【文章內(nèi)容簡介】 城市來說，更為明顯。中國人口眾多，寒地城市人口密度比起地處歐洲及北美洲的寒地城市來說大得多，城市用地又相對緊張，為解決居民住房的需求，許多寒地城市自身不得不對建筑日照兼具進(jìn)行一定的縮減，因而普遍存在住宅日照間距不足的問題?？偨Y(jié)起來，寒地城市的冬季氣候在長時(shí)間內(nèi)以雪為主要降水形式，氣溫低于0℃且日照或白晝時(shí)間縮短[25]。然而，并不是所有寒地城市都具有或符合以上全部特征，有些城市的冬季氣溫不低卻會(huì)遭受強(qiáng)風(fēng)的侵襲，而有些城市則要承受嚴(yán)寒和強(qiáng)風(fēng)的雙重侵襲。另外，在冬季以外的其他季節(jié)，許多寒地城市的氣溫也會(huì)呈現(xiàn)較大的差異。 寒地城市的風(fēng)環(huán)境特征風(fēng)是由于空氣受熱膨脹而升高，而低溫冷空氣橫向補(bǔ)充而形成的一種最基本的自然現(xiàn)象，通俗的講就是空氣的流動(dòng)。風(fēng)的成因有很多，如城市能源消耗釋放熱量形成的城市熱島環(huán)流；局部地區(qū)空氣受熱不均形成的小范圍環(huán)流，包括海風(fēng)、陸風(fēng)、山風(fēng)、谷風(fēng)、焚風(fēng)、街巷風(fēng)等。風(fēng)的形成會(huì)對寒地城市的人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生一定的影響。在有利方面，一定程度的風(fēng)不僅可以為室內(nèi)提供新鮮空氣、在炎炎夏日給人們帶來一絲清爽，更能快速排除人類生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的廢氣等污染物。近年來，我國北方城市普遍飽受霧霾的侵襲。因超量排放的工廠工業(yè)廢氣、入冬后取暖燃燒化石燃料產(chǎn)生的煙塵、農(nóng)民大量焚燒秸稈產(chǎn)生的濃煙經(jīng)過混合長期彌漫在我國上空，致使我國人民呼吸道疾病發(fā)病率升高，同時(shí)霧霾嚴(yán)重降低了能見度，使交通癱瘓、室外活動(dòng)停擺，人們的正常生產(chǎn)生活嚴(yán)重受阻，不僅造成了財(cái)產(chǎn)的損失，更嚴(yán)重降低了人們的生活舒適度。然而強(qiáng)風(fēng)可以吹散霧霾。例如，據(jù)報(bào)道，2015年12月2日，天津連續(xù)多日的霧霾在新一輪冷空氣帶來的大風(fēng)影響下，有北向南減弱，重現(xiàn)藍(lán)天。在不利方面，過強(qiáng)的風(fēng)會(huì)對寒地建筑產(chǎn)生一定的影響，更會(huì)嚴(yán)重降低秋冬季節(jié)人們在室外的體感舒適度。強(qiáng)風(fēng)吹過建筑時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，室內(nèi)外巨大壓差會(huì)使門窗玻璃產(chǎn)生劇烈晃動(dòng)，并通過縫隙將室內(nèi)空氣向外抽離造成一定的噪聲，嚴(yán)重影響人們的室內(nèi)舒適感。同時(shí)，冬季冷空氣在風(fēng)力和熱壓的作用下由門窗的縫隙滲入室內(nèi)，被加熱后再溢出建筑，造成冷風(fēng)滲透耗熱量，增加了冬季采暖的能耗；另外，強(qiáng)風(fēng)會(huì)嚴(yán)重影響人在室外的舒適度。秋冬季節(jié)，地處北方的寒地城市氣溫普遍較低，尤其是我國的寒地城市，在秋冬季節(jié)受到西伯利亞寒流的侵襲，室外空氣冰冷刺骨，風(fēng)速過大會(huì)嚴(yán)重加劇寒冷的感覺。另一方面，中國寒地城市相對密度較大的建筑布局尤其是日益增多的高層建筑群體布局也導(dǎo)致了建筑群內(nèi)防風(fēng)性能較差等方面的問題，尤其是在寒冷的冬季，許多建筑群內(nèi)部由于高層建筑周圍風(fēng)速過大而使其周邊活動(dòng)的居民倍感寒冷，甚至舉步維艱，類似的這些問題在一些規(guī)模較大的寒地城市中更為突出。 寒地城市風(fēng)環(huán)境的影響因素影響寒地城市風(fēng)環(huán)境的主要因素可分為自然因素和人為因素，其對寒地城市風(fēng)環(huán)境的影響是多種因素共同作用而成的。（1） 自然因素：1）風(fēng)速：風(fēng)速的大小直接影響著室外人的體感舒適度。當(dāng)風(fēng)吹拂人體時(shí)，會(huì)帶走熱量，風(fēng)速越大，帶走的熱量就越多。