基于CFD模拟的寒地商业步行街区布局模式研究--毕业论文.doc

Error! No text of specified style in document.学校代码：学 号：学 位 论 文基于CFD模拟的寒地商业步行街区布局模式研究指导教师姓名：x xx大学申请学位级别：硕士学科专业：城乡规划学论文提交日期：论文答辩日期：授予学位单位：xx大学授予学位日期：答辩委员会主席：论 文 评 阅 人：74- -University Code：Register Code ：Dissertation for the Degree of MasterRESEARCH ON THE PATTERNS OF LAYOUT OF COMMERCIAL PEDESTRAIN STREET IN COLD AREA BASED ON CFD SIMULATINGCandidate:Supervisor:Associate Supervisor:Academic Degree Applied for:Speciality:Date of Oral Examination:University:摘要随着经济的不断发展和社会的不断进步，商业步行街区在全国各地陆续兴建，并对城市商业的发展起到了重要作用，成为了市民休闲娱乐的新目的地。而随着商业步行街区的发展，其风环境也日益受到人们的重视。由于商业步行街区街道、院落和广场等室外活动空间数目、体量均较大，是市民休闲娱乐的主要场所，尤其是在寒地城市，风环境的水平会直接影响市民在进行室外活动时的舒适度。并且，多种空间形式的组合会改变建筑群内的气流组织，这种改变会影响冬季建筑的冷风渗透，造成建筑在冬季采暖时的采暖负荷增大，造成能源的浪费。因此，为寒地城市的市民提供安全、舒适、节能的寒地商业步行街区，是当今研究的热点课题。本文以典型寒地城市哈尔滨的中华巴洛克建筑群为例，首先从寒地的气候条件和建筑布局特点入手，探讨了寒地气候和风环境的特征，分析了影响寒地商业步行街区风环境的因素，总结了寒地风环境面临的问题。在对CFD模拟分析的方法进行了简单阐述后，根据前人的研究和绿色建筑评价标准，制定了风环境评价的标准，建立了风环境评价体系，为对寒地商业步行街区的风环境模拟奠定了基础。其次，文章根据哈尔滨的气候特点，选取哈尔滨冬季盛行风向西南风，通过CFD软件分别对中华巴洛克建筑群内典型的街道空间、院落空间和广场空间进行风环境模拟。在模拟中，在街道空间、不同形态的院落空间和广场空间现状朝向的基础上，分别进行七次45的旋转并进行模拟，得到同一空间八种朝向的模拟结果，根据风环境评价体系研究其建筑布局、朝向与风环境的关系并发现现状朝向下个空间风环境存在的问题。通过横向和纵向综合对比分析模拟结果，得到最佳建筑布局和朝向。最后，在总结前人研究和前文研究的基础上，通过CFD模拟，以建筑物的风场特性、建筑围合空间的风环境特性和防风屏障的风环境改善能力进行展开，对建筑布局与风环境的普遍性关系进行研究，从而得出解决风环境问题的办法。在得出相应的结论后，结合前文发现的中华巴洛克建筑群现状风环境存在的问题进行风环境优化设计，并通过这一设计实例总结出具有普遍适用性的建筑布局风环境优化模式、单体建筑防风优化模式和防风屏障设计模式，应用于寒地商业步行街区室外风环境的优化。本论文在研究过程中，综合运用了CFD模拟、对比分析、总结归纳的方法，通过CFD模拟使规划中的风环境问题具象化，在可视的问题中进行分析和优化，总结出建筑布局与风环境的规律以及规划中风环境设计的方法，将规划设计参数化，为寒地商业步行街区的风环境设计提供科学理论依据。关键词寒地；商业步行街区；建筑布局；风环境；CFD模拟；AbstractWith the continuous development of economy and society, commercial pedestrian streets swarm in all parts of the country, which is coming out to be the new ideal place for locals to enjoy entertainment and leisure and meanwhile playing an important role in the development of the society. Nevertheless, humans also start to pay attention to the wind environment due to the development of the commercial pedestrian streets.Keywords目录 目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 研究背景11.1.1 能源的浪费与废气的过度排放11.1.2 城市五岛效应日益严重11.1.3 社会对城市微气候的日益关注21.2 