基于风环境模拟的工业区空间环境优化策略研究.pdf

163235|2023|10城市更新摘要：目前的工业区更新不仅是建筑的更新，更是在空间环境方面的更新，建筑室外风环境是工业区空间环境的重要影响因素，它对创造健康舒适的人居环境，实现绿色低碳发展有着重要作用。研究选取南昌市 260 工业区为研究对象，在建筑改造的方案阶段增加 CFD 数值模拟技术，对夏季工况的室外风环境进行模拟；利用可视化的结果，对工业区改造前后风环境进行对比分析。统筹建筑空间规划、建筑设计和景观设计等方面，提出优化策略：控制建筑密度、优化空间形态、设置架空层、调整建筑形体、优化景观设计。研究为室外空间风环境优化提供了参考，为今后的工业区更新设计提供新思路。Abstract：The current industrial zone renewal is not only the renewal of the building,but also the renewal of the space environment,the building outdoor wind environment is an important influencing factor of the space environment of the industrial zone,it has an important role in creating a healthy and comfortable living environment,to achieve green and low-carbon development.The 260 industrial zone in Nanchang City was selected as the research object,CFD numerical simulation technology was added to simulate the building wind environment under summer working conditions in the scheme stage of building renovation,uses the visual results to compare and analyze the wind environment before and after the transformation of the industrial zone,coordinates the research of building space planning,architectural design and landscape design and proposes optimization strategies:control building density,optimize spatial form,set up overhead layers,adjust building shapes,and optimize landscape design.The study provides an empirical case for the optimization of outdoor spatial wind environment in industrial areas and provides a reference for the renewal design of industrial areas in the future.关键词：南昌 260 工业区；CFD 模拟；风环境优化；改造方案和优化策略Keywords：Nanchang 260 Industrial Zone；Commemorative Fluid Dynamics simulation；wind environment optimization；retrofit scenarios and optimization strategies文陈五英南昌大学建筑与设计学院副教授硕士生导师（通讯作者）徐梦玲南昌大学建筑与设计学院硕士研究生张马健南昌大学建筑与设计学院硕士研究生DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.10.051引言随着中国经济的快速增长和工业化进程的推进，工业区以往传统的发展模式亟须转变，不仅需要完善相关功能与管理，更需要注重空间环境的优化，创造健康和谐的人居环境，实现绿色可持续发展。目前，国内的工业遗存更新研究主要集中在既有工业区产业结构调整、建筑空间改造和景观营造等方面，而对于存量巨大的工业遗存建筑群的环境性能关注和研究不足。