岭南旧城更新改造规划中的风环境评估研究——以广州市黄埔区鱼珠旧城更新改造规划为例

——以广州市黄埔区鱼珠旧城更新改造规划为例 A Study of a Method for Evaluating the Wind Environment in Old City Renewal Planning in South China: A Case Study of Renewal Planning for Yuzhu Old City, Huangpu District, Guangzhou

South Architecture - - 目 次 - / 梁颢严 孟庆林 李晓晖 等

摘要在经济平衡导向下进行的广州市三旧改造规划,设计容积率普遍较高,又由于岭南地区气候湿热,高容积率的设计方案可能会对城市通风环境产生不利影响,因此在规划中进行风环境评估十分必要。基于CFD技术提出旧城更新改造规划风环境评估方法、指标及判断标准,以广州市黄埔区鱼珠旧城更新改造规划为例,模拟改造前后的风环境状况。研究表明:① CFD技术能够较为准确、直观的反映旧改前后风环境状况;②案例的“规划评估范围风速比”0.7787 >“现状评估范围风速比”0.6783,“规划评估范围平均风速”1.293m/s ≥ 1m/s,满足风环境评价标准的要求。关键词CFD;风环境;评价指标;评价方法;旧城更新改造规划

ABSTRACT Under the guidance of an economic balance policy, the floor-area ratio under "three old" urban renewal planning in Guangzhou city is generally so high that the city, which is located in the Lingnan region and has a hot and humid climate, might experience adverse impacts on its ventilation environment. Therefore, it is necessary to carry out wind environment assessment during planning. This paper puts forward an assessment method, index and criterion for the wind environment for urban renewal planning, based on CFD technology. Taking Yuzhu City Renewal Planning, Huangpu District, as an example, the wind environment of city is simulated before and after renewal. The research results are summarized as follows. Firstly, CFD technology can accurately and intuitively reflect the wind environment before and after renewal. Secondly, the "wind velocity ratio of planned evaluating areas" (0.7787) is larger than the "wind velocity ratio of actual evaluating areas" (0.6783). Finally, the wind velocity of evaluating areas in the design plan is 1.293 m/s, which is larger than 1 m/s and therefore meets the requirement of the evaluation criterion for the wind environment.

KEy WORDS CFD; wind environment; evaluation index; evaluation method; old city renewal planning

*国家自然科学基金资助项目:多中心城市建成环境对居民出行碳排放的作用机理研究——以广州为例,项目编号: 41501184;国家自然科学基金资助项目:湿热地区城市热环境控制性详细规划评估模型及设计方法研究,项目编号: 51778236;广州市科技计划项目:面向广州旧城更新的微气候仿真模型与调控技术研究,穗科创字[2016]172号。中图分类号TU834.3;TU984.11+4文献标识码 A

DOI 10.3969/j.issn.1000-0232.2018.04.034

文章编号 1000-0232(2018)04-0034-06

作者简介1华南理工大学建筑学院,亚热带建筑科学国家重点实验室,博士研究生;2华南理工大学建筑学院,亚热带建筑科学国家重点实验室、广州市景观建筑重点实验室,教授,通讯作者,arqlmeng@scut.edu.cn;3城市规划研究中心,副主任;4规划设计三所,副总工程师;3&4广州市城市规划勘测设计研究院

引言

20 世纪 80年代以来,我国的快速城市化伴生了较为普遍的城市生态环境问题。其中,城市热岛影响了区域气候、城市水文、空气质量、城市土壤理化性质、城市生物的分布与行为以及诸多城市生态过程如物质代谢、能量循环等,是引发出一系列生态环境问题的重要原因之一 [1]。李小凡 [2]的研究指出良好的城市通风可以极大地降低城市热岛强度,且当风速达到“临界风速”时城市热岛消失。2003年香港地区爆发了严重的SARS疫情,有研究表明SARS病毒传播与城市通风不畅有关[3]。为此,香港政府委托香港中文大学于2005年完成了《空气流通评估方法可行性研究》[4],要求建设项目在建设前必须进行风环境评估。

国内外学者对旧城改造中的风环境进行了研究。JW Yao[5]等对香港西营盘地区城市更新的风环境进行研究;Lee J H[6] 等采用 GIS 和 CFD对韩国光洲广域市文化殿堂地区城市更新项目的行人高度风环境进行研究; Katzschner L[7]通过城市开敞空间的微气候调查,研究了欧洲城市更新计划的热舒适条件;Akabayashi S I[8]、Yamamoto M[9]、Suyama Y[10] 等对日本新潟市风环境评

