【规划设计】风环境设计方法在陕南山区小城镇的规划应用

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导语

作者西安建筑科技大学建筑学院讲师、在读博士研究生王瑾，西安建筑科技大学建筑学院教授、博士生导师、副院长段德罡，山西省城乡规划设计研究院姚博在《规划师》2018年第3期撰文，文章结合相关学科已有研究成果，选取陕南山区的龙驹寨镇为研究对象，借鉴气候设计方法，将风环境分析模块、风环境策略模块和风环境反馈模块分别引入城镇空间布局规划的前期分析、方案设计及方案反馈过程中，即通过建立城镇风环境预期标准，划定风环境的“作用空间”和“补偿空间”，疏通“空气引导通道”，最后运用CFD技术对城镇风环境效果进行模拟反馈，以期通过规划使城镇空间布局更为合理。

[关键词]小城镇；风环境；设计方法；规划应用；陕南山区

[文章编号]1006-0022(2018)03-0072-07　

[中图分类号]TU984.199　

[文献标识码]B

[引文格式] 王瑾，段德罡，姚博．风环境设计方法在陕南山区小城镇的规划应用[J]．规划师，2018(3)：72-78．

一 

城镇风环境的相关概念

（一）城镇风环境的影响因素

风是由气压差和温差引起的空气流动，是城镇气候环境中的重要组成部分，与城镇风环境有关的主要参数有风向、风速和风的温度属性。城镇中影响风环境的主要因素有大气环流、地方风和城镇下垫面变化等。城镇固有的地理位置决定了该地区大气环流的基本特征，而其所处的地形地貌将对大气环流产生较大影响，进而形成地方风，影响该地区的温度、湿度和日照等气候条件；然而，相比地方风，因城镇下垫面变化而形成的风环境具有更加复杂的特点，会从很大程度上影响城镇风向与风速频率。城镇下垫面影响风环境变化主要体现在城镇内部道路网、开敞空间及建筑物的布置上，尤其当风流经狭窄的街道内部和高大的建筑群体时，风向可以发生大角度偏转，而风速可达到来流平均风速的2 ～ 3 倍。因此，可以通过调整城镇的空间结构、道路系统、用地布局及空间形态来创造舒适的城镇风环境。

（二）城镇风环境设计的内涵

城镇风环境设计是城镇气候设计的一部分。与传统的城镇空间布局相比，风环境设计更侧重于从人的感受出发，展开物质空间形态的优化设计(表1)，核心工作是将城镇风环境通过数值模拟技术实现可视化，进而参照人的风环境舒适度评价标准对物质空间加以调整，使其达到宜人的效果。

二

 城镇风环境设计的规划应用技术路线

一般而言，城镇风环境设计的基本步骤包括基础资料收集以及气候分析与评价—设计策略选择与形态实现—方案评价与优化。依照城镇总体规划的技术流程，可以从分析层—方案层—反馈层对布局规划技术方法与技术手段进行优化，即在分析阶段制定风环境设计任务书，在策略阶段确定初步方案，在反馈阶段进行风环境模拟评价及修正，进而形成最终方案(图1)。其中，反馈阶段为核心内容，风环境模拟为技术难点，主要步骤为通过设定参数录入气候资料，结合几何模型进行数值模拟，从而评判城镇风环境是否适宜，并进一步探讨空间优化的方式(图2)。

三

 风环境设计方法规划应用的对象选择

本文以陕南山区的丹凤县城龙驹寨镇为研究对象，原因在于一是其规模小，具有较强的可操作性；二是其城镇建设刚刚进入快速发展阶段，尽可能早地将城镇气候影响纳入到其城乡规划中具有现实意义。