研究目的与意义31.2.1 研究目的31.2.2 0研究意义31.3 国内外相关研究综述31.3.1 CFD技术的可行性研究31.3.2 CFD技术对建筑布局与风环境的研究41.3.3 CFD技术应用于实际环境问题的解决51.4 研究内容和方法51.4.1 研究内容51.4.2 研究方法61.5 论文研究框架62 寒地商业步行街区风环境的基础研究82.1 相关概念82.1.1 寒地城市82.1.2 寒地商业步行街区82.2 寒地城市的风环境特征112.2.1 寒地城市的气候特征112.2.2 寒地城市的风环境特征122.2.3 寒地城市风环境的影响因素132.3 寒地城市风环境面临的问题132.3.1 寒地城市风环境对生产生活的影响132.3.2 寒地城市冬季防风与夏季通风的矛盾142.4 本章小结143 寒地商业步行街区建筑布局的CFD模拟与分析153.1 基于CFD模拟的风环境评价方法153.1.1 CFD技术153.1.2 评价体系的建立163.2 寒地商业步行街区建筑布局的现状183.2.1 中华巴洛克建筑群的街道空间布局与现状193.2.2 中华巴洛克建筑群的院落空间布局与现状203.2.3 中华巴洛克建筑群的广场空间布局与现状223.3 模型的建立与相关参数的设定233.3.1 中华巴洛克建筑群的模型建立233.3.2 风环境模拟的相关参数设定243.4 中华巴洛克建筑群街道布局模式的CFD模拟与分析243.4.1 中华巴洛克建筑群街道布局模式的CFD模拟243.4.2 中华巴洛克建筑群街道布局模式的风环境分析253.5 中华巴洛克建筑群院落布局模式的CFD模拟与分析263.5.1 中华巴洛克建筑群院落布局模式的CFD模拟263.5.2 中华巴洛克建筑群院落布局模式的风环境分析313.6 中华巴洛克建筑群广场布局模式的CFD模拟与分析323.6.1 中华巴洛克建筑群广场布局模式的CFD模拟323.6.2 中华巴洛克建筑群广场布局模式的风环境分析353.7 本章小结374 基于CFD模拟的寒地商业步行街区风环境优化384.1 建筑布局与风环境特性384.1.1 建筑物的风场特性384.1.2 建筑围合空间的风环境特性394.1.3 防风屏障的挡风特性414.2 中华巴洛克建筑群的风环境优化设计414.2.1 中华巴洛克建筑群院落空间的风环境优化设计424.2.2 中华巴洛克建筑群广场空间的风环境优化设计434.2.3 中华巴洛克建筑群街道空间的风环境优化设计444.3 寒地商业步行街区风环境优化模式444.3.1 建筑布局风环境优化模式444.3.2 单体建筑防风优化模式454.3.3 防风屏障设计模式464.4 本章小结47结论48参考文献50附录53攻读学位期间发表的学术论文54致谢55个人简历56千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。English Catalog English Catalog摘要IAbstractII1 绪论11.1 研究背景11.1.1 能源的浪费与废气的过度排放11.1.2 城市五岛效应日益严重11.1.3 社会对城市微气候的日益关注21.2 研究目的与意义31.2.1 研究目的31.2.2 研究意义31.3 国内外相关研究综述31.3.1 CFD技术的可行性研究31.3.2 CFD技术对建筑布局与风环境的研究41.3.3 CFD技术应用于实际环境问题的解决41.4 研究内容和方法51.4.1 研究内容51.4.2 研究方法51.5 论文研究框架62 寒地商业步行街区风环境的基础研究82.1 相关概念82.1.1 寒地城市82.1.2 寒地商业步行街区82.2 寒地城市的风环境特征112.2.1 寒地城市的气候特征112.2.2 寒地城市的风环境特征122.2.3 寒地城市风环境的影响因素132.3 寒地风环境面临的问题132.3.1 寒地风环境对生产生活的影响132.3.2 寒地城市冬季防风与夏季通风的矛盾142.4 本章小结143 寒地商业步行街区建筑布局的CFD模拟与分析153.1 基于CFD模拟的风环境评价方法153.1.1 CFD技术153.1.2 评价体系的建立163.2 寒地商业步行街区建筑布局的现状183.2.1 中华巴洛克建筑群的街道空间布局与现状193.2.2 中华巴洛克建筑群的院落空间布局与现状203.2.3 中华巴洛克建筑群的广场空间布局与现状223.3 模型的建立与相关参数的设定233.3.1 中华巴洛克建筑群的模型建立233.3.2 风环境模拟的相关参数设定243.4 中华巴洛克建筑群街道布局模式的CFD模拟与分析243.4.1 CFD模拟243.4.2 分析253.5 中华巴洛克建筑群院落布局模式的CFD模拟与分析263.5.1 CFD模拟263.5.2 分析313.6 中华巴洛克建筑群广场布局模式的CFD模拟与分析323.6.1 CFD模拟323.6.2 分析353.7 本章小结374 基于CFD模拟的寒地商业步行街区风环境优化384.1 建筑布局与风环境特性384.1.1 建筑物的风场特性384.1.2 建筑围合空间的风环境特性394.1.3 防风屏障的风环境改善能力414.2 中华巴洛克建筑群的风环境优化设计414.2.1 街道414.2.2 院落424.2.3 广场434.3 寒地商业步行街区风环境优化模式444.3.1 建筑布局风环境优化模式444.3.2 单体建筑防风优化模式454.3.3 防风屏障设计模式464.4 本章小结47结论48参考文献50附录51攻读学位期间发表的学术论文52致谢53个人简历54千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。