風環境視野下杭州基座與毗鄰式裙房布局分析

應小宇 ，梁孝鑫 ，李思源 ，杜詩祺 ，GRACE Ding

（1. 浙大城市學院工程分院，浙江 杭州 310015；2. 悉尼科技大學建筑環境學院，澳大利亞 悉尼 NSW2007）

在當前有限的土地資源條件下，高層建筑為主附加裙房的形式，因占地面積小利用率高，同時又可以帶來較高的商業附加值，已成為了城市發展的必然趨勢.

高層建筑同時也存在許多問題，日照間距和消防要求已成為規范的主要內容，得到了充分考慮，而高層建筑和裙房的連接方式對建筑群周圍風環境的影響沒有得到足夠的重視[1]，由此帶來的不良風環境比比皆是，冬季強冷空氣使行人感到不適，多風季節引發危險[2-3]；夏季室外靜風區悶熱，不利于污染物和廢氣的消散. 因此，對于高層建筑不同裙房布局的風環境研究從人身安全角度和城市規劃角度上都十分必要[4-6].

吳義章等[7]通過數值模擬方法對某高層建筑周圍的行人高度風速場進行了計算，對行人在不同狀態下的風環境舒適性作出了評價并提出了控制措施；Tsang等[8]通過風洞實驗法從建筑規模、間距和裙房方面對高層建筑人行區域進行研究，得出裙房對風環境的影響有利有弊，但是對于需要自然通風的地區來講是不利的，加裙房后整體風速降低，且裙房增大了不利風環境區域；Dye[9]通過風洞實驗得出裙房的存在可以降低最不利點風速；王輝[10]對深圳前海三、四開發單元進行分析，得出開發單元風環境主要受到建筑朝向、建筑平面形式、建筑體量、建筑立面構成、沿街裙房立面細部要素的影響，討論了不同裙房平面對風環境的影響，得出選取邊角越光滑的裙房，對風環境影響越小.

總體來看，國內目前對于高層建筑裙房的研究多集中于有無裙房和裙房的荷載與振動上. 針對某一地塊，結合當地法規、周邊建筑、植被與地貌，探究裙房形體尺寸的改變及其與高層建筑主體的聯結方式是否會對當地風環境造成影響的研究并不深入.

本文將分析杭州錢江新城高層建筑聚集區中的風環境問題. 選擇風環境問題最突出的區域中某單體建筑為例，探究單一高層建筑裙房形體尺寸和主樓的連接方式對人行區域風環境的影響.

1 地區模型的建立與風環境模擬

1.1 實測過程

用地位于杭州市錢江新城，介于富春路和劇院路之間，北臨丹桂街，南臨新業路. 常年夏季風為西南風，冬季風為西北風. 通過對地塊內日常天氣風速數據的研究及實地問卷，發現夏季風環境問題在錢江新城四季路地塊比較突出，局部風速過大，出現悶熱靜風區. 因此，選擇夏季風向頻率最高的典型日，安排8人分布在該地塊內. 每人負責一個測點，采用Testo425風速儀同時記錄室外行人高度（1.5 m）處的風速. 由于實際風速不穩定，因此每人每隔1 min記錄一次，測量總時長為30 min，每個測點獲取30個風速測量值.

1.2 模擬邊界條件的設定

姚征等[11]對一些常見的CFD （computational fluid dynamics）通用軟件作了介紹和比較，計算機數值模擬是基于AUTODESK CFD平臺上開發的衍生軟件，如Phoenis、Fluent和Airpak. 一般而言，對于常見的建筑（群）風環境模擬可以考慮采用Phoenics等軟件提高模型建立的速度與效率，因此本文采用Phoenics進行模擬. 相比于實測法與風洞實驗法，計算機數值模擬操作簡便，結果精確直觀，可以獲得風壓值、風速比等一系列分析數據. 近年來，計算機數值模擬技術越來越成熟，國內外眾多學者通過計算機數值模擬法研究建筑周邊風環境的狀況，Hang等[12]在不同街道高寬比和建筑面積密度的條件下利用計算機數值模擬法和風洞試驗法模擬了高層建筑風環境. Chan等[13]通過計算機數值模擬法探索街道建筑的形體尺寸對污染物擴散的影響.

初始風作如下設定：由于地表摩擦的作用，接近地表的風速隨著離地高度的減小而降低；只有離地300 m以上的地方，風速才不受地表的影響，可以在大氣梯度的作用下自由流動. 因此，來流面風速變化規律以指數率表示為

式中：V(z) 為任意高度z處的平均風速；VG為標準高度zG處的平均風速；α為地面粗糙度指數.

