趙 洋 劉加根 肖 偉

(1.北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100085； 2.清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100085)

1 概述

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，自然災(zāi)害造成損失中風(fēng)災(zāi)最為嚴(yán)重，風(fēng)災(zāi)是發(fā)生在人們活動(dòng)區(qū)域的大風(fēng)，對(duì)建筑、建筑構(gòu)筑物、基礎(chǔ)設(shè)施與人們生活的影響和破壞。根據(jù)我國(guó)地形地貌的特點(diǎn)，每年7月～9月登陸臺(tái)風(fēng)占全年4/5，一般5月～6月登陸華南沿海，7月擴(kuò)大到整個(gè)沿海地區(qū)，9月～10月登陸長(zhǎng)江口以南沿海，11月在廣東、海南和臺(tái)灣，12月在廣東偶有登陸。除西部邊遠(yuǎn)省區(qū)外都受到過(guò)臺(tái)風(fēng)不同程度的影響[1]。

隨著社會(huì)城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展，有限的資源與日益增長(zhǎng)的實(shí)際需求矛盾問(wèn)題更加突出。相對(duì)于城市，山區(qū)空氣清新，環(huán)境優(yōu)美，選擇在山水生態(tài)條件好的區(qū)域生活和室外活動(dòng)受到人們追捧，但山體地形復(fù)雜，氣流經(jīng)過(guò)該地區(qū)復(fù)雜的地形時(shí)流場(chǎng)與平坦地區(qū)有明顯差異，造成風(fēng)速與風(fēng)壓分布很不規(guī)則，人活動(dòng)區(qū)域的選擇會(huì)面臨更多的技術(shù)上的復(fù)雜問(wèn)題，因此怎樣合理利用山地土地資源，在不破壞原有生態(tài)環(huán)境又滿足人們生活需求已成為一項(xiàng)艱巨任務(wù)。研究山體風(fēng)場(chǎng)分布特點(diǎn)及變化規(guī)律，對(duì)合理有效利用山地土地資源有十分重要的指導(dǎo)價(jià)值。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 研究對(duì)象

本文以某沿海山地地帶景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，總用地面積為公頃。通過(guò)對(duì)1971年—2010年地方氣象資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得到場(chǎng)地的風(fēng)玫瑰圖，如圖1所示。該地區(qū)夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾SW，其余季節(jié)為NNE。由風(fēng)玫瑰圖可知，該地區(qū)年最大風(fēng)頻是NNE(30%)，次大為NE(22%)，SW風(fēng)和SSW風(fēng)各占8%；各風(fēng)向的平均風(fēng)速NNE最大，為6.0 m/s，其次是NE(5.6 m/s)和SSW(4.5 m/s)，最大風(fēng)速26 m/s，風(fēng)向NNE。

2.2 數(shù)學(xué)模型的選取

本文選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型求解山體周邊的風(fēng)環(huán)境狀況，涉及到控制方程，其形式如下：

其中，φ可以為速度、湍流動(dòng)能、湍流耗散率以及溫度等。

2.3 幾何模型

在本次研究中，計(jì)算域尺度為10 km×10 km×0.5 km，計(jì)算域?yàn)檠芯繉?duì)象(如圖2所示)的100倍，其中，計(jì)算域面積為研究對(duì)象的25倍，高度為山體高度的4倍，場(chǎng)地位于計(jì)算區(qū)域中心。

2.4 邊界條件

1)來(lái)流邊界。來(lái)流風(fēng)受下墊面粗糙程度的影響，地面以上的室外風(fēng)速為隨高度遞增的梯度風(fēng)，不同高度的風(fēng)速不同，高度與風(fēng)速變化規(guī)律可以用指數(shù)方程來(lái)描述：

其中，V為距地面Z高度處的風(fēng)速，m/s；Vg為距地10 m高度處來(lái)流風(fēng)的風(fēng)速，m/s；Z為距地面高度，m；Zg取10 m。

2)出流邊界。在本文流場(chǎng)出口設(shè)置為自由流動(dòng)邊界，即認(rèn)為流動(dòng)已不受計(jì)算域內(nèi)分析對(duì)象的阻礙影響，恢復(fù)到正常流動(dòng)。

3)其他邊界。因計(jì)算域尺寸遠(yuǎn)超過(guò)研究對(duì)象尺寸，研究對(duì)象對(duì)來(lái)流風(fēng)側(cè)面以及頂部流動(dòng)無(wú)影響，因此側(cè)面與頂部采用對(duì)稱邊界條件；山地和地面采用固定不動(dòng)的壁面邊界條件。

