趙宏宇 張艾欣 張成龍 張博華 鄭 晴 余 露

(吉林建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院,長春 130118)

在全球化浪潮的席卷下,城市大規(guī)模快速發(fā)展嚴(yán)重影響了人們的生活環(huán)境與品質(zhì).諸多城市現(xiàn)已出現(xiàn)霧霾、熱島效應(yīng)等一系列問題.其中,我國北方寒地城市由于地理原因,冬季風(fēng)環(huán)境問題突出,出行不僅舒適度差,生命安全甚至?xí)獾酵{.寒地城市的風(fēng)環(huán)境問題,已引起政府工作人員、規(guī)劃界人士、專家學(xué)者的關(guān)注,是大家共同面臨的一大挑戰(zhàn).目前，國內(nèi)有關(guān)風(fēng)環(huán)境研究方向涉及較為寬泛,如交通、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、規(guī)劃等領(lǐng)域,大多數(shù)是關(guān)注城市級(jí)別宏觀層面的風(fēng)環(huán)境研究,致力于整體上改善城市氣候環(huán)境,促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展,而對(duì)中微觀層面開展的研究較少,涉及面也較窄.以往在土地資源十分寶貴的情況下,大部分的城市只能采取緊湊型、高密度、高容積率的發(fā)展模式.這種模式雖然有利于降低基礎(chǔ)設(shè)施和能源的整體消耗,但可能會(huì)在城市中心區(qū)產(chǎn)生風(fēng)環(huán)境惡化現(xiàn)象[1].街區(qū)建筑群體的形態(tài)特征與城市風(fēng)環(huán)境有著密切的關(guān)聯(lián),如何在城市中尋找現(xiàn)有的風(fēng)屏障空間,將其模式化、標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用到城市實(shí)踐中，是一項(xiàng)亟待研究的課題.

1 長春市街區(qū)風(fēng)環(huán)境現(xiàn)狀

寒地城市風(fēng)環(huán)境研究應(yīng)主要考慮冬季防風(fēng),英國建筑師拉爾夫·厄斯金最早提出“風(fēng)屏蔽”這一概念[2].但街區(qū)層面的“風(fēng)屏蔽”對(duì)策多為景觀領(lǐng)域,冬季植物衰敗對(duì)寒冷地區(qū)冬季室外風(fēng)環(huán)境影響不大.以長春市為例,在街區(qū)層面應(yīng)從建筑群體角度出發(fā),由此，本文提出風(fēng)屏障空間概念,界定其研究范圍是城市街區(qū)層面的靜風(fēng)區(qū)及降低風(fēng)速區(qū).人體舒適度是我國風(fēng)環(huán)境研究領(lǐng)域的主流評(píng)價(jià)指標(biāo),也是針對(duì)城市街區(qū)層面風(fēng)環(huán)境的主要評(píng)價(jià)內(nèi)容,常用的室外風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)風(fēng)速值小于3.3m/s時(shí),室外環(huán)境適宜休息停留;當(dāng)風(fēng)速值小于5m/s時(shí),適宜行人正常行走;當(dāng)風(fēng)速值大于10m/s時(shí),人體將感覺十分不適[3].

(1) 氣候環(huán)境基本特征. 長春市地理坐標(biāo)東經(jīng)125°35′北緯43°88′,位于北半球中緯度北溫帶,地處歐亞大陸東岸的中國東北平原腹地松遼平原,溫帶大陸性氣候,但冬季寒冷漫長風(fēng)環(huán)境惡劣.本文參考的氣象數(shù)據(jù)均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),基于《氣候資料統(tǒng)計(jì)整編方法(1981-2010)(發(fā)布版)》,按夏季(五月至十月)與冬季(十一月至四月)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)得知：長春市冬季平均風(fēng)速為5m/s,夏季平均風(fēng)速為3m/s.數(shù)據(jù)將被應(yīng)用到本文數(shù)值模擬中,作為基本參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)[4].

