风环境模拟在城市空间形态优化中的应用研究--以上海崇明陈

表 1 风环境分析的方法与优缺点
Tab.1 Methods of ventilationenvironment analysis and their pros & cons
方法
优点
缺点
模拟试验
相对准确、重复性好、可认为设定 费用高、周期长、试验要求满足相
边界条件
对性原理
现场实测
准确、可靠
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
费用高、周期长、费力
风环境模拟在城市空间形态优化中的应用研究
——以上海崇明陈家镇实验生态社区为例
刘 超 陈蔚镇 许 鹏 张 量 张 锟
【摘要】在城市扩张和高密度开发趋势下，城市形态对城市风环境的影响和塑造作用越来越大，但
同时人们对环境的舒适性和能源节约性要求日渐提高。为解决这一矛盾，本文以上海崇明陈家镇实验生态 社区为例，对其社区风环境进行模拟，分析城市空间形态在风环境舒适度的不足和问题，进而提出优化形 态的策略，并定量分析优化形态后的社区能源节约量，达到提高宜居和节能的双重目标。
3.2 陈家镇实验生态社区风环境模拟分析方法
本次研究考虑采用计算流体力学方法对所研究小区的风场进行分析并根据分析的结果 提出小区形态优化建议。使用 Airpak3.0 和 FLUENT12.0 这两款软件对社区地建筑环境进行 模拟。FLUENT 是一款计算流体力学（CFD）的商业软件，用来模拟从不可压缩到高度可压缩 范围内的复杂流动。FLUENT 在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转 机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。Airpak3.0 则是专业
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数值模拟的软件有很多，主要针对的是单体建筑，如 PHOENICS、ANYSYS-CFX、FLUENT、 STAR-CD、ICEM 系列软件等。近年来，国内外已有部分学者采用数值模型方法对城市风环境， 尤其是风环境系统进行了研究。1996 年，ZHANG 等人利用 k-epsilon 湍流模型对单个立方体 模型进行流动和扩散模拟,用 Froude 数表示来流的层化(湍流)程度[5]。1998 年，HASSAN 等 人利用 k-epsilon 湍流模型模拟了二维街道峡谷内流动和扩散现象。模拟结果显示街道峡谷 内出现明显的流向涡旋，最高污染物浓度出现在逆风建筑物东面墙的下边缘，最低污染物浓 度出现在顺风建筑物西墙上边缘[6]。2001 年，E. Shaviv 等利用 SustArc 软件对城市光环境 和 FLUENT 软件对城市内风环境进行了模拟，得出保证良好采光的最大可用空间及良好通风 状态的适应性方案[7]。周莉等人对高层建筑物风场和风压力进行数值模拟，获得了不规则形 状的单体建筑物在不同风向下的流场和风压力分布，并对三幢一字排列高层建筑群进行模 拟，将其结果与单体建筑物进行了比较[8]。Chang 等将 Fluent 的模拟结果和风洞实验结果进 行比较,发现 Fluent 模拟结果与风洞实验模拟的街道峡谷内风场和污染物浓度场的观测结 果吻合得很好[9]。2003 年，Capeluto 等利用 Fluent 评估一个拟建城市商业区设计的合理性, 并取得了很好效果[10]。2004 年，KIM 等人利用 RNG k-epsilon 湍流模型模拟了用立方体矩阵 群表示的城市街区下垫面内空气流动和扩散现象，RNG k-epsilon 方案是在标准 k-epsilon 方案上发展起来的,弥补了标准 k-epsilon 闭合方案的一些不足[11]。吕萍等人利用数值模拟 方法研究了街道峡谷高宽比以及街道两侧建筑物对称性对峡谷内流场及汽车排放污染物扩 散规律的影响[12]。2005 年，王菲等人使用商业软件 PHOENICS 对某实际复杂建筑小区的风速 场进行了模拟，结果认为 PHOENICS 可实现对建筑小区风环境的模拟,其对建筑小区风环境的 优化设计有指导意义[13]。2006 年，COCEAL 等人对用规则矩阵群表示的城市下垫面内流动进 行直接数值模拟（DNS）研究[14]。YU-HENG TSENG 等人对真实城市下垫面内流动和污染物扩 散进行了大涡模拟。认为非流线体分布 6～8 个网格点和亚网格相关的拉格朗日动态模型是 大涡模拟真实城市下垫面内流动和污染物扩散需要的最小网格尺度和最佳的亚网格模型[15]。 张宁等人利用大涡模拟方法对一个单体建筑物周围气流场和污染物扩散进行了模拟研究[16]。 2007 年，SMOLARKIEWICZ 等人利用大涡模拟方法对一个五边形复杂模型下垫面进行数值模 拟。得出浸没边界法的计算效率更高，但贴体坐标转换方法计算精度高于浸没边界法方法， 并且两种方法不仅限于平缓的下垫面，也适合复杂的下垫面[17]。马剑等人利用 FLUENT 软件， 采用基于 Reynolds 时均 N-S 方程和 RNG k–epsilon 湍流模型的数值研究方法对单幢方形截 面建筑和多幢矩形截面建筑组成的建筑群周围的风环境进行了数值模拟[18]。2008 年，XIE 等人对用随机分布矩阵群表示的城市下垫面内流动进行大涡模拟研究。他们把下垫面内空间