（一）城镇建设现状

龙驹寨镇坐落于凤冠山下的丹江河畔，南北两侧山体地势较高，丹江自西向东穿镇而过，有着“云掩商於万仞山”的地理特征，整体上构成了“九山、半水、半分田”的地理格局。

龙驹寨镇建成区面积达 5.5km²，人均城市建设用地为 113.90平方米 /人。城镇空间主要集中在丹江北岸，在中心街及其与广场路交叉处形成了城镇中心，除此之外，其余空间布局较分散。同时，城镇内部已初步形成了丹江景观带，其两侧开发均以高层住宅为主。

龙驹寨镇形成了“三横三纵”的道路结构，丹江北部环路已基本形成，呈现“两横”(中心街和江滨北路)和“两纵”(广场路和花庙街)的格局；丹江南部环路尚未形成，初步形成“一横”(江滨南路)和“一纵”(丹寺路)的格局。总体而言，城镇丁字路、断头路较多，老路及支路的路幅宽度较窄，路网密度较低，尚未形成完善的城市道路交通系统(图3)。

龙驹寨镇的土地利用率相对偏低，主要呈现以下特征：①居住用地开发强度相对较高 ( 大多为 1.2 ～ 1.8)，建筑以多层为主，分布有少量中高层建筑，其余用地开发强度低。②新建项目开发强度高，并以居住区为主，分布于沿江沿河区域(2.5～3.0)，建筑平均层数在15层以上；以中心街为核心的老城区开发强度低 (<1.2)，建筑以多层为主，其中行政办公、教育科研和医疗卫生等类型的公共场地较多，建筑密度偏低，开发强度低(<1)。此外，城镇中的广场与绿地未形成系统，呈点状分布。

（二）城镇空间布局评价

从适宜城镇风环境营造的角度来评价龙驹寨镇现状空间布局可以发现：首先，龙驹寨镇是单中心的城镇结构，老城区中心密度较大，缺乏开敞空间(“作用空间”较为密闭 )。其次，城镇道路尚未形成完善的交通网络，不易于风的流通(“空气引导通道”不够通畅)。最后，城镇用地布局零散，开发强度缺乏统一控制；各工业用地规模小、分布散；广场、绿地等开敞空间尚无系统性安排且总量不足，不利于对城镇风环境的有效引导。因此，需要通过规划引导来划定城镇风环境的“作用空间”和“补偿空间”，疏通“空气引导通道”。

四

 风环境设计方法的规划应用

（一）风环境分析模块引入规划设计阶段

1.气候数据收集

龙驹寨镇地处亚热带半湿润和东部季风暖温带过度性气候区，受季风影响明显，夏季东南季风直入，冬季西北季风活跃，四季分明，雨热同期，光热资源充足，年平均日照时数为2056小时，年总辐射量为122.79千卡/平方厘米；年平均降水量为 687.4mm，年平均气温为13.8℃。按照我国现行的《建筑气候区划标准》(GB 50178—93)，龙驹寨镇处于 IIIC 区与 IIA 区的交界处，属于IIIC区的最北侧。

参照表2～表5可知，龙驹寨镇的风速、风向、温度、湿度和日照在冬季与夏季呈现出较大差异，因此在规划编制时应对夏季与冬季分别进行考虑。

2.气候指数评价

（二）风环境策略模块引入规划方案设计阶段

基于城镇风环境营建的目标，即夏季通风兼顾冬季防风，此次研究从城镇整体空间结构、城镇内部道路格局和城镇用地开发强度三个方面进行方案设计。

1.确定城镇整体空间结构

在城镇整体空间结构层面，研究借助“源—汇系统”理论，首先划定“作用空间”和“补偿空间”，然后找到能够恰当连接“作用空间”与“补偿空间”的最小能耗路径 — “空气引导通道”，使得“作用空间”能够充分发挥其接纳能力，“补偿空间”可以确保其补给能力。按照上述方法，研究提出以下三点策略。

(1)保护“补偿空间”的造风能力 —保留完整的城镇外部山水格局。

龙驹寨镇两侧山体植被较好，但由于山体与城镇对太阳辐射的吸收不同，易形成温度差，导致夏季白天形成“上坡风”，夜晚形成“下坡风”；同时，丹江从龙驹寨镇穿镇而过，城镇与河流间会形成“水陆风”。因此，在城镇空间布局中应避免在浅山区以上或紧邻河湖水系进行建设，以有效利用这种温度差所形成的风场。

