本文根据包公府街区的面积(20hm2)、现状建筑高度(2~17层) 和控规中建筑限高(≤ 60m),设置Envi-met 模型网格分辨率为dx=dy=dz=3m,最下层的垂直网格拆分为5个相等大小的小网格,以保证人体高度层模拟精度,并在模型中分别放置10个监控点( 传感器)。监控点布置既兼顾街区边缘与中心,又兼顾室外空间的不同类型,其中室外空间类型分为公园绿地、公共广场、半公共空间、滨水空间、步行空间和车行空间6种互不交叉重叠的类型,监控点分别布置在室外各类公共空间的中心。
模拟参数设置是基于肇庆府城气象站近30年观测资料统计分析得出的典型气象日数据,以夏季6~8月各气象参数平均值作为参照,选定2015年6月22日作为典型气象日。模拟开始时间为上午5:00,模拟总时长为24 小时,主导风向为135° ( 东南向),10m 高空的风速为3.0m/s,初始气温为20.5℃,2m高空的相对湿度为85%,2500m高空的比湿为18.74g/kg,太阳能输入调整系数为1。根据上述参数,建立包公府传统街区现状和比选方案的Envi-met模型(图5)。
分别提取各方案行人高度处(1.5m水平截面) 的温度、风速和相对湿度等在典型气象日不同时间点的数值模拟图进行比较分析,限于篇幅本文只列出当天最热时间点14:00的温度、风速和相对湿度数值模拟图(图6)。①从风环境看,3个比选方案的平均风速均达1.6 m/s,与现状对比都有明显改善,对于府前广场地段的平均风速,方案1明显高于方案2、方案3。②从热环境看,下午14:00的高温区面积(大于30℃区域) 以方案3最大,其次是方案2,方案1最小,说明方案1 的热环境相对较好。③对微气候进行综合评价,与现状相比3个方案的微气候都有明显改善,但方案1改善效果最好,其次是方案2 和方案3。其原因可能是方案1包公府庭院空间大小适当,围合适度。基于整体风热场模拟与评价,说明传统街区更新方案1 的基本模型参数W/L=1、H1/H2=1.4、H1/h=1.6 较合理,建筑外墙遮阳既降低了太阳辐射,又阻挡了南向热气流直接进入建筑群内部。虽然方案2、方案3中包公府的庭院空间较大,建筑密度较小,但其城市更新基本模型参数W/L、H1/H2、H1/h组合欠佳,南向入口过度开敞,建筑群庭院空间通风虽然得到改善,但外部热风也更易进入建筑群庭院内部,反而导致方案2、方案3庭院内温度较高。
分别提取3个方案中10个不同类型公共空间中心监控点的温度、风速和相对湿度等数值,计算各监控点的舒适度指数SSD,其整体变化趋势如图7所示:上午6:00各方案的舒适度指数值都较理想,所有监控点都在70以下,说明此时室外各类公共空间都是舒适(0级)的;到上午10:00部分监测点的舒适度指数高于75,说明街区微气候逐步变得令人不舒适;随着这种变化趋势不断加剧,直到下午14:00 达到高峰,这时现状所有监控点的舒适度指数都高于75,3个方案所有监控点的舒适度指数都在70~77,整体上都处于温暖(1级),少数监控点偏热(2级)。14:00后舒适度指数开始逐步回落,舒适度趋好;到下午18:00 只有少数监控点的舒适度指数高于75,大部分已在75 以下。进一步对14:00的3个方案所有监控点进行逐一比较发现,方案1 所有监控点的舒适度指数均低于方案2、方案3 中对应的监控点,说明方案1 整体舒适度优于方案2、方案3。综合整体风热场和舒适度比较,方案1 的微气候环境优于方案2、方案3。
虽然整体上看方案1的微气候环境优于其他两个方案,但方案1仍然存在部分低风速区域(R2、R4)、高温区域(R5)和舒适度欠佳区域(R2、R7、R8、R10),部分监控点所在位置舒适度指数接近阈值75,说明方案1作为拟推荐的初步方案,风热环境还存在优化潜力。主要原因可能是:R2、R4所在地段建筑密度大,其临城中路沿街有大体量高层商业建筑直接阻挡东南方向来风,正面形成风压区,背面形成静风区;临近府前街的R7、R8、R10所在地段,因为围合式建筑较多,且在府前街东北—西南向地段大部分是实体建筑,沿街界面连续封闭,加之受南部城墙阻挡,通透性较差;R5所在的府前广场,3个方案中绿化树种选择、乔木布置欠妥,缺乏清凉铺装材质,局部地段因此温度偏高。