近年来，随着计算机数值模拟技术的日趋完善，国内外许多学者利用 CFD 模拟技术，进行了一系列关于风环境影响的相关研究。在城市宏观层面：学者 Li Linxue1以上海杨树浦工业区为实景，通过 CFD 仿真的结果分析，发现了风环境指标和形态指标具有显著的相关性，为城市设计早期阶段在行人层面优化城市形态和风环境提供策略。李世芬2以东北乡村传统的合院为研究对象，通过四种不同的院落围合方式，对院落风环境展开对比研究，得出住居风环境的最优布局为三合院式设计。在单体建筑微观层面：任蕾3等人对寒冷地区的商业建筑及其入口形式的风环境关系进行研究，提取出四种商业入口形式进行风环境模拟，得出不同风向下的商业入口外部形式最优结构。学者 Herman SS4研究使用计算流体动力学（CFD）对行人级风（PLW）环境进行分析，评估了伊拉克住宅建筑在不同高度的各种设计选择，从而得出最优模型。由于南昌 260 工业厂区的建设年代久远且土地产权复杂，再加上管理制度的不完善，致使工业区内存在大量的违规建筑，原有场地内建筑密度不断增高。高密度的建筑阻挡着空气的流通，造成工业区风环境质量不断下降，在工业区提升改造设计阶段增加对风环境的考虑，将技术应用于设计阶段，为建筑形成的物理环境提供可视化数据，实现方案建筑的绿色节能发展。1 研究区域概况1.1 现状背景南昌市青山湖区的 260 工业区位于进明路与塔子桥北路之间，西临玉带河，周边属于典型的旧城区、建筑密集区。总用地面积约108143.97m2，南侧厂房建筑 16 间，局部密度较高，分布较为混乱，基本是老旧的红砖厂房，有部分厂房因为噪声问题已经停止使用，厂房空置破旧。场地北侧住宅质量普遍较差，年代Study on Optimization Strategy of Industrial Space Environment based on Wind Environment Simulation基于风环境模拟的工业区空间环境优化策略研究基金项目：住房和城乡建设部 2020 年科学技术项目计划城镇老旧小区绿色更新改造和功能提升关键性技术集成（项目编号：2020-K-009）164建筑至少 10H。最终选择以研究对象为中心的1500m1500m150m 范围作为计算区域。2.3 风环境判断标准风环境的优劣对空间环境及建筑节能的影响至关重要。当前我国绿色建筑评估体系已经明确提出了风环境评估的定量指标，本次研究选择风速、风速矢量以及建筑表面压强三个指标作为建筑风环境评估标准。依据 绿色建筑评价标准（GB T50378-2014）7，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB50736-2012）等相关规范，提出室外风环境优劣的评判标准：建筑物周围距离地面高度 1.5m 处，风速不宜大于 5m/s，户外休息区、儿童娱乐区风速小于 2m/s，该标准用于判断是否出现过大或过小风速等不舒适的感觉；夏季室外平均风速下，要求 50%以上可开启外窗室内外表面的风压差大于 0.5Pa，75%以上的建筑前后保持 1.5Pa 的压力差，为保证工业区内环境舒适度，应尽量避免出现涡流区和无风区。3 风环境模拟结果3.1 现状风环境模拟结果通过对工业区现状及优化方案分别进行 CFD数值模拟，得到现状模拟情况（表1）。结果显示，夏季工况平均风速为 0.916m/s，人体舒适感受较差。位于东南侧建筑较为密集的厂房区域和北侧板式宿舍楼区域，风速主要集中在 0 0.85m/s之间，并且出现了静风区和涡流区，造成该区域污染浓度升高，环境舒适度降低。位于厂房西侧的沿街商业由于楼间距过小，形成“狭管效应”，小部分区域最高风速大于 5m/s，行人体验感较差。适宜的压强差能够促进建筑自然通风，降低建筑能耗，如表 1 建筑表面压强分布图所示，风压按风向递减，迎风面第一排建筑前后压强差在3 9Pa 之间，场地东侧的仓库区建筑外表面压强差不利于夏季自然通风。现状模拟结果表明，原有地块内由于存在大量违规建筑占据楼间距，阻挡了风的流通，导致低层厂房建筑密集区空气不流通，风速低。场地内建筑在主导风向上的高度不一，建筑表面前后压强差小，夏季建筑室内通风较差，使得工业区内热舒适性较差。3.2 更新方式建筑改造是对旧建筑的再利用，采用合理的更新方式来替代拆除重建，实现建筑资源的循环利用，促进经济可持续发展。南昌 260 工业区属于工业遗存，在保护工业文化的同时达到对空间的划分、功能的变换和环境的生态发展等，从而塑造出健康舒适的空间环境。