根據歐洲COST和日本AIJ關于建筑物周圍人行風環境的CFD模擬實際應用指南[14-15]，再結合文獻[16]，設定如下：

1）zG為400 m，該高度處VG為13.000 m/s，α為0.25，地面52 m以上湍流強度為12%.

2） 入口邊界條件：調整計算域入口方向為浙江杭州夏季室外主導風向西南風向（SSW），入口風速參考杭州冬季室外10 m高度的平均基準風速2.500 m/s.

3） 出口邊界條件：采用自由邊界，靜壓為0.

4） 地面粗糙度設置：根據周邊實際以及規劃情況，地面粗糙度指數取0.35.

1.3 模擬區域大小與建筑網格劃分

按實際三維尺寸建立模型，基地模型如圖1.場地大小658 m（長） × 723 m（寬） × 250 m（高），建筑群位于模擬區域的中心位置，因此模擬區域大小為3250 m × 3160 m × 1500 m.

1.4 風環境評價標準

在真實室外環境中，通過風速絕對值大小來衡量建筑群布局是不合理的，因為不同布局的初始風速各不相同. 因此，現階段通常用風速比來衡量建筑布局對風環境的影響程度. 風速比[17]為

式 中：Vs為測點風速；V0為初始風速.

圖1 基地模型Fig. 1 Base model

Kubotaa等[18]研究表明：當某區域的風速比大于2.00時，行人會感覺風過于強烈；風速比小于0.50時，該區域內空氣流動程度過低，不利于人的健康，且場地內不應出現渦旋以及無風區. 本文中風速比評價標準為0.50～2.00.

1.5 現場實測與Phoenics模擬結果

通過現場實測及Phoenics模擬對數值模擬模型結果進行驗證. 在實地風速測量中，針對使用頻次較高的行人通道選取有裙房建筑和無裙房建筑的入口處、建筑拐角處共8個實測點進行風速測量，得到現場實測數據如圖2所示. 圖中：測點1、3、4、5、7為拐角處，測點2、6、8為人行入口處.

圖2 實際測量平均風速與離散程度Fig. 2 Actually measured average wind speed and dispersion degree

由圖2可知：有裙房建筑周邊風環境較無裙房建筑更為復雜，波動值卻明顯更小，說明裙房的遮擋使得周邊無風區域增多（如測點1、2、3與測點4、5、6的對比）；而同為有裙房的建筑，周邊風環境狀況差異較大，風影區大小與長短也不同（如測點4、5與測點7、8的對比）. 該現象形成的原因可能是：底部裙房和建筑核心體之間的連接方式的不同；裙房規模尺寸的不同，如裙房與主樓的位置、裙房高度、裙房迎風面寬度、裙房進深[19-21]. 圖3為Phoenics的模擬結果，可見模擬結果與現場實測數據相符. 將Phoenics模擬圖中建筑背風側風速急劇減小且風向發生偏轉的區域定義為建筑風影區[22].

圖3 原建筑風環境模擬Fig. 3 Wind environment simulation of original buildings

由于測點6西北側高層建筑周邊風環境變化顯著且裙房平面較為規整，因此選擇該建筑作為主要研究對象，來探究裙房形式對建筑周邊人行高度處風環境的影響.

2 主樓與裙房連接方式的影響

建筑平面布局如圖4所示：為便于研究將原建筑柱網統一為7.8 m × 7.8 m，保持主樓位置、尺寸與底部裙房面積基本不變，將原主樓與裙房的布局模式設定為基座式. 改變裙房與主樓的連接方式，形成分離模式與毗鄰模式. 風向設定仍為夏季SSW，選擇建筑入口、拐角處與人行區域共8個風環境較為復雜的測點作為研究對象，并進行模擬，模擬結果如圖5所示.

3種平面布局風速比如圖6所示. 整體風速比大小為基座式 < 分離式 < 毗鄰式，曲線緩和程度為毗鄰式 < 基座式 < 分離式. 基座式裙房周圍整體風速均勻但平均風速比低，風影區最長，不利于夏季散熱與污染物消散；分離式裙房對于降低建筑周邊風速效果最明顯，但周圍風場最為復雜且風影區最大，易形成渦流區，不利于行人活動；毗鄰式風影區小，風速均勻，利于提升風環境質量.

綜上，對于杭州高層建筑密集地塊，毗鄰式裙房在一定程度上屬于較優裙房方案，基座式為錢江新城地塊最常見的裙房形式，故將對以上兩種布局進一步研究，以供設計者優化當地風環境.

