迎风角度、建筑排列方式、高度变化、建筑间距等规划条件是影响城市住区通风效果的主要因素。为了揭示不同规划设计条件下城市住区的通风效果，本章主要借助CFD软件平台，对典型板式城市住区通风效果开展量化分析。
1.迎风角度
建筑体迎风角度是指风向与建筑物长边法线的夹角。依据对杭州多年的气象观测得出的结果，杭州夏季盛行风向为SSW（见图4-33），该结果一直被用来指导杭州城市的规划与建设。以SSW风向为基础条件，利用CFD软件模拟在不同迎风角度下，相同板式建筑在不同组合方式下的城市住区风环境特征，具体以0°、22.5°、45°、67.5°、90°为例分析说明。结合当前城市住宅开发布局特点，同时满足消防及日照规范，建筑组合采用三行三列布局方式，模型尺寸设定如图4-34所示。
图4-33 建筑体迎风角度示意
图4-34 迎风角度条件下的分析模型尺寸
从不同迎风角度风压的模拟分布图（图4-35）可知，当迎风角度为0°时，也就是建筑迎风面与盛行风垂直，前两排建筑有良好的前后压差，利用自然通风，但最后一排建筑前后压差较小，不利于自然通风；而当迎风角度为22.5°时，仅有最后排右侧建筑不利于室内风压自然通风；当迎风角度为45°时，居住建筑拥有最好的室内通风条件；当迎风角度为67.5°时，除了第二排右侧的建筑外其他建筑均有良好的自然通风条件；当迎风角度为90°时，也就是建筑平行于盛行风向布置时，建筑前后基本没有风压差，几乎没有穿堂风，室内自然通风条件最差。
从不同迎风角度的模拟风速云图（图4-36）可知，垂直于建筑的盛行风（迎风角度为0°）会产生最大面积的静风区域，而平行于建筑的盛行风（迎风角度为90°）产生的静风区域面积最小，主要集中在建筑物山墙之间。迎风角度为22.5°时，静风区域主要集中在第一排建筑后侧。迎风角度为45°及67.5°时，静风面积相对较小，迎风角度为45°时拥有最好的室外风舒适度。
图4-35 不同迎风角度风压分布图
图4-36 不同迎风角度风速分布图
从不同迎风角度的风速矢量图（图4-37）可知，迎风角度为0°时会产生较多的涡流，随着迎风角度的增大，涡流区域的面积逐渐减小，当迎风角度为67.5°时，基本没有涡流存在。
总体而言，改变建筑物迎风角度可以间接改变风向，对3×3板式排列的建筑群来说，迎风角度为0°时，建筑阻挡了上风向来流，风会向建筑两侧偏移绕过建筑。从风影区大小来说，当建筑迎风面与风向垂直，即入射角为0°时，风影区最大，随着迎风角度的增大，风影区减小。在炎热的夏季，住宅小区内的风影区越小，越能降低人体对热的不适感。
图4-37 不同迎风角度风速矢量图
2.建筑排列方式
为了研究行列式、横向错列、纵向错列以及周边围合等四种住区布局方式在风环境表现上的差异，选取板式建筑作为研究对象，假定板楼宽40m，进深14m，建筑高度为12层，36m，满足消防及日照规范。拟分析的住区模型空间尺寸设定如图4-38所示。
图4-38 不同建筑排列方式模型简化示意
从不同建筑排列方式的风压分布模拟结果（图4-39）来看，在四种排列方式下，风压较大的区域出现在第一排建筑上，迎风建筑产生了较大的正压力，风压分布区别不大。在单个排列方式中，从左往右风压较大的区域依次减小。从迎风面到下风向，静压都呈逐渐减小的趋势。具体来看，行列式建筑的前两排的建筑前后压力差比较大，室内通风效果良好，最后一排的建筑前后静压基本一致，进而影响室内通风性能。横向错列式与行列式的风压分布类似，但是由于同等情况下第二排迎风面积相对更大，最后一排只有右上角的建筑前后压差较小，其余都利于自然通风。纵向错列布置下，建筑前后均存在一定的压力差，但是产生负压的范围更小，只在最后一排右上角的建筑周围有较大负压情况出现。在周边围合的情况下，建筑前后均出现风压差，这种不完全封闭的周边围合在杭州特定的风向条件下也是有利于室内自然通风的。
