1. 引言
近年来，随着城市化进程稳步推进，人们不止关注效率，更注重居住环境对人体舒适性、健康性的影响。而大量高密的建筑、道路与人口活动，导致大气气流在城市中受到阻碍，热量积聚，形成了对流不畅、温度低迷的现象。这使得城市内外的温度差异较大，进一步加剧了城市热环境的问题，不仅降低了建筑的舒适性及健康性，还加剧了建筑材料、能源的消耗。随着全社会对绿色建筑的理念认识和需求的逐步提高。2019年国家颁布了新版《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2019)，构建了新的绿色建筑指标体系，其中总则1.0.4提到建筑布局应与场地的气候条件和地理环境相适应，并应对场地的风环境、光环境、热环境、声环境等加以组织和利用。这些要素直接联系建筑室外环境品质，关系到人们在室外活动舒适性的感受，也会间接影响室内环境品质与能源节约。
2022年7月，宜春市人民政府办公室关于印发宜春市“十四五”能源发展规划的通知，规划中提到“城市能源能耗占到全社会总能耗的67%，产生超过70%的碳排放，做好城市能源发展规划，将是中国优化能源结构、改善环境质量的核心突破点”。而居住区建筑能耗作为城市能耗的一个重要方面，改善风环境，不仅能直观提升居民活动舒适度，还能间接降低建筑运行阶段能耗的比例，有助于城市节能减排目标的实现。
2. 国内外风环境研究
国外风环境的研究最早可以追溯到古罗马时期，建筑巨匠维特鲁威[1]在他的经典著作《建筑十书》中建议城市街道布局应该与当地冬季主导风向正交布置，为行人提供最大限度的风掩蔽。20世纪60年代中期，多个国家都建立了风环境研究中心。日本学者Azli Abd Razak [2]揭示了建筑物几何形状与行人风速之间的关系，并将行人风速表示为建筑物迎风面积比的简单幂律函数。Vladimir等[3]基于CFD预测、风洞试验和现场测量结果之间的交叉比较结果，对行人风环境的预测和评估方法进行研究。You等[4]学者利用计算流体动力学(CFD)模拟，探索住宅建筑布局设计与不同室外空间通风效率之间的相关性,证实风向是改善居住区风环境的重要因素。Yong You等[5]提出了一种将深度学习技术与CFD模拟相结合的方法，用于高效地预测和优化建筑风环境。
国内相关研究稍晚了一些，始于20世纪80年代末。而居住区风环境研究主要有两种类型，一是对实际项目进行模拟研究，如张春灵等[6]运用计算流体力学Airpak软件，对规划初期方案与基于风环境影响优化推导的优化方案进行了风场效应模拟效果对比，归纳和验证不同尺度建筑群空间组合关系产生的微气候风环境作用效应；曹象民等[7]通过分析风环境与建筑各指标之间的关联性明确风环境现状问题，进一步提出基于风环境改善的规划策略；王江丽等[8]利用CFD软件Phoenics进行风环境模拟，并结合绿色建筑相关技术标准分析，对院区现有风环境存在的问题提供改进措施，同时也验证了CFD模拟在建筑规划设计中的可行性和重要性。另外就是对居住区简化模型进行比较研究，如胡一东等[9]利用Windperfect软件进行数值模拟分析，得出各季节多种布局方式的通风性能；刘瑞杰等[10]研究建筑朝向、建筑高度和建筑布局对居住区日照、风速和风压的影响，得到满足规划条件的居住区优化方案及规划阶段日照和风环境的优化策略。总体而言，居住区室外风环境国内外研究已经有了一定的基础。
本文采用CFD软件Phoenics进行模拟，选取规划设计初期方案和在前期风环境模效果分析基础上提出的优化方案，建立数值模型，分别模拟分析了这两个方案在夏、冬两个典型季节风场下的风环境情况，并探讨了较为合理住区方案的优化布局因素，为居住区合理规划设计提供较直接的数据参考，对居住区规划设计和风环境改善具有积极意义。
3. 研究对象
3.1. 规划区位及气象情况
宜春市具有热带湿润气候特点。气候温和，雨量充沛，四季分明，享有“山明水秀，土沃泉甘，其气如春，四时咸宜”之称。全年平均气温17.3℃，最冷月为1月，平均气温5℃，最热月为7月，平均气温28.8℃。由宜春市人民政府网公布的春市“十四五”能源发展规划可知，宜春风向的季节特点是冬季冷空气从北侵入，盛行偏北风(N)，从赣北区域侵入。夏季热暖气从南流入，盛行偏南风(S)，从赣南区域流入。根据微软天气2013年至今的宜春市历史天气数据可得冬季平均风速为1.25 m/s，夏季平均风速为1.69 m/s (见表1)。
Table 1. Yichun city average wind speed meter
表1. 宜春市平均风速表
季节 |
冬 |
春 |
夏 |
秋 |
月份(2013年至今) |
