基于CFD的城市街区气候响应设计综合分析

基于CFD的城市街区气候响应设计综合分析

王哲

大连都市发展设计有限公司大连116011

摘要：城市街区规划主要针对建筑群落组合，包括广场、步行街、大型建筑物及其外部空间等要素进行合理布局，这一层面的设计将宏观的城市设计与微观的建筑单体设计联系在一起，具有重要意义。本文结合风环境模拟结果对街区尺度空间进行评价，最后给出相应的空间分析说明。分析结论有效强化了规划师、建筑师对微气候条件下空间构建层面的理解，为营造更加舒适的环境提供量化的依据。

关键词：街区空间；气候分析；CFD模拟；

1.背景分析

本文通过对大连市渔人码头片区夏季风环境研究案例，来探讨如何利用CFD技术解读“街区级”城市空间形态的具体操作方法。

1.街区功能属性分析

本研究对象占地面积近6公顷。东西长480米，南北长500米，拥有长达1768米的海岸线，西侧和东南角区域有天然沙滩，在南侧有一条长约280米的栈桥。整个街区以2-8层建筑为主，其功能集合了餐饮、娱乐、办公、公寓等主要功能，是大连重要的城市旅游观光节点。

2.街区微气候特征分析

本研究采用的是大连市典型气象年数据，气象站编号为CSWD546620，其位置为北纬38.9°，东经121.63°。对该数据利用气候分析软件ClimateConsultant进行解读。

通过由分析明显发现，大连市最热月份为7、8两月，其最高平均温度接近25℃。考虑到本次分析主要以空间微气候对人活动行为的影响，故对这两月人群活动较为密集的时间段上午8：00至下午8：00这12个小时进行风环境信息抽离。

基于上述分析，选取风频率＞5%的风向作为本次分析的背景气候参数，这些风向可覆盖全气象周期80%的频率，再对这8个风向进行分类整理可得到7-8月分风向分布概率（表1）：

表1风速风向风频权重分析

由气象分析图可知，当风向为西北风、东北风、西风时，将会带来高温气流（＞27°），最高风频为南偏西（195°，25%），这个结果与大连主城区处于被海洋环抱的地形一致。

对于渔人码头片区，我们认为由海上带来的气流为较清洁的空气，但湿度较大，而由城区带来的气流含有较多污染物，湿度较小。

3.CFD模拟

1.研究工具

本研究所采用的软件为PHOENICSFLAIR模块。PHOENICS是一款以计算流体和计算传热学为主要应用领域的商业软件。FLAIR模块专门针对建筑及其相关专业研发的CFD专用模块，其特点是操作便捷，在不需要更多流体力学专业知识的前提下，即可快速掌握使用。

为避免模拟运算越靠近计算域边界，结果越不准确的问题，本模拟边界以渔人码头片区为中心向外扩大至西起老虎滩海洋公园，东至老虎滩别墅，南起海上栈桥，北至碧波园小区镇的一个方形的区域，覆盖面积约为1km²×1km²。

本研究设置了网格尺寸为1000m×1000m×150m的计算域，总网格数为960万。其中东西向网格各为400个，精度2.5m；垂直方向网格60个，精度2.5m。

2.综合评价

按照渔人码头内不同空间特征，选取8个典型空间代表，进行逐一分析评价。通过对各个风向工况下的风环境模拟，可知在该片区内，中央广场和东西向商街所处空间通风效果较差，其平均风速均介于软风和轻风之间，即风向标没有转动或微微感觉有风。但考虑到东西向街道受南侧建筑的遮阴影响，夏季环境舒适度由此得到提升，同时该点处于交通性巷道中，不会产生人流集散的效应，故本研究暂不对其提出评价。

中央广场的开放型空间特点，加之其位于主要交通线路的一侧，在日常使用中会产生大量的人流集散。但疲弱的通风效应，以及缺乏必要的遮阴设施，都会使该空间夏季的使用效率大打折扣，故本小节将主要针对该区域提出气候响应综合评价。

首先从中央广场所处区域的空间特质进行分析，该空间形态趋近于一个矩形广场，其四个朝向均由永久性构筑物所围合，其东、西两侧各有一条联通城市道路与滨水空间的南北向道路通廊，向西延伸出两条建筑间小道，这四条道路围合出该广场。因此该广场具有很好的汇聚人气的功能，同时广场上的家具、小品设置也满足了游人的休憩需求，有效起到缓冲人流集散的功能。

其次，从中央广场的通风条件分析，由于广场自身为矩形空间，东西两翼的道路并未与该广场有夹角形成，同时南北侧建筑均呈现平直的排布特征，因此夏季盛行的南风难以进入广场中心。东侧的山体与6层建筑遮挡了大多数气流通过，西侧密度较高的建筑群大大减弱了来流风速，这些因素共同导致该广场通风不畅的现状情况。由于难以改变建筑的形态位置，因此可在广场上布置人工通风设施，以改善通风状况。

再次从中央广场的遮荫条件分析，广场上种有六株刺槐，该树种属于速生类树，尤其在滨水区域，易快速成材，但该树种较小的树冠体积使得其在遮荫效能上并不突出，加之四周建筑均以2-3层为主，因此该广场夏季的曝晒度较高。为提升其环境舒适度，可设置遮阳棚。

新加坡克拉克码头（ClarkeQuay）利用四氟乙烯（ETFE）材料制造一个如同城市森林的顶棚，将采光、遮阴、视野、通风协调一体，在保证较小的能耗使用前提下，通过增加通风遮阳设施，使风速达到1.2m/s，体感舒适波段从改善前的41%增加到80%，在中央广场喷泉工作期间平均辐射温度减少1.5-2K，设计综合效果使街道温度降低3-4K，从而大大提升了片区的舒适度。

3.总结

本文阐述了CFD模拟应用在“地段级”层面城市形态环境舒适度方面的评价及优化策略。结合风环境模拟结果对微尺度空间进行评价，最后给出相应的空间分析说明。分析结论更加强化了规划师、建筑师对微气候条件下空间构建层面的理解，为营造更加舒适的环境提供定量化的依据。

参考文献：

[1]任超.城市风环境评估与风道规划[M].北京：中国建筑工业出版社

[2]郭廓.基于自然通风效能的大连城市形态设计策略[D].大连理工大学，2015

[3]张鹤子.城市微气候与城市形态的关联性[D].大连理工大学，2016

[4]冷红，马彦红.应用微气候热舒适分区的街道空间形态初探[J].哈尔滨工业大学学报.2015（06）：63-68.