建筑黑科技 | 气候韧性城市初探

气候韧性城市初探

在全球气候变化和快速城镇化背景下，传统城市建筑规划领域难以充分评估未来气候变化影响，城市韧性理念从动态和发展的角度出发，为城市抵御未来极端气候事件并适应气候变化提供了新思路、新方向。应用气象大数据和计算风工程等多专业研究成果开展韧性城市数字化技术研究，增加考虑气候变化的新维度，将为城市规划和建筑设计工作提供新的技术支撑。

1 气候韧性城市研究背景

摩根士丹利发布的《中国城市化2.0: 超级都市圈》蓝皮书报告指出，到2030年中国城市化率将升至75%，中国将打造更快捷、安全、环保和宜居的未来城市。然而，众所周知的全球气候变化导致内涝、台风、高温热浪、雾霾和流行传染病等“黑天鹅”极端事件频繁发生，已经并将持续影响城市生命线系统运行、人居环境质量和居民生命财产安全。

┃ 高密度城市与自然气候

为积极适应气候变化，2016年国家发改委和住建部正式印发《城市适应气候变化行动方案》，提出要全面建设气候适应型城市，努力提升城市适应气候变化能力。2020年《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中，明确要建设“韧性城市”，提升自然灾害防御水平，要改善城乡人居环境。

1.1 气候韧性城市建设意义

过去几十年城市快速建设与全球气候变化两个主要因素，导致城市自然生态环境脆弱性增加，抵御重大自然灾害和人居环境问题愈加明显，其中暴雨和台风灾害以及城市热岛效应深刻影响着城市人民的日常生活。

从城市规划和建筑设计领域，开展韧性城市建设实践探索，降低城市建筑和基础设施应对气候变化的风险，对于保障中国未来城市长久可持续发展具有重大现实意义。

城市极端暴雨和台风灾害

根据我国气候公报和灾害资料，每年国内气候灾害明显多于地震灾害，其中暴雨洪涝和台风这两种极端气候事件给城市人民生命和财产安全带来的损失最大，并且近年来有增加的趋势。

┃ 近年来国内重大自然灾害事件统计

由于全球极端天气频发、城市原有基础设施作用减弱且原有排水标准较低等因素叠加，近年来城市暴雨灾害发生率较以往有明显的提升。强降雨作为导致城市内涝主要原因，其短期内产生的积水和径流，导致新建城区和老旧小区建筑、道路直接被淹。

┃ 城市内涝情景

┃ 老旧小区内涝场景

台风登陆常伴随着强风、暴雨和风暴潮，给沿海甚至内陆城市地区造成严重灾害。如2019年超强台风利奇马侵袭浙江、安徽和山东等多省城区，其暴雨狂风造成57人死亡，209.7万人紧急转移安置，总经济损失达537.2亿人民币。根据气象实测统计，平均每年有6个以上台风进入我国近海，对沿海城市构成直接威胁。

┃ 台风暴风雨导致城市被淹

┃ 我国台风地理空间分布（1949~2019年）

气象学最新台风研究表明，21世纪末我国东南沿海地区台风强度受全球变暖影响将呈持续上升趋势，其潜在气候灾害风险将进一步增加。

┃我国登陆热带气旋年极值风速变化趋势（来自nature期刊）

城市热岛效应

城市热岛效应是指城市因大量的人工发热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等因素，造成城市“高温化”。

┃ 城市热岛效应

在我国各大“火炉”城市中，长期的热岛效应严重影响城市人居环境，其污染物聚集、空气不流通等问题影响城市空气质量，极端的高温热浪甚至危害居民生命安全。

由上述可知，我国现有老旧城区改造以及城市更新建设将持续遭受未来极端气候和气候变化灾害的打击，城市规划设计和城市防灾减灾领域工作将面临严峻挑战。

传统的城市建筑规划设计领域难以评估未来全球气候变化对城市安全性和宜居性的影响。城市韧性理念从动态和发展的角度出发，为城市抵御未来极端气候事件并适应气候变化提供了新思路、新方向。

1.2气候韧性城市概念

关于“气候韧性城市”定义，一般指城市对于气候灾害具有较好的抗击打能力和恢复能力，对气候变化导致的自然灾害具有较好的适应性。在经历灾害不确定扰动后，城市应对气候变化的韧性表现为抵抗、恢复和适应等三个主要环节。

┃ 城市韧性图解

从城市规划和建筑设计角度出发，城市韧性由构件、结构、建筑及基础设施、社区和区域生态环境等多层次韧性构成，其中城市建筑、重大基础设施以及生态环境韧性是保证城市应对气候灾害的核心。

城市适应气候变化行动

提升城市气候韧性主要包括减缓和适应行动两个方面。前者指人为地稳定或降低大气温室气体浓度；后者一般指采用主动型规划和建筑设计策略，即先探索城市规划建设与气候环境之间的相互作用规律，然后科学的改造和规划老旧小区和新建城区，增强城市气候韧性，从而最终降低城市气候灾害风险。

┃ 气候变化背景下灾害风险驱动因素图解

面对全球气候这一不争的事实，国内外普遍开始采用后者主动适应型方式，期望能够在短期内削减城市气候灾害风险。英国、美国和中国等从应对气候变化层面出发，先后制定了城市防灾或适应计划，以增强城市气候韧性。

┃ 各国提升城市气候韧性行动计划

2 气候韧性城市前期研究成果

为开展气候韧性城市相关技术研究，我们在高精度数值风洞技术、复杂结构流固耦合技术以及基于气象大数据的中尺度天气数值预报技术方面取得了初步成果。

基于气象大数据的数值天气预报技术

随着气象大数据和高性能计算时代到来，可以利用气象实测和GIS数据进行工程场地气候特征大数据分析，如建立全球历史台风数据库分析工程场地台风危险性，利用中国地面站点气象实测数据分析场地气象条件参数等。