[11]价标准进行了系统研究。彭翀 对武汉大智门地区多个

[12]旧城改造方案的风环境进行了对比研究;金雨蒙 对哈

[13]尔滨旧城住区街道冬季热环境进行实测研究;周文婷

[14]研究了苏州旧城改造前后的街区风环境的差异;李晓君对深圳上步一单元的多个城市更新规划方案进行风环境对比研究。然而,目前的风环境评估主要集中在对新城、新区的开发上,或者用于不同设计方案的对比,对旧城更新项目中风环境评估方法、指标、评判标准的研究较少,本文尝试针对旧城更新改造规划建立风环境评估方法和指标体系。

1旧城更新改造规划中风环境评估的必要性

1.1避免过高的城市开发强度,维护城市公共利益的要求

根据《中华人民共和国物权法》第89条规定“建造建筑物,不得……妨碍相邻建筑物的通风、采光和日照”,然而目前的规范、标准的要求主要针对采光和日照,对通风的要求较少。广州市从2010年陆续开展了对全市范围内旧城、旧村、旧厂房的三旧改造规划。在经济平衡导向下的三旧改造规划,设计容积率普遍较高,会影响相邻建筑物的风环境,进而影响整个城市的通风,因此建立旧城更新改造规划风环境评估方法和指标体系极具意义。

1.2 提高城市舒适度,建设宜居城市的要求

广州位于我国南方,属于南亚热带季风气候。对典 型气象年气象参数①的分析表明:5~9月广州月平均气温超过26℃,月平均绝对湿度超过 15g/kg, 是广州最闷热的月份。使用“建筑生物气候分析图”分析显示:采用“自然通风”设计策略前后,广州3~11 月的气候舒适度提升幅度较大;良好的自然通风可使广州全年的舒适时间比例从2.6%上升到 22.8%,舒适时间增多了将近9倍[15]。因此“自然通风”可以极大地改善广州的气候舒适度(图1)。

1.3 驱散空气污染,建设健康城市的要求

[16]

张人文 等对珠江三角洲风速和空气质量关系的研究表明:风速大于 2.6m/s 时不会出现区域性空气污染;风速小于 1.8m/s时区域空气污染严重;风速介于

[17] 1.8 ~ 2.6m/s之间时空气质量变化比较复杂。谢媚 等认为广州 SARS发病数与发病前空气污染状况有密切关系。因此,促进城市通风可有效驱散空气污染,提高空气质量,是建设健康城市的必然要求。

2旧城更新改造的风环境模拟方法、指标及判断标准

2.1 基于 CFD的风环境模拟方法

本文使用基于 CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体力学)的 Phoenics2009 作为规划方案风环境模拟的软件。梅森 [18]、何列波 [19]、智会强 [20]、李琼 [21] 等对 CFD风环境模拟的准确度进行了验证,普遍认为CFD能够较为准确的模拟城市风环境。

2.1.1 模拟区域与网格划分

模拟选择使用标准κ-ε模型,采用 SIMPLEST 求解算法[22]。参考王晶[23]、石华[24]、吴珍珍[25]、李琼 [21]、《深圳市城市自然通风评估方法研究》[26]等文献,模拟区域设定应同时满足3个要求:1)模拟区域X、Y方向≥ 5*建模区域X、Y方向;2)垂直高度≥ 3*模型最大高度; 3)垂直高度≥ 200m。网格划分应同时满足3个要求:1)建模区域的平面、垂直方向的网格平均尺度应≤ 1.5m;2)建模区域的垂直方向≤ 1.5m的空间内,至少有3层或以上网格;3)除建模区域以外的模拟区域,网格尺度最大

应≤ 20m,平均应≤ 5m;4)网格过渡比应≤ 1.3(图 2、3)。

2.1.2 边界条件设定

边界条件是指求解CFD微分方程所需要设置的模拟初始条件,包括进出口边界条件、壁面条件、内表面边界条件、内部区域类型等。本文主要设置为:①内部区域类型为空气流体;②上表面边界、下表面边界、建筑物表面边界类型均为光滑壁面;③四周的表面边界类型为大气空气出入口;④空气入口的边界条件为速度入口,附加垂直梯度风;⑤空气出口的边界条件为压力出口。空气入口的风速由于地表的摩擦作用,风速随离地表高度的增加而变大,形成垂直梯度风,其变化规律可以表示为指数函数(式1)。

(式1)

