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探究建筑物理环境分析及微改造对城中村发展的影响

2020-04-01 323 上传者：管理员

摘要：近些年来，城市更新理念越来越被社会各界所重视,但城中村作为城市发展的顽疾却一直未有明确可靠的更新模式,其明显滞后于城市发展的现状,导致了环境恶劣的问题。鉴于此，本文站在物理环境的角度，对广州某城中村整体的物理环境进行了一次软件模拟分析,选取了其中具有代表性的建筑原型,并以最不利为原则挑选了其中的一栋建筑,对其室内物理环境进行了详细的分析，最终以微改造的原则提出了一系列的改善措施,如调整开口,增加通风器、导风板、反光板等,旨在改善城中村居住环境,为城中村改造提供一定参考。

关键词：
城中村
微改造
物理环境
软件模拟
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城市在发展过程中为利用成本较低的空地,刻意避开附近的农村,结果形成混杂的城乡二元结构^[1]。随着城市化进程的推进,越来越多的人口进入城市。由于人口急剧增加,以及业主的认识不足,城中村的建筑物理环境往往存在很大问题,表现为:建筑密度高、违建建筑多、布局混乱、采光通风不良。

尽管对城中村的各种负面评价兴起,作为“城中村”一大特色的出租屋经济在维持村民生存供给上起到了很大作用^[2]。一系列清理措施并未取得显著实效,反而城中村在提供廉租住房、降低城市发展门槛等方面的作用逐渐被证实。于是学术界开始反思城中村存在的客观性和长期性,探寻低成本、少影响、小尺度的方法,回避高额的拆建费用及可能带来的城市问题^[3]。

文超、杨新海等人对现有的几种城中村改造模式进行总结,分别指出其优劣,并认为“小规模、低成本、点介入、阵扩散”的“城市针灸”^[4]可以在可控的时间、空间、成本、机制下落实具体措施是各方都易于接受的现实策略^[5]。胡靓、李志明等人对学术界近十几年来对城中村问题的研究做了很好的综述,总结了目前学术界的研究开始向微观层面深化,针对城中村改造住区中的部分功能空间开展相关研究^[6]。同时一部分学者在生态环境关系方面的深入思考,开始关注建筑物理层面上的问题^[7]。

本文按由大到小的尺度,先对广州城中村黄埔村整体的物理环境进行软件模拟分析,再选取其中具有代表性的建筑类型,分析其室内物理环境,针对分析中发现的问题提出一系列改善的措施。通过微改造的形式,可从一定程度上改善城中村居住环境,为城中村改造提供一定参考。

1、城中村整体物理环境分析

本文以广州市黄埔村为例,从风热环境和光环境三个角度对城中村进行模拟,分析城中村存在的问题。

1.1 风环境分析

利用PHOENICS软件导入气象文件,对黄埔村夏季典型日的整体风热环境进行模拟分析。从风环境模拟可以看出,由于建筑的遮挡,风进入城中村内部后风速明显降低,局部风速低于0．5m/s,甚至出现多个静风区(见图1)。较少的开阔区域的风速明显更舒适有1.2m/s,但由于狭管效应,也存在局部风速达到2m/s。

图1　黄埔村整体风环境模拟

总体来看,黄埔村建筑布局混乱,相互遮挡形成了非常复杂的室外风环境,且密度过高,导致大部分区域风速偏低,对室内通风造成不良影响。

1.2 热环境分析

从热环境模拟结果从图2可以看出,黄埔村整体温度变化呈现由上风向到下风向温度逐渐升高的规律(见图2)。建筑受太阳辐射升温,风将热量吹到下风向,因此迎风向温度较低(大部分在35℃左右),下风向温度较高(部分达到40℃)。部分区域由于风速偏低,导致热量累加,使得温度较高。同时城中村硬地率偏大,不利于良好的散热,导致严重的局地热岛现象。中部通风不良的区域的温度比旁边温度高了大约3℃。

图2　黄埔村整体热环境模拟

1.3 光环境分析

将模型导入软件Ecotect,计算夏季日平均日照时长模拟结果。从图3可以看出,黄埔村整体光环境质量较低,除了少数开阔地段和临街的建筑能得到较好的日照条件,其余大多数建筑因为布局混乱,紧贴周围建筑,导致相互遮挡,采光情况较差,夏季日平均日照时长在1.5h左右。

