引言居住区的环境质量直接影响居民的居住品质。因此，在规划设计方案阶段，营造舒适的居住区微气候环境尤为必要。杨丽[1]等利用CFD数值模拟技术，对居住区规划中常见的建筑平面空间组合方式进行风环境分析，总结了建筑平面空间组合方式对风环境的影响。龚晨[2]等利用CFD软件，对4种典型的城市住宅小区布局形式建立数值模型并进行流场模拟分析，研究不同风向角、布局形式和建筑尺寸对典型城市住宅小区风环境的影响。蒋慎强[3]等通过对已建混合高层住区进行实测与模拟，分析冬季主导风向影响下混合高层住区人行区域风环境存在的问题和内部空间形态与风环境之间的关系。吴振宏[4]等对规划阶段某建住宅组团初步设计方案的室外风环境进行模拟，对不满足室外风环境的区域进行了优化设计。马俊丽[5]利用CFD软件对某拟建住宅小区风环境进行数值模拟，针对小区内部风环境存在的问题给出改进措施。改变居住区建筑物的平面布局、建筑朝向和建筑高度能够改善居住区的风环境，但研究成果均只考虑了风环境单一因素对居住区室外环境的影响，未考虑居住区日照和建筑容积率的规划条件。因此，在居住区规划设计阶段，开展多因素影响下居住区环境的研究，使规划方案在满足建筑容积率和日照规划条件的前提下，最大限度地获得良好的室外风环境具有重要意义。文中以河北省石家庄市某居住区初期规划设计方案为例，对方案进行日照和风环境模拟，从建筑朝向、建筑高度和建筑布局角度优化设计方案。1研究对象以河北省石家庄市某居住区初期规划设计方案为研究对象，项目基地南侧为城市主干道，西侧为城市次干道，北侧和东侧为城市支路，基地内部地势平缓，总用地面积63 880 m2。住宅面积为每户120~150 m2，建筑限高75 m，容积率为1.9~2.0。根据《石家庄市城乡规划管理技术规定》[6]，建筑间距不小于南侧建筑高度的1.55倍，侧向间距满足防火要求。2数值模拟方法2.1日照模拟采用众智日照计算模拟软件模拟日照情况。首先设定分析参数，主要包括建筑地理位置、分析时间、设定建筑高度、建筑方位、受影面高度，其次进行日照分析，最后输出分析结果。2.2风环境模拟选取Phoenics计算模拟软件，采用RNG k-ε模型进行建模计算。模拟时根据住区模型大小确定合适的三维空间计算域。来流方向的距离设置为建筑物高度的5倍，出流方向的距离设置为建筑物高度的15倍，垂直方向的高度设置为建筑物高度的5倍，计算域设定为752.5 m×1 121.5 m×319.0 m。为了加快计算收敛速度，在住区模型建立时对建筑体型上的凹凸变化进行简化。河北省石家庄市地区的夏季主导风向为南风(S)，平均风速为2.6 m/s；冬季主导风向为东北偏北风(NNE)，平均风速为2.0 m/s。文中模拟的居住区地面类型为C类，粗糙度指数取0.22，分析行人高度（距地面1.5 m高度）平面处的风速、风压模拟结果。3评价标准依据《城市居住区规划设计标准》（GB 50180—2018）[7]第4.0.9条，居住建筑日照标准不低于大寒日日照时数2 h。依据《民用建筑绿色性能计算标准》（JGJ/T 449—2018）[8]第8.2.8条，夏季、过渡季通风不畅在某些区域形成无风区或涡旋区，将影响室外散热和污染物消散。外窗室内外表面的风压差达到0.5 Pa有利于建筑的自然通风。冬季建筑物周围人行区距地1.5 m高处风速小于5 m/s是不影响人们正常室外活动的基本要求。建筑迎风面与背风面风压差不超过5 Pa，可以减少冷风向室内渗透。4初步规划方案模拟分析4.1初步规划方案及日照模拟居住区西侧布置2栋20层点式高层住宅，东侧布置7栋20层板式高层住宅，为点式高层与板式高层相结合的错列式建筑布局。建筑朝向均为正南，建筑容积率为1.94。日照模拟取大寒日，有效时间设定8：00~16：00，居住区住宅楼初步规划设计方案与日照分析结果如图1所示。