自然通风的会提升社区地整体节能性。由自然通风形成的机理可知，在达到相同冷却目 的的前提下，与常规空调中机械通风相比，自然通风是一项免费的技术，不需消耗任何能源。 文献的研究结果表明，采用自然通风的办公楼比采用常规空调中机械通风的办公楼每年每平 方米可节省冷却能量为 14～41kWh，节约费用为 1.3～3.6 美元[3]。国际能源署 2000 年的总 结报告中指出，欧洲国家采用自然通风的办公楼几乎可降低 50%的建筑能耗[4]。由此可见， 自然通风是非常节能的。
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平均速度分布、雷诺应力分布、湍动能分布结果与之前用大涡模拟和直接数值模拟方法研究 的均匀分布矩阵群结果做比较，发现虽然在空间平均统计量上存在一定的相似性，但是在湍 流统计量上存在明显的差异[19]。2009 年，XIE 等人对伦敦市中心某一区域下垫面内流动和点 源扩散进行了大涡模拟。认为采用小至 1m 的空间网格尺度和 1s 的时间步长能够对真实城市 下垫面进行比较准确的模拟[20]。史瑞丰等人利用大涡模拟方法对澳门荷兰园小区的风场和交 通污染物浓度的分布进行研究。采用了浸没边界和分布阻力元相结合的方法，并且采用了拉 格朗日动态亚网格模型来封闭方程组[21]。2010 年，浙江大学包毅等人采用雷诺平均方法对 杭州某居民小区的风环境流动进行了数值模拟[22]。谢宜、葛文兰通过 BIM（建筑信息模型） 与 CFD 技术的结合运用，方便快捷地对建筑内、外环境的气流流场进行模拟方针，形象直观 地对建筑内外环境的气流流动形成的流体环境作出分析和评价[23]。2011 年，谢宜以 BIM 三 维模型为平台，采用 ECOTECT 软件对光环境和美国标准技术研究院研发的 FDS 进行 CFD 模拟 [24]。2012 年，李美华等从规划设计者的角度介绍了 BIM 技术在城市规划中风环境模拟的应 用[25]。2013 年，尚涛等以武汉地区的自然气候条件为基础，运用 Airpak 软件的 RNG 模型对 武汉大学茶港小区冬夏两季风环境进行了数值模拟和评价。运用该模拟从构建良好的风环境 角度来指导当地住宅小区规划设计和方案决策[26]。
【关键词】风环境模拟空间形态优化节能陈家镇实验生态社区
1.城市形态与风环境介绍
城市的微环境主要包括风环境、光环境、热环境、声环境和污染物环境等。在这一系列 的微环境中，风环境受城市规划设计影响较大。它与城市内建筑物布局、形体特征、空间关 系、围护结构的产生、相关技术的选择以及人们舒适度、能源使用等有着密切的关系[1]。
数值模拟
成本低、周期短、可控
准确性相对较差、需要验证
在对城市进行规划设计之初，进行周期短、价格低且可控的数值模拟，对于改善整个城 市风环境，合理进行建筑群规划是有重要意义。
2.2 国际与国内城市风环境研究概述
建筑单体的风环境研究主要关注是建筑周边空气的流动以及风压分布，而城市和社区的 风环境研究除上述建筑单体内容外，还有其复杂性与特殊性。建筑群体之间通过遮挡、通道 等形态特征会产生楼群的通风变化。城市规划设计中若能充分和合理地利用这一特点，通过 合理的建筑物布局尤其是合理的高层建筑布局，能够降低人在外部空间环境中由于局部地区 高风速引发的不舒适感，并可以利用自然通风地方式，再不增加而外资金或技术投入地情况 下达到节能目的。
2.城市风环境研究与应用方法介绍
2.1 城市风环境评价方法
目前，对于风环境的评价与优化方法主要有三种：模拟试验、现场检测和数值模拟方法
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[2]。模拟试验，就是依据相对性原理，将模型固定在地面人工环境中，人为制造气流等外界 条件，以此模拟现实过程中各种现象；现场检测，就是在现场分布有限测点或流动测点进行 现场参数测试研究；数值模拟，是以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法， 达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。各类研究方法优缺点如表 1 所示。
陈家镇实验生态社区规划建设用地为 372.77 公顷，总建筑面积 161.6 万平方米，人均 建设用地为 124.26 平方米/人。在规划建设用地中，居住用地为 221.59 公顷，占 59.44%； 公共设施用地为 25.36 公顷，占 6.8%；道路广场用地为 58.70 公顷，占 15.75%；市政公用 设施用地为 0.47 公顷，占 0.13%；绿地为 66.65 公顷，占 17.88%。此外，水域面积为 33.66 公顷，控制性详细规划土地利用平面图如图 3 所示。
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图 2 陈家镇实验生态社区控制性详细规划用地图 Fig.2 Land use map of Chenjiazhen Ecology Experimental Community detailed regulatory plan
陈家镇实验生态社区的居住用地包括一类居住用地和二类居住用地两种类型，按照居住 密度“内高外低”分两个圈层布局，容积率分别控制在 0.3～0.6 和 0.7～1.0 范围内。
3.案例分析
3.1 陈家镇实验生态社区简介
陈家镇位于上海的崇明岛，紧临东海海域，属于亚热带季风气候，如图 1 所示。崇明岛 的建设目标是 “世界级的生态岛”，和低碳示范城，这是陈家镇的低碳发展良好支持背景。 陈家镇实验生态社区总体规划制定于 2004 年，控制性详细规划制定于 2011 年，目前正处于