基于GIS与CFD的多尺度微环境规划
——以舞钢市九龙山城市规划为例
陈士凌1，卢军1，陈静1，甘源2，王志浩1，王亮1
(1. 重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆，400045；
2. 中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都，610000)
摘要：利用CFD-GIS技术对复杂地形下人行高度处风场和压力场进行城市尺度对比分析，且对规划区风环境进行分区。并以城市尺度模拟下的数据，单向向下嵌套对单个住宅区朝向进行住宅区尺度模拟分析，得出最佳方案，为规划师提供量化数据支持。
关键词：CFD；GIS；城市规划；多尺度；人行高度风环境
中图分类号：TU984.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0104-06
Multi-scale micro-environment planning based on CFD and GIS:A case study of Jiulong mountain urban design in Wugang
CHEN Shi-ling1, LU Jun1, CHEN Jing1, GAN Yuan2, WANG Zhi-hao1, WANG Liang1
(1. Key Laboratory of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region,
Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China;
2. China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd, Chengdu 610000, China)
Abstract: Based on CFD-GIS technology, a comparative analysis is carried out for wind and pressure field at pedestrian level in a complex terrain in urban scale, and the planning region is divided into different wind environment areas. Using the data simulated in urban scale models as the boundary condition, different buildings towards residence scale models are analysed by the one-way downward nesting system. And the optimal scheme is obtained. These can help planner to make decision based on the quantitive data.
Key words: CFD; GIS; urban planning; multiscale; pedestrian level wind environment
在建筑规划设计中，楼宇建设诱发的街区小气候问题越来越受到重视。由于规划设计考虑不周，高大建筑导致其所在区域(街区)的小气候发生显著变化。如在新建街区内出现风口，会导致局部风速过大，严重时将使街区内行人产生不适；局部街区出现流动迟滞现象，会造成局部空气的污染。这些问题仅靠建筑规划设计师的工作是远不能解决的[1-4]。
在复杂地形上，近地层风场分布具有高度的非均匀性，观测数据所能代表的范围非常有限，在这种情况下，利用数值模拟方法获得复杂地形条件下高分辨率的近地层风场资料显得非常重要。模拟复杂地形上的风场结构，一直是大气科学中一个重要的课题，许多学者已经针对大气环境评价和风能评估等不同方面的需求，从不同角度展开研究，并取得了一定的成 果[5-13]。这些研究主要基于中尺度模式展开，通常采用地形追随坐标，通过方程组的坐标变换来描述复杂地形，在数值计算方法上以差分格式为主，且空间分辨率最高达100 m。近年来，计算流体力学(ComputationalFluid Dynamics，CFD)在城市微尺度风场及污染扩散研究中得到了广泛的应用[14-18]。但目前国内对此研究较少，尤其是复杂地形下的人行高度风场问题。针对复杂地形下人行高度风场模拟仅用CFD后处理无法进行很好地对比分析，为此，本研究利用CFD-GIS (Geographic information system，GIS)技术，对复杂地形下人行高度处风场和压力场进行城市尺度对比分析，且对规划区风环境进行分区，并以城市尺度模拟下的数据单向向下嵌套对单个小区朝向进行小区尺度模拟分析，得出最佳方案，以便为规划师提供量化数据支持。