Error! No text of specified style in document. Error! No text of specified style in document.1 绪论1.1 研究背景人的生存离不开环境，生存环境的好坏深深地影响着人的生活质量。在人类脱离条件恶劣的自然环境建立起城市后，生存环境得到了巨大的改善，而城市的选址、布局则起到了至关重要的作用。我国春秋时代的政治家、哲学家管子曾提出“高毋近阜而水用足，下毋近水而沟防省”的筑城选址原则。而古罗马建筑师维特鲁威所著建筑十书提出的理想城市模式中，为了避免强风，设立了放射道路不应直接对着城门的原则。然而，随着人类社会数千年空前的高度发展，机械化和智能化的建筑施工技术早已取代了低效且施工能力极其有限的人力，城市在横向和纵向上的发展规模远远大于古代中西方的城市，甚至可以摆脱或消除自然条件对城市发展的限制。如今，在钢筋水泥的城市丛林中，随着山川地貌被人为地改变，环境也与原始状态大相径庭：自然条件不再是影响环境的唯一因素，由城市拔地而起带来的人为因素已经对环境产生了深远的影响。1.1.1 能源的浪费与废气的过度排放自蒸汽机的发明，以能源消耗为动力源泉的工业全面发展并极大地改善了人类的生活水平。如今人类的生活已离不开能源，城市更是能源最大的消费者。然而在能源大量消耗的今天，不可再生并对环境产生巨大污染的化石能源在能源结构中占据主要地位，而太阳能、风能、潮汐能等清洁能源虽然已得到了巨大的发展，但应用率依然不高，而建筑能耗已达到社会总能耗的三成6。因此合理规划城市的建筑布局对于节能减排、改善城市环境具有深远的意义。1.1.2 城市五岛效应日益严重城市的巨大发展和能源的广泛应用也给城市环境带来了一系列问题。城市五岛效应就是这一系列问题的典型。城市五岛效应是城市的热岛效应、干岛效应、湿岛效应、雨岛效应和混浊岛效应的总称。表1-1列出了城市五岛效应的影响因素、基本特征、主要危害和防治措施。表1-1 城市五岛效应影响因素基本特征主要危害防治措施热岛效应城市下垫面、人工热源、水气影响、空气污染、绿地减少城市中的气温明显高于外围郊区夏季高温和大量污染物排放困难引起疾病、引起城市居民的不良情绪和心理疾病提高城市绿化覆盖率、降低污染物和人为热的排放、进行合理的城市规划干岛效应城市下垫面城市空气中水分偏少湿度偏低城市大气相对湿度降低稳定性提高不利于污染物通过大气对流排放提高城市绿化覆盖率、增加分散水域和喷泉等、增加雨水收集和蒸发补偿系统湿岛效应市区与郊区温度升降的差异性凝露湿岛、雨天湿岛、雾天湿岛、结霜湿岛和雪天湿岛等可能加剧热岛效应提高城市绿化覆盖率雨岛效应城市密度增大空调汽车尾气排放城市降水量明显大于郊区城市内涝合理分布建筑物、提高城市绿化覆盖率混浊岛效应工业排放汽车尾气排放城市阴天日数和空气混浊程度明显高于外围郊区、能见度小于郊区减少城市日照、降低能见度、出现低湿的城市“浊雾”、 市区降水酸度及酸雨频率大于郊区降低排放1.1.3 社会对城市微气候的日益关注随着城市中高楼大厦拔地而起，建筑密度加大、城市规模剧增。这种城市空间的巨大变化产生了独特的有别于自然气候的城市微气候。城市微气候主要是指城市的微环境气候，主要以微气候的各项物理指标、室外空气质量指标和人的体感舒适度指标等作为衡量其好坏的标准。城市微气候与城市风环境有着密切的关系。日照、绿地、水体等自然因素和汽车尾气、工业排放等人为因素会直接影响着城市微气候，比如：夏季过强的日照不仅会提升室外温度，更会增加建筑能耗和排放降低室外空气质量。同时，城市微气候与建筑同样存在着密切的联系。不同体量、形态的建筑通过不同的组合会产生不同的风环境。比如，高大的高层建筑会使具有巨大能量的上层风向下方垂直流动，造成高层下方的风速风压增大，使风环境遭到破坏38。而如果建筑布局合理，就能够通过引导风降低室外温度和污染物浓度等缓解或解决城市微环境问题，改善城市微气候。1.2 研究目的与意义1.2.1 研究目的城市的发展必然伴随着对自然环境和城市内部环境的破坏。随着经济的快速发展，我国城市化水平大幅度提高。然而城市的快速扩张伴随着的是环境的急剧恶化和能源的大量消耗。因此，能源与环境问题是中国城市化发展面临的巨大挑战，更是城市发展相关研究所关注的焦点。