作为建筑设计的关键落脚点,备受关注的建筑形态主要受功能、技术等本体逻辑和环境、文化等外在因素制约,本体逻辑左右基本空间类型模式,而外在因素则会不同程度地影响建筑个性与环境品质,极端气候影响下的建筑形态生成尤甚。严寒地区冬季由冷风导致的风寒效应非常显著,极大加剧了室外活动的不舒适程度,且这种恶劣气候的作用时间长、影响程度深,使冬季成为一年中舒适度最差的季节,严重限制了人们的室外活动[1]。室外环境的优劣直接决定了室外活动的积极程度[2],进而反作用于建筑形态的优化。

自2000年中国进入老龄化社会以来,我国人口老龄化加速发展[3],由于出生率低及人口外流等因素,严寒地区的老龄化问题尤为严重,截至2018年底,黑龙江省老年人口占比高达19.8%,即将构成深度老龄社会[4]。老年人是钙质流失最严重的群体,长时间处于室内会严重缺乏维生素D,导致骨质疏松等一系列病症,而阳光中的紫外线可以促进免疫系统作用[5]。因此,老年人对冬季室外活动的期待最强。笔者实地调研结果显示,公共建筑内部空间向全民开放的同时,活动空间相对匮乏的老年人却表现出对室外公共空间的极度偏爱,尤其在冬季更成为此类空间的主要使用者。但由于其对环境变化的适应能力较弱,因此对该空间的环境质量提出了更高的要求。

目前,严寒地区由建筑围合的室外空间冬季适老风环境评价和设计缺位的现状亟待改善,为响应国家“健康老龄化、积极老龄化”的号召[6],本文拟将老年人作为目标人群,以室外风环境作为优化对象,通过现场实测、问卷调查、CFD模拟等方法,尝试为寒地建筑室外公共空间的形态设计提供依据。

1、现场调研及实测分析

鉴于不同地域、不同时代和不同活动状态的人对风热舒适的接受范围各异,本文通过问卷调查,将人群类型、活动以及主观因素等条件补充到相应的评价标准中,使得出的结果更符合严寒地区的具体语境。

1.1现场实测

调研于2020年1月11日—2020年1月15日完成,调研地点选取典型严寒城市哈尔滨的5处广场:清滨广场、北秀广场、建国广场、太平广场和松花江沿岸广场。采用NK4500手持气象站(空气温度、风速、相对湿度)、SM206太阳能功率计(太阳辐射强度)进行现场实测,测试高度1.5m,数据记录间隔1min。在进行问卷的过程中,以手持测量仪器3min内稳定读数3次的平均值获取受试者周边物理数据。测试期间天气晴好,平均温度-18.6℃;平均风速0.49m/s;平均太阳辐射强度169.59W/㎡;平均湿度42.6%。

1.2问卷调查

受试者选定为年龄在55周岁以上的老年人群[7]。由于受试者年龄较大,大多采用访谈的形式进行调查,共发放问卷204份,记录有效问卷200份,有效率98%。问卷包含两部分内容。

一、个人信息,包括性别、年龄、身高、体重、是否长期居住哈尔滨、到广场活动的时间及频率、影响广场舒适度最主要的因素、正在进行的活动类型、衣着量。

二、受试者对目前室外环境的感觉投票,参考ASHRAE的7级热感觉标度,提出了包括室外环境的整体舒适度投票以及影响人体舒适度的主要环境参数,即温度、风速、日照和湿度的分项感觉投票[8]。

1.3结果分析

一、受试者组成:在200份问卷中,74.5%来自男性,25.5%来自女性。年龄组成上以60—80岁的老人为主,与高龄老人相比具有较好的行为能力(图1)。在所有受试者中,93%为定居在哈尔滨市的本地居民,可以较好地体现严寒地区居民的典型性。

二、活动时间及频率:受试者活动时间集中在9:00—15:00,该时段太阳辐射和空气温度较高,相比于其他时段更为舒适。在活动频率的选择上,65.5%的受试者表示每天都会到广场活动,一周活动4～6次的老年人占比25.5%。由此可见,广场的使用人群相对固定,将老年人作为目标人群具有一定的针对性(图2-3)。

三、活动类型及着装情况:老年人脆弱的身体条件导致了其运动机能的衰退,因此在广场上的活动主要表现为静类活动(休憩、聊天、下棋)和轻度运动(慢走、太极),中度运动(慢跑、跳舞、热身)和剧烈运动(球类、器械)较少,活动强度基本介于1.0～2.0met(图4)。受试者的着装情况基本相同,服装热阻(clo)较大,平均为1.65clo。

四、整体舒适度投票与分项感觉投票相关性分析,研究OCV和TSV、WSV、RSV、HSV之间的相关关系,使用皮尔森(Pearson)相关系数表示相关关系的强弱情况[9](表1),具体分析如下。