(2)提升“作用空间”的接受能力 —构建带型的城镇外部空间边界。

考虑到龙驹寨镇的地形特征，一方面需要与建成区周边的自然环境有较大的生态接触面，创造城镇开敞界面，有序引导来自于“补偿空间”的“山谷风”和“水陆风”；另一方面应使城镇沿夏季主导风向布局，即呈东南向带型结构，以将夏季的“郊区风”引入“作用空间”。

(3) 疏通“空气引导通道” — 构建多中心、多通道的空间结构。

一方面，需疏通镇区内的线状通道，即选择镇区内的江、河及主要道路作为空气循环通道，引导风的流动；另一方面，城镇整体空间结构布局应选择多中心模式，增加城镇开敞节点，从一定程度上降低老城区密度，并有利于夏季风尽可能多地穿越城镇空间(图4)。

2.生态文化复兴：保护并完善

“山水田城”生态格局

城镇内部道路是引导风环境设计的核心要素，针对龙驹寨镇当前的道路条件，研究提出以下三条优化策略。

(1)构建顺畅的方格网路网格局。

山地城镇路网设计首先要保证季节性主导风通畅，因此龙驹寨镇的空间布局应当避免复杂的路网结构，尽量避免出现丁字路，并采取简单的正交方格网的城市道路体系。

(2)构建适宜的路网基本方位。

基于龙驹寨镇综合气候效应评估得出，城镇东西向干道应尽可能与夏季主导风向平行，若有一定角度，则不应大于45°；城镇南北向干道(尤其是位于城镇西北角的路网方位 )应尽可能与冬季主导风向呈较大角度。

(3)构建非均匀的城镇街区尺度。

针对龙驹寨镇的夏季通风要求，在夏季东南风向的入风口处应细化路网，或设置较为宽阔的断面，加强通风效果；反之，在冬季西北风向的入风口处应采用内向的用地布局方式，并降低路网密度，加大街区尺度，形成“夏季入风口处小且分散、冬季入风口处大而紧凑”的非均匀街区尺度，进而形成“大环绕城，三纵四横”的“环路+方格网式”路网格局(图5)。

3.设定城镇用地开发强度

城镇下垫面 ( 建筑密集程度与建筑高低状态 ) 越复杂多变，城镇内的阵风次数越多，风速变化就越剧烈。对于龙驹寨镇而言，在水平结构上应合理降低建筑密度，将带状结构或网状结构转变为有机分布的散点，从而有效地使“空间分割”转变为“空间镶嵌”，扩大气体环流的“作用空间”；在垂直结构上宜将高层建筑开发地块与低层建筑开发地块有机结合，构建适宜的空间界面，以促进城镇高层建筑之间通风道的形成 ( 图 6)。

（三）风环境反馈模块引入规划方案反馈阶段

将风环境反馈模块引入规划方案反馈阶段是风环境设计的核心部分。研究通过建立几何模型，引入 CFD 技术，对风环境进行模拟、评价与优化。

1.城镇空间布局方案模型的建构

研究运用Revit Architecture建模工具，建立龙驹寨镇空间布局方案几何模型。在建模的过程中，采用模型简化方式，对周边山体及用地进行一定的简化，并根据初步形成的开发强度设定，计算出地块几何模型的模拟高度(表7)，按照“平面长度及宽度为几何模型最长边及最宽边的 10 倍，高度为几何模型最高处的 5 倍”计算区域尺寸，最后完成龙驹寨镇空间布局方案几何模型的建构(图7)。