图4-39 不同建筑排列方式风压分布图
图4-40 不同建筑排列方式风速分布图
从不同建筑排列方式的风速云图模拟结果（图4-40）来看，12层高度的行列式、横向错列式、纵向错列式均没有出现风速大于5m/s的情况，都在风舒适度可接受的范围内，同时三者都在最后一排建筑南侧出现风速极大值，且横向错列布置下1.5m高度处风速最大，而周边围合式风速的极大值出现在第一排两两建筑中间以及最右侧建筑转角处，相对最低。从风速矢量图（图4-41）来看，行列式建筑第一排的阻挡作用明显，建筑后的静风区域面积最大，第一排的三幢建筑后面出现了涡流区，由于气流绕过建筑物侧向转角形成尾流加速，第三排建筑前出现风速最大。横向错列式由于与行列式在第一排排列方式上一样，建筑后面也出现了明显的涡流以及静风区域，但是由于第二排建筑阻挡作用小，适合气流通过，第二排与第三排之间后面的风舒适区域较多。由于来流风向的原因，纵向错列式的静风区域主要集中在右上角，其他区域则相对较少，通风舒适度强于横向错列。在周边围合的情况下，风无法流入住区内部，建筑间峡谷效应最强，住区许多区域均出现了涡流，而且静风区域面积也很大。
图4-41 不同建筑排列方式风速矢量图
行列式建筑规整、有序，在迎风角度固定的时候，迎风面相对较大，对风的阻碍作用也很大，可以在冬季利用行列式布局对风的阻碍作用，垂直于盛行风向布置，以减弱冬季外部风速。错列式的通风效果要优于行列式，不论是横向错列还是纵向错列。在杭州夏季盛行风向为SSW的情况下，风流都可以斜向进入建筑群内部，下风向的建筑受风面更大，居住建筑的通风性会更好；纵向错列式的风场的分布较合理，居住小区内涡流更少，通风更流畅。周边围合式布局会形成封闭和半封闭的内院空间，建筑对各个来流方向的空气流动均起阻碍作用，效果和行列式建筑对风的阻碍一样，难以让风流导入，可以在冬季盛行风向上，即北至西北一侧布置周边围合式建筑，便于冬季防风，但是完全封闭围合式的居住小区在杭州地区比较少见。总之，适合杭州地区夏季盛行风的建筑排列方式依次为纵向错列式、横向错列式、行列式、周边围合式。
3.建筑高度
为了揭示建筑高度对城市住区风场的影响，同样以板式建筑作为研究对象，同时考虑到满足消防及日照规范，分别模拟12层、18层、24层城市住区建筑体的室外风环境，我们设定的研究模型如图4-42所示。
图4-42 不同建筑高度模型平面示意
不同建筑高度城市住区风场模拟结果（图4-43）显示，三种建筑模型在高度不同的情况下，第一排建筑迎风面上的最大风压不一样，随着建筑高度的增加，建筑迎风面上的风压逐渐增大。对于靠后的第三行建筑，三种高度下建筑迎风面和下风面的风压差随着高度呈现风压差增大的趋势，12层的建筑最后一排风压差最小，不利于室内自然通风，18层的建筑最后一排风压差次之，24层的建筑最后一排风压差最大，自然通风效果最好。
图4-43 不同建筑高度城市住区1.5m高度风压分布
从不同建筑高度的风速云图（图4-44）来看，三种高度的风速极大值都出现在第一排的两两建筑之间，并且随着建筑高度的增加，居住小区内的最大风速也呈现上升的趋势，24层高的建筑在间距13m的情况下最高风速达到5.397m/s，已经超过了风舒适度低于5m/s的标准。针对这种情况，实际布置中可以采用高大乔木来减缓过大风速的不良影响。此外，随着建筑高度的增加，建筑风影区面积逐渐增大，静风面积的增大不利于空气流通，可能会导致空气污染物累积。
图4-44 不同建筑高度城市住区1.5m高度风速分布
图4-45所示为横向距离为80m的剖面风速矢量图，建筑高度不同，由于日照间距的关系，建筑体后涡流的特征表现类似，建筑体下风向涡流的大小与建筑高度有很大关系。相对来说，12层建筑下风向的涡流最小，后排建筑的风速也相对最小；18层建筑下风向的涡流次之，下风向建筑上的风速比12层建筑高；24层建筑的下风向涡流相对更大，涡流内部风流速度也最大。