12 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
月平均风速(m/s) |
1.24 |
1.14 |
1.37 |
1.52 |
1.39 |
1.28 |
1.5 |
1.88 |
1.69 |
1.49 |
1.47 |
1.25 |
季平均风速(m/s) |
1.25 |
1.39 |
1.69 |
1.4 |
3.2. 场地建设要求
基地用地性质为二类居住用地，北侧为城市主干道，东侧为城市次干道，交通便利。西侧为较低矮的老旧居民区，南侧为已建成小型居住区，皆对该规划方案的影响较小。场地中心为人造景观湖，为基地内主要景观点，规划原则上要求保留，可根据规划设计思路和相关规定控制水面大小。该居住区用地面积约96,980 m2，设计要求容积率 ≤ 1.3；建筑密度 ≤ 22%；建筑高度 ≤ 60米；绿地率(核心区) ≥ 50%。
3.3. 规划方案
本规划设计初期方案(见图1)在满足设计规范与设计要求前提下，尽量保证建筑的景观朝向。一共排列21栋楼，以行列式排布为主。北侧最高18F，南侧最高12F，两侧向湖心降低，中间四栋大户型区最低为6F。居住区长轴天际线呈现“高–低–高”的趋势。建筑朝向则在正南北的基础上根据基地边界及景观条件都进行了一定的旋转。总建筑面积约118,540 m2，东西向跨度为321 m，南北向跨度为363 m。建筑占地面积15,200 m2，建筑密度为15.47%，容积率为1.26。
由于研究对象为居住区内21栋居住建筑，而周边建筑楼层低矮，在宜春市冬夏两季主导风向上对住宅风环境影响较小，故在建立模拟模型时，忽略居住区周边环境情况，模拟数据与研究结论仍有较强参考价值。
Figure 1. Preliminary plan of the residential area
图1. 居住区初步规划总平图
4. 研究方法
4.1. 风环境评价指标
如何评价风环境优劣，有众多的参考要素。如良好的风环境能够使建筑在夏季及过渡季节保持较好的自然通风，冬季则需要防风但同时避免静风产生污染气体堆积，客观上可以考虑通过风速、风压、空气龄等指标进行评价，主观上则可以参考PMV指数。关于风速，国内外研究人员作了大量的现场测试、调查统计和风洞试验。1992年，Emil Simiu与Robert H. Scanlan的著作《风对结构的作用：风工程导论》[11]总结了行人舒适度与风速之间的关系(见表2)；建筑室内外风压差大小则影响建筑自然通风情况，压差过小不利于夏季通风，压差过大则不利于冬季保温；空气龄最早用于室内，指某一区域空气更新需要的时间，空气龄越小越有利于污染物的消散，空气越新鲜[12]；PMV为考虑了人体热舒适感诸多因素的全面评价指标(见表3)，理论依据是当人体处于稳态的热环境下，人体的热负荷越大，人体偏离热舒适的状态就越远，即人体热负荷正值越大，人就觉得越热，负值越大，人就觉得越冷。早期热舒适模型基于室内环境发展而来，用于室外环境存在一定的差异[13]，因此将PMV模拟结合风速、风压模拟结合进行评价。
另外《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2019)中对于居住区的风环境给了明确的评价标准[14]。冬季建筑物周围人行区距地1.5 m高处风速小于5 m/s满足正常活动要求；户外休息区、儿童活动区风速则应小于2 m/s；建筑迎风面与背风面表面压差应不大于5 Pa，防止冷风渗透。夏季活动区应防止漩涡和无风区的出现；室内外表面风压差大于0.5 Pa有助于室内的自然通风换气。
Table 2. Comfort vs. wind speed table
表2. 舒适度与风速关系表
风速 |
V < 5 m/s |
5 m/s < V < 10 m/s |
10 m/s < V < 15 m/s |
15 m/s < V < 20 m/s |
V > 20 m/s |
人体感觉 |
舒适 |
不舒适，行动受影响 |
很不舒适，行动严重
受影响 |
不能扔手 |
危险 |
Table 3. PMV indicator grading scale
表3. PMV指标分级表
热感觉 |
热 |
暖 |
微暖 |
适中 |
微凉 |
凉 |
冷 |
PMV值 |
+3 |
+2 |
+1 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4.2. 风环境模型构建
