旧城更新中的气候适应性及计算机模拟研究_以武汉汉正街为例

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旧城更新中的气候适应性及计算机模拟研究

李保峰 高 芬 余 庄

旧城更新中的气候适应性及计算机模拟研究＊

——以武汉汉正街为例

李保峰 高 芬 余 庄

【作者简介】

李保峰（１９５６－），男，华中科技大学建筑与城市规划学院教授，博士生导师。

高芬（１９８２－），女，华中科技大学建筑与城市规划学院硕士研究生。

余庄（１９５１－），男，华中科技大学建筑与城市规划学院教授，博士生导师。【修改日期】２００８－０６－１１

【文章编号】１００２－１３２９（２００８）０７－００９３－０４【中图分类号】ＴＵ９８４．１１＋４【文献标识码】Ｂ１ 研究综述

城市作为一门复杂科学涉及面极广，在政治、经济、社会、交通、景观等具有重要及显性影响因素面前，气候问题始终处于次要地位。工业革命之后，随着技术的发展及人类改造环境能力的提高，城市规划及城市设计中对于气候要素的关注越来越少。近３０年来，随着人类生存环境的恶化、生态意识的增强和对城市可持续发展更加深入的科学理解，尤其是传统聚落研究的新成果，使得城市及建筑学者开始关注气候对城市空间环境的影响。

建筑本是“必要的恶”，如何在城市设计中引入气候条件，最大限度地减少因建设而对原有环境造成的破坏和降低城市热岛的负面影响成为城市设计的一个新的关注点；另一方面，如何检验城市设计的气候适应性也成为检验城市设计的重点和难点。

如今，计算机模拟在可持续设计中的广泛、深入应用已成为不可逆转的潮流，并且在很大程度上影响了可持续设

计的水准，借鉴和利用计算机技术推动城市设计向可持续化的方向进步，已成为许多规划及建筑学者的共识。

流体力学的软件模拟是建筑数字化的一种体现，它将现实存在的或城市设计中的城市空间转化为数字模型，借助相应的软件，在边界条件正确的前提下便可从气候适应性角度对其做出评价。

本文以武汉汉正街旧城区改造为例，探讨城市改造中面临的气候适应性问题及其在城市节能问题上的潜力及意义。

武汉位于江汉平原东部、长江与汉水交汇处。该地区属亚热带湿润季风气候，雨量充沛，四季分明。市区盛夏潮湿炎热、冬季湿冷，属典型的冬冷夏热地区。这种典型的气候特征主要由特定的地理气候条件决定，而因城市空间形态及城市界面导致的城市热岛效应则加剧了夏季的负面影响。

本研究以旧城区的城市空间改造为对象，针对城市空间、城市界面、绿化系统与城市空间的关系进行了一系列的模拟，在量化研究的基础上以期提出更好、更合理的城市空间设计思路，达到降低城市热岛效应、改善城市热环境的目的。

２ 计算机模拟参数设置

模拟软件Ｆｌｕｅｎｔ　ａｉｒｐａｋ是面向工程师、规划师和建筑师的专业人工环境系统分析软件，特别是ＨＶＡＣ（空调设备）领域。它可以较为精确地模拟所研究对象的空气流动、传热和污染等物理现象，可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，并依照ＩＳＯ　７７３０标准提供舒适度、ＰＭＶ、ＰＰＤ等衡量室内空气质量（ＩＡＱ）的技术指标。

据武汉气象台、气象局及华中科技大学建筑与城市规划学院绿色建筑研究中心多年记录的气候信息，我们在本次研究中设置了下述基本数值：

（１）地理环境：武汉，北纬３０．６°，东经１１４．３°，海拔２３ｍ，时区东八区，计算月份为８月１日（夏季炎热是武汉气候的主要矛盾之一）；

（２）气象资料：选取夏季东南风为主导方向，空气温度３２℃，风速１５ｋｍ／ｈ；

＊　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０５７８０６７）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（２００６０４８７００８）。

