LA研究 | (比利时)艾瑞克·特里 徐琴 | 智慧城市中的风设计
全文刊登于《风景园林》2020年第5期 P64-70
艾瑞克·特里,徐琴.智慧城市中的风设计[J].风景园林,2020,27(5):64-70.
智慧城市中的风设计
著:(比利时)艾瑞克·特里
男 / 航空工程学硕士 / Actiflow创始人及首席执行官 /主要研究方向为建筑物理
译:徐琴
女 / 重庆大学建筑城规学院在站博士后 / 研究方向为城市公共空间及景观规划设计
摘要
随着城市密度变大,越来越多高层建筑的出现导致了步行高度上风速的增加,降低了行人舒适感和整个社区环境的吸引力。城市内的平均气温同样随着城市密度的增加而升高,难以降低的温度导致死亡率的提升。适当的风可以通过增强街道通风和散热等方式给城市降温,从而缓解这类问题。Actiflow对政府部门的建议为:1)在评估风对所在城市的影响时,须同时考虑其他因素;2)确定城市中的关键区域,设想如何应对其所面临的挑战;3)确定需要达到的品质标准;4)将大尺度上的解决方案及品质要求转化为实际操作导则。
一般来说,城市环境下的风参数评估技术有3种:实景测量、风洞实验和CFD计算机模拟(也称CFD或计算机流体力学)。对于城市中完整的风参数评估来说,实景测量并不是最佳选择,而CFD与风洞实验相比的主要优点为:1)能将整个风场可视化,而不仅是安装了传感器的离散点;2)即使是阳台或其他私人区域周边细微的空气流动都可被研究。CFD的最大缺点在于当模拟风的动态特征发生时(例如狂风等情况),就会由于计算量太大而变得非常困难。
荷兰NEN8100标准描述了2种评估步行环境风舒适度的方法:风洞实验以及CFD计算机模拟。Actiflow基于这项标准在风参数评估领域积累了相当丰富的经验,其中一个案例便是阿姆斯特丹附近的Amstel III区域。Actiflow向市政府提供了在公共场所缓解风障碍和危险的可行措施,并为该地区的房地产开发商们制定了详细的导则。
关键词
风参数评估;步行风舒适度;风安全性;风危险度;智慧城市;城市热岛效应;高层建筑;风洞;CFD计算机模拟;NEN8100标准
1 概述:智慧城市中风参数评估的重要性
随着城市密度的逐渐增大,越来越多高层建筑的出现导致了步行高度上风速的增加。这不仅降低了行人舒适感和整个社区环境的吸引力,对于年长以及行动不便的人群也构成潜在风险。城市内的平均气温同样随着城市密度的增加而升高,在日间积聚的热量被困在城市建成环境的密集边界内,使得夜晚温度难以降低,埃因霍温科技大学(Eindhoven University of Technology)在这一问题上进行了深入研究,结果表明城市中逐渐升高的夜晚温度可导致死亡率的提升,尤其是65岁以上并患有心血管及呼吸系统疾病的人群。适当的风可以通过增强街道通风和散热等方式给城市降温,在缓解这一问题上起到重要作用。
2 智慧城市中公共空间的风环境设计准则
全球很多城市和地方政府已经开始意识到风在改善城市环境中的重要作用。然而风参数评估大多时候都被用于研究已然出现的各类问题,如果我们能在设计阶段就引入风参数评估,就能预估单个建筑项目在建成之后对风环境的影响。
由于风存在于较大尺度的自然环境中,因而也须在大规模的城市尺度上进行考量。这意味着在研究风的影响时不应局限于建筑尺度,而应考虑整个区域或街区(图1)。此外,如果在新开发项目的早期就把风的效应纳入考虑,可以及时调整建筑体量、景观设计和街道建筑的朝向等。当各个建筑的设计进入后期时,再对步行高度的风环境舒适度进行最终测试,通过适当增加植被和树荫等措施来解决可能出现的问题。
1 指示风向的流线图
Actiflow对政府部门的建议如下:
1)在评估风对所在城市的影响时,须同时考虑阴影、声音、热岛、流动性和空气污染等因素;
2)确定城市中的关键区域,设想如何在大尺度上应对其所面临的挑战(例如开放或密化城市肌理,引入公园或其他景观元素,确定高层建筑的选址或重要街道朝向等);
3)基于公共空间的本土功能,确定需要达到的品质标准;
4)将大尺度上的解决方案及品质要求转化为开发商和建筑师的实际操作导则,例如可允许的建筑体量、朝向和最大高度,入口及私人户外空间的位置,如何判断建筑设计达到所需标准等。
