速的關(guān)系5個小區(qū)根據(jù)到市中心的距離可以分為近、中、遠(yuǎn)3種，“帝湖花園”距離市中心較遠(yuǎn)、“寶景花園”與“東郡香域巴黎”距離市中心中等，“非常國際”距離市中心較近。

由表4可知到市中心距離不同的小區(qū)，其風(fēng)速變化模式也不同，且距離市中心遠(yuǎn)的風(fēng)速最大，其次是距離市中心近的，風(fēng)速最小的是距離市中心中等的。具體分析其原因可知，鄭州市在測量日內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)，并且距離市中心越遠(yuǎn)，建筑密度以及建筑高度越小，越有利于導(dǎo)風(fēng)。由于“帝湖花園”距離市中心較遠(yuǎn)，且位于鄭州市的南部稍偏西的方向，因此風(fēng)速最大；而“寶景花園”與“東郡香域巴黎”雖然距離市中心中等且位于鄭州市東南方向，但是其建筑布局較為封閉，導(dǎo)致其內(nèi)部風(fēng)流動不通暢，風(fēng)速最小。為研究距離對風(fēng)速是否具有影響，對不同距離居住區(qū)風(fēng)速進(jìn)行了方差分析?？芍嚯x中等和遠(yuǎn)之間沒有顯著性差異，但近跟中等、遠(yuǎn)之間存在顯著性差異。

圖2　不同建筑高度的平均風(fēng)速Fig.2　Average wind speed of different building heights

測定時間Time風(fēng)速Windspeed∥m/s“非常國際”“FeichangInterna-tionalCommunity”“帝湖高層”“High-storybuildingsofDihuGarden”“帝湖多層”“Multi-storybuildingsofDihuGarden”“東郡香域巴黎”“DongjunXiangyuPairs”“寶景花園”“BaojingGarden”8:002.80.32.20.91.19:001.11.82.51.21.110:001.71.41.80.60.911:001.41.81.91.61.312:000.41.72.21.31.113:001.71.72.01.51.214:000.21.71.80.61.615:000.61.81.11.10.516:001.02.51.90.21.217:000.82.21.40.80.718:000.61.70.90.60.619:000.41.80.71.61.0

注：風(fēng)速值為3 d所測風(fēng)速的平均值。

Note: Wind speed is the mean in 3 d.

表3　建筑高度與風(fēng)速方差分析

表4　到市中心距離對風(fēng)速的影響

注：a、b表示的是到市中心不同距離風(fēng)速方差分析的差異性，帶字母a的與帶字母b的之間是具有顯著差異性的，兩個帶字母b的不具有顯著差異性。

Note: a and b show significance of wind speed due to different distances from city center, and there is significant difference between the numbers with a and b, and insignificant difference between the numbers with b.

3.3建筑布局對風(fēng)速的影響5個小區(qū)的建筑可以分為點狀式布局、行列式布局和圍合式布局。不同建筑布局風(fēng)速變化模式如圖3所示，并且總的風(fēng)速大小為：行列式布局>點狀式布局>圍合式布局。行列式布局迎面風(fēng)與來流風(fēng)向垂直時，在建筑兩側(cè)形成再生風(fēng)速得到增大，從而使外部的氣流能夠很好地進(jìn)入居住區(qū)內(nèi)部，產(chǎn)生較大的風(fēng)速。點狀式布局中，由于迎風(fēng)面與風(fēng)向垂直，且建筑之間的空間是連通的，使整個居住區(qū)內(nèi)部風(fēng)環(huán)境較為流暢。圍合式布局空間較為封閉，風(fēng)進(jìn)入圍合空間后風(fēng)速會很快衰減，且空氣流動速度也會減慢。經(jīng)方差分析發(fā)現(xiàn)，不同建筑布局對小區(qū)風(fēng)環(huán)境影響具有顯著性差異(表5)。

綜合上述原因，對比5個不同居住區(qū)瞬時風(fēng)速逐時變化情況，可知不同居住區(qū)平均風(fēng)速呈現(xiàn)出“帝湖多層”>“帝湖高層”>“非常國際”>“東郡香域巴黎”>“寶景花園”的變化情況。