(2) 街區(qū)建設(shè)基本現(xiàn)狀. 長春市主要路網(wǎng)結(jié)構(gòu)為環(huán)形放射式,街區(qū)建筑南北向或沿街道布置.長春市主城區(qū)內(nèi)街區(qū)空間主要分為兩大類:商業(yè)街區(qū)和居住區(qū),本文的研究范圍限定在典型商業(yè)街區(qū)和居住區(qū)內(nèi)的風(fēng)屏障空間.商業(yè)街區(qū)主要是以大型商場(chǎng)寫字樓為主的娛樂一體化街區(qū)和以個(gè)性特色為主的多層建筑群體步行商業(yè)街區(qū).居住區(qū)主要是高層居住區(qū)、多層居住區(qū)、別墅區(qū)和混合型建筑群體居住區(qū)等.城市風(fēng)在經(jīng)過不同高度、密度的建筑街區(qū)會(huì)產(chǎn)生截然不同的影響,局部強(qiáng)風(fēng)會(huì)對(duì)人體舒適度和人身安全造成威脅.

2 街區(qū)樣本選取

向長春市居民發(fā)放調(diào)查問卷,對(duì)長春市現(xiàn)有的風(fēng)屏障空間進(jìn)行調(diào)查、總結(jié)和歸納,然后結(jié)合 Google Earth和實(shí)地調(diào)研，篩選出長春市典型的風(fēng)屏障空間,為實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬做準(zhǔn)備.

2.1 街區(qū)風(fēng)環(huán)境問卷調(diào)查

文獻(xiàn)資料收集、調(diào)研長春市規(guī)劃局、建筑設(shè)計(jì)院等處以及實(shí)地走訪長春市朝陽區(qū)、南關(guān)區(qū)、寬城區(qū)、二道區(qū)、綠園區(qū)、凈月區(qū)等主要城區(qū)中的典型商業(yè)街區(qū)、居住區(qū)后，制作并發(fā)放調(diào)查問卷.實(shí)發(fā)問卷640份,回收603份,問卷回收率94%,問卷內(nèi)容主要分為兩部分:第一部分包括調(diào)查日期、受訪者所居住的區(qū)域、天氣、性別、年齡和職業(yè)等基本信息；第二部分包括冬季室外活動(dòng)的時(shí)長、頻率、活動(dòng)場(chǎng)所、受訪者對(duì)冬季室外風(fēng)環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)等.初步篩選出了一些居民主觀認(rèn)為的典型風(fēng)屏障空間,部分結(jié)果分析見圖1.針對(duì)這些結(jié)果再一次進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,調(diào)研地點(diǎn)有中海國際小區(qū)、東方萬達(dá)小區(qū)、御翠園小區(qū)、紅旗街商圈、重慶路商圈、桂林路商圈等.圍繞風(fēng)屏障空間進(jìn)行周邊訪談、拍攝,并記錄風(fēng)屏障空間位置、形式等,同時(shí)對(duì)調(diào)查地點(diǎn)周邊區(qū)域建筑群體布局進(jìn)行歸納總結(jié).

2.2 典型街區(qū)樣本選取

結(jié)合 Google Earth、實(shí)地調(diào)研、問卷分析及長春市中心城區(qū)活力圖,對(duì)長春市現(xiàn)有的風(fēng)屏障空間進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)和篩選,確定商業(yè)街區(qū)實(shí)測(cè)點(diǎn)為重慶路商業(yè)街區(qū);居住街區(qū)實(shí)測(cè)點(diǎn)為東方萬達(dá)小區(qū)、金色世界小區(qū)、吉林建筑大學(xué)學(xué)生公寓.重慶路商業(yè)街區(qū)為長春市高層簇群式街區(qū),建筑風(fēng)環(huán)境較為復(fù)雜、風(fēng)速變化較為明顯,易判別現(xiàn)有風(fēng)屏障空間的模式.其次,重慶路商業(yè)街區(qū)是長春市活力較高的街區(qū)之一,便于訪談和問卷的發(fā)放.問卷分析結(jié)果表明,長春市常見居住區(qū)布局模式為:行列式、斜列式、山墻錯(cuò)落式、L型圍合式幾種模式(見圖2).