只有当实施良好的导则及规范之后,开发商和建筑师才能及时检验每项设计概念是否遵循了相应的标准。通过在设计阶段引入风参数评估,更容易在早期识别潜在的局部问题,设计经调整后的影响也能得到评估,例如增加挑檐、底座和树木等(图2)。当设计方案确定之后,再进行最终的审核来检验项目是否达到了政府所设定的规范标准。
2 避免风阻的一些可能有效的措施:挑檐,底座,树木
3 风参数评估技术
城市环境中的风参数评估技术通常有3种:1)实景测量;2)风洞实验;3)CFD计算机模拟(也称CFD计算机流体力学)。
3.1 实景测量
测量实时风速和风向的方法可用于评估某个已知的状况或问题。然而要得到统计学上可靠的数据通常需要监测较长时间(一般来说为几个月),这样才能记录到每个可能产生的风况。实景测量的另一个局限性在于每次只能在部分固定场景下收集数据,因而对于特定区域的整体风环境缺乏完整了解。最大的挑战还是很难将风的瞬时测量数据与国家气象局已知的不受干扰的风况联系起来。实景测量方法有助于识别潜在的问题或挑战,但不建议用作完整的城市风参数评估,尤其不适用于评估未来的状况(例如城市中未建成的新开发项目)。
3.2 风洞实验
与实景测量不同的是,风洞实验是将城市局部的等比缩小模型置于有特定气象边界的风环境下监测。风洞可以模拟真实的风况,包括多种不同的风向、风的动态变化等。如果想要了解某个单体建筑或植被的效果,只需在多次试验中增加或移除模型中的某些元素。
然而风洞实验与实景测量一样,收集到的数据仅来自模型中安装有压力探头的位置,而不同位置之间的压力变化却不得而知。同时由于测量工具对于所使用的缩小模型来说体量较大,使得模型局部的风效应难以测量。
3.3 CFD计算机模拟
除了做实体的城市模型,计算机也能通过构造3D的城市虚拟模型来计算风效应(图3)。风在整个城市范围内的表现和风向由专业的软件模拟。同样,也可以通过在3D模型里添加或移除建筑单体或植被后,对其作用进行评估。不过,电脑模拟实验的运行时间一般都比风洞实验稍长。
3 CFD模拟结果示意图
CFD的优点是软件能在完整的城市环境中显示出局部的风速和风向,这意味着任何值得注意或意料之外的风况变化都能被捕捉到,而且由于电脑模型尺度没被缩小,即使是阳台或其他私人区域周边细微的空气流动也可被研究。
在评估城市平均风速或风环境设计方面,CFD计算机模拟只要是被CFD领域的专业人士操作,其结果通常都是可靠的。但在分析风的动态特征例如狂风等案例中,CFD方法仍处在开发当中,具有很大的改善提升空间。
4 荷兰的风参数评估
将户外空间的风数据进行分析和分类的方式多种多样。部分国家有自己的国家标准或是参考风参数评估相关的科学文献,也有一些国家还没有完善的官方标准。
Actiflow所处的荷兰在历史上就跟风有很深的渊源。16世纪时荷兰舰队乘风远洋给国家带回了财富(图4),17世纪时建造了最负盛名的荷兰风车,将土地从海平面下争夺回来(图5)。从那以后,传统风车就成为荷兰的象征。
4 VOC贸易船
5 通过风车开垦“贝姆斯特”
4.1 风参数评估的荷兰标准
毋庸置疑,荷兰是世界上最先提出分析、量化和分类步行环境风舒适度标准的国家之一。迄今为止Actiflow基于NEN8100标准在风参数评估领域已经积累了约15年经验,该标准也同时被周边多个西欧和北欧国家所参考。
荷兰NEN8100标准描述了2种评估步行环境风舒适度的方法:风洞实验以及CFD计算机模拟。测量或模拟结果将与地区风力数据相结合,从而形成地区风力等级示意图。风阻及危险等级分别由风速超过5 m/s或15 m/s的概率决定。从功能性角度来说,不同的风力等级代表特定区位是否适宜“通行”“散步”或者“久留”(图6、表1)。
6 根据NEN8100标准的风阻等级示例图
表1 根据 NEN8100 定义的风阻等级
根据NEN8100标准,风危险度也需被评估。为了确定风的危险程度,NEN8100标准参考的是风速超过15 m/s的概率(表2)。风的危险程度被分为2类:“有限风险”和“危险”。值得注意的是判定风危险度的超出概率数值比判定风舒适度的要小很多。这项标准并不会明确指出风力等级是否可接受,而只是提出能将风的舒适度和危险度进行分类的方法。在特定的城市环境或建筑周边所允许的风力等级最终仍由政府决定。
表2 根据 NEN8100 定义的风危险度等级
4.2 Actiflow应用荷兰标准的案例
Actiflow每年开展近100项研究,向政府、建筑师和开发商提供城市环境中风设计方面的建议。以下展示的就是其中一项实际案例,该项目位于阿姆斯特丹,目标是为Amstel III地区的房地产开发商制定相关导则。