圖4 3種形式建筑平面布局Fig. 4 Three types of layout plane of buildings

圖5 3類風環境模擬Fig. 5 Three types of wind environment simulation diagram

圖6 3種平面布局風速比Fig. 6 Wind speed ratio for three types of plane layouts

3 裙房不同參數對風環境的影響

原基座式裙房為5層，高24.0 m，迎風面寬度70.2 m，進深54.6 m，主樓高度141.0 m. 原毗鄰式類房為5層，高24.0 m，迎風面方向寬度為70.8 m，進深46.8 m，主樓高度141.0 m.

3.1 裙房位置變化的影響

將裙房與主樓的位置關系分為中心式、偏心式、邊緣式3種，原建筑類型屬于中心式，現將裙房和主樓的位置關系作為單一變量，選用模擬對象柱跨，裙房往左、右各偏移1跨（7.8 m）分別形成偏心式1、偏心式2，同理左、右各偏移2跨（15.6 m）分別形成邊緣式1、邊緣式2，平面布局如圖7所示. 經過Phoenics模擬，結果如圖8所示.

由圖8可知：當裙房由邊緣式1偏移為邊緣式2的過程中，毗鄰式與基座式的風影區寬度由窄變寬，風影區長度由短變長，風影區形狀向著裙房移動反方向扭曲，扭曲程度為毗鄰式 > 基座式；建筑風影區寬度為邊緣式1 < 偏心式1 < 中心式 < 偏心式2 <邊緣式2；建筑風影區長度為邊緣式1 < 偏心式1 <中心式 < 偏心式2 < 邊緣式2；總體風速比毗鄰式均優于基座式，曲線和緩程度為基座式 > 毗鄰式；當裙房由邊緣式1向邊緣式2偏移，毗鄰式和基座式的風速比大小均為邊緣式1 > 偏心式1 > 中心式 > 偏心式2 > 邊緣式2；毗鄰式布局中邊緣式1與偏心式1的風速比均在1.50左右，風環境滿足舒適性需求，風環境得到了相應優化.

對于杭州高層建筑密集地塊，不論是基座式裙房布局還是毗鄰式裙房布局，裙房的偏移利于改善建筑周邊風環境，風影區形狀向著裙房移動反方向扭曲，扭曲程度為毗鄰式 > 基座式. 在實際生活中考慮主樓與裙房的偏移關系時，應結合風環境進行考慮. 可選用與主樓合適的偏移關系，同時也要結合建筑周邊人群使用的相應功能，將人群活動設施，如廣場等布置在優化區，在負優化區種植綠化和植被，進一步解決由于風速比較低造成的空氣不流通的問題.

圖7 5種類型建筑平面布局Fig. 7 Five types of plane layout of buildings

圖8 5種平面布局風速比Fig. 8 Wind speed ratio of five types of plane layouts

3.2 裙房高度變化的影響

根據調研結果，錢江新城地塊高層辦公樓裙房高度主要分布區間為2～5層，因此將裙房高度作為變量，選取9.6 m （2層）、14.4 m （3層）、19.2 m（4層）、24.0 m （5層）四種類型高度對基座式與毗鄰式裙房建筑進行模擬，建筑布局如圖9所示，經過Phoenics模擬，結果如圖10所示.

由圖10可知：隨著裙房高度的增加，建筑風影區先變短后變長，風影區范圍內風速較小區域增多，最小風速主要位于建筑背后風影區，建筑兩邊風速較大區域面積變大，長度變長.

通過模擬發現基座式裙房的高度變化對風速比影響不大，但基座式裙房布局與毗鄰式普遍存在以下相同規律：隨著層高增加，平均風速增大，當裙房層高為4層時，整體風環境狀況較好；當裙房高度由3層變為4層時，測點1、5、8處的風速比有明顯的差異，其余曲線之間差異均不明顯.

圖9 4類裙房高度建筑布局Fig. 9 Podium layouts with four types of heights

圖10 4類高度布局風速比Fig. 10 Wind speed ratio of four types of heights

綜上所述，杭州高層建筑密集地塊裙房無論是基座式還是毗鄰式，高度設計范圍最好為15.0～20.0 m，該地區應盡量避免建造更高的裙房，這是由于裙房高度越高，產生的建筑風影區越大，導致風速降低，不利于污染物的擴散.

3.3 裙房迎風面寬度變化的影響

根據調研，錢江新城地塊建筑裙房迎風面寬度主要集中在40.0～70.0 m，故將迎風面寬度作為單一變量，原基座式與毗鄰式裙房為9跨（70.2 m），兩邊各偏移一跨，選用模擬對象柱跨，選取5跨（39.0 m）、7跨（54.6 m）建模并模擬，平面布局如圖11所示，經過Phoenics模擬，結果如圖12所示.