UZ 为高度Z 的风速;U0为参考高度的风速,模拟时根据气象资料对16个风向设置不同的入口风速;Z0为参考高度,通常为10m;α:为由地面粗糙度所引起的幂指数。研究区周边为水面、沙漠、草原α取 0.12;田野、乡村、城市郊区α取 0.16;城市市区 α取 0.22;房屋较高的城市核心区α取 0.3[27]。

2.1.3 建模与评估范围划定

划定建模范围和评估范围(图4),具体方法如下:建模范围(黑线范围):以规划建筑中最高建筑的高度的两倍(2H)为距离,对规划红线进行偏移获得的范围。这是因为旧城改造地块通常位于城市建成区内,地块周边的建成环境会极大影响地块通风条件,如果不把周边建成区影响考虑进模拟中,则无法获得准确的风环境模拟结果,因此参考香港[4]、深圳 [26] 的做法建议按规划最高建筑高度两倍进行CFD建模。

评估范围(蓝线范围):以规划建筑中最高建筑的高度(1H)为距离,对规划红线进行偏移获得的范围。由于在经济平衡导向下的旧城更新改造规划,设计容积率普遍较高,会对相邻建筑物,甚至整个城市的通风产生影响。规划不应仅考虑红线范围内的风环境,更应考虑项目建成后对周边风环境的影响。 2.2 风环境优劣评估指标

2.2.1 “风速”、“风速比”指标

[28]

参考相关标准 和研究 [4][26],以风速和风速比作为评价风环境优劣的指标。风速和风速比越高,说明通风情况越好,规划对通风的影响越小,反之通风越差。使用CFD完成风环境模拟后,网格节点i的“风速”(式2)、“风速比”(式3)计算方法如下:

(式2)

(式3) Vi:网格节点 i 的风速(m/s);Ri:网格节点 i 点的风速比;Fc:表示静风频率,增加此项是为了去除静风频率的影响,有利于不同城市或地区间的对比,广州取 0.2055;n:表示 16个风向,分别是N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW;Fn:表示风向 n 的频率;Vni:表示风向n,且存在建筑时,人行高度(1.5m)上i 点的风速值(m/s),通过 CFD 计算得到;Vni0:表示风向n,但无建筑时,人行高度(1.5m)上i点的风速值(m/s),通过 CFD计算得到。

2.2.2 “区域平均风速”、“区域平均风速比”指标

“区域平均风速”、“区域平均风速比”是指给定区域内所有风速值不为0的网格点的风速、风速比的平均值。排除风速值为0m/s的网格点进行平均计算,主要考虑到κ-ε模型在湍流充分发展的区域计算结果较为准确,而与建筑表面相接的区域湍流得不到充分发展,通常使用壁面函数进行估算,因此在指标计算时排除这些网格点可以更好的反映风环境状况。区域q的“区域平均风速”(式4)、“区域平均风速比”(式5)的计算公式如下:

(式4)

(式5) Vq:区域 q 的平均风速(m/s);Rq:区域 q的平均风速比;Ri:区域q内,网格节点i 的1.5m高度风速比; Vi:区域q内,网格节点i的1.5m高度风速;m:区域q内,

网格节点i的数量。区域q可以是任意指定的范围。

2.3 风环境优劣判断标准

结合绿建评价标准 [29]、王宇婧 [30]、王英童 [31] 等的文献,建议行人高度的风速应控制在1m/s ~ 5m/s之间,风速比应< 2。风速< 1m/s时,行人基本感受不到风,会感到闷热,空气流通不好,街道内的污染物容易堆积;风速 1m/s ~ 5m/s是风环境舒适的范围;风速5m/ s ~ 7.3m/s之间,风环境已达不舒适,但不会影响人们的正常活动;风速> 7.3m/s 时则会影响人的正常活动。

采用 6个指标作为旧城更新改造规划的风环境优劣判断标准(表1)。其中,规划评估范围风速比>现状评估范围风速比、规划评估范围平均风速≥ 1m/s 为最优先指标,为规划方案必须达到的指标,另外4个指标为应达到的指标。《物权法》要求新建建筑物不得妨碍相邻建筑物的通风,又由于旧城更新改造规划地块通常位于城市建成区内,规划不应仅考虑红线范围内的风环境,更应考虑项目建成后对周边风环境的影响,建议“评估范围”指标比“红线范围”指标更优先考虑。

3 案例研究:广州市黄埔区鱼珠旧城更新改造规划风环境评估 3.1 区位和背景

鱼珠旧城地块位于广州市黄埔区,黄埔大道南侧,紧邻鱼珠码头,是广州市中心城区9个重点地区之一,黄埔中心区的一部分(图5)。该地块距离珠江不足200m,而珠江是广州最重要的通风廊道,地块的规划设计会对珠江的通风效率产生影响。规划总面积9.48ha,现状容积率0.99,现状建筑密度 50%。