本文着眼于建筑间的位置关系，希望通过进行风环境模拟来分析得到具有良好气候适应性的建筑布局。通过CFD软件的技术手段，结合寒地气候特点，从提高室外舒适度和减少建筑能耗两个角度进行分析和综合考虑，建立合理的评价体系，总结出提高气候适应性的建筑布局模式，并结合对典型寒地城市建筑布局的实例调查所得到的建筑布局气候适应性特征，提出各类建筑布局的气候适应性策略，从而通过提高风环境的质量实现对城市微气候的改善。1.2.2 0研究意义我国正处于城市化的快速发展阶段，城市的快速发展使得规划和建设行为更多地关注提高土地的利用率，而忽视了建筑的气候适应性。风是影响建筑气候适应性的重要因素。在寒地，夏季室外比较舒适而冬季室外气温较低，过强的冷风会极大地降低室外行人的体感舒适度，同时会加强建筑的冷风渗透从而增大采暖负荷，因此冬季防风应是寒地建筑气候适应性研究关注的焦点。风很容易感知。无论在户外或室内，风吹过人体都会大大降低体感温度。同时，风又很难把握。通过仪器长期观测可以得出一个地区在一定时间段内（月、季度、年等）的主导风向和风速，却很难得到风在吹过建筑和建筑群时的流动状态。风洞试验可以得到风的流动状态及其与试验对象的相互作用，但由于成本和规模不适用于建筑及建筑群，风洞试验室不能作为分析建筑与风的关系的技术手段，因此成本低、可操作性强的CFD软件可以大大提高分析的效率。1.3 国内外相关研究综述建筑布局一直是国内外专家学者研究的热门课题。近些年来，由于学者和设计师对于风环境的日益关注和计算机模拟技术的不断发展，对建筑布局的风环境模拟研究日益广泛深入，越来越多的专家学者和设计师致力于将传统的规划和建筑设计与数值模拟方法结合，研究建筑周围的风环境，以期改善建筑的微气候。在国内外，多位学者对CFD技术在建筑领域的应用做出了具有划时代意义贡献的研究。1.3.1 CFD技术的可行性研究Stathopoulos等人率先对通过数值计算对七幢平行排列的建筑群体的风场进行模拟分析，其结果与风洞试验基本吻合，因此证明了数值计算对于建筑周围风场模拟分析的可行性7。Murakami等人通过对立方体建筑模型进行风环境的数值模拟研究，并通过风洞试验进行模拟数据的验证3537。B.M.Wang等人研究出了可将可压缩流体方程数学模型应用于建筑风场的方法。其方法在应用计算机模拟研究建筑周边人形高度的风场时，能够通过网格节点和时间步长清晰地表达流场的状态，从而进行风环境的评价，其模拟结果与风洞实验能够达到相当大程度的吻合。这项研究表明，通过计算机的数值模拟能够准确、快速、低成本地对建筑周围风场进行模拟和分析8。M.Gloria Gomes等人将建筑风场模拟做了更加全面深入的研究。他们对长方体单体建筑、两合院和三合院建筑进行了八个方向的建筑表面风压模拟，模拟研究与风洞试验结果吻合，进一步证明了这一研究方法的准确性9。国内的专家学者也对数值模拟方法在建筑风环境研究领域的可行性做了相关研究。湖南大学都桂海同样验证了数值模拟结果的可靠性和有效性，并通过模拟分析比较五种布局形式在不同风向角下的风环境，进行了风环境与风向之间关系的相关研究10。马剑采用数值模拟方法和风洞试验对单幢方形平面建筑和多幢矩形平面建筑组成的建筑群体周边的风环境进行了研究，两种研究方法得到的结果经比较后基本吻合。在确定了吻合性后，对研究结果进行进步的分析比较，得出围合式和并列式布局方式风环境最好，而Y型和U型的防风性能较差1112。1.3.2 CFD技术对建筑布局与风环境的研究Chang C.H.等采用CFD模拟软件Fluent研究了在气流与建筑布局平行时，通过调整街道宽度和两侧建筑高度使街道涡流状态的状态发生改变，研究其与建筑布局形态的关系13。Omar S. Asfoury以干旱地区为例，研究了室外风环境与建筑布局间的关系。通过对四幢板式住宅进行不同的组合形成六种布局方式，并在0、45和90三个风向下进行模拟，对模拟结果进行了分析，发现不同的布局模式会产生建筑群体内状态不同的气体流场和压力场14。Peter J. Richard采用k-湍流模型，对奥克兰市的伊丽莎白女王广场边的高层建筑进行室外风环境的数值模拟。在模拟结果中发现，高层建筑的迎风面4/5高度处风压最大，1/5高度处风压最小15。我国的张爱社同样采用k-湍流模型的数值模拟方法，对某建筑群风场进行了分析。在研究中发现。在上风向建筑的迎风面转角处和前后排建筑间的通道中形成了强烈的涡流，提高了风速，形成了较差的风环境，并以此为研究的切入点，经过对比分析后研究出了风向与建筑布局对建筑风环境的影响16。1.3.3 CFD技术应用于实际环境问题的解决随着城市化的不断发展，城市热岛效应日益严重，相关领域的专家学者开始更多地关注对降低热岛效应方法的研究。M Rohinton Emmanel以更需要解决热岛效应问题的热带地区为例，以合理引导风的流动来改善建筑群的风环境为切入点进行了风环境与建筑布局的研究，并建议在规划设计过程中应考虑对环境的影响，从而尽可能地避免或降低城市建设造成的热岛效应。这项研究也奠定了其他气候类型地区相关研究的基础17。