┃ 全球历史台风数据库

┃ 中国地面气象实测站点分布

从工程应用角度出发，利用气象领域方兴未艾的数值天气预报技术，对历史极端气候事件如台风和暴雨进行三维仿真重现，可以评估局部城市地区的气候灾害。

┃ 真实台风登陆全过程模拟

┃ 真实登陆台风三维结构示意图

┃ 真实登陆台风三维降雨场模拟

基于气象大数据和气象模式的分析技术，可以突破基于传统CFD的建筑群风气候环境评估限制，用于评估任意气候事件影响下实际局部城市地区气候特征时空演化规律。

数值风洞技术

我们采用新一代计算流体力学CFD技术，开展高精度数值风洞技术前期应用研究，已经针对多个实际工程项目中建筑群风气候环境、建筑室内通风舒适度等问题开展了流场仿真分析。

┃ 数值风洞和试验风压系数对比

┃ 城区园区三维风环境分析

┃ 建筑室内通风分析

建筑结构流固耦合技术

现代建筑越来越向着更高、更轻、跨度更大的方向发展,给结构设计人员提出更艰巨的挑战。结构越轻柔，对脉动风荷载的作用就越敏感。此时要对结构起控制作用的风荷载及风致响应做出准确估算，除了借助常规分析手段外，还需要特别关注流固耦合效应。

“流固耦合效应，即结构在风荷载作用下产生较大的变形和振动，这种大幅的变形和振动反过来也会影响到结构表面风压分布。”

我们利用有限元和CFD联合仿真技术，开展了考虑双向流固耦合的复杂建筑结构风致振动分析实践研究，为实际高层建筑和大跨体育馆薄膜等风致敏感结构抗风设计提供了具有工程实用价值的技术参考。

┃ 膜结构流固耦合计算模型

┃ 膜结构流固耦合计算动画

┃ 膜结构流固耦合计算与试验结果对比

┃ 超高层建筑风效应分析

┃ 超高层建筑流固耦合分析

┃ 膜结构流固耦合分析

3 气候韧性城市关键技术研究

目前国内气候韧性城市研究主要集中在“可持续发展”“气候变化”、“生态安全”等主题，以“区域与城市规划”、“城市研究”、“绿色和可持续发展科学”以及“气象学和大气科学”等学科研究为主，开展韧性城市演变规律、韧性城市评价体系以及韧性城市规划等方面定性研究，应用研究主要关注城市生态景观层次，如城市湿地生态系统韧性评估等。随着城市规划和建筑工程领域对韧性城市建设的关注，迫切需要开展韧性城市防灾、节能、绿色等技术应用研究。

┃ 基于气象分析技术的广州市主通风廊道分析

气候韧性城市建设落地探讨

就建筑设计而言，如果仅依赖过去几十年的历史气象资料开展工程场地高层建筑和大跨结构设计，其未来70~100年的城市建筑性能在应对极端气候变化时将面临极大不确定性风险。从工程设计角度，我们需要未雨绸缪，充分评估这些建筑能否承受住21世纪末的极端气候灾害事件，从而使得我们未来城市居住更加安全。

另一方面，如何在新旧城市园区规划中考虑极端气候和未来气候变化的影响，针对城市热岛效应问题进行系统性规划设计，从而使得未来城市居住更加适合宜居，是当代城市规划和建筑设计工作者们甚至社会民众普遍关心的问题。

考虑到城市系统的复杂性与气候变化背景的不确定性，目前国内气候韧性城市建设研究处于起步和定性引导阶段。在城市规划和建筑设计领域，迫切需要研发气候韧性城市数字化定量评估关键技术，在传统城市规划领域工作基础上增加考虑未来气候变化的维度，为旧城改造和城市更新建设提供新的技术支撑。

4 未来研究

我们通过研究国内外气候韧性城市应用实践，总结出气候变化背景下城市建筑气候韧性评估框架，在未来将整合气象实测、数值风洞以及结构流固耦合技术，搭建基于高性能计算机的城市级气候韧性分析计算平台。

┃ 气候变化背景下城市建筑气候韧性评估框架

应用城市气候韧性多尺度定量评估技术，可以分析城市降雨和强风等极端气候灾害、评估城市热岛效应以及街道尺度行人风环境等城市安全和宜居问题，为城市规划、建筑和基础设施领域提供技术支撑。

┃ 城市韧性评估技术应用领域

利用气象模式和计算流体力学CFD仿真技术，精细化评估气候变化背景下实际城市建筑气候环境，分析工程场地可能发生的灾害以及建筑抵御灾害的性能，可以为老旧小区改造、新建园区规划以及建筑结构抗风设计提供数字化分析手段。

后疫情时代，随着城市民众对城市热岛效应引发系列问题关注，迫切需要评估实际城市区域和街道环境气候分布，改进现有建筑气候环境评估技术，为城市小区气候适应性规划设计提供实用参考。

┃ 针对城市热岛效应的气候温度精细化评估

┃ 实际气象环境中城市行人风分析（引自Ashie等人）

总  结

下一个十年建筑数字化时代，我们将紧跟国家建筑行业发展趋势，不断学习整合多学科前沿技术，搭建跨专业团队，以促进未来城市安全、环保和绿色高质量发展为追求目标，持续深入气候韧性城市建设关键技术研究，全面应用数字化手段助力城市规划和建筑设计领域开展韧性城市建设实践。

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2020年第12期 总第24期

策划 ┃ 工程数字技术中心

文字 ┃ 张慎 王义凡 程明 辜文飞 尹鹏飞

校对 ┃ 张慎

 

中南建筑设计院 工程数字技术中心

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