选择CDF软件Phoenics进行风环境模拟。Phoenics是世界上第一套计算流体与计算传热学商业软件，作用于建筑和暖通设计优化，可以对建筑室内外空间的空气流动及温度分布进行模拟。建筑小区室外风的流动一般属于不可压缩、低旋、弱浮力流动湍流，模拟常用的数学模型有标准k-ε模型和大涡模拟模型(LES)等数学模型。本文采用了在低速湍流的数值模拟中应用较多、计算成本较低、在数值计算中波动较小、精确度较高的k-ε模型[15]。
4.3. 参数设置
模拟时根据住区模型大小确定合适的三维为了加快计算收敛速度[10]，在居住区方案建模时对建筑体型上的细部凹凸进行简化，然后将模型stl格式导入到在Phoenics平台上，结合宜春市风环境数据填入参数。设置模拟区域的三维空间尺度时，模型顶部到模拟区域上边界的垂直高度应大于5H (H为对象建筑或建筑群特征高度)；水平方向上建筑外缘距离计算域边界的距离应大于5H；风流入侧边界至外缘水平距离应大于5H，而流出边界距离应大于10H [16]。最终确定的计算区域为1523 m、宽901 m、高348 m。
在网格划分过程中，靠近建筑模型区域需要更为精准的计算，网格设置较密，以5 m为单位生成细分网格，远离建筑模型区域网格以1.3倍的网格扩展率沿X、Y和Z方向向外扩展[8]，以减少计算时间，产生初始块状网格。
5. 风环境模拟
5.1. 夏季风环境模拟
居住区初步规划设计方案A夏季室外1.5 m行人高度处的风速、风压、PMV、空气龄模拟结果如下(见图2，图3)。
Figure 2. Summer wind speed vector diagram, wind speed simulation cloud diagram and wind pressure simulation cloud diagram of Scheme A
图2. 方案A夏季风速矢量图、风速模拟云图及风压模拟云图
Figure 3. Summer PMV simulation cloud map, air age simulation cloud map of Scheme A
图3. 方案A夏季PMV模拟云图、空气龄模拟云图
由风速模拟云图可知在夏季，居住区室外1.5 m行人高度处，风速基本处于0.19~3.00 m/s范围内，多数建筑北侧局部风速小于1 m/s不利于污染物扩散[17]；风速矢量图显示2、19、20、21号四栋板式高层建筑北侧居民活动区均出现了较大面积的漩涡区，容易导致空气中污染物堆积，不利于空气流通；由风压模拟云图与PMV模拟云图可知4号、12号住宅迎风面和背风面风压差小于0.5 Pa，不利于住宅内部的自然通风，同时12号住宅南侧PMV值最大为2.6，出现局部温度较高，人体感觉较热的情况，不满足要求。空气龄则处在300~700 s之间。
5.2. 冬季风环境模拟
居住区初步规划设计方案A冬季室外1.5 m行人高度处的风速、风压、PMV、空气龄模拟结果如图4，图5所示。
在冬季，由风速矢量图与风速模拟图显示1、2、4栋住宅南侧形成纵深较长，面积较大的风影区，风速低于1 m/s，不满足居民正常室外活动及污染物扩散需求。其他住宅周围室外1.5 m行人高度处的风速在1 m/s~5.0 m/s，主要活动区域的风速平均值在1.25 m/s左右，风速小且稳定；由风压模拟云图可知，居住区内住宅迎风面与背风面的风压差均在5 Pa以内，可以有效地减少冷风向室内渗透，满足要求。PMV值则处在1~1.5范围内，热感觉为暖。空气龄处在428~873 s之间。
Figure 4. Winter wind speed vector diagram, wind speed simulation cloud diagram and wind pressure simulation cloud diagram of Scheme A
图4. 方案A冬季风速矢量图、风速模拟云图及风压模拟云图
Figure 5. Winter PMV simulation cloud map, air age simulation cloud map of Scheme A
图5. 方案A冬季PMV模拟云图、空气龄模拟云图
6. 基于模拟结果的规划方案优化
6.1. 方案优化
初步规划方案中，夏季室外主要活动区整体风速较低。局部风速小于1 m/s且出现漩涡区和无风区，特别是19、20、21号住宅，建筑层数较高，建筑拐角处气流较强，形成了大面积的漩涡。考虑原因为初步设计时，居住区长轴轴向与基地边界的呼应，以及景观视野的争取，将住宅朝向都进行偏移，欠缺对基地风环境的衡量，使得建筑与夏季主导风向产生夹角。风在经过住宅时，风流线的方向和速度不均匀，从而产生旋转的气流。另外建筑在轴向上的行列式布局方式使的居住区在南北风向上未能形成居住区的通风走廊。考虑将初步规划方案进行如下优化(见图6)。