实例研究C a s e S t u d i e s

VOL.32 NO.7 JUL.200894

２００８年　第３２卷　第７期城市规划　

CITY PLANNING REVIEW

能复杂，既有商业又有居住；汉正街建筑密度低但容积率

高。这些现象对讨论多种因素对城市形态之影响具有典型

意义。

本研究区域西起利济南路，东到友谊南路，南临沿河大

道，北至中山大道（图１）。　经调研发现，汉正街的城市空

间形态具有如下特点及矛盾：

（１）城市空间形态特点。

该区域大致可分为两部分：以多福路为界，东部建筑层

数低、密度高，商业门点集中于主巷道，街道狭窄，部分地

段仅能容单人通过；多福路西侧住宅集中，商铺较少，街道

宽阔，商业气氛不浓。近期新建的高层商业楼零星分布在道

路转角，第一大道改变了汉正街道路狭窄的格局。

（２）城市空间形态与商业模式及气候适应性的矛盾。

汉正街始于明朝①，其时生产力低下，长距离运输以水

运为主，转运则依靠扁担，土地资源的稀缺与运输方式的简

陋导致了汉正街有特色的空间形态。在运输方式发生根本

改变的当今，汉正街陷入两难困境：是保持传统城市肌理特

色而任商业利润大幅度外移②，还是改变传统城市肌理，以

适应大运量、快节奏的现代小商品交易模式？前者保持了特

色却断了财源（城市肌理固然有特色，但质量低下的“滚地

龙”却全无旅游价值），后者保证了收入却失去了记忆。

低层高密度的建筑形态、质量普遍低下的住宅及狭窄

的城市街巷导致区域内普遍通风采光不佳，从城市防灾角

度审视，更是隐患重重（图２、图３）。

通过对汉正街的调研、实测和模拟，我们发现，夏季白

天街道温度通常在４０℃左右③，街内气流不畅，滞留时间长。

位于夏季主导风向上的江河对其下风向部分建筑有降温作

用，第一大道的开通将夏季风导入城区使得主道路上的温

度较其他区域低，部分空地的温度也较低。

图１　汉正街研究区域

Fig.1 Research area of Hanzheng Street

图２　实地调研情况

Fig.2 Site investigation

图３　建筑分布状况

Fig.3 Distribution of buildings of different density

图４　汉正街道路交通现状

Fig.4 Transportation system of Hanzheng Street （３）模型创建：将ＣＡＤ模型转化为ＣＦＤ模型，设置相

应的属性，建筑区域为ＢＬＯＣＫ，江湖为ＯＰＥＮＩＮＧ；

（４）初始条件：将武汉的经纬度、计算月份、时间、太

阳辐射、初始温度等作为初始条件，设置湍流物理模型为混

合对流模型来模拟大气流动；

（５）材质设置：在创建的ＣＦＤ模型中，因为采用的是区

域化建模，不同的区域在模型的表示中只有体量关系，无法

表现实体的表面性质，故要在每个ＢＬＯＣＫ中根据具体情况，

取各参数在本地块中的综合平均值；

（６）

模拟过程：建立计算机模型，

输入地理气候条件

和气象资料，

设置计算网格，

便可得到该空间的空气温度、

辐射温度、风速及空气龄等数值。

３ 汉正街现状分析

汉正街地理位置特殊，

南临汉水，

东接长江

；

汉正街功

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４ 基于气候适应性的改造建议

通风排热是改善城市热岛的有效措施。城区通风有两种方法，一是引风，二是造风。引风的方法可以在一些传统城市中看到④，与当地夏季主导风向基本一致的街道导致的城市格局，有利于加强市区与郊区的热交换；造风的基本原理是制造区域温差，温差导致压差，压差导致区域之间的空气流动。制造低温区的最有效方法是种植成片树林，植物自身的生长和叶面的蒸腾作用均需消耗大量热量而导致降温，成片树林的作用尤为明显。

汉正街没有大面积绿化的可能，但其地理位置却十分有利于引风，可将夏季主导风向上的、相对凉爽的江风引入城市环境，加速空气流动。

汉正街的现状道路如图４所示，目前狭窄街巷内多为低速、竖向的管状气流，缺乏足以穿越建筑物的量大、质好的气流。若将部分干道拓宽，引风入城，则有可能实现良好的通风。

４．１ 改造区域一

研究表明，垂直网格布置道路不利于导风，而树枝状或漏斗型道路网则有利于通风；高层建筑可改变风向，其侧的空地可加大风量。依此原理，本研究尝试将汉正街内部的部分街道拓宽，在夏季主导风向上形成连续的通风廊，来自江边的风自然成为调节汉正街小气候的重要因素（图５）。