OCV和TSV、RSV之间的相关系数分别为0.424和0.308,说明OCV和TSV、RSV之间有显著的正相关关系,即温度和太阳辐射强度的升高会提高老年人的整体舒适度;OCV和WSV之间的相关系数为-0.448,说明OCV和WSV之间有显著的负相关关系,即风速的加大会降低老年人的整体舒适度,风速与整体舒适度投票的关系及拟合结果如图5-6所示;OCV和HSV之间的相关系数为0.022,且p值为0.758>0.05,说明OCV和HSV之间没有相关关系,即湿度的变化对老年人的整体舒适度基本没有影响。该结果符合问卷中关于“影响广场舒适度最主要因素”的调查结果,即64%的受试者选择“风速”,其次为“日照”和“温度”,没有人选择“湿度”(图7)。

2、低风速评价指标的确立逻辑

目前对于室外风环境的评价标准主要包括风速比、风速概率统计以及相对舒适度,但这种风舒适性仅仅考虑风应力而忽略风热作用,单纯以这几种标准对风环境进行评价,相对来说比较片面和笼统[10]。严寒地区冬季老年人对外界环境的感知主要表现为热舒适,而风速是影响热舒适的重要因素,因此本文将根据室外热舒适度评价标准,探讨一定热舒适条件下的瞬时风速值。

2.1评价标准与受试者主观感受耦合

本文以综合不同气候要素影响的TS-Givoni指标作为室外热舒适度评价标准,将活动类型、衣着等客观因素考虑其中。为了提高温度、风速以及太阳辐射强度对热舒适的影响,采用强调这三种因素作用的热感觉预测公式,回归方程为:

图1受试者性别、年龄

图2受试者活动时间

图2：作者绘制

图3受试者活动频率

图4受试者活动类型

表1整体舒适度投票与分项感觉投票相关性

表1：作者绘制注：*p<0.05**p<0.01。

图5风速与OCV的关系

图6风速与OCV平均值拟合结果

图6：作者绘制

TS=1.2+0.1115*TA+0.0019*SR-0.3185*WS[11]

其中TS:人体室外热舒适度;TA:空气温度(℃);SR:太阳辐射强度(W/㎡);WS:瞬时风速(m/s)。

本次研究选取OCV投票“适中”作为TS耦合标准。问卷调查中,选择“适中”的受试者人数为101人,占比50.5%,其所对应的TS值较为准确,同时根据该值所得出的一定物理条件下的瞬时风速,为人们可以接受的最大风速限值,其结果更有利于场地的通风。将101份样本的实测数据代入TS方程,得出在严寒地区特殊气候条件作用下,使受试者整体舒适度感觉“适中”的TS平均值为-0.46。

2.2最大风速限值的确立

将各项物理条件代入TS回归方程,其中空气温度取哈尔滨市近30年最冷月平均温度:-17.6℃[12];太阳辐射强度取哈尔滨市冬季典型日9:00—15:00平均太阳辐射强度:246.24W/㎡[13]。得出TS值为-0.46时所对应的瞬时风速为0.52m/s,该数值将作为风环境模拟的适宜风速评价指标。

3、不同建筑空间形态风环境模拟

目前黑龙江省博物馆的规模和空间形式愈加难以适应当下的布展需求,亟需改扩建设计,与既有建筑呼应,形成动态丰富的室内外公共空间。在新的时代背景下,建筑空间形态不能简单地局限于形态设计和美学考虑,技术手段的革新为场地分析、设计开展和方案评估等多方面带来新的可能[14]。为比较不同建筑空间形态的优劣,本文尝试在形体设计初期引入建筑布局对室外公共空间风环境影响研究,以期为设计决策提供科学依据[15]。

图7影响广场舒适度最主要因素投票

图7：作者绘制

3.1实验模型的建立

3.1.1几何模型

遵循任务书要求,将建筑高度设定为12m,以是否开口及开口位置作为模拟变量,初步形成A、B、C、D四种空间形态(表2)。同时,考虑到场地周边建筑体量对实验结果的影响,对其进行了几何模型的建立。本次实验中,目标计算域尺寸为160m*120m*12m,根据以往学者在相关方面的研究,将风场的作用区域设定为1200m*800m*200m[16],目标计算域相对于风场的阻塞率为0.8%。周边建筑群距离进风口100m,以保证尾部气流充分流出,增强实验结果的准确性(表3)。

3.1.2网格划分

网格划分的疏密程度决定了实验结果的准确性,在ICEM中根据不同位置需求区分为三种类型网格精度:风场采用最大值50m网格,地面及建筑模型采用最大值10m网格,建筑围合出的室外公共空间采用最大值2m网格,最终得到的网格数量在70.5～70.8万之间,根据几何模型的不同有所差异[17]。

3.2模拟实验基本参数

本文以FLUENT作为求解器,物理模型及自然风设置:实验对象基本为规则的几何形体,物理模型采用k-ε湍流模型,同时增强壁面处理。根据哈尔滨市气象资料及实测统计,将自然风风向设定为西南,初始风速3.58m/s[18]。

边界条件设置:将地面和建筑定义为滑移壁面;顶部及侧面定义为对称平面;入口边界定义为速度入口;出口边界定义为压力出口,此边界条件能够很好地解决回流出口收敛困难的问题;给定气流强度2%,粘性比5[19]。