1 研究区域概况
舞钢市地处东经113°21′27″—113°40′51″，北纬33°25′00″—33°25′25″，辖属河南省中部城市平顶山市，位于平顶山市最南端。图1所示为九龙山社区地形图，市域南北长32.19 km，东西宽30.10 km，总面积645.67 km2。九龙山地形特征为西南高，东北低，西南两侧分别为海拔高度为166和222 m的山峰，东北属于地势变化较为平缓的平原地带，南北高差 117 m。
图1 九龙山地形图及计算域
Fig.1 Topographic map of Jiulong mountain and computational domains
舞钢市九龙山社区是河南省新农村建设的综合配套改革试点，因此，社区规划有更高的要求和更高的标准。本文作者采用现代信息技术手段辅助规划设计进行多尺度的微环境分析，帮助规划人员进行正确合理的判断。
2 九龙山社区规划研究
2.1 九龙山社区物理模型
地形采用1:1比例CAD三维建模，如图2所示，局部进行了简化处理，模拟使用CFD商业软件PHOENICS，DO1(如图1所示)为4 000 m×1 211 m×200 m。
图2 九龙山地形模型(DO1)
Fig.2 Jiulong mountain terrain model (DO1)
入流边界来流条件设为大气边界层流，风剖面速度表达式为
(1)
式中：Z0为参考高度；U0为参考高度处的参考风速，如表1所示；α取0.21。
空间各出流边界条件为湍流充分发展，流场任意物理量ψ沿出口法向的梯度为0。
表1 入口风速条件
Table 1 Wind inlet conditions
2.2 九龙山社区风环境结果与讨论
九龙山社区地形复杂，高低错落，使用现有的CFD后处理软件不能直观显示九龙山社区人行高度风场，因此，使用GIS软件ArcMap9.3对模拟结果进行后处理。
图3和图4为九龙山人行高度风场分布和分区，由图3和图4(Case1)可知：北部平原地区风速适中，设计中保持主干道与夏季主导风向一致，有利于形成通风廊道，引风入城。西南风经过两侧山体时，由于狭谷效应导致中部低洼地带风速较高，最高达3.4 m/s，在利于夏季通风，建筑布局灵活。在山体的背风面风速较小，仅为0.65 m/s，夏季通风困难，建筑布局以错列式，自由式布局为主，体型以点式为主，建筑间距易大于1.25H。另外，为了引导山谷风进入居住区，建筑长轴方向应与山体坡度方向一致，形成风道，给居住区降温。
图3 九龙山人行高度风场分布
Fig.3 Wind field distribution of Jiulong mountain area at pedestrian level
图4 九龙山人行高度风场分区
Fig.4 Wind field division of Jiulong mountain area at pedestrian level
由图3和图4(Case2)看出：冬季风速分布可分为3个区域：北部平原正常风速区，中部峡谷低风速区和山顶高风速区。冬季主导风向为北风，在社区最北端，由于地形平坦，地表粗糙度小，冬季寒风直接吹入居住区，不仅影响人体热舒适感觉，且在不合理的建筑布局下还可能形成峡谷风，威胁行人的安全。在规划居住区北向种植防护绿地，以高大常绿乔木为宜，绿带宽度不应小于50 m。建设在最北端的建筑以多层或中高层围合式布局为主，可阻挡寒风入侵小区内部，给居民提供较舒适的室外环境。中部峡谷地带风速在0.8 m/s左右，冬季不考虑防风措施。山顶高风速区，多为自然林地，保护原有生态，不作为建设用地。
综合冬夏季风速分布情况，为达到夏季增强通风和冬季防风的效果，如图5所示把社区化为3个区域： Ⅰ区处于北部平原地带，夏季通风较为通畅，主要应考虑冬季防风，因此城市北面应种植防风绿化带，宽度为50 m以上。且住区建筑多以院落式布局较好，以防止冷风侵入；Ⅱ区处于两山之间的平地，夏季风速大，冬季风速小，风环境良好，住区规划较为自由，保留通风廊道以引入山谷风；Ⅲ区两边均为山体，保留其原有生态形式，不作为建筑用地。
图5 微气候规划分区
Fig.5 Micro-climate planning division
3 九龙山湖边小区规划研究