根据现状风环境模拟结果，得出更新方案（图 3）：将整个工业区外围墙改成镂空的栏杆围墙，并对私自搭建的棚户等进行拆除，增加室外公共空间；对西北侧板式宿舍进行拆除和改造，置入设计合理的错列式的办公组群，将场地北侧废弃的仓库拆除，新建感受，利用该技术在建筑设计阶段能够得出方案建筑的物理环境并在此基础上进行调整。风环境模拟分析技术不仅能够直观地展示研究建筑的风环境特点，并具有价格低廉、稳定性和计算精确度高等优势，在科学研究和工程技术中产生巨大影响6。选取 CFD 数值模拟方法，对工业区现状风环境以及优化方案进行验证分析。Phoenics应用范围非常广泛，流体力学和传热学都可以使Phoenics 进行模拟计算，具有操作简单，功能强大，模拟结果直观等优势，因此采用 Phoenics 进行模拟。由于标准 k 模型具有很好的收敛速率和经济性，并且能够较为合理地预测大范围湍流，湍流计算模型选择标准 k 模型进行模拟计算。2.2 模型建立由于建筑周边环境对工业区内风环境有较大影响，进行物理建模时，应对工业区内复杂的空间环境进行简化，建模范围应包括周围1H 2H 范围内的建筑环境（图 2）。计算区域应根据建模对象的尺寸来确定，确定建筑最高高度 H 为标准尺度，对应的计算域垂直方向尺寸应大于 5H，水平方向尺寸应扩大研究对象久远，绿化覆盖率低，缺少公共开放空间，工业区建筑通风状况有待进一步改善。现状以生产机械、非金属矿物质品、五金制造业为主，生产总值效益低。1.2 气候条件南 昌 地 处 华 东 地 区，位 于 江 西 省 中 部偏 北（东 经 115 27 116 35、北 纬28 10 29 11），属于第建筑气候区，即夏热冬冷地区，主要表现为亚热带季风性湿润气候，具有夏季酷暑，冬季严寒，风速变化大等特点。此外，场地处于城市中心区域，风速受到建筑阻碍较为明显，造成中心区域风环境恶劣，气温高于城市边缘区域。因此，疏通风道是改善风环境、减少建筑能源损耗的重要手段。查询民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB50736-2012）5，得到南昌的气象数据：夏季室外平均风速为3.1m/s，WSW为主导风向。2 研究方法及意义2.1 研究方法运用 CFD 数值模拟技术手段，对建筑风环境进行研究，量化分析人体对室外风环境的舒适图 1南昌 260 工业区现状环境（图片来源：作者自绘）图 2建模范围示意图（图片来源：作者自绘）表 1南昌 260 工业厂区现状风环境模拟结果（图片来源：作者自绘）表 2改造后风环境模拟结果（图片来源：作者自绘）165235|2023|10城市更新参考文献：1Li,Linxue.A Study on Urban Morphology and Outdoor Wind Environment of Riverside Historical Industrial EstateC/Univ So Calif:19th International Conference on Computer-Aided Architectural Design,2021:405-418.2李世芬,董惟澈,刘代云,等.基于冬季室外风环境模拟的东北乡村住居优化设计研究J.西部人居环境学刊,2022,37(01):139-146.3任蕾,曲冠华,刘刚,等.风环境性能导向的寒冷地区商业建筑入口外部形式设计J/OL.2022-10-06重庆大学学报:1-15.4Herman,SS,Jaafar,etc.The Influence of Wind Effects on Architectural Buildings Heights in Iraqi Residential Buildings Based on Computational Fluid Dynamics SimulationsJ.JOURNAL OF CONSTRUCTION IN DEVELOPING COUNTRIES,2021,26(1):63-87.5中华人民共和国住房和城乡建设部.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范:GB50736-2012S.北京:中国建筑工业出版社,2012.6郭卫宏,刘骁,袁旭.基于CFD模拟的绿色建筑自然通风优化设计研究J.建筑节能,2015,43(09):45-52.7中华人民共和国住房和城乡建设部.绿色建筑评价标准:GB/T50378-2014S.北京:中国建筑工业出版社,2014.宿舍楼且建筑高度大于后排建筑；南侧厂房单体建筑底层设置架空层，并对大体量的厂房建筑进行适当打断；合理规划景观，从而有效地提高场地内的环境性能。3.3 改造方案风环境模拟结果在模拟条件不变的情况下，对改造方案进行风环境模拟得出结果（表 2）。