针对岭南老街线性延展、前市后居、街区内建筑群密集的特点,对初步方案的局部调整以公共空间改造为切入点,适量抽空拥挤建筑群,对总计7 处单元场地(R2、R3、R4、R5、R7、R8、R10) 进行局部微创式优化,打通通向府前街的出风口(图8)。
R7、R8地段呈围合式封闭的建筑群是具有历史价值的特色民居,场地中心局部拆除破旧建筑形成内部公共空间,对西北方向临府前街的建筑进行局部架空或拆除处理,打通与府前街联系的出风口,形成长街短巷式通风格局。东南方向(上风处) 在人民路上进行局部架空或拆除,打开一个进风口,引导风掠过整个内庭院,增加R7、R8单元建筑群内部的通透性。R10地段因内部长期加建,形成连续成片的封闭式建筑群,根据该区域的形状,调整设计尽可能保留界面骑楼建筑,逐步拆除内部加建建筑,形成内向U型空间,既提供停车、绿化、社区服务等高品质生活配套设施,又营造风道缓存区。U型空间东西向两条长边作为街区风道,在U型空间顶部则形成风道缓存区,改善周围建筑通风条件。对R3围墙式样进行调整,在原有实体墙的基础上添加漏窗,部分墙段改造成通透镂空式廊道,改善包公府内部的通风效能。对R2周边高层建筑底层做架空处理,附近环城墙内侧绿化乔木改为高杆树种,提升环城墙内侧带状公园的通风效能。
由于R5地段存在面积较大的公共露天广场,地表温度较高,在开阔的府前广场两侧增植高大乔木,提供林下空间,同时将原来树种换成叶密度指数更高的树种。增加R3绿地面积与乔木数量,将包公府庭院内外原树种换成叶密度指数更高的树种,提高郁闭度,可降温增湿。同时,在R5广场增加多孔透水性铺装,减少硬质铺装,保证雨水渗入土壤,补充地下水以增加蒸发,实现热环境自我调节。R10在U 型风道空间的主风向入口处增加了一处面积较大的景观水体,同时在该区域的公共广场上增植叶密度指数更高的树种,一方面改善公共空间的整体景观,另一方面改善街区内部热环境。
为了验证传统街区局部优化效果,同样通过对优化前后的风热环境进行对比分析,在建立Envi-met模型时,采用相同网格分辨率、相同模拟日期、相同初始条件和计算模拟时间,得出优化以后微气候因素数值模拟图,对优化前后效果进行对比分析(图9,图10)。
首先,从提取的温度模拟分布图看,高温区范围有一定程度的收缩,特别是对R2、R4、R5、R7、R8、R10 地段进行优化后,平均温度下降了0.5℃,府前广场(R5) 局部温度下降了1.0℃。
其次,从风速对比分析看,整体范围内风速有改善趋势,静风区面积减少,优化后平均风速提升了0.15~0.45m/s,特别是在图9中4个圈内建筑组团的风速明显提升,平均风速提升0.6 m/s,提取监控点数据进行统计分析发现,温度和风速不均衡系数变小。
再次,提取监控点的预测平均投票数PMV,初步方案PMV 值为1.46~2.41,平均值是1.93,即大部分地区处于偏热环境;调整优化后PMV 值为0.95~1.97,平均值是1.49,即大部分地区处于温暖环境。对比现状、初步方案和优化方案中各监控点的数值,舒适度指数由2级改善为1级,部分到达0级范围内,显示热舒适度明显改善(表1)。进一步将预测平均投票数PMV 和热舒适度指数SSD进行叠加分析,发现相对较舒适范围(深绿色区域) 明显扩大。
最后,对比A-A、B-B剖面数值图,优化前后R2、R3、R5等地段垂直方向上的温度降低了0.5℃~0.7℃,近地面变化略大而冠层变化稍小;优化前后R4、R7、R8、R10地段垂直方向上风速提升0.2~ 0.4m/s,近地面变化略小而冠层变化稍大。通过上述模拟数值对比显示,经过局部建筑和绿化景观优化,风热环境呈现立体式改善效果。