图3　黄埔村整体光环境模拟

根据上文对黄埔村物理环境的分析,黄埔村的风环境、热环境及光环境均存在较严重的问题。主要原因在于建筑密度过高,布局混乱,建筑相互遮挡,从而导致通风不畅,日照时长短。同时绿化率太低,导致局地热岛现象。

但城中村是在经济利益的驱动下缺乏引导而形成的既有问题,是多种条件综合形成的结果,强制性的拆迁会引起其他方面的问题,可行性不高。因此需要一种可行性更高的,渐进式的改造方式使城中村的环境更加宜居。目前城中村内部居住有大量的人口,尽管问题很难解决。应当通过对典型建筑分析,研究小尺度下的优化方法,从而推广给更多的城中村居民。

2、典型建筑类型分析

经过调研,黄埔村62.51%的建筑为出租或出租和自用相结合的出租房,多为3层以上,6层以下。选出以下较有代表性的三类典型建筑,图4为自用的住宅,图5为出租和自用相结合的出租房,图6为完全用作出租的出租房。

图4　自用住宅平面图

图5　出租和自用相结合的出租房

图6　完全用作出租的出租房

从这三个典型建筑的平面图可以看出,自用的住宅室内布局有考虑到居住的舒适性,房间开间较大,且建筑中间设置了天井,对室内的采光和通风都起到积极的作用。用作出租的住宅,房东为获得更高收益,建筑室内通常是以一条内廊串联多个房间,尽可能划分出更多的单元,每个房间的尺寸都偏小,居住舒适度非常低。

占总量最多的典型建筑的平面设计却非常不合理(见图5、6)。这种布局带来了以下几个问题:建筑内部无法形成穿堂风;建筑进深较大,除了窗口附近,其余大面积区域采光不足;平面设计不考虑舒适性,甚至厕所位于上风向,给室内带来臭气。

对比三个典型建筑在城中村中的位置,选择所处位置最不利的建筑进行模拟分析(见图5)。如图7所示,该建筑被周围建筑包围,即不临街,周围也没有开阔的场地。为了真实反映城中村复杂的室外风环境,选取典型建筑及周边建筑作为模型,对室内通风与采光进行更细致的模拟分析。

图7　典型建筑的位置与周边条件

3、典型建筑优化策略

典型建筑的室内风环境模拟结果表明,室外风速由于周边环境的影响普遍偏低,但也在0.5m/s以上,而建筑内部由于布局不合理,使得进入室内的风速出现明显降低(见图8)。室内风环境更加恶劣,大面积的风速低于0.05m/s,几乎没有风。靠窗部分的风速稍好,达到0.12m/s。偏低的风速会使得室内空气龄偏高,内部换气受阻,建筑容易发霉,不利于居住者的身体健康。

图8　典型建筑室内风环境模拟

通过上文的分析和模拟,造成室内物理环境较差的原因在于:室内布局阻碍了穿堂风,室外风速偏低,建筑进深较大。基于低成本、低影响的优化原则,可以采取以下的改善措施。

3.1 调整开口与增加通风器

自然通风最常用的装置是可开启的窗户,但由于开窗通风受到自然条件和环境的影响,并可能会给人的舒适性带来影响。而使用自然通风器可以在通风时能防止雨雪、昆虫、噪音、砂粒进入室内;通风不受时间、季节限制即使室内无人、睡眠情况下都可放心使用^[8]。自然通风器的种类分为墙型通风器和窗(门)型通风器。可视房间的布置不同,设置在外墙、外窗或阳台门上。

在这个建筑中可以采用门型通风器来制造房间之间的通风,在模型中将通风器简化为一个小开口进行模拟,并调整了北面开窗位置。如图9所示,原来的室内大部分面积风速为0.05m/s。通过加通风器和调整窗户位置后,形成穿堂风,室内风速有了较大改善。室内风速为0.05~0.3m/s,大部分区域的风速达到0.12m/s以上。证明只需经过合理的微改造就可以对室内风速起到良好的改善作用。