2）風(fēng)壓：風(fēng)的形成會(huì)產(chǎn)生風(fēng)壓，造成建筑的冷風(fēng)滲透，影響建筑的能耗。3）風(fēng)向：由于建筑是固定的，在不同建筑布局的影響下，不同的風(fēng)向會(huì)產(chǎn)生具有差異性的風(fēng)環(huán)境。風(fēng)向會(huì)隨著季節(jié)和每天的不同時(shí)段發(fā)生改變。4）風(fēng)頻：風(fēng)頻是指某一風(fēng)向出現(xiàn)的次數(shù)占總統(tǒng)計(jì)次數(shù)的百分比，表示了某一風(fēng)向出現(xiàn)的頻度，是確定城市主導(dǎo)風(fēng)向的重要依據(jù)。5）氣溫：氣溫能夠進(jìn)一步影響室外人的體感舒適度。當(dāng)冬季氣溫較低時(shí)會(huì)比相同風(fēng)速下氣溫較高時(shí)的風(fēng)吹拂人體帶來更強(qiáng)烈的寒冷感覺。（2） 人為因素：1）建筑形態(tài)：建筑的體量、形狀以及朝向會(huì)影響建筑周圍的風(fēng)環(huán)境。2）建筑布局：由于建筑在風(fēng)場中的存在，風(fēng)在吹過建筑時(shí)會(huì)發(fā)生風(fēng)速、風(fēng)向等的改變，從而在風(fēng)速、風(fēng)向等和建筑布局的共同作用下，會(huì)形成一定的風(fēng)環(huán)境。3）建筑材料：建筑材料包括建筑的外墻質(zhì)地和建筑的門窗。不同類型的建筑外墻材料如玻璃幕墻和磚墻會(huì)產(chǎn)生大小不同的風(fēng)阻；而建筑的門窗形式、縫隙大小直接影響了冷風(fēng)滲透效果的強(qiáng)弱。各影響因素中，只要有一項(xiàng)發(fā)生改變，就會(huì)產(chǎn)生不同的風(fēng)環(huán)境。因此在研究風(fēng)環(huán)境的過程中，既要多種因素共同考慮，又要合理控制變量，對不同的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行比較研究。 寒地城市風(fēng)環(huán)境面臨的問題 寒地城市風(fēng)環(huán)境對生產(chǎn)生活的影響為了降低建筑間的風(fēng)速，寒地城市的建筑群體普遍密度相對較大，又由于寒地冬季太陽照射角度偏低，陰影區(qū)較多，溫度較低，路面冰雪又很難通過太陽照射而融化，因此在未清除時(shí)會(huì)給居民的出行造成極大的不便。寒風(fēng)的吹拂更會(huì)大大降低居民出行和室外活動(dòng)的舒適度。在冬季的寒地城市，常見到空無一人的公園、游樂場以及居住小區(qū)的庭院等開敞空間。近年來，風(fēng)靡我國各地社區(qū)、已經(jīng)融入我國居民生活的廣場舞，在春、夏、秋季十分常見，然而由于寒地城市冬季夜晚極低的室外溫度和冷空氣下沉導(dǎo)致的刺骨寒風(fēng)，夜晚很難見到在室外進(jìn)行體育鍛煉的居民（圖24）。圖24 寒地冬季空無一人的室外場所 寒地城市冬季防風(fēng)與夏季通風(fēng)的矛盾建筑的壽命較長，少則數(shù)十年，多則上百年，因此在建設(shè)之前必須坐好充分的規(guī)劃設(shè)計(jì)，使建筑在建設(shè)后能夠盡量滿足多方需求保證多方面的利益。然而，需要承認(rèn)的是，矛盾是時(shí)常存在的，再好的規(guī)劃方案也常常伴隨著讓步與妥協(xié)，協(xié)調(diào)好需求與矛盾是規(guī)劃者經(jīng)常面臨的問題。對于寒地城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)來說，冬季防風(fēng)與夏季通風(fēng)是一直存在的矛盾。寒地城市面臨的最大難題是冬季的防風(fēng)，為了達(dá)到防風(fēng)的目的，勢必要通過建筑的不同排布形式降低區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速。但建筑是不可移動(dòng)的，在夏季，建筑排布形式對風(fēng)速降低的效應(yīng)同樣產(chǎn)生作用，會(huì)造成夏季通風(fēng)不利的效果，使室內(nèi)外溫度很難通過自然通風(fēng)得到降低，不僅不利于營造舒適的室內(nèi)外環(huán)境，更增加了夏季室內(nèi)通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備的能耗。