2.城镇空间布局方案风环境模拟及评价

(1)风环境模拟。

针对龙驹寨镇的风环境任务 — 夏季通风、冬季防风，研究运用SimulationCFD模拟工具对城镇空间布局方案进行风环境模拟。按照表8的参数设置进行夏/冬季风环境模拟，最终选择距离地面1.5m、5.0m、10.0m处的水平面的风速及静压进行模拟(图8～图11)。

(2)风环境评价。

从图 8 ～图 11 的空气流动模式可以看出，风环境覆盖了所有的城镇空间，且城镇室外风速分布较均匀，绝大多数区域均能形成均匀、良好的风环境，只有进风口、出风口处及丹江通风廊道上的风速变化较大，且风速数值也较其他地方高。

①夏季风环境评价。

规划布置的通风廊道起到了一定的作用，促进了夏季城镇的通风。但是，东山对夏季主导东南风有较大影响，使得近地面风只能从两川道中流过，并产生较大风影区影响西南侧地块通风，导致丹江以南的城镇新区风速减弱。城镇内的风速主要为1.1～2.1m/s，风速比为0.33～0.63，最大风速接近2.8m/s，最小风速在 1.0m/s 左右 ( 图 8)，此风速范围虽存在一些低压低速风区，但总体上能够有效提高城镇的夏季热舒适性，并且可以改善空气质量和污染物的分布。

从夏季静压模拟图(图9)中可以看出，龙驹寨镇大部分区域的地块外表面压力差小于5Pa，且地块前后有一定的压力差，较为理想。由于丹江南岸新区的开发强度较大，其压力差较丹江北岸老城区的地块外表面压力差大 (且老城区离丹江越远，压力差越小 )，因此新区比老城区更有条件形成较好的风场。

②冬季风环境评价。

在初步方案中，西侧地块受冬季风的影响较大，虽然其布局方式对冬季风有一定的阻挡作用，使得风速有一定的减弱，但是局部风速地段达到3.6m/s，平均风速为 0.9～1.9m/s( 图 10)，风速比为 0.32～0.68，此风速范围有较好的舒适性，基本达到了预设的风环境指标。

从冬季静压模拟图 ( 图 11) 中可以看出，龙驹寨镇大部分区域的地块外表面压力差小于5Pa。与夏季模拟结果不同，冬季模拟结果显示，丹江北岸老城区的地块外表面压力差较大，且主要集中于主要通风廊道及北侧山体；而丹江南岸新区的开发强度较大，且地块方位与冬季主导风向存在一定夹角，使得风不能在此区域顺畅流动，压力差较小。

综上可知，在CFD技术模拟验证风环境设计方法指导下的城镇空间布局初步方案总体上可以满足风环境任务与指标，说明龙驹寨镇整体空间结构是合理的。为进一步提升城镇的通风性与导风性，减少低风速区及强风区面积，可以结合该设计方法对用地布局或开发强度等进行调整，进而形成最终空间布局方案。

五

结语

基于上述分析可知，将风环境分析模块、风环境策略模块和风环境反馈模块引入城镇空间布局规划的方法是可行的，即通过建立城镇风环境预期标准，划定风环境的“作用空间”和“补偿空间”，疏通“空气引导通道”的规划方法，对优化城镇气候环境起到了积极的促进作用。本文选取陕南山区的龙驹寨镇为研究对象，可以为此类城镇化水平低、发展较慢的西部地区小城镇在规划设计上提供借鉴。

当然，城镇空间布局是一个系统、动态的过程，其影响因素很多，仅就“风”这个单一因子而言，在展开研究之前也需要界定研究范围，假设研究前提，因此不可避免地会使研究结果与实际有所偏差。笔者认为，可以将此次研究成果看作为一种规划思路，为了使小城镇的空间布局在应对气候问题时更为科学，未来将进一步展开多因素共同作用下、分类分地段的适应风环境特征的小城镇规划研究。

来源：2018年03期《规划师》杂志

新媒体编辑：肖莉

审读：郭敬锋

文章全文详见《规划师》2018年03期

《风环境设计方法在陕南山区小城镇的规划应用》

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