引言随着我国城镇化程度不断增强，预计在2035年中国城镇化率将达到71%~73%[1]。随着城市建筑高度的不断增加和建筑群密集程度的攀升，城市风环境问题日益凸显[2-3]。城市风环境对城市大气污染、城市热岛效应以及人体舒适度感受有着非常重要的作用[4-5]。随着人居环境科学的提出[6]，建设舒适健康、气候适宜、以人为本的人居环境理念逐渐开始被关注[7]。居住区环境是人居环境的重要组成部分[8]，为居民提供健康、舒适、可持续的居住区室外环境成为未来人居环境科学发展的关键问题。1杭州市某小区概况某小区位于杭州市临安主城区钱王大街南侧玲珑山东侧，总户数510户，总建筑面积120 978 m2，占地面积66 600 m2，建筑物16栋，楼层以多层为主，高度分布在18~30 m之间，小区绿化率为30%。该小区建筑布局以行列式排布，小区外围形成商业与住宅相结合的复合型多功能的建筑群，园区内卫星影像和建筑平面概况如图1所示。图1杭州市某小区园区内卫星影像和建筑平面概况10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.F1a1（a）某小区园区内卫星影像10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.F1a2（b）某小区园区内建筑平面概况2小区绿化现状概况该小区绿化景观以入口和中心组团节点为中轴线，中心组团绿化的区域是小区的主要绿化景观节点，该节点绿化种类多样，层次丰富，生长茂盛。场地西侧主要设置廊架和坐凳等，以静为主；东侧设置篮球场等健身配套设施，以动为主；沿小区内建筑的侧边和中心组团地下设置停车场，并用不同乔木作为停车位的点缀。中心组团绿化主要是乔木群植的种植方式，常绿树和落叶树种结合种植。针对小区绿化现状的实际调研，依据《居住绿地设计标准》（CJJ/T 294—2019）将该小区绿地划分为3部分：组团绿地、宅旁绿地和小区道路绿地。对该小区绿地3个部分中的主要乔木种类进行统计，结果如表1所示。结合卫星地图，以主要乔木为目标进行水平密度与垂直密度的统计与计算，结果如表2所示。得出平均垂直密度0.63，平均水平密度0.98。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.T001表1小区内主要乔木种类植物生活型植物种类科属拉丁学名棵数常绿乔木香樟樟科樟属Cinnamomum camphora30雪松松科雪松属Cedrus deodara3广玉兰木兰科木兰属Magnolia grandiflora20桂花木樨科木犀属Osmanthus fragrans28杜英杜英科杜英属Elaeocarpus decipiens12棕榈棕榈科棕榈属植物Trachycarpus fortunei9落叶乔木刺槐豆科刺槐属Robinia pseudoacacia9杜仲杜仲科杜仲属植物Eucommia ulmoides Oliver7银杏银杏科银杏属Ginkgo biloba23构树桑科构属Broussonetia papyrifera6鹅掌楸木兰科鹅掌楸属Liriodendron chinense5枫香树金缕梅科枫香树属Liquidambar formosana7喜树蓝果树科喜树属Camptotheca acuminata11紫叶李蔷薇科李属Prunus cerasifera25桃蔷薇科桃属Amygdalus persica19无患子无患子科无患子属Sapindus mukorossi2210.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.T002表2小区绿植种植密度居住绿色空间类型主要乔木水平种植密度主要乔木垂直种植密度平均值0.980.63宅旁绿地0.890.53公共绿地1.130.68道路绿地0.930.673小区室外风环境数值模拟3.1模型建立与网格划分本研究去除居住区建筑外墙的装饰细节以及建筑物窗户、管道等，获取建筑物的主要特征建立模型。同时以居住区中的大乔木为主，并选用该居住区主要乔木的尺寸和乔木的相对种植位置情况建模。乔木树干高2 m，树冠高度10 m，树冠宽度4 m，乔木的相对位置主要从卫星图和现场调研确定。计算域尺寸依据设计经验，确保流域在设计计算域中充分发展，考虑计算成本将计算域尺寸以模拟目标中最高单体高度H为基准，入流和两侧边界距离目标的边界为5H，出流边界距离单体目标边界为15H，总高度为6H，计算域及模型如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.F002图2计算域及模型本研究主要区域为人行高度1.5 m处，所以在低于1.5 m处的网格需要加密，整体网格划分如图3所示。其余部分为了方便网格生成和减少后期迭代时间，可以在确保整体网格质量的情况下适当加大网格。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.F003图3整体网格划分3.2居住区数值模拟的相关参数与求解设置对该居住区的风环境进行参数与求解设置，结果如表3所示。进行稳态模拟，计算域入口设置为一个标准大气压101 325 Pa。