076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

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。

【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]。

本文定义的社区空间形态主要是指两层含义：其一为平面上各功能区域建筑群落的分布；其二为竖直方向上建筑群落的高度分布。

社区的形态会影响到社区内气候的情况，形成所谓的“微气候”：建筑群落会改变社区内风的流向；建筑之间会存在遮挡的现象从而影响到社区中太阳辐射的分布。

风环境对城市的能耗影响是显著的：夏季较小的室外风速不利于自然散热势必会增加空调制冷的使用概率，而冬季较大的室外风速则会造成建筑外表面散热和室外渗透的增加，这两种情况都会导致供暖负荷的增加。

因此，社区形态会影响风环境，进而影响居民的生活质量，能源消耗和温室气体排放。

如何在保证甚至提高风环境舒适度的前提下，从节能低碳的角度来对社区形态进行评估和优化，是本文关注和将要解决的问题。

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[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。

表1 风环境分析的方法与优缺点Tab.1 Methods of ventilationenvironment analysis and their pros & cons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。

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。

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]。

综上，对于城市内风环境模拟主要采用的模型有k-epsilon模型、RNG k-epsilon模型、直接数值模拟（DNS）、大涡模拟等。

虽然有多位学者尝试对城市内风环境进行模拟研究，但CFD在城市规划中运用尚处于初级阶段，而模拟大面积精细模型下的风速和温度以及建筑表面风压等基本数据是完全可行的，一般采用的软件为FLUENT软件，缺点是用普通PC机计算所需的时间较长，在工作实施步骤上还不完全具备完整性和规范性，而对于非研究性项目，运用ECOTECT对光环境及Airpak或PHOENICS对风环境进行模拟可满足要求。

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，目前正处于全面建设时期，是一座非常年轻的社区。

陈家镇实验生态社区规划面积406.43公顷，规划人口为3万人，预计将于2020年完成新城的建设目标。

冬冷夏热，年平均气温介于13℃~20℃之间，平均年降水量一般在800mm～1600mm。

图1 陈家镇实验生态社区区位图Fig.1 Location of Chenjiazhen Ecology Experimental Community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。

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。