3.3计算并分析实验结果

本次研究选择将FLUENT数据导入TECPLOT中进行数据处理和可视化表达,包括风速等值线图、风向矢量图以及舒适区分布图(风速低于0.52m/s),其中标准差样本以10m*10m网格取样(表4)。老年人的行为模式与其他年龄段人群有着较大差异,多表现为聚集型分布,因此能否形成一定规模的风舒适区成为重要判据,但其同时是非典、新冠肺炎等传染性疾病的易感人群。研究表明,阻塞的空气会大大提高此类疾病的传播风险,因此在对风舒适区进行比较的同时应重点关注场地是否具备良好的通风条件[20]。

表2建筑空间形态几何模型

表2：作者绘制

表3实验模型基本信息

表3：作者绘制

空间形态A:采用连续的建筑体量,由于封闭性较强,场地的可达性差。气流无法与周围大气流畅贯通,进而扩散到整个围合空间,虽然舒适区分布情况较好,但不利于满足场地的通风要求。

空间形态B:建筑开口设置在与风向垂直的侧面上部,场地内部空气流动性好,有效地实现了高速风的柔化和疏导,风场分布均匀,舒适区占比较高且集中,适合人们长时间停留,可在此区域布置相应活动设施。

空间形态C:建筑开口设置在与风向垂直的侧面中部,场地内风场分布不均,舒适区占比最小且分散,由于角隅风的作用形成了两个高风速涡流区,不适宜长时间停留。

空间形态D:建筑开口设置在迎风侧,舒适区占比较高且最为集中,但气流直接通过开口进入场地内部,在狭道效应的作用下,形成了一条高风速带,最高风速达到3.74m/s,会给使用者带来强烈的吹风感。

综合考虑上述分析结果,空间形态B的风环境最优,有利于形成舒适的室外活动空间,同时可达性较好,符合建筑设计的一般原则,可对其进行进一步的验证实验[21]。

表4不同空间形态冬季风环境模拟结果

表4：作者绘制

表5不同行为模式下舒适风速限值

表6不同空间形态夏季风环境模拟结果

表6：作者绘制

3.4夏季风环境验证实验

鉴于建筑形态对风环境的全时影响和使用者对冬夏风环境的需求差异[22],本文在以冬季风环境舒适度作为主导评价的基础上,结合哈尔滨市夏季气象数据进行了验证实验,自然风风向设定为南,初始风速3.44m/s。

盖塔尼(Gaitani)等在使用TS指标进行热舒适度评价时,认为当2≤TS≤5时,普通大众体感舒适[23]。将气象数据代入TS回归方程,其中空气温度取哈尔滨市近30年最热月平均温度:23.1℃;太阳辐射强度取夏季典型日8:00～16:00平均太阳辐射强度:722.78W/㎡。得到TS为2～5时所对应的瞬时风速为0.47～9.89m/s。

夏季风舒适阈的确立需要考虑风热及风应力的共同作用,20世纪七八十年代,达文波特(Davenport)[24]、劳森(Lawson)[25]、墨尔本(Melbourne)[26]、村上(Murakami)[27]陆续提出了多种行人高度城市风环境评价准则,结论各不相同,因此风环境的评价标准会因时代、地域、种族等条件的不同有所差异。索利戈(Soligo)引入统计以及概率的理念,整合之前诸多学者的研究成果,对评价标准进行了修正,成为目前国际上常用的风舒适评价标准[28]。NEN8100(2006)评价标准针对荷兰地区风环境而制定[29]。考虑到Soligo风舒适性评估准则建立在对多个不同标准的引用和整合的基础上,适应性相对更强,结合室外公共空间老年人的行为模式多表现为坐或站立,本文采用3.90 m/s作为舒适风速限值,将夏季风舒适阈设定为0.47～3.90m/s(表5)。

实验结果显示,由于寒地夏季室外风舒适阈较宽,空间形态A、B、C、D的场地中央均可形成较为完整的舒适区,风场分布均匀。综合考量冬夏风环境的均匀度和舒适度,空间形态B表现最优并将其作为设计优选模式(表6)。

4、结论

一、基于调研和实证研究,在严寒地区冬季低温的作用下,风速对老年人室外活动舒适度的影响最为明显。同时,由于东北地区气候常年干燥,人们对空气湿度的变化并不敏感。

二、人们的适应能力和主观期望导致严寒地区老年人对冬季环境的可接受程度较强,使其整体舒适度感觉“适中”的TS值远小于盖塔尼(Gaitani)研究中所对应的TS级别。

三、鉴于人体对不同季节风环境的需求变化造成冬夏适宜风速区的空间转换,本文提出基于主体使用者需求的冬夏风环境多目标优化方法,为寒地建筑形态设计逻辑提供了科学依据。

目前对于不同气候区、不同使用人群舒适度评价指标亟需精细化研究。囿于调研数据和篇幅限制,本文得出的风速限值作为普适性的评价指标尚待进一步研究。本文尝试通过风环境模拟评价作为判据优化建筑空间形态,可为建筑设计决策的科学化提供循证支持。

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基金:国家自然科学基金面上项目(51878200).