因此，在規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮建筑布局對冬季防風(fēng)和夏季通風(fēng)的雙重影響，既保證冬季室內(nèi)外不受強(qiáng)風(fēng)的侵襲，又能夠?yàn)橄募臼覂?nèi)外環(huán)境提供通風(fēng)環(huán)境，從而營造四季適宜的良好風(fēng)環(huán)境。 本章小結(jié) 本章主要從寒地城市的氣候特征出發(fā)，對寒地商業(yè)步行街區(qū)風(fēng)環(huán)境的基礎(chǔ)研究進(jìn)行了闡述。首先簡要地介紹了寒地與寒地城市以及寒地商業(yè)步行街區(qū)，并闡述了CFD模擬的相關(guān)軟件和技術(shù)原理。圍繞寒地城市的氣候特點(diǎn)進(jìn)行分析，總結(jié)出寒地城市的氣候特征、風(fēng)環(huán)境特征及影響因素，并提出寒地風(fēng)環(huán)境面臨的問題，從而為下文的研究提供了切入點(diǎn)。3 寒地商業(yè)步行街區(qū)建筑布局的CFD模擬與分析營造舒適的生活環(huán)境是自古以來人們關(guān)注的重點(diǎn)。在信息技術(shù)不發(fā)達(dá)的時(shí)期，規(guī)劃師和建筑師通過經(jīng)驗(yàn)和消耗巨大人力物力的風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行建筑風(fēng)環(huán)境的設(shè)計(jì)，而今天，利用CFD模擬技術(shù)，僅需在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作就可完成對建筑群風(fēng)環(huán)境的模擬。由于建筑布局的多樣性和寒地氣候的特殊性，寒地商業(yè)步行街區(qū)的風(fēng)環(huán)境較為復(fù)雜，更需要以簡單直觀的方式對其進(jìn)行模擬分析，因此CFD模擬技術(shù)是研究寒地商業(yè)步行街區(qū)風(fēng)環(huán)境的極佳手段。 基于CFD模擬的風(fēng)環(huán)境評價(jià)方法CFD模擬與風(fēng)環(huán)境評價(jià)分析是本文研究的核心步驟。因此在進(jìn)行研究前，首先要了解CFD模擬的原理，并進(jìn)行風(fēng)環(huán)境評價(jià)方法的研究。 CFD技術(shù)CFD是計(jì)算流體力學(xué)的簡稱，以CFD技術(shù)為基礎(chǔ)編制的軟件是用來對流場進(jìn)行分析、計(jì)算、預(yù)測的專屬工具。計(jì)算流體力學(xué)軟件通常包括以下幾個(gè)模塊:幾何模型的建立模塊、后處理模塊、軟件使用教程及軟件說明。如圖31所示，為CFD軟件的模擬求解過程。圖31 CFD軟件的模擬求解過程[26]早期的CFD模擬，大多是研究人員針對研究對象自行編程進(jìn)行研究，這樣的CFD模擬程序往往具有特殊性，很難將一部CFD模擬程序廣泛應(yīng)用于多個(gè)問題的研究，同時(shí)，由于控制方程求解離散方法、程序計(jì)算能力和對問題分析深度的的不同，會(huì)產(chǎn)生多種不一致的模擬結(jié)果，研究的準(zhǔn)確性和可靠性[27]。英國CHAM公司經(jīng)過多年的研究和經(jīng)驗(yàn)積累，開發(fā)出了歷史上第一款商用CFD軟件Phoenics。Phoenics內(nèi)置22種湍流模型，在設(shè)置粘度、密度和溫度等參數(shù)的基礎(chǔ)上，可對三維穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的可壓縮流和不可壓縮流的流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等進(jìn)行模擬[28]。Phoenics的操作簡單，界面友好，可以適用于非流體力學(xué)專業(yè)的研究人員進(jìn)行研究。在建立模型時(shí)，既可在Phoenics中輸入X、Y、Z三軸的尺寸和位置參數(shù)來進(jìn)行建模，又可以在AutoCAD、Sketchup和Pro/E等軟件建立二維和三維的模型再導(dǎo)入Phoenics，方便快捷。在經(jīng)過模擬計(jì)算后，模擬結(jié)果能夠以三維圖像的形式生成，方便研究人員進(jìn)行相關(guān)的讀數(shù)，并能夠直觀地表現(xiàn)出流場的分布狀態(tài)。Phoenics的誕生使CFD模擬變得更加直觀簡便，讓更多非專業(yè)人員能夠輕松操作，促進(jìn)了CFD模擬軟件在各領(lǐng)域相關(guān)研究中的應(yīng)用。