3.2 边界条件设定

鱼珠旧城地块虽靠近珠江,但周边建设有居民小区、码头工厂等,为黄埔中心区的一部分,属于城市市区,故地面粗糙度指数取0.22。广州全年静风频率为 20.55%,全年平均风速为1.66m/s,各个风向的平均风速差别不大,在 1.8 ~ 2.3m/s 之间(表2)。模拟时根据风向的不同设置相应的入口风速。

3.3 建模与评估范围划定

根据设计方案,规划为住宅区,最高建筑为32 层,按 3m/层计算,评估范围为对规划红线偏移96m,建模范围为对规划红线偏移192m。为了更好的研究不同区域的风环境状况,根据城市功能分区,结合道路、河流等自然要素,将评估范围划分为14个评估分区,其中红线内有3个分区,红线外有11个分区(表3、图6)。

3.4 模拟结果

使用 Phoenics2009 分别对现状和规划的16 个风向

进行CFD风环境模拟,获得各风向的CFD模拟分析云图,再根据广州市典型气象年各风向的风频值进行加权计算,得到现状和规划风频加权后CFD模拟风环境分析图(图7、8)。

3.5 评估结果

3.5.1 整体而言,规划比现状的风环境状况有较大改善

分析结果表明,“评估范围风速比”规划比现状要高0.1004,说明项目建成后该区域风环境会得到改善(表4)。改善的主要区域集中在红线范围以内,这是因为红线范围内的规划建筑密度比现状建筑密度降低了很多,并形成许多开敞空间和通风廊道,对区域风环境的改善起到了积极作用。

3.5.2 规划范围内的风环境状况得到的改善程度最大

“红线范围风速比”规划比现状提高了0.2528。红线范围内的3个评估分区风环境状况都得到了有效的改善。IN-01分区的风速比提高了 0.2233,IN-02 分区的风速比提高了 0.2743,IN-03分区的风速比提高了0.2608, 3个评估分区的风速比提高幅度均在0.2 以上(表4)。3.5.3 受规划高层建筑的影响,外围分区的风速比有所降低

OUT-1、2、3、5、6、7、10分区的风速比有所降低,但降低的幅度不大,均在-0.1 范围内(表4)。从风速比变化云图可以看出,越接近规划区,风速比提高的幅度越大,越远离规划区,风速比减小的幅度越大,这种现象说明规划的高层建筑对风环境有一定的影响,使得远离规划区的风速有所降低(图9、10)。

3.5.4 方案符合风环境优劣判断标准要求

模拟结果显示,规划评估范围风速比>现状评估范围风速比;规划红线范围风速比>现状红线范围风速比;规划评估范围平均风速为 1.293m/s(≥ 1m/s),规划红

线范围平均风速为 1.386m/s(≥ 1m/s);网格节点的最大风速比为 1.92(< 2),最大风速为 4.128m/s(< 5m/s),符合旧城更新改造规划风环境优劣判断标准要求。

讨论与结论

采用 CFD技术对规划方案进行风环境模拟的优势在于模拟结果较为准确、直观,有利于方案的调整;局限性在于模拟时间较长,不利于规划初期方案的推敲,及没有考虑热压对风场的影响,是后续需要研究和改进的地方。

本文引入了建模和评估范围的概念,总结并完善了基于CFD的风环境模拟方法,针对广州旧城更新改造规划提出“评估范围风速比”、“红线范围风速比”等6项风环境评估指标及判断标准,初步构建了旧城改造风环境模拟评估的方法体系。随着广州市旧城更新改造工作的推进,本文所提出的风环境模拟与评估方法对指导岭南地区的旧城更新改造,改善建成区城市风环境具有重要参考价值。

图、表来源

文中所有图、表均为作者绘制。

注释1)采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中广州的典型气象年数据分析得到。

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图 1采用“自然通风”策略前后广州各月气候舒适度改善程度对比分析

图 2 Phoenics 垂直方向模拟区域设定及网格划分 图 3 Phoenics 水平方向模拟区域设定及网格划分 图 4建模与评估范围示意图 4

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图 5鱼珠旧城更新地块现状及周边情况

图 6 风环境评估范围及评估分区划分示意图图7现状风频加权后“风速比”CFD模拟分析云图图8规划风频加权后“风速比”CFD模拟分析云图 图 9 “风速比”变化云图 图 10各评估分区的“风速比”变化分析图 6

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