受到重力影响垂直地面方向的空气重力加速度设置为-9.8 m/s2，入口边界风速根据杭州市气象资料统计，选取杭州2019年月平均最大风速值9 m/s作为模拟入口参数条件。由于居住区内建筑高度均低于100 m，垂直方向的指数风剖面粗糙度指数α属于C类，选为0.22[9-10]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.T003表3Fluent中参数与求解设置项目参数与求解设置湍流模型realizable k-ε[8]离散方式有限体积法压力速度耦合解法Simple算法计算精度二阶迎风格式空气状态不可压缩理想气体选取合适的边界条件对CFD求解的准确性十分重要。针对研究对象，本研究对边界条件设置为：（1）入口边界条件：设置为速度入口，用于不可压缩气体的相关流动问题。（2）出口边界条件：设置为出流，适用于湍流已经在计算域中充分发展，在流出时已经达到平衡，该出口特点是所有流动特性垂直于流出面的参量梯度值为0。（3）侧边和顶部边界条件：设置为对称，计算域侧面和顶部的气流不受壁面影响。（4）植被边界条件：植被表面设置为内部界面。（5）地面及建筑表面边界条件：设置为无滑移壁面，用于黏性流动和真实世界表面，在壁面处速度为0。4模拟结果分析及优化设计4.1室外风环境评价标准《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2019）的评价指标中缺少关于静风的定义，而Soligo[10]等指出当风速小于1.1 m/s时人感受不到风的存在，再结合其他评价指标，设定当风速小于1 m/s时为静风。而当风速大于5 m/s时，居民的活动受到风的影响，因此以风速为1~5 m/s的阈值为风环境的合理阈值。居住区内产生的旋涡使居住区内空气不能及时与外界交流，使得污染物不能有效排出。以人行高度1.5 m处水平面的风环境为主要分析对象，针对研究目的提出风环境风速评价指标如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.T004表4人行高度处的风速评价指标风速v/(m/s)评价指标0≤v1不舒适，所在面积为静风区1≤v5舒适区v≥5不舒适，人的活动受到影响，所在面积为强风区4.2模拟结果对小区风环境进行数值模拟，结果如图4所示。根据模拟得出的风速云图对风环境的各项指标进行计算，结果如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.F004图4小区风环境模拟结果10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.T005表5优化前小区的风环境情况风环境评价指标各指标数值平均风速/(m/s)5.45静风区面积占比/%32.10强风区面积占比/%2.98舒适区占比/%16.14风速离散程度3.31最低风速/(m/s)0.16最高风速/(m/s)10.70得到小区中最大风速10.70 m/s，最小风速0.16 m/s，平均风速5.45 m/s，超出风环境的舒适度最大指标5 m/s。强风区面积占比2.98%，静风区面积占比32.10%，舒适区面积占比为16.14%，小区整体静风区面积占比较大，需要对静风区面积进行削减。整个小区内风速较大的位置主要位于小区中心处和小区西南方的入口处，小区局部存在强风区，风速过大严重影响居民活动。而小区的静风区位置主要位于小区东部区域，尤其小区东南部由于没有风的流入，形成大面积的静风区域，严重影响室外风环境通风及人体舒适感。4.3优化设计通过对该小区风环境的模拟和分析，探讨小区目前主要风环境问题。分别从种植密度和植物空间营造类型对小区植物空间布局进行优化设计，并对优化后小区的风环境进行模拟与分析评价。4.3.1基于种植密度的室外风环境优化设计针对小区的风环境问题，通过对小区实际绿化布局进行种植密度的整体改善设计，达到小区风环境优化目的。在小区内选取6处样点，从植物种植密度角度对原小区乔木进行改善设计，小区样点植被优化前后平面图如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.F005图5小区样点植被优化前后平面图样点1位于小区南侧，该区域静风面积较大，需要减少该区域的种植密度以减少对风速的阻挡。样点2、样点5都属于小区出入口位置，是居民经常进出及使用频繁的区域，分别位于小区的北侧主入口和西南侧次入口区域，样点2和样点5区域的风速都超过10 m/s，对居民的日常生活容易产生干扰，需要增加种植密度达到消减风速的目的。但由于居住区的出入口处对风场的流入及居住区内部的风环境极为重要，不能把风流入居住区的入口处进行堵死，所以采用增加较小的种植密度。样点4位于小区中心处，属于组团绿地，中心组团是居民的主要室外活动场所，该区域的室外环境尤为重要。样点4区域的风速过大，需要增加该区域的种植密度从而减小风速。样点3和样点6处的风环境问题主要在于种植密度过大，导致小区产生静风区。可以适当减小样点3处的种植密度，或将部分绿化植被局部移植到样点4处。样点6处的风环境改善方式通过减小小区南侧入口处种植密度，同时小区南部建筑山墙间的入口在小区内并不开放，居民在小区南侧活动较少，将南部建筑山墙之前的局部风速提高不会影响居民的活动。