隨著Phoenics的成功，越來越多的商用CFD模擬軟件陸續(xù)開發(fā)并得到廣泛應(yīng)用，如Fluent, CFX, StartCD等都是當(dāng)今主流的CFD模擬軟件。本文的研究分析主要是通過采用Phoenics對建筑區(qū)域風(fēng)場來進(jìn)行CFD計(jì)算的。 評價(jià)體系的建立對建筑或建筑群進(jìn)行CFD模擬之后得出相應(yīng)可視化的模擬結(jié)果，但在評價(jià)建筑群的風(fēng)環(huán)境與氣候適應(yīng)性是否合理時(shí)，單純地憑借對模擬結(jié)果的主觀印象來進(jìn)行判斷是極為不合理、不科學(xué)的，因此在模擬之前應(yīng)首先制定出科學(xué)、合理的氣候適應(yīng)性評價(jià)體系。風(fēng)對建筑的影響主要以風(fēng)速和風(fēng)壓兩種形式存在。（1）風(fēng)速風(fēng)速就是空氣移動(dòng)的速率。風(fēng)在吹拂人體時(shí)，會(huì)帶走人體散發(fā)的熱量，風(fēng)速越大這種效應(yīng)越明顯，因此風(fēng)速是直接影響人的室外體感舒適度的因素。Emil 《風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用：風(fēng)工程導(dǎo)論》[29]中提到：對于風(fēng)環(huán)境舒適性的標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外研究人員為此作了大量的現(xiàn)場測試、調(diào)查統(tǒng)計(jì)和風(fēng)洞試驗(yàn)。在同時(shí)考慮平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速的情況下，提出了行人的舒適感與風(fēng)速之間較為具體的關(guān)系，如表31所示。表31 行人舒適感與風(fēng)速的關(guān)系[30]風(fēng)速人的感覺V5m/s舒適5m/sV10m/s不舒適，行動(dòng)受影響10m/sV15m/s很不舒適，行動(dòng)受嚴(yán)重影響15m/sV20m/s不能忍受20m/sV危險(xiǎn)建筑物的存在影響了風(fēng)原來的流動(dòng)狀態(tài)，使來流風(fēng)速發(fā)生變化，產(chǎn)生利于或不利于行人舒適度的影響。這種變化的程度風(fēng)速放大系數(shù)來體現(xiàn)。風(fēng)速放大系數(shù)反映了由于建筑物的存在而引起風(fēng)速變化的程度。風(fēng)速放大系數(shù)Ri定義為： Ri=Vi/Vo （31）式中，R為i點(diǎn)位置處的風(fēng)速放大系數(shù)率； Vi為流場中i點(diǎn)位置行人高度處的平均風(fēng)速（m/s） Vo為行人高度處未受干擾來流的平均風(fēng)速，一般取初始風(fēng)速（m/s）[31]《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T503782014）中提出，在冬季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，建筑物周圍人行區(qū)風(fēng)速小于5m/s，且室外風(fēng)速放大系數(shù)小于2，得2分[33]。 根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)可以確定，風(fēng)速和風(fēng)速放大系數(shù)應(yīng)作為評價(jià)風(fēng)環(huán)境的參數(shù)。（2）風(fēng)壓風(fēng)壓的產(chǎn)生是由建筑在風(fēng)場中對風(fēng)原有流動(dòng)狀態(tài)的改變造成的。風(fēng)在吹過建筑時(shí)受到建筑的阻擋，建筑迎風(fēng)面處的風(fēng)速降低形成靜壓，而風(fēng)由兩側(cè)繞過建筑時(shí)速度增加，較大的風(fēng)速會(huì)帶走建筑背風(fēng)面的空氣而形成建筑背風(fēng)面的負(fù)壓，不同的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和建筑的尺寸和形狀會(huì)產(chǎn)生不同的風(fēng)壓。