再結(jié)合資料、實(shí)地調(diào)研和街區(qū)冬季室外活力程度、居民對(duì)其小區(qū)的滿意程度等其他問卷分析結(jié)果，綜合考慮,確定重慶路商業(yè)街區(qū)、行列式東方萬達(dá)小區(qū)、山墻錯(cuò)落式金色世界小區(qū)及L型圍合式吉林建筑大學(xué)學(xué)生公寓為最終實(shí)測(cè)點(diǎn),具體信息見表1.

圖1 冬季室外商業(yè)街活力問卷分析Fig.1 Analysis of the questionnaire of the vitality of outdoor commercial street in winter

圖2 受訪居民所在居住街區(qū)模式比例Fig.2 The proportion of residential model of surveyed residents

MeasuringperiodMeasuredobjectLocateddistrictRealmapMeasuredpointsmarkedinsatellitemap1-30/11/2017ChongqingRoadblockNanguandistrict1-30/11/2017DongfangWandaresidentialareaNanguandistrict1-30/11/2017GoldenWorldresidentialareaNanguandistrict1-30/11/2017ApartmentinJilinJianzhuUniversityNanguandistrict

3 街區(qū)樣本調(diào)查

實(shí)測(cè)與訪談相結(jié)合，對(duì)街區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行主客觀評(píng)價(jià),對(duì)所調(diào)研街區(qū)風(fēng)屏障空間的評(píng)定進(jìn)行初步探索.

3.1 街區(qū)風(fēng)環(huán)境實(shí)測(cè)

(1) 調(diào)研日期的選擇. 根據(jù)長春市氣象數(shù)據(jù)資料,11月份出現(xiàn)平均風(fēng)速5m/s的幾率較大,因此選取11月1～30日為調(diào)研時(shí)期.由于實(shí)際風(fēng)環(huán)境十分復(fù)雜,鑒于時(shí)間等因素的限制,本文主要選擇接近長春市平均風(fēng)速且為西南風(fēng)向的晴天進(jìn)行測(cè)量,風(fēng)速過大的特殊天氣不在本文的研究范圍內(nèi).測(cè)量的主要數(shù)據(jù)是溫度、風(fēng)速、風(fēng)向,測(cè)量高度為1.5m[5].

(2) 街區(qū)觀測(cè)點(diǎn)選擇與數(shù)據(jù)收集. 對(duì)于空氣溫度與風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量主要采用Testo 435多功能測(cè)量?jī)x.該儀器適用于現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量風(fēng)環(huán)境狀況,主要測(cè)量環(huán)境溫度、風(fēng)速及風(fēng)壓等多項(xiàng)參數(shù),且具有清晰的分析和存檔功能[6].

(3) 觀測(cè)點(diǎn)的選擇. 為研究建筑群體周圍風(fēng)速的變化,在監(jiān)測(cè)建筑群體內(nèi)部時(shí),按如下分類方法將觀測(cè)點(diǎn)劃分為7類，詳見表2[7],各街區(qū)實(shí)測(cè)點(diǎn)具體選點(diǎn)，見圖3～圖6.