该居住区初步规划方案的日照满足要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.001.F001图1居住区住宅楼初步规划设计方案与日照分析结果4.2初步规划方案的风环境模拟初步规划设计方案下居住区室外1.5 m行人高度处的风速、风压模拟结果如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.001.F002图2初步规划设计方案下居住区室外1.5 m行人高度处的风速、风压模拟结果在夏季，居住区室外1.5 m行人高度处的最大风速约3.0 m/s，居住区南侧的点式高层与纯板式高层建筑的背风面均出现不同程度的静风区，容易导致一定限度的污染物堆积，影响污染物的消散和室外散热，不满足要求；建筑物迎风面和背风面的风压差基本不超过0.5 Pa，不利于夏季居住区内部的自然通风，不满足要求。在冬季，居住区室外1.5 m行人高度处的风速均在5.0 m/s以下，居住区内风速小且稳定，室外主要活动区域的风速在1.25 m/s左右，能够保证居民正常室外活动的需求，满足要求；建筑迎风面与背风面的风压差均在5 Pa以内，可以有效地减少冷风向室内渗透，满足要求。5基于日照与风环境的规划方案优化5.1规划优化方案一5.1.1规划优化方案一及日照模拟初步规划方案中，夏季室外主要活动区整体风速不佳，局部出现静风区，采用仅改变住宅楼建筑朝向的方式进行优化，建筑布局、建筑高度和容积率保持不变。建筑朝向调整为南偏西20°，居住区住宅楼规划优化方案一与日照分析结果如图3所示。除北侧9#住宅楼西侧单元日照时长为110 min，不满足日照时长的要求外，1#~8#住宅楼的日照时长均满足要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.001.F003图3居住区住宅楼规划优化方案一与日照分析结果5.1.2规划优化方案一的风环境模拟规划优化方案一下居住区室外1.5 m行人高度处的风速、风压模拟结果如图4所示。在夏季，居住区室外1.5 m行人高度处的风速为0~3.3 m/s，各住宅楼之间形成主导风向的通风廊道，增强了夏季居住区内部的空气流动，有利于居住区内散热和污染物的扩散，满足夏季自然通风的要求；建筑迎风面与背风面的前后风压差为2~5 Pa，居住区住宅楼的前后风压差均大于0.5 Pa，满足外窗室内外表面的风压差达到0.5 Pa有利于建筑的自然通风的要求。在冬季，居住区室外1.5 m行人高度处的风速为0.3~2.8 m/s，风速均小于5 m/s。建筑朝向调整为南偏西20°后，建筑长轴方向与冬季风的上风向接近垂直，有效阻挡冬季寒风，使冬季居住区内的风速值处于居民室外活动的舒适范围。在冬季，居住区内1.5 m行人高度处建筑迎风面与背风面的风压差不超过5 Pa，有效地减少了冷风向室内渗透。居住区行人高度处风速和风压差均满足标准要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.001.F004图4规划优化方案一下居住区室外1.5 m行人高度处的风速、风压模拟结果5.2规划优化方案二5.2.1规划优化方案二及日照模拟针对规划优化方案一存在局部日照不满足居住建筑日照标准的问题，在规划优化方案一的基础上，改变建筑高度，居住区内楼座位置不变，建筑布局由等高式建筑调整为南低北高式建筑。通过调整住宅楼的建筑高度，减少建筑层数，以期降低日照遮挡，获得充足的阳光。居住区内1#和2#住宅楼由20层调整为15层的中高层住宅，3#~7#住宅楼由20层调整为18层的高层住宅，8#~9#住宅楼仍维持原20层的高层住宅不变。调整后建筑容积率由1.94降为1.72。居住区住宅楼规划优化方案二与日照分析结果如图5所示。