由圖12可知：隨著裙房迎風面寬度的增加，基座式裙房風影區長寬變化不大，毗鄰式裙房建筑風影區的長度與寬度隨著跨數的增加先增大后變??；基座式和毗鄰式整體平均風速比均為7跨 < 5跨 <9跨；當裙房迎風面寬度為9跨時，裙房周圍的風環境較好，風速得到提升，風環境狀況良好；對于風速比增大程度，基座式裙房差異不大，而毗鄰式裙房當裙房迎風面寬度增大時，拐角處風速變化高于人行區域風速變化，且迎風面拐角處風速變化 < 背風面拐角處風速變化.

圖11 3種寬度建筑平面布局Fig. 11 Plane layouts with three types of windward side widths

圖12 3種迎風面寬度風速比Fig. 12 Wind speed ratio with three types of windward side widths

3.4 裙房迎風面進深變化的影響

錢江新城地塊建筑裙房進深主要集中在40.0～70.0 m，故將裙房迎風面進深作為單一變量，選用模擬對象柱跨，選取5跨（39.0 m）、6跨（46.8 m）、7跨（54.6 m）、8跨（62.4 m）、9跨（70.2 m）對基座式與毗鄰式裙房建模并模擬，平面布局如圖13所示，經過Phoenics模擬，結果如圖14所示.

由圖14可以發現：基座式與毗鄰式的建筑風影區由長變短，風影區寬度基本保持不變；建筑兩側風速較大區域隨著裙房迎風面進深長度增加先增后減；基座式整體平均風速比5跨 < 9跨 < 6跨 < 8跨 <7跨；毗鄰式整體風速比5跨 < 9跨 < 8跨 < 6跨 <7跨；隨著裙房迎風面進深增加，基座式與毗鄰式的風速比增大程度均為先增長后減小，在7跨時達到最大.

對于杭州高層建筑密集地塊，當裙房迎風面進深長度在50.0、60.0 m時，最大風速比可達到1.98，且局部也不出現無風區，風環境狀況良好.

圖13 5種進深建筑平面布局Fig. 13 Plane layouts with five types of windward side depths

圖14 5種進深風速比Fig. 14 Wind speed ratio with five types of windward side depths

4 結束語

通過對杭州高層建筑密集地塊常見的基座式與毗鄰式裙房進行深入分析，對比在行人高度（1.5 m）處的風速比和測點周圍的風環境分布情況，改變裙房的位置、高度、迎風面寬度、進深，得出兩種裙房類型對于風環境影響的普遍規律. 該規律適用于杭州高層建筑密集地塊的基座式與毗鄰式裙房，主樓高度為110.0～160.0 m，為裙房高度為10.0～24.0 m，迎風面寬度為40.0～70.0 m，迎風面進深為40.0～70.0 m. 具體如下：

1） 基座式裙房周圍整體風速均勻但平均風速較低，風影區最長，不利于夏季散熱與污染物消散；毗鄰式裙房風影區小，整體風速均勻，利于提升當地風環境質量. 在杭州高層建筑密集地塊進行高層辦公建筑裙房設計時，毗鄰式裙房布局優于基座式.

2） 裙房的偏移有利于提升建筑周邊風環境質量，實際考慮裙房與主樓位置關系時，應慎重考慮當地建筑群布置，并結合周邊環境與人群使用情況布置，結合風環境選用與主樓合適的偏移關系.

3） 杭州高層建筑密集地塊的裙房高度設計范圍最好是15.0～20.0 m之間，該地區應盡量避免建造更高的裙房，這是由于隨著裙房高度增加，風影區的面積也隨之增大，不利于空氣的流動和污染物消散.

4） 杭州高層建筑密集地塊的迎風面寬度設計范圍為70.0 m左右時，裙房周圍風環境較好；裙房迎風面進深長度在50.0～60.0 m時，風環境狀況最好. 今后設計高層建筑時，設計者可通過改變裙房的位置，高度，迎風面寬度與進深來改善高層建筑人行區域風環境.

本文只考慮了當前地塊的夏季風環境的情況，缺乏對秋冬季節的研究；本文只重點分析了基座式裙房與毗鄰式裙房的影響因素，未對分離式進行深入研究；本文雖然解決了杭州地區高層建筑密集地塊的風環境優化問題，但仍較有局限性，設計者需要應用本文的研究思路與分析方法，重新進行模擬；同時本文對風環境影響因素的研究也有一定局限性，未考慮裙房細部如開口、檐口、立面的研究，

致謝：浙大城市學院扈軍老師提供了專業的軟件指導.