工业生产会造成城市空气的污染。P J Littlefair等人致力于研究通过建筑布局合理引导气流，从而避免涡流区造成通风不畅和污染物无法扩散18。李磊等人通过k-湍流模型对7幢高层建筑的人行高度风环境安全性进行模拟，发现高层建筑会使建筑下层风速增大，破坏风环境的同时增加行人在室外步行的危险性39。周莉等人利用CFD模拟软件对3幢平行布置的高层进行了风环境的模拟和分析，通过调整建筑的间距模拟出不同的风环境，在进行比较和分析后提出了改善建筑群风环境的优化设计策略19。李云平结合寒地的气候特点和具体的建筑实例，利用CFD模拟软件进行了寒地建筑与风环境关系的研究，提出了相应的寒地建筑与风环境的设计策略20。综上所述，国内外对于建筑与风环境关系的研究已经进入依靠CFD模拟软件进行数值模拟分析的阶段。但是大多数分析对象较为理想化，且不能从理论研究扩展至实际应用。此外，分析对象体量、规模较小，没有对大型建筑群体建筑布局进行细致分类的模拟分析，研究结论不能构成体系，更难以在规划设计中形成系统的设计方法和规范要求。因此，随着商业步行街区这一商业休闲模式的发展和人们对风环境的关注，这种风环境研究方法应该应用于规划建设当中。1.4 研究内容和方法1.4.1 研究内容随着绿色生态建筑概念的提出和国家标准绿色建筑评价标准等各类绿色建筑相关标准与文件的下达，人们日益关注建筑室外的环境质量，其中风环境的好坏是影响室外环境质量的重要因素。因此，本文以哈尔滨这一典型寒地城市的气候特征作为边界条件，采用CFD模拟的研究方法，通过对寒地商业步行街区的不同建筑布局类型进行室外风环境的模拟分析，从而探索建筑布局与其风环境之间的关系。研究的主要内容为：（1） 分析了寒地商业步行街区建筑的风环境特征及影响因素，并对室外风环境的舒适度评价标准进行了阐述。（2） 采用CFD软件对典型寒地商业步行街区中华巴洛克建筑群进行在不同布局模式和朝向下的人行高度处风环境进行模拟分析，根据风环境的舒适度评价标准总结出不同布局模式的优劣。（3） 研究建筑布局与风环境特性间的关系，并以此为依据对上文中华巴洛克建筑群的模拟结果进行风环境的优化设计。最后，提出适用于寒地商业步行街区的风环境优化模式，为今后的寒地商业步行街区在规划设计中进行室外风环境设计时提供参考依据。1.4.2 研究方法（1）文献研究通过查阅文献等与建筑风场和建筑群风环境等相关研究，在前人研究和现行行业规范等的基础上找到寒地商业步行街区风环境研究的切入点和创新点，为论文中的研究提供理论和实例的支撑，使研究成果更加饱满完整1。（2）实地调查实地调查就是亲临寒地商业步行街区内部，通过摄影摄像和调查笔记记录寒地商业步行街的建筑布局和其他方面的现状，并感受其风环境情况，从而最直观地得到研究对象的实际情况，有助于准确建立模型，并准确把握风环境的问题。、（3）数值模拟建筑群体风环境的研究方法主要有：风洞试验、数值模拟、现场实测。鉴于风洞试验及现场实测的成本等局限性，并且随着计算流体等方法的发展和计算机运行能力的提高，CFD模拟的方法已经在建筑群体风环境的分析中得到广泛应用。本文通过采用AutoCAD、Sketchup等绘图软件进行模型的建立，并应用计算流体力学模拟软件Phoenics对中华巴洛克建筑群多种建筑布局模型的风环境进行模拟21。（4）理论分析归纳通过数值模拟的方式得到寒地商业步行街区风环境的模拟结果，通过对模拟结果进行分析，得到现状寒地商业步行街区风环境存在的问题，并针对问题进行风环境优化设计，总结出具有普遍适用性的优化模式。1.5 论文研究框架本论文的框架关系如图1-1所示。图1-1 论文框架关系图2 寒地商业步行街区风环境的基础研究2.1 相关概念2.1.1 寒地城市由于符合“寒”的特征的城市多位于北方，在国外研究文献中有“冬季城市”“北方城市”“极地城市”等表达方式。我国相关领域的专家学者多习惯于将使用“寒地城市”这一称呼。实际上，寒地城市是根据城市所在地域的冬季气候特征所定义的一个比较笼统的概念，指因为冬季漫长、气候严酷而给城市生活带来不利影响的城市2。综合前人的研究，寒地城市应定义为一年中日平均气温在0一下的时间连续为三个月以上的城市是较为适宜的，能够真实地反应寒地城市的低温、冰雪、冬季持续时间长等特点。根据上述对寒地的表述查找比对相关数据可以得知，寒地的范围占我国国土的1/3-1/2,因此对寒地城市的研究有着重要的意义。2.1.2 寒地商业步行街区 位于北欧的寒地国家丹麦于1962年首创了第一条寒地商业步行街。哥本哈根市政府将街道原有的交通方式由人、机动车、自行车混行改为完全步行，成为全世界第一条供民众步行体闲购物的商业步行街。新兴商业模式的出现吸引了许多世界知名品牌的纷纷进驻，使由五条大街、两座广场构成的哥本哈根步行街区形成了购物休闲和娱乐的综合区域22。哥本哈根步行街为鱼骨式街道，主街和与主街垂直的数条侧街切割出数个街区。如图2-1为哥本哈根步行街区域的图底关系。图中红色虚线范围为步行街辐射区域，黄色为步行街所在位置。