居住区规划优化方案二的日照时长均满足日照标准要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.001.F005图5居住区住宅楼规划优化方案二与日照分析结果5.2.2风环境模拟规划优化方案二下居住区室外1.5 m行人高度处的风速、风压模拟结果如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.001.F006图6规划优化方案二下居住区室外1.5 m行人高度处的风速、风压模拟结果在夏季，居住区室外1.5 m行人高度处的风速为0~3.3 m/s，能够保证行人高度1.5 m平面处人体舒适度的要求，满足夏季自然通风的要求；居住区内住宅楼的前后风压差均大于0.5 Pa，满足外窗室内外表面的风压差达到0.5 Pa有利于建筑自然通风的要求。在冬季，居住区内室外活动区域基本处于低风速区，不会因为风速过大影响人体舒适度，符合人们正常室外活动的基本要求。居住区室外1.5 m行人高度处建筑的迎风面与背风面风压差不超过5 Pa，能够有效地减少冷风向室内渗透。风速风压均满足评价标准要求。5.3规划优化方案三5.3.1规划优化方案三及日照模拟针对规划优化方案二中容积率不满足规划条件的问题，在规划优化方案二的基础上，对建筑高度进行局部调整。居住区内楼座位置保持不变，调整居住区内北侧和南侧四栋住宅楼的建筑高度，增加建筑层数，以获得更高的容积率。居住区内1#和2#住宅楼由15层调整为18层，8#~9#住宅楼由20层调整为25层，方案三的建筑容积率为1.92。居住区住宅楼规划优化方案三与日照分析结果如图7所示。居住区规划优化方案三建筑日照均满足要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.001.F007图7居住区住宅楼规划优化方案三与日照分析结果5.3.2规划优化方案二的风环境模拟规划优化方案二下居住区室外1.5 m行人高度处的风速、风压模拟结果如图8所示。在夏季，居住区室外平均风速为3.3 m/s，符合居民在室外活动的舒适度要求；居住区内建筑迎风面与背风面风压差均在0.5 Pa以上，有利于居住区内形成良好的自然通风，满足评价标准要求。在冬季，居住区室外1.5 m行人高度处绝大部分风速为0.3~2.0 m/s，风速均小于5.0 m/s；居住区内建筑迎风面与背风面的前后风压差保持约1.5 Pa，风压差均不超过5 Pa，满足评价标准要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.001.F008图8规划优化方案三下居住区室外1.5 m行人高度处的风速、风压模拟结果5.4规划方案最终优化结果最终优化方案为规划优化方案三，居住区内建筑的日照时长均满足居住建筑日照标准，建筑的容积率为1.92，满足规划条件。室外风环境方面，在夏季和冬季，居住区主要干道及活动区域风速、室外风压、全区域最大风压差等均满足标准要求。6结语通过对居住区不同规划设计方案的日照与风环境进行模拟，得出居住区在满足容积率和日照规划条件下获得良好室外风环境的规划方案和优化策略，主要结论如下：居住区建筑朝向应结合本地风向特征及建筑迎风面与城市主导风向的关系，沿垂直于冬季主导风方向布置较长和较高的建筑，有利于居住区冬季抵御寒风流场。河北省石家庄地区冬季主导风向为北东偏北风(NNE)，建议住区住宅楼理论最佳朝向为南偏西20°。居住区建筑高度应沿夏季来风上风向适当布置较低建筑，有利于住区夏季通风。南低北高式的建筑布置在河北省石家庄地区有利于夏季通风。点式建筑和板式建筑相结合的错列式建筑布局有利于日照和获得良好的风环境。数值模拟与概念设计相结合，采用单因素改变的方法对方案进行优化，是实现方案优化的便捷路径。居住区的日照和风环境受建筑平面布局、建筑高度、建筑朝向和建筑容积率的影响，方案优化过程较为复杂，单一依靠数值模拟手段难以实现。文中采用方案概念设计和改变单因素数值模拟相结合的方法，对规划阶段方案优化策略进行探索，极大地减少了方案优化数量。