城市中心风环境研究的技术演进与优化设计

城市风环境的分析技术源于对城市气候的研究。最早于1807年，英国化学家Luke Howard对伦敦城市热岛效应进行了观测研究，之后世界上许多国家陆续开始了城市气候的研究。至今，在建筑与城市规划领域，越来越重视对城市微气候的评价，已经发展到研究城市微气候的各个因素，通过实测或者利用计算机进行数值模拟和数学建模分析，研究与实际设计工作紧密联系。从城市风环境研究方法的角度来看，其技术演进大致可以分为实地测试、物理模拟以及计算机数值模拟三个阶段(表1-1)。这三个阶段在时间维度上并没有形成明显的技术断代，主要是由于世界各地开始城市风环境研究的年代存在差异，同时各方法在不同尺度上以及不同研究内容中应用的便捷性与实用性也不同，三种研究方法在现今的研究当中均都有所体现。

表1-1　城市风环境研究方法

*资料来源：作者绘制

1)实地测试法

城市风环境的实地测试始于对城市热岛效应的研究。1930年代，欧洲的研究者们通过观测发现了城市夜间存在由市郊向市中心辐合的风场，该风场即为热岛环流。此后一直到1950年代，欧美国家都广泛采用移动观测技术来描述城市风、温的状况，得出了城市热岛的空间分布图。

随着对单独的城市风环境特性研究的展开，1970年代开始逐渐将实地测试法应用到单体建筑及建筑群风环境特征的研究当中。其中较早的是1975年Wiren B G^[5]对连接两个单体建筑的过道中心线上的平均风速的实测研究，该研究还停留在简单形体和简单排列的基础阶段。接着，1985年Stathopoulos T^[6]等人对不同高度和不同风向下的建筑物过道的风速进行了实测研究，通过分析发现了其风场的湍流分布特征。1986年，Shuzo M等人为了评估东京市区某高层建筑周围的风环境状况，在其建筑周围布置观测点，并长期监测其风环境状况，对高层建筑的周边风场特征进行了基本研究^[7]。

1995年，To和Lam^[8]通过设置在建筑物行人高度处的光纤探针来得到了水平风速和风向角的统计记录，对不同风向下，成排高层建筑物周边行人高度处的风环境进行了评估。2008年日本学者Tetsu K、Masao M、Yoshihide T^[9]等则进一步研究了住宅小区建筑密度、布局与其风速的相关关系，以日本的22个不同密度、容积率的住宅区为研究案例，对16个风向下行人高度处的风速进行采集，利用风速比和风频分布图，比较了低层、多层、高层住区的风环境的差异。

由于城市风环境受气象条件和实际地理环境影响而很难控制，容易受到监测技术手段的限制，而且长期观测数据具有一定的困难，因此很难应用到更大规模的城市风环境研究当中，因而现今城市风环境研究中往往把实地测试法测得的风速资料作为实际研究中风环境参数的参考。

2)物理模拟法

城市风环境的物理模拟法主要是指边界层风洞实验方法，结合常规气象资料来模拟研究城市风环境。其测量方法主要可以分为两种，一为“点”的测量，即对实验对象的模拟流场特性进行逐点测量、分析；二为“面”的测量，即对模拟流场的分布特征提供整体性和连续性信息。前者主要通过压力探针和全向风速计测量，后者则通过油纹红外线热感应图像以及刷蚀技术来描绘相对风速大小的区域和轮廓^[10]。从1960年代起，风洞实验逐渐被引入到城市风环境的研究当中，使得对建筑周边气流运动的准确模拟成为可能，为风环境的研究提供了新的技术方法，陆续得到了广泛的应用。

在建筑布局对风环境的影响当中，1971年，日本学者Ishizaki H^[11]等利用风洞实验对不同布局模式下的相邻建筑周边的风场进行了模拟研究。高层建筑周边风环境研究里，1999年，中国空气动力研究与发展中心的李会知^[12]利用风洞实验研究了16个来流风向下某高层建筑建成前后周围的风环境，并结合当地的气象风速资料，分析了建筑周围26个位置的行人高度风环境在坐、站、行三种情况下的舒适性状况；2010年同济大学的关吉平^[13]通过分析风洞试验数据，对上海浦东一拟建大楼周边的行人高度风环境进行了评估研究。(www.xing528.com)

在城市风环境研究当中，White B R^[14]于1992年通过风洞实验对旧金山行人高度处风环境进行了模拟研究，证明了风洞实验在城市尺度上风环境研究的可能性。同年Williams和Wardlaw进行了大规模的风洞实验，来描述加拿大城市渥太华的行人高度处风环境。2004年，美国环保署的研究与发展项目开展了城市尺度的风洞实验，分析了曼哈顿地区空气流动和空气污染扩散。同年北京大学王宝民采用风洞刷蚀技术对北京商务中心区行人风环境的研究当中风洞实验有较好的应用。

3)计算机数值模拟法

继风洞实验的物理风环境模拟之后，计算流体动力学被广泛地应用于室外风环境的研究当中。伴随着计算机数值计算技术的进步，利用计算机和流体动力学方程来对建筑物周边的风场进行数值求解，模拟出建筑物周边真实的风场，并通过可视化技术形成易于读取的风场分布图，该计算机数值模拟法简称为CFD(Computational Fluid Dynamics)，即计算流体动力学。其强大的模拟、数据处理和可视化能力，相比于物理模拟更为灵活高效、节约成本的特点被更广泛地应用于城市风环境研究领域。

从1990年代起至今，基于计算机数值模拟的城市风环境研究形成了较为连续的研究阶段。1999年，Shuzo Murakami^[15]等学者运用CFD计算机数值模拟技术，对从人可感尺度到城市尺度的风环境进行了预测研究，指出城市内部风场的复杂性。其研究进一步推动了计算机数值模拟技术在城市风环境研究中空间尺度的拓展，之后大量的学者在城市风环境研究以及实际工程项目、规划设计当中都进行了进一步的深入研究，如表1-2所示。总体来看，计算机数值模拟技术在单体建筑或群体建筑周边风环境、群体建筑布局风环境、住区风环境、城市开敞空间风环境、城市中心区及商业街区风环境中都有较好的应用，并结合人的风、热舒适度以及近地风安全等问题进行了评价研究。

表1-2　应用计算机数值模拟的城市风环境研究

续表1-2

资料来源：作者整理绘制

在此过程当中，诸如同济大学的杨伟、顾明^[16](2003)、埃因霍芬理工大学的Blocken(2004)、奥克兰大学的Richards(2007)，以及东京理工大学的Yoshie(2007)在城市风环境研究的同时，对于基于CFD的模拟软件(scSTREAM、Flovent、Fluent、CFX、STAR-CD、Airpak等)的不同计算模型进行了探讨与分析比较，并结合风洞实验结果相验证，探讨计算机模拟的精度等问题，对于计算机数值模拟技术在风环境研究中的有效利用具有较大的价值。

相对来说，CFD数值模拟的计算结果更直观、更详细，可以在三维的研究区域内查看任一节点风的分布情况，相比实地测试法和物理模拟法有着较大的优势，对现今及未来的城市风环境研究提供了重要的技术支撑，也将是未来城市风环境技术研究的重点。