对于小区风环境这个复杂系统来说，规划工作者一般只将统计资料如风向频率和风速频率等作为设计依据。但是城市气候中这些参数通常是基于城市开阔处10 m高度位置的实测值，且在受到下垫面的粗糙程度、小区街道走向以及高层建筑的影响时，局部地段的风向、风速会发生很大变化。在这些因素影响下的最终结果才是分析小区内部通风状态的关键参数，因此直接使用统计数据作为小区规划的设计依据是不合理的。分析小区内部风环境时需采用CFD进行模拟，且边界条件应采用图中DO2处的模拟值。
3.1 物理模型
根据北方建筑的特点，如图6所示，小区采用双L院落式建筑，2栋L形建筑组成一个整体，中心空地为生活小院。建筑高度为12 m，建筑间距为20 m。本文作者选择建筑物东南朝向(a)及坐北朝南(b)2种不同的朝向作为模拟对象，进行对比分析，找出最佳的方案，达到夏季引风和冬季防风的要求。DO2区(如图1所示)为310 m×505 m×50 m。
3.2 湖边小区结果及讨论
图7和图8所示分别为小区人行高度风矢量场和分速分布图。由图7和图8可得：Case 1中2种朝向的建筑布局都能形成良好的通风廊道，均能利用小区上风方向的湖泊，引导湖风进入小区，改善小区室外热环境。Case 2中主导风向为北风，东南朝向的建筑布局与坐北朝南的建筑布局均能很好的起到防风作用，且坐北朝南的建筑布局形式由于北墙的直接阻挡作用导致院落内部风速更小，更提高舒适性。院落是小区居民生活娱乐的地方。因此，合理地利用湖风改善院落的热环境对小区规划来说至关重要。
图6 不同建筑朝向下的小区模型(DO2)
Fig.6 Residential district model of different building towards(DO2)
图7 小区人行高度风矢量场
Fig.7 Wind vector field of residential district at pedestrian level
图8 小区人行高度风速分布图
Fig.8 Wind speed distribution of residential district at pedestrian level
图9 小区人行高度压力分布图
Fig.9 Pressure distribution of residential district at pedestrian level
图9所示为小区人行高度压力分布图。分析图9可得：Case 1中夏季建筑群西南面(即迎风面)处于高压区，庭院及四周其他部分压力较小。建筑设计时，应考虑把窗户设置在迎风面，在过渡季节及非空调时间，通过压力差形成室内自然通风，加强室内空气循环，带走室内热量，改善室内空气环境。总体来说，东南朝向建筑群之间压差较小，而坐北朝南建筑前后压差较大，对建筑自然通风更为有利。Case 2中冬季建筑群北面(即迎风面)均处于高压区，庭院及四周其他部分压力较小，北面尽量少开窗，增加窗户的气密性，避免室内热损失过大增加建筑能耗。
综合以上因素，分析小区2种不同的建筑布局形式，得出采用坐北朝南的院落式建筑布局形式更适合于湖边小区的规划建设，在夏季能很好地引导湖风进入小区，改善小区热环境，同时能保持建筑前后有5 Pa左右的压差，增强室内自然通风；冬季能较好地防御北风的入侵，减少小区内部热损失，达到建筑节能的要求。另外，建议小区北端种植防护林，减小冬季入口风速，进一步提高小区的室外环境质量。
4 结论
每个城市的活动空间有其固有规律，简单的经验判断难以准确把握复杂的要素关系。采用CFD技术模拟预测复杂地形下人行高度风环境变化，为规划师提供了量化数据支持。利用GIS技术解决了复杂地形下人行高度风环境可视化问题，使规划师对复杂地形规划区人行高度风环境进行直观和全面比较，做出准确判断。采用多尺度单向向下嵌套分析方法，对规划区内单个小区进行风环境分析得出最优结论，为规划师最后确定建筑形式提供较精确的量化依据。
本研究采用的CFD-GIS多尺度研究方法都有需继续探索和完善之处，提高模拟和评估的能力和精度，并增强可操作性，使近地层风环境模拟和评估更科学、客观可靠，在城市规划建设中发挥更重要的作用。
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(编辑 何运斌)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
基金项目：国家科技支撑计算课题资助项目(2006BAJ01A05-06-04)
通信作者：卢军(1966-)，男，四川渠县人，教授，博士生导师，从事建筑节能与城市热环境研究；电话：023-65123777；E-mail：lujun66@vip.sina.com