在夏季建筑迎風(fēng)面與背風(fēng)面的門窗為了通風(fēng)而開啟時(shí)，可由建筑兩側(cè)的壓力差形成通風(fēng)，俗稱“穿堂風(fēng)”。而在冬季為了保證室內(nèi)的溫度，門窗常常關(guān)閉，此時(shí)建筑迎風(fēng)面的風(fēng)壓會(huì)與室內(nèi)空氣壓力產(chǎn)生壓力差，空氣會(huì)由建筑迎風(fēng)面靜壓的推動(dòng)下由門窗的縫隙流入室內(nèi)。在建筑冬季采暖時(shí)，這部分流入的冷空氣需要被加熱才能保證室內(nèi)恒定的舒適溫度，而加熱需要耗費(fèi)一部分熱量，這種耗費(fèi)的熱量在暖通專業(yè)中稱為冷風(fēng)滲透耗熱量[32]。由于冷風(fēng)滲透的存在，建筑在冬季采暖期的能耗增大，因此風(fēng)壓也是建筑節(jié)能所考慮的重點(diǎn)因素?！毒G色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T503782014）中提出，在冬季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，除迎風(fēng)第一排建筑外，建筑迎風(fēng)面與背風(fēng)面表面風(fēng)壓差不大于5Pa，得1分[33]。因此根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)壓也作為評價(jià)風(fēng)環(huán)境的參數(shù)。為了將模擬中不同建筑空間的差異放大從而比較，對于模擬值在不超過限定值100%的范圍內(nèi)按照相對于限定值的偏離度給分，方法如下：設(shè)某一項(xiàng)模擬數(shù)值（風(fēng)速或風(fēng)壓差）的模擬值為M，限定值為N，該項(xiàng)滿分為C，實(shí)際得分為P，則有公式：P=C[1(|M|N)/N] （32）最后將風(fēng)速和風(fēng)壓的得分相加得到總分[4]。其中，由于街道、院落、廣場各有其空間特點(diǎn)，須進(jìn)行更進(jìn)一步的計(jì)算。街道空間由于其規(guī)模尺度較大，因此在計(jì)算風(fēng)速應(yīng)按照不同風(fēng)速對應(yīng)的區(qū)域面積取整條街道的風(fēng)速平均值，在計(jì)算風(fēng)壓時(shí)應(yīng)按照街道空間對沿街兩側(cè)建筑的風(fēng)壓差產(chǎn)生的影響考慮，因此取街道兩側(cè)建筑各占街道的長度計(jì)算風(fēng)壓差的平均值，從而計(jì)算出風(fēng)速和風(fēng)壓的得分并相加得到街道空間的總分；院落空間中，風(fēng)速按照各風(fēng)速對應(yīng)的區(qū)域取平均值計(jì)算，風(fēng)壓按照院落各邊建筑所占圍合建筑的總長度的比值取平均值進(jìn)行計(jì)算，形式復(fù)雜的院落則按照前、后院或內(nèi)、外院各占院落面積的比例計(jì)算風(fēng)速，風(fēng)壓同上，風(fēng)速和風(fēng)壓的得分并相加得到總分[4]；廣場空間中，不同風(fēng)速對應(yīng)的區(qū)域面積取整條街道的風(fēng)速平均值，風(fēng)壓按照圍合廣場各邊建筑所占廣場周長的比值取平均值進(jìn)行計(jì)算。最終，街道、院落、廣場的總分與滿分的百分比作為衡量院落風(fēng)環(huán)境好壞的標(biāo)準(zhǔn)，并定義為風(fēng)環(huán)境適宜度（Wind Environment Suitability,以下簡稱WES）[4]。在對冬季風(fēng)條件下街道、院落、廣場空間進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬后還要在夏季風(fēng)條件下再次進(jìn)行模擬，從而得到相同建筑布局下不同季節(jié)的不同風(fēng)條件產(chǎn)生的防風(fēng)性能較差異，作為對寒地商業(yè)步行街區(qū)冬季風(fēng)環(huán)境和布局模式關(guān)系的參考，從而確定在何種建筑布局模式下，街道、院落或廣場空間既能夠創(chuàng)造合理的冬季風(fēng)環(huán)境又能保證夏季的良好通風(fēng)。 寒地商業(yè)步行街區(qū)建筑布局的現(xiàn)狀在進(jìn)行CFD模擬之前首先要確定研究的對象。由于研究的主體是寒地商業(yè)步行街區(qū)，因此選擇的我國寒地城市中具有代表性的商業(yè)步行街區(qū)。哈爾濱是我國典型的寒地城市，素有冰城之稱，是我國冬季旅游的首選目的地