优化前后小区的风环境云图如图6所示。根据居住的风环境问题，通过对整个小区种植密度的改变，风环境得到改善，小区种植密度优化后的风环境情况如表6所示。图6优化前后小区的风环境云图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.F6a1（a）优化前10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.F6a2（b）优化后10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.T006表6小区种植密度优化后的风环境情况风环境评价指标各指标数值平均风速/(m/s)4.98静风区面积占比/%20.99强风区面积占比/%2.19舒适区占比/%28.04风速离散程度3.43最低风速/(m/s)0.12最高风速/(m/s)9.89平均风速由原来的5.45 m/s降低到4.98 m/s，属于舒适度风速范围内，静风区面积占比减少11.11%，强风区面积占比减少0.79%，舒适区占比增加11.90%，风速离散程度增加为3.43，最大风速9.89 m/s，最小风速0.12 m/s。通过控制小区种植密度能够达到对整体小区风环境改善的目的。4.3.2基于种植空间类型的风环境植被优化设计从植物营造空间类型的角度对小区风环境进行优化设计。通过对小区室外整体植物空间类型的改变，进而改善小区局部风环境问题。在小区内选取6处样点，小区样点植被优化前后平面图如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.F007图7小区样点植被优化前后平面图样点1位于小区由北向南第3排建筑山墙之间，该区域存在较大的静风面积，而在该区域南侧存在入风口与样点1距离较近，可以把小区最南侧建筑山墙之间的入风口打开，让风从南侧流入小区内部，从而减少小区内部的静风区面积。并且样点1处的空间布局由“平行线型b”转化为“平行线型a”，为了防止出现“峡道风”，在“平行线型a”空间端点处再加种乔木对风速的缓冲。样点2位于小区主入口处，是小区的重要节点也是居民经常活动的区域，该区域的风速过大，通过改变绿化空间布局的方式对风速进行阻挡，使得入口处的风速减小。样点3和样点6分别位于小区的东北角和北侧的宅间绿地区域，区域位置的建筑围合度较强，风的流动性有所减弱，区域内存在大量的静风区，更需要对绿化空间布局进行考虑。例如样点6处的“口型”空间类型对风的阻挡较强，需要顺着风向进行植物空间类型的设计，达到减少静风区面积的目的。样点4位于小区西侧，该区域由于受到西侧次入口的风速影响，风速过大需要通过植被的阻挡降低风速，将“平行线型a”的空间类型改为“L型”a、b的组合，既可以丰富居民的活动空间，又能改善局部的风环境问题。样点5位于小区南侧建筑道路上，由于南侧的入风口植被阻挡风速，使得样点5存在大量的静风区，通过引导风效果最强的“平行线型a”空间类型布局，改善样点5的静风区域。优化前后小区人行高度风速云图如图8所示。图8优化前后小区人行高度风速云图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.F8a1（a）优化前10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.F8a2（b）优化后通过对整个小区的植物空间类型的改变，小区的风环境优化效果明显，结果如表7所示。小区平均风速4.89 m/s，静风面积占比降低到18.39%，最高风速虽然没有在舒适区风速阈值范围内，但是下降了0.93 m/s，风速离散程度3.21，没有明显的改变。静风区面积占比减少了13.71%，强风区面积占比减少1.90%，舒适区占比增加15.61%。综上所述，通过对小区种植空间布局的改变可以改善小区风环境。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.003.T007表7小区植物空间类型优化后的风环境情况风环境评价指标各指标数值平均风速/(m/s)4.89静风区面积占比/%18.39强风区面积占比/%1.08舒适区占比/%31.75风速离散程度3.21最低风速/(m/s)0.12最高风速/(m/s)9.975结论针对居住小区室外风环境的主要问题，通过对植物种植密度的改变与空间类型的运用，均可以达到对室外居住小区风环境优化的目的，优化结果如下：（1）从种植密度的角度对居住小区室外风环境进行改善结果，平均风速由原来5.45 m/s降低到4.98 m/s，属于小区舒适度风速范围内。静风区面积占比减少10.11%，强风区面积占比减少0.79%，舒适区占比增加11.90%，风速离散程度稍有增大为3.43，最大风速为9.89 m/s，最小风速为0.12 m/s。（2）从植物空间类型的角度对居住小区室外风环境进行改善结果，小区平均风速为4.89 m/s，最高风速为9.97 m/s，风速离散程度没有明显的改变。静风区面积占比减少13.71%，强风区面积占比减少1.81%，舒适区占比增加15.61%。