2.5 模擬工況

本報(bào)告根據(jù)項(xiàng)目所在地區(qū)風(fēng)玫瑰圖確定3個(gè)模擬工況，各工況的具體風(fēng)向及風(fēng)速設(shè)置如表1所示。

表1 模擬工況統(tǒng)計(jì)表

3 風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

人們室外活動(dòng)受室外風(fēng)環(huán)境影響較大，風(fēng)速大會(huì)帶給行人不舒適感，甚至影響到行人正常行走和安全，對(duì)于炎熱的夏季，風(fēng)速太小，行人基本上感受不到風(fēng)，也會(huì)感覺(jué)到不舒適，并且不利于室外有害氣體和污染物的排放和擴(kuò)散，對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的測(cè)試、調(diào)研和風(fēng)洞試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行總結(jié)，詳見(jiàn)表2。由此可知室外風(fēng)速在0.5 m/s與5 m/s之間，室外風(fēng)環(huán)境相對(duì)較舒適，相對(duì)比較容易被接受；當(dāng)室外風(fēng)速超過(guò)5 m/s不高于7.3 m/s時(shí)，雖不舒適但不影響正常的活動(dòng)；室外風(fēng)速高于7.3 m/s時(shí)，人會(huì)感覺(jué)到極不舒適且行動(dòng)受影響；在15 m/s以上時(shí)，人不能忍受；超過(guò)20 m/s時(shí)，威脅到人身安全，應(yīng)采取措施降低風(fēng)速[2-6]。

我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)室外風(fēng)環(huán)境提出相應(yīng)的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如GB 50378綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求：人行高度處(1.5 m高度處)的風(fēng)速不能低于0.5 m/s也不能高于5 m/s。因此，為了給人們提供舒適的風(fēng)環(huán)境，在方案規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)工程師們不僅要從美觀、實(shí)用角度考慮，還應(yīng)當(dāng)充分考慮人們實(shí)際需求，如日照、風(fēng)環(huán)境等這些因素，減少因考慮不全面而導(dǎo)致項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)不合理的地方。

表2 風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

基于以上的研究分析，本文將以室外風(fēng)速在0.5 m/s～5 m/s為舒適區(qū)間，不超過(guò)7.3 m/s為可接受的室外風(fēng)速為依據(jù)，為山體風(fēng)景規(guī)劃設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)策略建議。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 山體近地面風(fēng)速分布特征

圖3為冬季及過(guò)渡季風(fēng)速6.0 m/s的東北偏北風(fēng)場(chǎng)下，山體近地面風(fēng)速分布圖，圖4為夏季風(fēng)速4.5 m/s的西南偏南風(fēng)場(chǎng)下，山體近地面風(fēng)速分布圖。由圖3與圖4可知：1)室外風(fēng)速隨山體高度增加逐漸增大，山底周圍風(fēng)速最低，山峰附近風(fēng)速最高。山底風(fēng)速在3.5 m/s以下，適合行人室外活動(dòng)，山頂部風(fēng)速冬季達(dá)到10 m/s，夏季達(dá)到7 m/s，均不利于行人室外活動(dòng)；2)山谷近地面風(fēng)速特點(diǎn)：冬季與過(guò)渡季山谷近地面風(fēng)速在1.5 m/s～5.0 m/s之間；夏季山谷近地面風(fēng)速在1.0 m/s～3.0 m/s之間，山谷輕風(fēng)，室外風(fēng)環(huán)境較為舒適，比較適合漫步；3)山峰及山脊附近風(fēng)速特點(diǎn)：冬季與過(guò)渡季北側(cè)山峰及山脊近地面風(fēng)速在8.0 m/s～10.0 m/s之間，南側(cè)山峰及山脊風(fēng)速略小在5.0 m/s～8.0 m/s；夏季北側(cè)山峰及山脊附近風(fēng)速在5.0 m/s～7.0 m/s之間，南側(cè)山峰及山脊風(fēng)速略小在4.0 m/s～7.0 m/s；山峰與山脊風(fēng)速較大，不利于室外行人行走。

