建筑群高度差异性分布的城市冠层通风特性研究

The distribution of buildings’ height variation is one of the most significant causes for forming urban local climate. However, up to date there is lack of systemic and quantitative studies. This project concerns the theories such as building environment, urban climatology, wind engineering, urban design and statistics. Firstly, using the rapid-building-height-extraction technique based on the remote sensing images, and verified by field investigation, the characteristics of distribution of buildings’ height variation are obtained, and the probability distribution statistical model for building height is developed. Secondly, the experimental conditions are designed by this statistical model and stratified sampling technique. Then using atmospheric boundary layer wind tunnel experimental techniques and LES, the mechanism of aerodynamic characteristics within urban canopy including the leeward district by the distribution of buildings’ height variation is studied in depth. Based on these results, the parameterization method and two-dimensional aerodynamic urban canopy model coupling with distribution of buildings’ height variation are developed. Lastly, using this newly-developed canopy model and Latin hypercube sampling technique, large amount of numerical experiments is carried out, and then wind environment is evaluated comprehensively from the viewpoint of ensemble average flow and momentum flux transfer and so on. Based on these results, the strategies of ‘vertical ventilation corridor’ which are suitable for urban ventilation demand are proposed. These strategies can be applied to control urban building height, and give theoretical basis for green building design and eco-city planning.

建筑群高度的差异性分布是城市冠层通风特性的重要成因，目前缺乏系统和定量化研究。本项目基于建筑环境学、城市气候学、风工程、城市规划、统计学相关理论，首先，利用遥感影像的建筑高度快速信息提取技术并和现场调研相结合，获得典型城市建筑高度分布规律，建立建筑高度概率分布统计学模型；其次，利用该统计学模型和分层抽样技术，进行实验工况设计，同时利用大气边界层风洞实验和LES等手段，深入探讨建筑群高度差异性分布情况下，包括下风向区域在内的城市冠层大气动力学形成机制；在此基础上，建立适用于建筑群高度差异性分布情况的参数化方案及新的二维大气动力城市冠层模式；最后，基于已开发的新冠层模式，利用拉丁超立方抽样技术开展大规模数值实验，从平均流动及动量通量传输等方面进行风环境综合评价，提出适用于城市通风需求的“竖向通风廊道”构建策略，为科学合理地进行城市建筑高度控制、实现绿色建筑设计、生态城市规划提供理论依据。

建筑群高度的差异性分布是城市冠层通风特性的重要成因，目前缺乏系统和定量化研究。本项目经过4年的研究，开展的主要研究内容和取得成果如下：.（1）本项目以寒地和南方地区代表城市—哈尔滨和深圳中心区作为研究对象，提取竖向空间形态的影响参数并构建分析方法，明确了城市空间下垫面的粗糙程度与空间形态之间的相关关系，基于形态学视角下的空间粗糙度算法，确定了城市建筑高度概率分布统计学模型。.（2）利用上述统计学模型和分层抽样技术，设计了风洞实验方案，利用风洞试验研究并获得了不同建筑群高度种类、建筑群高度分布下风速和拖曳力系数的分布规律。.（3）建立了适用于建筑群高度差异性分布的大涡模拟（LES）技术。利用LES，探讨了高度所带来的城市空间形态变化对应的大气动力学内在机制。结果表明在建筑群粗糙次层表现出频繁的、加速的、大体积的下沉气流Q2和少数的、减速的、刺状的上升气流Q4，并Q2随着建筑高度种类的增加而进一步增强。.（4）将建筑基底区细分为通风廊道区和街谷区，采用街谷宽度、建筑平均高度以及高度离散度等作为基础建筑群形态指标，建立了新的适用于建筑群高度差异性分布的拖曳力参数化方案及二维大气动力城市冠层模式。该模式和风洞试验进行对比，说明该模型能够很好地预测复杂建筑群高度差异性分布下的通风特性。.（5）基于上述建立的CFD模拟技术和城市冠层模式，以哈尔滨和深圳为研究对象，利用单因素及多因素正交试验等大规模数值实验手段，对不同气候特点下城市建筑群高度差异性分布进行优化研究。归纳出不同气候条件下适用于城市通风需求的建筑群高度分布策略，即“竖向通风廊道”的构建。.本项目已顺利和全面地完成既定研究计划内容，在某些方面取得了超出预期的成果。培养4名研究生（含2名博士生），在期刊及国际会议上发表学术论文12篇（含SCI检索论文4篇），并且将成果应用在实际城市区域规划项目，获得了省级优秀城乡规划设计一等奖的行业奖励。