优化后夏季工况人行高度 1.5m 处的风速主要在0.62 3.44m/s 之 间，平 均 风 速 为 1.472m/s，适合进行室外活动。西南侧的办公区域风流动速度明显提高，在其南侧的公共空间风速为1.906m/s，热舒适性能良好。工业区东侧由于受周边建筑影响，风速提高不大，围合建筑内凹处出现最低风速为 0.102m/s，仍存在部分涡流区。最高风速为 3.385m/s，出现在场地西北侧厂区入口处。从建筑表面压强分布图可知，夏季工况工业区迎风面建筑压强在 0 3.75Pa之间，压强差在 0.5 6.75Pa 之间，在一定程度上提高了建筑的通风能力，满足标准要求，同时也降低了通风设备的能源损耗。通过与现状风环境模拟结果的对比分析，改造方案的通风状况得到一定程度的改善，但也存在待改善的问题。例如改造后场地东侧的建筑处于周边建筑风影区，在建筑内凹处形成了静风区，导致该区域空气不流通。4 基于可视化风环境数据提出优化策略通过分析场地内风环境的分布规律，发现需要改进的地方。基于可视化的模拟结果，有效控制工业区规划和建筑设计各要素，结合周边实际情况，从建筑空间规划、建筑单体设计和景观设计三个方面提出工业区空间风环境优化策略。4.1 空间规划4.1.1 控制建筑密度原有工业区在使用的过程中，建筑之间的间距不断缩小，大量临时的棚户建筑占据了原本的街巷道路，导致空间内的风场复杂多变，流入建筑群内部的风量减少，不能满足通风要求。因而在工业区进行改造时，应有效规划场地内建筑密度，对存在的临时性建筑进行合理拆除，疏通道路并形成完整的通风廊道，以避免因建筑密度过大而形成静风区造成污染物在此堆积。在进行空间规划时，根据建筑风环境的分析结果，拆除部分废弃建筑用来打造公共空间，增大整个工业区与外界环境的联系，不仅能改善场地内的风环境，提高人居环境质量，同时也能提供舒适的室外共享空间和活动场所，起到弱化边界的作用。4.1.2 优化空间形态在空间布局上要考虑主导风向，建筑空间布局上北高南低的空间形态有利于场地内空间风速的提高。在夏季主导风向的迎风界面适当增加开口数量，能够快速引导气流进入场地，提高环境舒适度。在主导风向上合理布置通风廊道，并在廊道外的区域错开布置建筑物，增大迎风接触面积；在高度上按递增的方式顺应风向布置建筑，高度较低的建筑布置在上风向，较高的建筑布置在下风向，保证风速流通顺畅，有利于热空气的消散。4.2 建筑设计4.2.1 设置架空层由于大空间的厂房建筑过长的面宽对风场有明显的阻碍作用。为了营造安全舒适的风环境，对场地南侧建筑底部开洞，东侧设置架空层作为出入口，开辟通风廊道，引导风流穿行，有效改善建筑通风效果。建筑物的架空设计不仅为人们提供休闲活动空间，还能够解决夏季热舒适问题，从而能降低人们对主动式的通风系统的使用率，节约能源的同时，也降低了对环境的污染程度。4.2.2 调整建筑形体考虑到东侧厂房建筑较长，极大阻碍了空气流动，对此建筑进行部分拆除，改善东侧地块空间内存在的静风和涡流区。迎风面建筑应减少建筑外立面的尖角设计而采用流线型设计代替，建筑边缘流线化能够有效降低建筑拐角处出现急风。夏季风在通过场地西侧的沿街商业时，突然进入狭小空间而形成突变风。因此，在改造设计时，对沿街商业的拐角设计成弧线型或做切角处理，降低不良风的出现。4.3 优化景观设计对原有工业区进行合理的景观设计，不仅能优化厂区风环境，还能协调人与自然可持续发展，提升场地环境舒适度。室外空间地面通常采用硬质铺地，在炎热的夏季日照时间长，致使地面材质温度过高，风热环境恶劣。可以通过种植乔木和灌木等，增加绿化阴影面积或选择可渗透性地面代替混凝土、沥青等材料。以人行为主的道路可采用种植灌木配置小乔木，通过植物的蒸腾作用来降低温度；集中绿地景观以休闲休憩为主要功能，场地中间配置草坪外围灌木加小乔木的方式对场地适当围合，有利于改善该区域的微气候，提高环境品质。结语从以上研究可知，在遗存工业区更新设计的方案阶段增加对风环境的考虑，运用 CFD 数值模拟技术对方案建筑的风环境进行分析，结合使用者生理和心理需求，综合考虑建筑空间的营造，对设计方案进行相应的调整并提出既有工业区优化策略。基于当地气候条件，合理规划场地布局、优化建筑设计、有效管理场地环境。在夏季确保空气流通，让使用者能够在使用过程中感受到室外风环境的舒适和健康，同时也达到降低建筑能耗、实现低碳环保的目标，为工业区室外空间风环境的优化提供参考。尽管如此，研究仍存在局限性，对于工业遗存而言，由于潜在的文化价值的影响和受周边环境的制约，建筑的改造困难导致高昂的成本问题，所以工业区风环境的优化侧重微更新，多针对低矮建筑、建筑构件和场地环境进行调整，存在一定局限性。图 3工业区更新设计方案（图片来源：作者自绘）