3.4建筑布局與風(fēng)頻的關(guān)系在與鄭州市盛行風(fēng)向進(jìn)行比對時，可以發(fā)現(xiàn)各小區(qū)里建筑的不同布局對各測量樣點的風(fēng)向頻率有著不同的影響(圖4～8)。多數(shù)情況下，風(fēng)頻是風(fēng)環(huán)境的一個考量方面，由于風(fēng)頻具有很大的不確定性，往往難以對其進(jìn)行描述。比較圖中的各樣點風(fēng)頻圖與鄭州市風(fēng)玫瑰圖發(fā)現(xiàn)，多數(shù)樣點的實測風(fēng)頻與鄭州市盛行風(fēng)向是不一致的。試驗是在春季靜風(fēng)條件下進(jìn)行的，因此各測量小區(qū)上風(fēng)向的建筑遮擋作用可以忽略不計。以“帝湖花園”多層小區(qū)為例，靠近湖邊的樣點四和樣點九的風(fēng)頻主要是東南風(fēng)向為主，樣點十由于地處帝湖二街這條小區(qū)主干道上，風(fēng)向以西風(fēng)為主，其余各樣點均是北風(fēng)向或東北風(fēng)向。研究發(fā)現(xiàn)，同一居住區(qū)下不同樣點的風(fēng)向并不一致且與鄭州市盛行風(fēng)向也不一致。在分析其他各小區(qū)的風(fēng)頻圖時，可以得到類似的結(jié)論。

圖3　不同建筑布局的平均風(fēng)速Fig.3　Average wind speeds of different building layouts

項目Items平方和Quadraticsumdf(自由度)Freedom均方MeansquareF顯著性Significance組間Amongthegroups1.19820.5993.8730.031組內(nèi)Inthegroup5.104330.155總數(shù)Total6.30235

圖4　“帝湖花園”高層各樣點風(fēng)頻圖Fig.4　Wind frequency diagrams at each site of high-story buildings of “Dihu Garden”

圖5　“非常國際”各樣點風(fēng)頻圖Fig.5　Wind frequency diagrams at each site of “Dihu International Community”

圖6　帝湖花園多層各樣點風(fēng)頻圖Fig.6　Wind frequency diagrams at each site of multi-story buildings of “Dihu Garden”

圖7　”東郡香域巴黎“各樣點風(fēng)頻圖 Fig.7　Wind frequency diagrams at each site of “Dongjun Xiangyu Paris”

4　結(jié)論與討論

根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)論：在春季靜風(fēng)狀態(tài)下，調(diào)研小區(qū)內(nèi)多層建筑布局內(nèi)部各個區(qū)域風(fēng)速變化情況基本一致，無明顯差異，而高層布局內(nèi)部各個區(qū)域風(fēng)速變化差異顯著。在春季靜風(fēng)狀態(tài)下， 調(diào)研小區(qū)之間多層建筑布局與高層建筑布局對風(fēng)速的影響有顯著差異。高層布局情況下風(fēng)速的平均值比多層布局情況下風(fēng)速平均值大，高層建筑形成的狹長通道內(nèi)的風(fēng)速比實際風(fēng)速要大幾倍甚至幾十倍；對于調(diào)研的多層小區(qū)而言，在春季靜風(fēng)狀態(tài)下，無論是行列式布局、圍合式布局還是混合式布局，風(fēng)速的變化情況基本一致，但在風(fēng)速比較大的條件下，圍合式布局的風(fēng)速最小，主要是圍合式布局自身形成了封閉空間，阻擋了風(fēng)的侵襲。通過對該課題的研究發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)學(xué)者對該課題的研究大多采用的是

圖8　“寶景花園”各樣點風(fēng)頻圖 Fig.8　Windfrequencydiagramsateachsiteof“BaojingGarden”模型構(gòu)造與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段，通過CFD軟件對特定模型下的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，從而可以直觀辨別不同建筑布局風(fēng)環(huán)境的變化情況。CFD由于沒有考慮建筑外部的綠化布局，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有待優(yōu)化。因此，今后的研究中可以結(jié)合現(xiàn)場實測和CFD數(shù)值模擬，考慮綠化布局對風(fēng)的拖拽作用，優(yōu)化模擬實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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Influence of Building Layout in Residential Region of Zhengzhou on Wind Environment

LIANG Tao, GAN Yi-meng, CHEN Ke-ke, HE Rui-zhen*

(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002)

In the rapid urbanization process, wind environment change problem brought by different architecture layouts in high-density city is concerned increasingly. Four residential districts with different layout characteristics at different directions of Zhengzhou City were selected, and they were “Baojing Garden”, “Dongjun Xiangyu Pairs”, “Dihu Garden” and “Feichang International Community”. The wind speed was measured and recorded, to find out the influence of different architecture layouts in the residential district on wind environment. Results disployed that under the condition of spring static wind, the wind speed had a decreasing trend in the residential district with the distance from far to near urban district. For different building layouts, wind speed was different, which showed as interspersed>linear>enclosed.

Zhengzhou City; Residential district;Architecture layout; Wind environment

國家自然科學(xué)基金項目(31470029)。

梁濤(1988- )，男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向：風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計。*通訊作者，副教授，博士，從事3S技術(shù)及其應(yīng)用研究。

2016-07-20

TU 241

A

0517-6611(2016)26-131-05