圖5為極大風(fēng)速26.0 m/s的東北偏北風(fēng)場(chǎng)下，山體近地面風(fēng)速分布圖。由圖5可知：1)風(fēng)速分布特點(diǎn)與工況1與工況2相似：山底近地面風(fēng)速最低，山峰及山脊附近風(fēng)速最高；但山底部周圍風(fēng)速仍在13.0 m/s左右，不利于室外行人活動(dòng)，有一定危險(xiǎn)性；2)與其他2個(gè)工況不同：由于北側(cè)山峰較高，與N向風(fēng)呈90°夾角，有一定阻擋作用，山南側(cè)山峰及山脊風(fēng)速明顯低于北側(cè)，但風(fēng)速也均在26.0 m/s以上，非常不利于室外行人，影響人身安全。

4.2 人行高度處風(fēng)速分布特征

由圖6工況1與工況2人行高度處風(fēng)速分布云圖可知：冬季及過(guò)渡季風(fēng)速6.0 m/s的東北偏北風(fēng)場(chǎng)下，山體周圍人行高度處風(fēng)速在1.2 m/s～3.0 m/s之間；夏季風(fēng)速4.5 m/s的西南偏南風(fēng)場(chǎng)下，山體周圍人行高度處風(fēng)速在1.5 m/s～3.3 m/s之間，均在行人室外行走的舒適范圍內(nèi)。

5 基于風(fēng)環(huán)境的景觀設(shè)計(jì)策略

基于“綠色生態(tài)”的理念，盡可能不改變或不破壞山體地貌和現(xiàn)有植被的景觀設(shè)計(jì)策略：1)在山底或山谷選擇景區(qū)入口和主要室外活動(dòng)場(chǎng)所。由于本文所涉及案例的山底東側(cè)有現(xiàn)狀污水廠，不是公園入口或室外主要活動(dòng)場(chǎng)所最佳地，根據(jù)模擬結(jié)果分析，建議其公園入口和主要室外活動(dòng)場(chǎng)所設(shè)置在山底西側(cè)與北側(cè)，山體可適當(dāng)緩解大風(fēng)對(duì)室外的影響，夏季也無(wú)明顯渦流，有利于污染物擴(kuò)散；2)人員憩息場(chǎng)所和人行道路的選擇避開山峰和山脊地帶：從模擬結(jié)果可知，山峰和山脊附近風(fēng)速較大，不利于室外人員活動(dòng)，因此建議人員憩息場(chǎng)所和人行道路盡量避開山峰與山脊；3)景區(qū)建筑構(gòu)筑物風(fēng)力荷載確定：在極大風(fēng)工況下，山底周圍風(fēng)速在13.0 m/s左右，山峰附近風(fēng)速也接近來(lái)流風(fēng)速的2倍，非常不利于室外行人，且有一定危險(xiǎn)性，建議山底部建筑物及構(gòu)筑物能抵抗15.0 m/s風(fēng)速的負(fù)載負(fù)荷，山峰建筑物及構(gòu)筑物抵抗來(lái)流風(fēng)速2倍以上的風(fēng)速的負(fù)載負(fù)荷。

6 結(jié)語(yǔ)

本文研究了山地風(fēng)環(huán)境特征，結(jié)合室外風(fēng)環(huán)境舒適性標(biāo)準(zhǔn)，提出山地景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中的公園入口、室外活動(dòng)場(chǎng)地、憩息場(chǎng)所和行人道路的設(shè)計(jì)策略。

山地風(fēng)環(huán)境特征：室外風(fēng)速隨高度增加風(fēng)速逐漸增大，山底風(fēng)速最低，在3.5 m/s以下，適合行人室外活動(dòng)，山峰附近風(fēng)速最高，冬季高達(dá)到10 m/s，夏季達(dá)到7 m/s，不利于行人室外活動(dòng)；山谷附近室外風(fēng)環(huán)境較為舒適，比較適合漫步；山峰與山脊風(fēng)速較大，不利于室外行人行走。極大風(fēng)工況下，山底部周圍風(fēng)速仍在13.0 m/s左右，不利于室外行人活動(dòng)，有一定危險(xiǎn)性。

規(guī)劃設(shè)計(jì)策略：景區(qū)入口和主要室外活動(dòng)場(chǎng)所盡量選擇在山底或山谷背風(fēng)負(fù)壓區(qū)域；人員憩息場(chǎng)所和人行道路的選擇盡量避開山峰和山脊風(fēng)的正壓區(qū)域；景區(qū)建筑物及建筑構(gòu)筑物風(fēng)力荷載負(fù)荷應(yīng)滿足一定要求。

本文研究是計(jì)算流體力學(xué)與景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)相結(jié)合的初步嘗試，在景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)階段利用CFD計(jì)算流體力學(xué)的量化結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)化、合理化。