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图4-45 不同建筑高度城市住区x=80m剖面风速矢量图
4.建筑高度变化
为了揭示建筑高度变化对城市住区风场的影响，我们分别以前高后低、前低后高、中间高以及中间低四种城市住区布局形式构建城市住区布局分析模型，城市住区平面图如图4-46所示。
由不同建筑高度变化的城市住区的风压模拟云图（图4-47）可知，建筑迎风面风压的大小与建筑迎风面的高度成正比，除了前高后低的布置方式外，其他几种布置方式后排建筑均有较好的静压差。具体来看，前高后低的排列方式下第一排建筑由于高度的原因阻挡作用较大，导致后排建筑尤其是第三排风压较小，第三排最右侧建筑无法在风压作用下自然通风。前低后高的布置方式由于前排建筑较低，后排建筑也能有较大的正压，建筑前后压力差最大，自然通风效果最好。中间高的方式下自然通风效果也很好，而中间低的排列方式在第二排的风压差值表现上不尽理想，自然通风效果较弱。
图4-46 不同建筑高度变化的城市住区模型平面示意
从1.5m高度处风速矢量图（图4-48）来看，前高后低的方式会在建筑下风向产生较大的涡流，小区内部有很多大的静风区域，并且在第一排建筑中间，由于峡谷效应，出现了风速超过5m/s的情况。为了避免这种情况的发生，迎风侧的建筑在面宽较大的情况下，最好能适当降低高度。前低后高的变化方式通风环境较好，内部没有明显的涡流出现。中间高比中间低也有相对更少的涡流存在。总之，涡流的大小与建筑的高度直接相关，较低建筑的涡流更小，风影区也更小，居住小区室外通风环境更好。
图4-47 不同建筑高度变化的城市住区在1.5m高度风压分布图
图4-48 不同建筑高度变化的城市住区在1.5m高度风速分布图
图4-49 建筑高度变化的城市住区在x=80m风速矢量图
从上述建筑高度变化的四种城市住区x=80m剖面上看（见图4-49），前高后低的布置方式会在居住小区内部建筑之间产生最大的静风区域，严重影响居民的风舒适度，由于日照间距等原因，前高后低的布置方式在土地利用的经济性上也不具有优势，因而不推荐使用。前低后高的布置方式能够利用风的流体特性，使小区内部较多区域都有较高的风速条件。中间低与中间高两种方式在用地范围同等的情况下，都不利于室外空气流动，但是中间低的布局会有更大的风影面积。
总的来说，高度的变化使得风在建筑顶部空间流动，产生风压差，引发了建筑顶部风向的变化。建筑面宽越大、高度越高，建筑涡流产生的范围和风影区就越大。前低后高的高度变化方式，会促进风在垂直方向的运动，带动更多的顶部气流向地面层运动。同时，较低的建筑迎风面对风有更好的引导作用，高度的逐步增加也便于风流入街区内部，营造更好的住区室外风环境。
5.横向间距
为了揭示建筑横向间距对城市住区风场的影响，在设定迎风角度为0°与建筑高度不变的情形下，分别取13m、18m、23m、28m建筑横向间距构建四个城市住区布局模型进行模拟（见图4-50）。
图4-50 不同建筑横向间距模型平面示意
不同建筑横向间距下的城市住区的风压模拟结果（图4-51）显示，随着横向间距增大，建筑前后的风压差值会随之增大。横向间距为13m时，前两排建筑会存在风压差且差值大于1.5Pa，第三排右侧两幢建筑迎风面和背风面的风压差则不明显。间距为18m时，横向建筑风场的相互影响在减弱，第二排建筑迎风面的静压会比13m的情况下更大，能够促进空气的自然流通。间距为23m时，第二排建筑的迎风面风压还在增大，只有第三排右上角建筑前后静压差很小。间距为28m时，第二排建筑的迎风面压力最大，建筑横向间的风场的相互影响在减小。