4.2.1 背景介绍
Amstel III位于阿姆斯特丹东南,占地约1 km2。现主要为办公区域,场地内的平均建筑高度在25 m左右,多为方形。阿姆斯特丹政府希望将该地区改造为集居住、办公和休闲为一体的更具活力的城区。到2027年,将建成大约5000所住宅、商店和办公场所。同样,政府也希望为该地区提供舒适的户外环境。为了实现这一目标,地区内将增加相当数量的建筑体,也就意味着更多的高层建筑和更密集的城市肌理(图7)。
7 阿姆斯特丹附近的Amstel III地区示意
在规划的早期阶段,政府想知道新增的建筑体量是否会导致风环境、声音以及日照方面的问题。此外,政府也希望为地区内的房地产开发提供明确指导。通过与荷兰公司Cauberg Huygen合作,Actiflow模拟并分析了物理体量并据此向政府部门提出建议。该项目的独特之处在于我们在较早期的介入,项目的大尺度以及对多种物理体量的综合模拟。
4.2.2 结果
我们首先根据NEN8100开展了风环境分析(图8、表1)。可以看出,有几处等级D和E的重点区域应注意避免在公共空间中出现。造成这些问题区域的关键原因在于现状街道朝向。荷兰的主导风向为西南向,而该处大量街道都是西南—东北向,使得风力更易沿街聚集,从而在建筑转角处引发问题。次要原因是新增的高层建筑。从原有较低建筑上方经过的风碰到高层建筑立面后,由于气流向下的效应对步行高度形成风阻。另一方面,地区内也有相当多等级A和B的区域非常适合设置户外座椅和户外活动。
8 Amstel III地区的风阻等级
同时,在任何区域都应尽力避免风所造成的危险。如图9、表2所示,共有2处风危险程度较高并需要缓解的重点区域。除此之外,图9也显示了有限风险的其他区域。在咨询阿姆斯特丹政府之后,决定对这些区域也采取缓解措施。因为这些有限风险的区域同时也是风舒适度等级D和E的区域,局部措施应当在提高风舒适度的同时减小风危险度。
9 Amstel III地区的风危险等级
4.2.3 建议
根据风环境分析结果,建议政府采取以下措施:1)依照风等级示意图所示,尽可能地在相应区域设计公共空间;2)尽可能多地使用乔木、灌木及其他植被化解风力影响。
这些措施在一定程度上能改善状况,却较难提升整个地区的风舒适度。因此,也针对该地区的房地产开发商制定了相应导则:由于地区内的主导风向是西南向,建议在Amstel III的西南部设置低层建筑,然后往东北方向逐渐增加最高建筑高度;重要建筑物应当置于基座之上或者设计挑檐以减小气流向下效应对步行高度的影响;为了减小西南方向的风力聚集,建筑群最好以不规则形式排列,而非方形网格形式。
基于Actiflow的这项研究,阿姆斯特丹市政府为Amstel III地区的房地产开发商制定了开发导则和要求。各个开发商有义务在设计早期向政府证明其建筑设计满足了风舒适度的相关要求。
图表来源:
图1~3,6~9由Actiflow BV提供;图4由Pinterest提供;图5由ruimtevoorderivier.jouwweb.nl提供;表1~2由Actiflow BV提供。
为了微信阅读体验,文中参考文献标注进行了删减,详见杂志。
参考文献:
[1] RICCI M, PATRUNO I, KALKMAN I, et al. Towards LES as a Design Tool: Wind Load Assessment on a High-Rise Building[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2018, 180: 1-18.
[2] TOPARLAR Y, BLOCKEN B, MAIHEU B, et al. A Review on the CFD Analysis of Urban Microclimate[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 80: 1613-1640.
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文章编辑 王亚莺
微信编辑 刘芝若
微信校对 王亚莺
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