利用计算流体动力学（CFD）模拟集成设计参数对地上空间和下沉式广场的风环境和热环境的影响

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：CFD simulations of the effects of integrated design parameters on wind and thermal environments of above-ground spaces and sunken plazas

风热环境与形态参数交互作用研究：采用CFD模拟与正交实验设计，量化分析围合结构（Ls）、风ward面积比（λf）及下沉深度（S）对地面以上空间和下沉广场风热性能的影响，发现Ls对风速、风静指数和空气温度影响显著（p<0.05），λf次之，S影响较弱。建议优先优化围合结构，适当调整风ward比例，下沉深度可灵活适配。

　　

李瑞斌|王晨星|高乃平|史星|吴艳

同济大学汽车与能源工程学院，上海，201804，中国

摘要

随着城市化进程的加快，下沉式广场被越来越多地用于提高土地利用效率。然而，地上空间与下沉式广场的风环境和热环境仍缺乏深入研究。本研究采用计算流体动力学（CFD）模拟结合正交实验设计，量化了三个形态参数——围合配置（Ls）、迎风面积比（λ_f）和下沉深度（S）对地上空间与下沉式广场风环境和热环境的交互影响。结果表明，Ls对平均风速、静风比（CWR）和空气温度具有统计学上的显著影响（p < 0.05），而λ_f的影响较为中等，S的影响最小，在模拟条件下没有统计学上的显著效果。当λ_f = 0.25时，双凹型配置（L2）使平均风速比完全开放配置（L0）提高了12.8%；而L形四角配置（L4）则抑制了通风作用，使空气温度升高了约0.8°C。当λ_f = 0.50时，L0的空气交换效率降低了31.07%，L4降低了16.63%，而L2的通风效果相对稳定。增加S会进一步抑制垂直气流并加剧热量积聚。季节变化并未改变这三个设计参数的相对重要性。因此，应优先优化Ls以改善风环境和热环境；通过适度调整λ_f可以获得额外的收益，而S可能仍是一个需根据设计进行调整的参数。这些发现为地上空间与下沉式广场的集成设计以及提升微气候性能提供了指导。

引言

随着城市化的迅速发展，以交通为导向的发展（TOD）已成为当代城市规划的核心策略[1,2]。通过将地上空间与地下轨道交通系统相结合，TOD提高了空间效率和城市连通性[3]。作为地面城市区域与交通枢纽之间的过渡界面，下沉式广场因其优化城市空间结构的潜力而受到越来越多的关注[4]。图1展示了下沉式广场的示意图。然而，随着下沉式广场的空间配置变得越来越复杂，通风不足和热量积聚等问题也日益严重，导致局部微气候条件恶化[5,6]。因此，协调地上空间与下沉式广场的集成设计策略对于改善微气候性能至关重要[4,7,8]。

先前的研究表明，下沉式广场的半封闭几何形状会抑制风速并促进停滞空气区的形成[9,10]。形态和结构参数对微气候条件有决定性影响[11][12][13]。周围建筑物形成的更多围合会显著降低下沉式广场内的风速[14]，而在空间接口处增加开放性可以提高通风效率和气流均匀性[10]。在夏季弱风条件下，下沉式广场内的风速可能降至地面风速的30%以下[9]。因此，建筑布局和风道设置等因素是通风性能的关键决定因素[8,15]，优化这些空间关系可以显著改善整体微气候质量[4]。下沉式广场的热环境也表现出明显的时间和空间变异性，主要受太阳辐射和相邻建筑物遮挡的影响。在夏季炎热的地区，下沉式广场的空气温度通常高于附近的地上空间[9]，增加下沉深度会通过限制空气循环进一步降低风舒适度[4]。相比之下，在冬季，半封闭配置往往会导致空气温度高于周围开放区域[9]。此外，引入城市绿化[16,17]和水体元素[18]已被证明可以有效调节微气候。