图9　微调开口、增加通风器后的风环境

3.2 加导风板

对建筑细部的进一步设计,可以充分利用外部条件来改善室内物理环境^[9]。比如利用导风板(wingwall)可以改变建筑周围的正、负压区,从而改变气流方向,引导气流穿过平行于风向的窗口。在这个建筑中,北面和东面房间可以通过设置导风板的方式来增加室内风速及改变风向。在增加通风器的基础上,通过试验,并调整导风板的位置,得到模拟结果(如图10所示)。室内风速有了明显增加,原本风速接近0m/s的区域,增加导风板后风速增加到0.12m/s,即起到将风引导至更深处,消除通风死角的作用。同时,微改造后使原本从厕所往客厅吹的风向转变为由客厅吹向厕所。

图10　增加导风板后的风环境

3.3 室内光环境分析与优化

将模型导入ECOTECT。从光环境模拟可以看出,建筑受周围建筑遮挡情况较为严重,其中,低楼层受影响更大。以2层平面为例,做采光系数模拟,结果表明,平均采光系数为1.12%,窗边区域采光系数为7%,远离窗边区域的采光系数约为0.5%(见图11)。根据中国GB50033—2013《建筑采光设计标准》^[10],住宅建筑的卧室采光系数不应低于2%。可见,室内的采光系数明显偏低且不均匀,房间较深处采光不足,窗边区域采光系数偏高,会产生不舒适眩光。

图11　典型建筑室内光环境模拟

针对这种情况,可以在窗口采用遮阳反光板,模拟结果如图12所示。在不影响室内整体采光的前提下,将部分光线反射到天花板,从而使窗口采光系数得到较为明显的降低,并使光线从窗口到室内深处得到较为平缓的过渡。　　

图12　增加反光板后的光环境

除了设置反光板,还可以利用其他反射面将阳光经反射后引入室内,避免过于强烈的直射光。譬如窗洞的处理,将窗台做向下斜角处理,形成光线的过渡,有利于减弱眩光,并且能够增加地面反射光线的进入;利用出挑的构件遮蔽窗户表面,与窗台、反光板做成一个整体。

政府曾多次开展针对室外空调机的整治行动,消除老旧空调室外机可能坠落的安全隐患。那么可以将以上增加导风板与反光板的改善措施与政府行动相结合,在整治空调室外机的同时安装导风板与反光板,既能消除安全隐患,也能改善室内舒适度。

4、结语

城中村问题已经有许多学者从城市、建筑、经济等多方面研究过。但多年来的实践证明,城中村问题是综合多方面的因素自发形成的,短时间内很难解决。在问题没得到解决前,如何以当地居民能承担的方式,改善城中村居民的生活环境质量就成为很有意义的研究。

本文以黄埔村为例,从大尺度的整体再到小尺度的单栋建筑,分析城中村的物理环境。发现城中村物理环境差的主要原因在于建筑密度过高,布局混乱,建筑相互遮挡,从而导致通风不畅,日照时长短,同时绿化率太低,导致局地热岛现象。发现造成室内物理环境较差的原因在于:室内布局阻碍了穿堂风,室外风速偏低,建筑进深较大。最后,提出一系列改善措施,如微调窗户开口,增加通风器,导风板,反光板。以软件模拟的方式,证明这些措施的可行性。

改善措施以低成本,少影响,小尺度为原则,通过对典型建筑的分析,起到以点带面的作用,可以推广给人口众多的城中村居民。

参考文献:

[1]仝德,李贵才.运用新制度经济学理论探讨城中村的发展与演变[J].城市发展研究,2010,17(10):102-106.

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[3]娄云.深圳市下沙村物理环境优化设计研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012.

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[5]文超,杨新海,文剑钢,等.基于“城市针灸”的城中村有机更新模式探究[J].城市发展研究,2017,24(11):43-50.

[6]胡靓,李志民,沈莹.建筑空间视角下的国内城中村改造研究综述[J].华中建筑,2017,35(3):8-12.

[7]冯福亮.生态适宜技术在“城中村”改造中应用研究[D].长春:吉林建筑大学,2018.

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[9]龙卫飞.建筑创作中节能设计的运用[J].建设科技,2010,(4):86-87.

[10]GB50033—2013,建筑采光设计标准[S].2013.