① 综合考虑日照与主导风向最优情况，将建筑朝向适应风向调整为正南北向，保证风流经过时在住宅迎风面形成最大风压，在住宅间距足够的情况下风流方向稳定，速度均匀；
② 在满足日照间距前提下，将5栋与6栋、14栋与15栋点式住宅合并改为板式住宅，留出空间形成居住区内南北向的通风走廊，迎向盛行风向[18]；
③ 将建筑高度的梯度变化与主导风向南北向调整成垂直关系，13~21栋趋势微调，尽可能保留建筑的景观视野。
Figure 6. General plan, ventilation walkway schematic diagram and space height control diagram of Scheme B
图6. 方案B平面图、通风走道示意图及空间高度控制图
6.2. 优化方案模拟结果
6.2.1. 优化方案夏季风环境模拟情况
优化方案B夏季室外1.5 m行人高度处的风速、风压、PMV、空气龄模拟结果如下(见图7，图8)。
Figure 7. Summer wind speed vector diagram, wind speed simulation cloud diagram and wind pressure simulation cloud diagram of Scheme B
图7. 方案B夏季风速矢量图、风速模拟云图及风压模拟云图
Figure 8. Summer PMV simulation cloud map, air age simulation cloud map of Scheme B
图8. 方案B夏季PMV模拟云图、空气龄模拟云图
优化调整之后，整体风流平稳均匀，无漩涡和静风区出现。整体风速有了较大提升，对应空气龄最大由700 s降低到600 s。且风速在1 m/s与5 m/s之间，满足污染物扩散与室外正常活动风速要求。PMV指数由最大2.600降低到2.427，人体舒适度有所提升。
6.2.2. 优化方案冬季风环境模拟情况
与初步方案相比，优化方案(见图9，图10)的风流均匀稳定，且风压差值更小，更有利于冬季的防风。PMV指数整体小于原始方案，空气龄由最大875 s降到最大750 s，小区的空气品质和舒适度有了较大提升。
Figure 9. Winter wind speed vector diagram, wind speed simulation cloud diagram and wind pressure simulation cloud diagram of Scheme B
图9. 方案B冬季风速矢量图、风速模拟云图及风压模拟云图
Figure 10. Winter PMV simulation cloud map, air age simulation cloud map of Scheme B
图10. 方案B冬季PMV模拟云图、空气龄模拟云图
7. 总结
针对居住区初步规划方案风环境模拟结果，进行方案优化及风环境的再模拟验证，得到以下结论：
① 建筑朝向直接影响住区风量的引入，在规划时需要充分考虑主导风向。在整体风速较小且建筑间距足够的情况下可以考虑将住宅长轴方向垂直于主导风向以增大风压提高风速；
② 居住区建筑布局时，尽可能调整居住区上风向前几排建筑的布置，使得居住区内形成的通风走道迎向盛行风向(见图6)，保证主导风可以深入到居住区内部，同时在经过住宅时，风流均匀稳定，使居住区各个部分的空气都能得到优化；
③ 在住宅高度控制上，首先在满足《城市居住区规划设计标准》(GB50180-2018) [19]及设计任务要求的基础上，尽可能将建筑高度的梯度变化与主导风向调整成垂直关系(见图6)。
总之，通过Phoenics软件模拟居住区规划方案的风环境来检验方案的合理性是一种有效的方式，能够提供直观的数据图像进行分析判断，进而可以对方案进行有效优化。本文在不调整建筑高度、户型组合布局的前提下进行完善，减少更改方案工作量的同时达到优化目标，但优化方案可能不是最优解。后期研究可以考虑结合室外绿化、水体、地面垫层等室外环境要素[6]进行综合模拟，从而为规划可持续居住区、营造舒适风环境提供全面有效的理论指导和方法路径。
致 谢
由衷感谢我的导师李丹老师，在我研究及论文撰写两个方面都提供了悉心指导和具有建设性的意见，并不断鼓励我完成本篇文章。老师专业知识、严谨态度和无私奉献都将进行影响着我继续努力学习与前进。
基金项目
湖南省哲学社会科学规划基金青年项目(21YBQ059)；2023年湖南省大学生创新创业训练计划项目(S202310534014)；湖南科技大学2023年度大学生科研创新计划项目(SRIP) (YZ2345)。