在图中可以看到，每个街区中的建筑均错落有致，向内围合出大大小小无数个院落，院落与院落、街道相通，形成复杂的步行交通网络。虽然院落空间错综复杂，建筑在沿街布置时却整齐划一，形成了简洁的外部空间与复杂的内部空间的鲜明对比。图2-1 哥本哈根步行街图底关系分析图继哥本哈根步行街后，许多寒地城市相继建设了自己的步行商业街。俄罗斯首都莫斯科虽然与哥本哈根纬度相近，但由于气候原因使得莫斯科寒地城市的特征更加明显。位于莫斯科的阿尔巴特街具有500多年的历史，最早可追溯至14世纪的建筑立于砖石路面的街两旁。它由x方的阿尔巴特广场延伸至西南方的斯摩棱斯克广场。阿尔巴特街于1985年改造成为莫斯科的第一条步行街。阿尔巴特街主要是文化商业街，店铺大多是古玩店、旧书店和珠宝店，基本上每家都出售俄罗斯风格的手工艺品和纪念品，比如银器和套娃等2。如图2-2为阿尔巴特街的图底关系。在图中可以看出，阿尔巴特街同样为鱼骨式街道，但街道的排列形式并没有如哥本哈根步行街一般齐整，建筑虽然同样整齐地沿街布置，但在向内围合院落时显得更具随意性，建筑在围合时并没有紧密相连，使院落空间更加开放，形成与哥本哈根步行街截然不同的城市肌理。图2-2 阿尔巴特街图底关系分析图半室内购物中心也是商业步行街区的重要类型，于20世纪末期在北美和欧洲得到了广泛的发展。这种半室内购物中心由产生于19世纪欧洲的拱廊通道（如图2-3-1）形式演变而来23。半室内购物中心通常为体量较大的建筑。在建筑上方覆盖玻璃顶，将风、降水隔绝在外，而让阳光等室外景观能够透过玻璃供人们观赏。建筑内部由多层店铺围合出半室内化街道，在街道内设有花坛、雕塑和休息用的桌椅等（如图2-3-2）。这种既拥有室外空间感受又拥有室内环境的半室内购物中心，能够为市民提供全天候的购物和休闲娱乐场所。各个城市结合自己的特点开发步行街区，室内购物街在欧洲也有所发展。斯图加特，在1974年至1978年，建造了卡尔威室内步行街，这是世界上最早的现代室内步行街。也有的步行街表现为室内外空间的交融和穿插，例如柏林波茨坦广场的索尼中心（如图2-3-3），由一个能够遮蔽数栋建筑的巨大玻璃顶和其下方的建筑组成，形成了半室内的商业步行街区，创造出了极具特色的步行空间。图2-3 室内步行街在我国，虽然在数千年的历史记载中，商业的繁荣景象在历朝历代均有出现，但商业街往往都是行人、车马等共行的混流式街道，因此商业步行街区的发展较晚24。建国后，特别是改革开放后，全国各地开始大规模发展商业步行街，而寒地城市商业步行街的模式基本与西方类似。一部分寒地商业步行街的发展与旧城商业中心区的翻新、改建工程和历史文化街区保护工程同步进行，以具有上百甚至上千年的历史名街为依托，建成具有历史特色的商业步行街区，如北京前门大栅栏商业街、沈阳盛京古文化街、哈尔滨中央大街和中华巴洛克建筑群等2。另一部分寒地商业步行街以半室内购物中心为主要形式，以大型城市综合体的新兴商业休闲模式吸引市民，与具有历史特色的商业步行街区形成“仿古”和“新潮”两种商业街区模式的鲜明对比，相得益彰。且因其可提供全天候的舒适环境，正全国其它非寒地城市得到广泛的发展。2.2 寒地城市的风环境特征2.2.1 寒地城市的气候特征寒地城市的气候特征主要集中在冬季，冬季的寒地城市充斥着冰雪和严寒。寒地城市的气候给人们的最直观感受就是冷。而在冬季因为高纬度的特殊大气环流影响，寒地城市长期受寒潮侵袭。寒潮经过时会造成大幅度降温（降温可达10）、大风、雨雪和冰冻，加剧了冷的感受。人们生活在大气环境中，时刻都会受到环境温度的影响。人体对冷热有一定的适应调节功能，但是温度过高或过低，都会对人体健康产生不良影响。同时，人体具有生理平衡和交换功能，人的体温恒定在37摄氏度左右，皮肤约保持33摄氏度，这一内外温差可以使体内热量传到表层散发，使体内新陈代谢的热量释放到外界环境中去，当环境温度升高时，一方面体内部分热能转化为动能，以维持体内的热量平衡；另一方面，通过出汗带走体内热量。当环境温度降低时，人体又通过增加热量或减少散热来维持体温，体内温度只能忍受正负4摄氏度的变化。这些反应都是为了达到体内的热量平衡。而这些反应又都对人体有着不同程度的损害3。寒地城市的日照同样也是寒地气候的重要特征。寒地城市地理纬度较高，冬季由于太阳入射角度降低，加大了建筑物的阴影区。因此，在冬季气候寒冷的地区，建筑内部为了获得充足的日照，往往需要较大的日照间距，这必然会导致城市用于住宅建设的用地面积增加。这种影响对于中国的大多数寒地城市来说，更为明显。中国人口众多，寒地城市人口密度比起地处欧洲及北美洲的寒地城市来说大得多，城市用地又相对紧张，为解决居民住房的需求，许多寒地城市自身不得不对建筑日照兼具进行一定的缩减，因而普遍存在住宅日照间距不足的问题。总结起来，寒地城市的冬季气候在长时间内以雪为主要降水形式，气温低于0且日照或白昼时间缩短25。然而，并不是所有寒地城市都具有或符合以上全部特征，有些城市的冬季气温不低却会遭受强风的侵袭，而有些城市则要承受严寒和强风的双重侵袭。