表2 布局模式內(nèi)選點(diǎn)方式Table 2 Layout mode within the point of choice

圖3 重慶路街區(qū)實(shí)測(cè)點(diǎn)Fig.3 Measured points in Chongqing Road block

圖4 東方萬達(dá)小區(qū)實(shí)測(cè)點(diǎn)Fig.4 Measured points in Dongfang Wanda residential area

圖5 金色世界小區(qū)實(shí)測(cè)點(diǎn)Fig.5 Measured points in Golden World residential area

圖6 吉林建筑大學(xué)學(xué)生公寓實(shí)測(cè)點(diǎn)Fig.6 Measured points of apartment in Jilin Jianzhu University

(4) 觀測(cè)數(shù)據(jù)采集. 由于建筑群體對(duì)室外風(fēng)環(huán)境的影響因素主要是風(fēng)速、風(fēng)向等,從而造成對(duì)人體舒適度指標(biāo)的改變,因此主要測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向參數(shù).

根據(jù)整體氣象數(shù)據(jù)來看,上午8∶00～下午16∶00時(shí)段的空氣溫度、風(fēng)速、風(fēng)向的波動(dòng)較為明顯,測(cè)量該時(shí)間段的相關(guān)數(shù)據(jù)較有典型性，其中中午12∶00～下午14∶00的波動(dòng)最為劇烈，作為軟件模擬時(shí)段則更具代表性.在測(cè)量過程中,沿著實(shí)測(cè)區(qū)域的主導(dǎo)風(fēng)向,以20min～30min為1個(gè)周期,多次測(cè)量并讀取相應(yīng)數(shù)據(jù),取其算數(shù)平均值.

3.2 街區(qū)風(fēng)環(huán)境滿意度訪談

在實(shí)測(cè)的同時(shí),隨機(jī)選取上述街區(qū)周邊行人或居民進(jìn)行訪談,以主觀評(píng)價(jià)風(fēng)速,并將其對(duì)風(fēng)速的滿意程度劃分為4個(gè)等級(jí),依次賦值為1，2，3，4,根據(jù)受訪者選取的權(quán)重賦值結(jié)果進(jìn)行比較.內(nèi)容包括:

一是受訪者所認(rèn)為的周邊靜風(fēng)區(qū)和降低風(fēng)速區(qū)有哪些.

二是將實(shí)測(cè)初步結(jié)果與受訪者主觀感受進(jìn)行比對(duì),并判斷其是否為人們主觀認(rèn)為的靜風(fēng)區(qū)或降低風(fēng)速區(qū).

據(jù)此得出初步結(jié)果:住在L型圍合式小區(qū)的居民認(rèn)為，其小區(qū)冬季室外風(fēng)環(huán)境舒適，滿意度最高,而重慶路這種高層建筑群體密集的商業(yè)街區(qū)滿意度較差,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表 3.

表3 所在街區(qū)冬季風(fēng)環(huán)境滿意度調(diào)查Table 3 Satisfaction survey of winter wind environment in block

4 街區(qū)風(fēng)屏障空間評(píng)定與結(jié)果分析

4.1 風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

為避免實(shí)測(cè)誤差導(dǎo)致不準(zhǔn)確結(jié)果,作者選取Ecotect(Autodesk Ecotect Analysis)軟件及Win Air4插件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,以便得出客觀評(píng)價(jià)結(jié)果.風(fēng)環(huán)境模擬技術(shù)Win Air 4是計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,英文縮寫CFD)模擬技術(shù)的主流平臺(tái)之一[8],具有計(jì)算速度快、相對(duì)準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點(diǎn),適用于中微觀區(qū)域?qū)蛹?jí)的風(fēng)環(huán)境計(jì)算模擬.

4.2 模擬結(jié)果及驗(yàn)證

將每個(gè)街區(qū)的實(shí)測(cè)值匯總與模擬的結(jié)果進(jìn)行橫縱向比較，見表4～表7.以上四個(gè)街區(qū)的實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果相匹配,見圖8、圖10、圖12、圖14.結(jié)合訪談結(jié)果,將模擬圖進(jìn)一步量化，分析得出風(fēng)速變化極為明顯的區(qū)域,從而判別風(fēng)屏障空間.在街區(qū)層面的建筑群體中,高層密集的商業(yè)街區(qū)既能形成較大的風(fēng)影區(qū)減緩風(fēng)速,又極容易形成狹管效應(yīng)出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)，見圖7～圖8.