图4-51 不同建筑横向间距城市住区在1.5m高度处风压分布图
图4-52 不同建筑横向间距城市住区在1.5m高度处风速矢量图
由不同建筑横向间距下的城市住区的风速矢量图（图4-52）可见，随着横向间距的加大，第一排建筑横向山墙间的气流速度相对变缓，峡谷效应减弱。风速出现的最大位置均在第三排建筑体的迎风面，最大风速相差不大，横向间距为23m时城市住区内部出现风速最大值。另外，四种情况下建筑风影区均出现了类似的涡流，随着横向间距增大，涡流有一定变化但不明显。
建筑横向间距的增大，对建筑风影区的减小表现并不明显，但适当加大建筑横向间距对减弱狭管效应、增大通风通道有促进作用。在实际运用中考虑到用地的经济性，在满足已有规范要求的基础上，可以结合错列式等建筑排列方式，适当加大建筑的横向间距，这样不仅能保证建设用地的高效利用，而且能够创造出适宜的住区风环境。
6.纵向间距
在建筑高度h固定为12层的情况下，分别模拟居住建筑纵向间距为1h、1.2h、1.4h、1.6h下的城市住区风场特征，分析模型见图4-53。随着居住建筑纵向间距的加大，1.6倍建筑高度以内的纵向间距，对居住建筑的风压影响不明显。
图4-53 不同建筑纵向间距城市住区的分析模型平面尺寸示意
从1.5m高度风压分布模拟（图4-54）可知，四种纵向间距条件下的城市住区，均只在建筑的第一排后面区域产生较大的静风区域，因为迎风角度的关系，风影区域均有一定的倾斜角度，在1h～1.4h宽度下，静风区面积较为一致，在1.6h条件下，第二排建筑也出现了明显的风影区，这主要是建筑纵向间距的加大，在后排没有建筑阻挡的情况下，风场流动更充分，产生了类似于两个互相分离独立运动的涡流（见图4-55）。
图4-54 不同建筑纵向间距城市住区1.5m高度风压分布图
从不同建筑纵向间距城市住区纵剖面风速矢量图（图4-56）来看，风在通过建筑体的时候会产生不一样的气场，置于建筑群之中，这些气场又产生相互干扰。随着建筑纵向间距的扩大，互相干扰就会相应减小。但是在城市住区规划规范可以接受的纵向间距之内，这种互相影响并不能够消除。理论上，当建筑的纵向间距达到建筑高度的5倍时，才能确保后排建筑的风场不会与前排建筑相互影响。但在实际城市住区规划中，由于需要考虑城市的生活方式、城市用地的经济性等因素，不可能采用建筑纵向间距为5倍的建筑体排列布置方式。
图4-55 不同建筑纵向间距1.5m高度风速分布图
在迎风角度和建筑高度不变的情况下，随着建筑纵向间距的增大，前排建筑背风面的涡流区对后排建筑风环境的影响越小，后排建筑的通风环境会相对变好；当纵向间距超过1.4倍建筑高度时，后排建筑会产生更大的风影区，反而加大了室外的静风区域。因此，居住建筑纵向间距的确定，主要是日照间距的考虑，过宽的纵向间距相比于城市土地的价值是极大的浪费，可以考虑结合错列布置将纵向间距设置成1.4倍建筑高度。
7.其他设计条件
城市住区除了上述的风场影响因素外，底层架空的处理方式和景观布局对于改善建筑体背风面的风环境有积极作用。如果前排建筑对后排建筑遮挡作用过大，为了保证后排建筑的自然通风效果及行人高度的热舒适度，可以架空前排建筑底层，连通建筑迎风面与背风面两侧空间，促进空气的流通。在像杭州这类全年静风频率比较高的城市，高层建筑的底部采用架空处理能够改善建筑底层风速流动过缓的情况，促使底层空间空气流通，增加建筑室内外之间的通风换气率。另外，景观布局可以改变城市住区下垫面的性质，改善城市住区风环境。集中布置的较大绿化对风有阻挡作用，而适当布置的稀疏绿化可能起到引导通风的作用。合理的景观布局方式是改善城市住区风场环境的重要手段。
图4-56 不同建筑纵向间距城市住区在x=80m风速矢量图
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