另外，在冬季以外的其他季节，许多寒地城市的气温也会呈现较大的差异。2.2.2 寒地城市的风环境特征风是由于空气受热膨胀而升高，而低温冷空气横向补充而形成的一种最基本的自然现象，通俗的讲就是空气的流动。风的成因有很多，如城市能源消耗释放热量形成的城市热岛环流；局部地区空气受热不均形成的小范围环流，包括海风、陆风、山风、谷风、焚风、街巷风等。风的形成会对寒地城市的人类生产生活产生一定的影响。在有利方面，一定程度的风不仅可以为室内提供新鲜空气、在炎炎夏日给人们带来一丝清爽，更能快速排除人类生产生活中产生的废气等污染物。近年来，我国北方城市普遍饱受雾霾的侵袭。因超量排放的工厂工业废气、入冬后取暖燃烧化石燃料产生的烟尘、农民大量焚烧秸秆产生的浓烟经过混合长期弥漫在我国上空，致使我国人民呼吸道疾病发病率升高，同时雾霾严重降低了能见度，使交通瘫痪、室外活动停摆，人们的正常生产生活严重受阻，不仅造成了财产的损失，更严重降低了人们的生活舒适度。然而强风可以吹散雾霾。例如，据报道，2015年12月2日，天津连续多日的雾霾在新一轮冷空气带来的大风影响下，有北向南减弱，重现蓝天。在不利方面，过强的风会对寒地建筑产生一定的影响，更会严重降低秋冬季节人们在室外的体感舒适度。强风吹过建筑时会产生负压，室内外巨大压差会使门窗玻璃产生剧烈晃动，并通过缝隙将室内空气向外抽离造成一定的噪声，严重影响人们的室内舒适感。同时，冬季冷空气在风力和热压的作用下由门窗的缝隙渗入室内，被加热后再溢出建筑，造成冷风渗透耗热量，增加了冬季采暖的能耗；另外，强风会严重影响人在室外的舒适度。秋冬季节，地处北方的寒地城市气温普遍较低，尤其是我国的寒地城市，在秋冬季节受到西伯利亚寒流的侵袭，室外空气冰冷刺骨，风速过大会严重加剧寒冷的感觉。另一方面，中国寒地城市相对密度较大的建筑布局尤其是日益增多的高层建筑群体布局也导致了建筑群内防风性能较差等方面的问题，尤其是在寒冷的冬季，许多建筑群内部由于高层建筑周围风速过大而使其周边活动的居民倍感寒冷，甚至举步维艰，类似的这些问题在一些规模较大的寒地城市中更为突出。2.2.3 寒地城市风环境的影响因素影响寒地城市风环境的主要因素可分为自然因素和人为因素，其对寒地城市风环境的影响是多种因素共同作用而成的。（1） 自然因素：1）风速：风速的大小直接影响着室外人的体感舒适度。当风吹拂人体时，会带走热量，风速越大，带走的热量就越多。2）风压：风的形成会产生风压，造成建筑的冷风渗透，影响建筑的能耗。3）风向：由于建筑是固定的，在不同建筑布局的影响下，不同的风向会产生具有差异性的风环境。风向会随着季节和每天的不同时段发生改变。4）风频：风频是指某一风向出现的次数占总统计次数的百分比，表示了某一风向出现的频度，是确定城市主导风向的重要依据。5）气温：气温能够进一步影响室外人的体感舒适度。当冬季气温较低时会比相同风速下气温较高时的风吹拂人体带来更强烈的寒冷感觉。（2） 人为因素：1）建筑形态：建筑的体量、形状以及朝向会影响建筑周围的风环境。2）建筑布局：由于建筑在风场中的存在，风在吹过建筑时会发生风速、风向等的改变，从而在风速、风向等和建筑布局的共同作用下，会形成一定的风环境。3）建筑材料：建筑材料包括建筑的外墙质地和建筑的门窗。不同类型的建筑外墙材料如玻璃幕墙和砖墙会产生大小不同的风阻；而建筑的门窗形式、缝隙大小直接影响了冷风渗透效果的强弱。各影响因素中，只要有一项发生改变，就会产生不同的风环境。因此在研究风环境的过程中，既要多种因素共同考虑，又要合理控制变量，对不同的风环境进行比较研究。2.3 寒地城市风环境面临的问题2.3.1 寒地城市风环境对生产生活的影响为了降低建筑间的风速，寒地城市的建筑群体普遍密度相对较大，又由于寒地冬季太阳照射角度偏低，阴影区较多，温度较低，路面冰雪又很难通过太阳照射而融化，因此在未清除时会给居民的出行造成极大的不便。寒风的吹拂更会大大降低居民出行和室外活动的舒适度。在冬季的寒地城市，常见到空无一人的公园、游乐场以及居住小区的庭院等开敞空间。近年来，风靡我国各地社区、已经融入我国居民生活的广场舞，在春、夏、秋季十分常见，然而由于寒地城市冬季夜晚极低的室外温度和冷空气下沉导致的刺骨寒风，夜晚很难见到在室外进行体育锻炼的居民（图2-4）。图2-4 寒地冬季空无一人的室外场所2.3.2 寒地城市冬季防风与夏季通风的矛盾建筑的寿命较长，少则数十年，多则上百年，因此在建设之前必须坐好充分的规划设计，使建筑在建设后能够尽量满足多方需求保证多方面的利益。然而，需要承认的是，矛盾是时常存在的，再好的规划方案也常常伴随着让步与妥协，协调好需求与矛盾是规划者经常面临的问题。对于寒地城市的规划设计来说，冬季防风与夏季通风是一直存在的矛盾。寒地城市面临的最大难题是冬季的防风，为了达到防风的目的，势必要通过建筑的不同排布形式降低区域内的风速。但建筑是不可移动的，在夏季，建筑排布形式对风速降低的效应同样产生作用，会造成夏季通风不利的效果，使室内外温度很难通过自然通风得到降低，不仅不利于营造舒适的室内外环境，更增加了夏季室内通风和空调设备的能耗。