表4 重慶路街區(qū)模擬與實(shí)測(cè)風(fēng)速對(duì)比Table 4 Comparison of wind speed simulated and measured in Chongqing Road block

圖7 重慶路街區(qū)模擬風(fēng)速Fig.7 Wind speed simulated in Chongqing Road block

圖8 重慶路街區(qū)模擬與實(shí)測(cè)風(fēng)速曲線Fig.8 Curves of simulated and measured wind speed in Chongqing Road block

居住區(qū)街區(qū)建筑群體模式中,風(fēng)屏障空間區(qū)域由大及小，見圖9～圖14,依次排序?yàn)?L型圍合式>山墻錯(cuò)落式>行列式.結(jié)合現(xiàn)狀可知：適宜長春市的居住街區(qū)風(fēng)屏障空間為L型圍合式與山墻錯(cuò)落式.

表5 東方萬達(dá)小區(qū)模擬與實(shí)測(cè)風(fēng)速對(duì)比Table 5 Comparison of wind speed simulated and measured in Dongfang Wanda residential area

圖9 東方萬達(dá)小區(qū)模擬風(fēng)速Fig.9 Wind speed simulated in Dongfang Wanda residential area

圖10 東方萬達(dá)小區(qū)模擬與實(shí)測(cè)風(fēng)速曲線Fig.10 Curves of simulated and measured wind speed in Dongfang Wanda residential area

MeasuringpointAveragewindspeedsimulated/(m·s-1)Averagewindspeedmeasured/(m·s-1)MeasuringpointAveragewindspeedsimulated/(m·s-1)Averagewindspeedmeasured/(m·s-1)A13.9542.895C43.4162.214B13.2572.143A53.1382.243C13.1462.057B52.9971.899A21.7200.682C52.2271.123B22.9761.895A63.7672.679C21.7110.923B62.8861.798A32.8861.799C61.7320.967B32.6701.598A72.0551.312C31.9630.897B73.6982.435A42.7081.87C72.5231.612B42.6881.721

圖11 金色世界小區(qū)風(fēng)速模擬Fig.11 Wind speed simulated in Golden World residential area

圖12 金色世界小區(qū)模擬與實(shí)測(cè)風(fēng)速對(duì)比圖Fig.12 Curves of simulated and measured wind velocity in Golden World residential area

MeasuringpointAveragewindspeedsimulated/(m·s-1)Averagewindspeedmeasured/(m·s-1)MeasuringpointAveragewindspeedsimulated/(m·s-1)Averagewindspeedmeasured/(m·s-1)A11.8491.956C42.3432.147B12.5032.361A51.2030.658C13.2122.827B51.4431.025A22.6142.435C51.7452.098B23.3462.526A61.4901.678C22.6861.448B61.4031.023A31.1560.945C61.0041.526B31.3791.529A71.5381.714C31.4660.896B71.8492.416A43.2042.468C71.5941.836B42.2631.834

圖13 吉林建筑大學(xué)學(xué)生公寓風(fēng)速模擬Fig.13 Wind speed simulated of students’ apartment in Jilin Jianzhu University

圖14 吉林建筑大學(xué)學(xué)生公寓模擬與實(shí)測(cè)風(fēng)速曲線Fig.14 Curves of wind speed simulated and measured in Jilin Jianzhu University apartment

5 結(jié)語

本文采用以問卷調(diào)查、實(shí)地訪談和數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的主客觀方法,對(duì)長春市現(xiàn)有風(fēng)屏障空間的評(píng)價(jià)進(jìn)行了探索,初步判定出長春市冬季室外風(fēng)環(huán)境下舒適度較高的街區(qū)空間,為我國寒地城市街區(qū)風(fēng)屏障空間的評(píng)定提供了借鑒.

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