要提升下沉式广场的微气候性能，需要一种综合考虑地上空间与下沉区域之间耦合关系的整体设计方法。众多研究强调了包括周围建筑布局、围合配置和局部气候条件在内的相互作用变量在控制通风和热量保持方面的重要性[19,20]。建筑孔隙率（φ）对气流和热量积聚有显著影响：开放布局（φ ≥ 0.6）的通风效率比封闭布局（φ ≤ 0.3）高约20%，从而可将表面温度降低约3.2°C。街道纵横比也应与主导风向协调；接近1的纵横比，加上与街道轴线平行的风向，通常与最佳通风性能相关[21]。迎风面积比（λ_f）对通风的影响是非线性的[22]。当λ_f从0.125增加到0.5时，总体通风率降低了约42%。在高密度城市环境中，建议将λ_f保持在0.25-0.33范围内，以平衡土地利用效率和通风性能[23]。此外，街道入口的配置会显著影响下沉式广场内外的气流[24]。对双向和四向交叉口的计算流体动力学（CFD）模拟表明，增加建筑覆盖会显著抑制风穿透；当λ_f达到0.25时，街道入口处的风速可能降低约35%，下沉式广场内的气流可能减少超过45%。半封闭形态会进一步限制行人水平的风速[25]。总体而言，这些发现突显了φ和λ_f作为维持紧凑城市形态中有效气流的关键设计因素的重要性[25,26]。

关于下沉式广场微气候性能的现有研究主要依赖于现场测量[9]和CFD模拟[4]。这些研究表明，下沉式广场的方向和空间布局对通风效率和空气温度分布有显著影响[4]。然而，大多数以往的研究仅考察了单个参数，如下沉式广场的大小[9]或入口配置[27]，而地上建筑布局、迎风面积比和下沉深度之间的交互作用尚未得到充分探索[28]。因此，地上空间与下沉式广场对微气候条件的综合影响尚未被充分理解。下沉式广场内的微气候受到周围建筑物的强烈影响，这些建筑物改变了风速、风向和热场。尽管存在这种相互依赖性，但同时考虑地上空间与下沉式广场的集成设计策略仍然有限，相关协同效应也尚未得到全面描述[4]。由于CFD模拟能够精确控制几何参数和边界条件，因此它为量化空间变量对微气候性能的影响提供了可靠的方法，特别适合研究和优化地上空间与下沉式广场的耦合风环境和热环境[29,30]。

在本研究中，CFD模拟与正交实验设计相结合，研究了三个关键形态参数——围合配置、迎风面积比和下沉广场深度对地上空间与下沉式广场风环境和热环境的影响。该研究通过定量评估这些参数对通风效率和热分布的交互作用，填补了这一重要空白。通过分析行人水平风速、空气交换效率、风舒适度和空气温度等指标，阐明了下沉式广场中气流和热量传递的机制。基于这些发现，提出了优化地上空间与下沉式广场集成设计的策略，以改善微气候性能。

几何模型和边界条件

下沉式广场的风环境和热环境主要受周围建筑物布局和广场本身的几何形状的影响[31,32]。在相关变量中，地上建筑的围合配置（Ls）在调节气流和空气温度分布方面起着关键作用。本研究选择了三种配置进行分析：（i）开放型布局（L0），代表没有周围建筑物的完全开放状态；（ii）

地上空间配置的影响

本节基于表1中的第一组案例，探讨了地上空间配置对下沉式广场风环境和热环境的影响。图5（a）显示了不同Ls和λ_f条件下的风速变化。与开放型配置（L0）相比，L2和L4配置均使平均地上风速提高了约10%-20%。在L2配置中，平行建筑物之间形成的风道促进了气流的定向流动。

讨论

本节采用正交实验设计[58,59]来量化三个设计参数（即Ls, λ_f, 和 S）对风环境和热环境的相对影响。使用了两种互补的统计方法：范围分析（RA）和方差分析（ANOVA）[60,61]。RA通过计算每个因素水平的平均响应值并计算最大值与最小值之间的差异来评估系统性能对每个因素的敏感性。

局限性与未来工作

本研究加深了对地上空间与下沉式广场集成设计如何影响风环境和热环境的理解。它提出了优化的设计策略，并通过定量评估关键设计参数对通风效率和热分布的交互作用，填补了一个重要的知识空白。然而，也应认识到一些局限性。首先，分析依赖于稳态CFD模拟来研究这些因素的影响。

结论

本研究利用CFD模拟研究了三个关键设计参数——围合配置（Ls）、迎风面积比（λ_f）和下沉深度（S——对地上空间与下沉式广场风环境和热环境的影响。RA和ANOVA的结合使用使得能够定量评估每个参数的贡献，为下沉式广场设计的微气候优化提供了系统框架。主要结论如下：

(1)

围合

CRediT作者贡献声明

李瑞斌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，方法论，数据分析，概念化。王晨星：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，方法论，概念化。高乃平：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件使用，资源获取，概念化。史星：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件使用，资源获取，调查。吴艳：撰写 – 审稿与