因此，在规划设计过程中，应充分考虑建筑布局对冬季防风和夏季通风的双重影响，既保证冬季室内外不受强风的侵袭，又能够为夏季室内外环境提供通风环境，从而营造四季适宜的良好风环境。2.4 本章小结 本章主要从寒地城市的气候特征出发，对寒地商业步行街区风环境的基础研究进行了阐述。首先简要地介绍了寒地与寒地城市以及寒地商业步行街区，并阐述了CFD模拟的相关软件和技术原理。围绕寒地城市的气候特点进行分析，总结出寒地城市的气候特征、风环境特征及影响因素，并提出寒地风环境面临的问题，从而为下文的研究提供了切入点。3 寒地商业步行街区建筑布局的CFD模拟与分析营造舒适的生活环境是自古以来人们关注的重点。在信息技术不发达的时期，规划师和建筑师通过经验和消耗巨大人力物力的风洞试验进行建筑风环境的设计，而今天，利用CFD模拟技术，仅需在计算机上进行操作就可完成对建筑群风环境的模拟。由于建筑布局的多样性和寒地气候的特殊性，寒地商业步行街区的风环境较为复杂，更需要以简单直观的方式对其进行模拟分析，因此CFD模拟技术是研究寒地商业步行街区风环境的极佳手段。3.1 基于CFD模拟的风环境评价方法CFD模拟与风环境评价分析是本文研究的核心步骤。因此在进行研究前，首先要了解CFD模拟的原理，并进行风环境评价方法的研究。3.1.1 CFD技术CFD是计算流体力学的简称，以CFD技术为基础编制的软件是用来对流场进行分析、计算、预测的专属工具。计算流体力学软件通常包括以下几个模块:几何模型的建立模块、后处理模块、软件使用教程及软件说明。如图3-1所示，为CFD软件的模拟求解过程。图3-1 CFD软件的模拟求解过程26早期的CFD模拟，大多是研究人员针对研究对象自行编程进行研究，这样的CFD模拟程序往往具有特殊性，很难将一部CFD模拟程序广泛应用于多个问题的研究，同时，由于控制方程求解离散方法、程序计算能力和对问题分析深度的的不同，会产生多种不一致的模拟结果，研究的准确性和可靠性27。英国CHAM公司经过多年的研究和经验积累，开发出了历史上第一款商用CFD软件Phoenics。Phoenics内置22种湍流模型，在设置粘度、密度和温度等参数的基础上，可对三维稳态或非稳态的可压缩流和不可压缩流的流动、传热、化学反应等进行模拟28。Phoenics的操作简单，界面友好，可以适用于非流体力学专业的研究人员进行研究。在建立模型时，既可在Phoenics中输入X、Y、Z三轴的尺寸和位置参数来进行建模，又可以在AutoCAD、Sketchup和Pro/E等软件建立二维和三维的模型再导入Phoenics，方便快捷。在经过模拟计算后，模拟结果能够以三维图像的形式生成，方便研究人员进行相关的读数，并能够直观地表现出流场的分布状态。Phoenics的诞生使CFD模拟变得更加直观简便，让更多非专业人员能够轻松操作，促进了CFD模拟软件在各领域相关研究中的应用。随着Phoenics的成功，越来越多的商用CFD模拟软件陆续开发并得到广泛应用，如Fluent, CFX, Start-CD等都是当今主流的CFD模拟软件。本文的研究分析主要是通过采用Phoenics对建筑区域风场来进行CFD计算的。3.1.2 评价体系的建立对建筑或建筑群进行CFD模拟之后得出相应可视化的模拟结果，但在评价建筑群的风环境与气候适应性是否合理时，单纯地凭借对模拟结果的主观印象来进行判断是极为不合理、不科学的，因此在模拟之前应首先制定出科学、合理的气候适应性评价体系。风对建筑的影响主要以风速和风压两种形式存在。（1）风速风速就是空气移动的速率。风在吹拂人体时，会带走人体散发的热量，风速越大这种效应越明显，因此风速是直接影响人的室外体感舒适度的因素。Emil Simiu和Robert.H.Scanlan在其著作风对结构的作用：风工程导论29中提到：对于风环境舒适性的标准，国内外研究人员为此作了大量的现场测试、调查统计和风洞试验。在同时考虑平均风速和脉动风速的情况下，提出了行人的舒适感与风速之间较为具体的关系，如表3-1所示。表3-1 行人舒适感与风速的关系30风速人的感觉V5m/s舒适5m/sV10m/s不舒适，行动受影响10m/sV15m/s很不舒适，行动受严重影响15m/sV20m/s不能忍受20m/sV危险建筑物的存在影响了风原来的流动状态，使来流风速发生变化，产生利于或不利于行人舒适度的影响。这种变化的程度风速放大系数来体现。风速放大系数反映了由于建筑物的存在而引起风速变化的程度。风速放大系数Ri定义为： Ri=Vi/Vo （3-1）式中，R为i点位置处的风速放大系数率； Vi为流场中i点位置行人高度处的平均风速（m/s） Vo为行人高度处未受干扰来流的平均风速，一般取初始风速（m/s）31绿色建筑评价标准（GB/T50378-2014）中提出，在冬季典型风速和风向条件下，建筑物周围人行区风速小于5m/s，且室外风速放大系数小于2，得2分33。 根据以上标准可以确定，风速和风速放大系数应作为评价风环境的参数。（2）