基于建筑自然通风潜力评估的居住区肌理形态优化方法研究

Urban microclimate relates closely to the living quality and healthy of people. And more designers and researchers have paid close attention to the natural wind environment of the residential district due to its multi-effects on living comfort, energy consumption and pollutant dispersion. However, most of the researches recently confined to single building or whole city scale. The intermediate scale, which would be the most promising for the architect and urban designer is relatively unexplored. This lack can be partially attributed to the difficulty of modeling the geometry of the city and estimating its influence on the flow characteristics. This research attempts to explore how to optimize residential district fabric from the perspective of evaluating the potentials of building natural ventilation, and bring to light into the relationship between district form parameters and wind field features on an operational level. And at last, a method route which is suited to the wind environment optimization of residential district is explored..In this research, the computer simulation technology is adopted to quantify the potentials of building natural ventilation. And to realize the interactive modeling between residential district form and wind environment index, an analysis tool, which can automatically generate the geometrical model and perform calculation, is developed by Matlab software. Based on this tool, the basic control parameters, which include building separation distance, height, distribution and orientations, are analyzed. And scientific methods of optimizing the residential district fabric are concluded from an design operational -level.

城市微气候与人们的生活品质和健康息息相关。其中自然风环境由于对舒适性、能耗、污染物扩散的多方面影响也逐渐为设计和研究人员所关注，然而，目前研究较多局限于建筑单体以及城市尺度，在它们之间与建筑和规划设计联系紧密的中观尺度研究相对较少，其中部分原因是由于城市几何形态描述较为困难，并且城市形态变化对风场特征影响较为复杂，本研究试图从建筑自然通风潜力评估角度探讨如何优化城市中观层面的居住区肌理形态要素，并在设计操作层面揭示形态指标与风环境特征的关联性，探索一条适合于居住区风环境评估和优化的方法路径。.本研究采用计算机模拟技术进行建筑自然通风潜力的量化分析，为有效实现居住区肌理形态与风环境指标的互动模拟，研究尝试基于Matlab软件平台开发具有自动建模及分析功能的模拟工具，并基于该平台对住宅建筑的间距、高度、布局、朝向等基本肌理形态参数进行分析，从设计的操作层面探讨居住区肌理形态优化的科学方法。

城市微气候环境作为建筑围护结构的边界条件直接影响室内物理环境。从上世纪60年代，建筑划设计人员逐渐开始将研究领域从建筑单体扩展到建筑群和城市肌理形态层面，探讨城市肌理形态变化对局部微气候环境以及建筑室内环境的影响。本课题从建筑自然通风潜力评估角度探讨居住建筑的布局优化，揭示设计操作层面的形态指标与风场环境关联性，探索一条适合于居住区风场环境评估和优化的方法路径。.本研究首先从建筑单体尺寸、住宅组团布置以及周边建筑遮挡三个层次的形态特征考虑构建了本课题研究的居住区理想形态模型，并通过对比经验公式法和CFD法应用于形态设计参数分析的敏感性，探讨了居住建筑群自然通风潜力评价的有效分析方法。为提高研究过程的计算效率，研究以MATLAB软件作为分析工具平台，通过编写大量的脚本程序开发了高效计算工具。该分析工具实现了对建筑几何形态数据的存储、调用，计算流体动力学（CFD）软件FLUENT的模型自动构建和模拟计算，以及模拟结果的提取和可视化分析。在上述分析平台构建的基础上，研究探讨了住区周边阵列和错位两种建筑布局环境条件下，住宅建筑的朝向、长度、横向间距以及错位尺寸4种基本设计变化与居住区风场环境的关联性规律，并应用阈值概率统计法比较了多层和高层建筑群的自然通风潜力。研究结果表明居住区的建筑群朝向是影响我国多层住宅区风场环境的主要影响要素，当地的主导建筑风向需要在设计中慎重考虑，当建筑朝向与当地主导风向夹角超过一定度数时（比如30°），其风环境会有较大程度的改善。研究通过对典型设计案例的计算分析，从应用层面证明了居住区风场环境评估和优化方法路径的有效性。