模拟计算显示（图６－图８），经过改造的道路将风引入区域内部，来自江边的凉风将道路的温度降低，并辐射到周边区域。经济上，风口处的高层建筑足以对因道路拓宽而减少的建筑面积进行补偿。但模拟图也显示，高层建筑背风面的通风受到一定的影响，管状效应对于风速的加强作用也有

图６　现状风速

Fig.6 Wind speed before renovation

图７　改造后风速

Fig.7 Wind speed after renovation 图８　改造前后温度

Fig.8 Temperature before and after renovation 图９　道路拓展

Fig.9 Road expansion

限，因此，有必要综合探讨路宽、路长、引风口的尺度和形状之关系。

多福路以东建筑密集，通风极差，是本次改造的重点。根据现有道路结构，建议拓宽一条由南至北的道路（图９），同时梳理区域内部道路走向，使其引导风深入区域内部，同时预留部分广场，在改善小气候的同时还可以提供物流集散空间和人员休闲场所。

温度模拟（图１０）显示，经过改造的道路附近区域空气温度大约为３２℃～３５℃，

而不通风的区域空气温度约３８℃。

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图１１　改造后的区域风速

Fig.11 Regional wind speed after renovation

图１０　改造后的区域温度

Fig.10 Regional temperature after renovation

图１２　商住楼布置意象

Fig.12 Layout of office-residential buildings

图１３　商住楼改造前后温度比较

Fig.13 Outside temperature of office-resi-

dential buildings before and after reno-

vation

改造后的区域通风效果更好（图１１），开敞的外部空间在顺

应风向的情况下，也有利于低温空气渗入区域内部。

４．２ 改造区域二

此地块临沿江大道，周围高层林立，部分狭窄的巷道严

重影响交通，并间接影响了店铺的经营。建议在此区建设３

座高层商住楼，以改善当地居民恶劣的居住条件，而批发经

营则借鉴适应现代运输模式的义乌经验，设置空间相对集

中、交通顺畅的高效批发市场（图１２）。模拟比较图片显示，

该区域改造后温度有所降低（图１３）。

５ 结论

通过对汉正街现状及其热环境的模拟分析，本研究提出

两种更新方法：一是调整道路结构以形成城市通风道，二是

在保证不减少建筑面积的前提下，调整建筑形态。两种方法

均有利于在提高商业运行效益的同时改善区域环境微气候。

旧城区改造涉及面极广，社会、经济、政治等因素往往

是主导因素。随着生态城市研究的深入，人们逐渐发现区域

微气候对城市节能的重要性，但传统的绘制红绿箭头的方

法难以保证其规划在气候适应方面的科学性，因此，在前期

规划中运用计算机模拟具有重要的现实意义。

注释（Ｎｏｔｅｓ）

①　明万历年间长江与汉水交界处即已形成码头市镇，清康熙

年间成为汉口正街。

②　汉正街市场交易额的全国排名从１９９０年的全国第一沦为

２００７年的第八，目前排名第一的义乌因其没有传统城市

肌理的“包袱”，其空间形态具有明显的效率导向特色。

参见：刘君怡．武汉汉正街商住混杂问题研究．华中科技

大学硕士论文，　２００６。

③　离地面１．５ｍ处。

④　如苏州及成都老城。

参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）

１　余庄，张辉．城市规划ＣＦＤ模拟设计的数字化研究［Ｊ］．城市规划，

２００７，（６）．

２　李

．计算流体力学（ＣＦＤ）在可持续设计中的应用［Ｊ］．建筑

学报，２００４，（８）．

８　蔚芝炳．旧城整合进程中的大规模改造与小规模更新［Ｊ］．安

徽建筑工业学院学报，２００５，（６）．

９　单霁翔．从“大规模危旧房改造”到“循序渐进，有机更新”

——探讨历史城区保护的科学途径与有机秩序（下）［Ｊ］．文物，

２００６，（７）．

１０　张卫宁．武汉汉正街改造中的“鳝鱼现象”思考［Ｊ］．中国房

地产，１９９９，（７）．

１１　林宪德．湿热气候的绿色建筑［Ｍ］．台湾詹氏书店，２００３．