华东建筑集团股份有限公司；上海现代建筑装饰环境设计研究院有限公司 200041
摘要：将计算机软件模拟技术引入绿色建筑项目景观设计的研究过程中，利用计算机软件模拟数字物理模型，对其进行景观方案可视化分析、对场地排水、日照等对植物种植的影响分析以及场地微气候的营造分析等，实现全方位、全过程的设计效果模拟、可行性验证及在各种工况及设定参数变化条件下进行合理性分析，选择最优化方案，满足绿色建筑设计的认证要求，人体舒适性和环境景观效果要求、满足植物生长要求等多个不同层面需求，探索应用科技手段辅助、指导景观设计研究的新途径。
关键词：场地微气候；计算机软件模拟；景观设计
1 前言
随着城市建设的发展，人类对于生活的环境质量的关注也日益增加，生活在大都市的人们充满了对美好的自然环境的向往，但更多的时候是希望在钢筋水泥的森林里有一方舒适宜人、景观优美的小天地，因此对于场地微气候的研究开始兴起。由于场地微气候的形成是一个庞杂的体系，一项多学科、多领域的交叉研究课题，国内外的专家和学者往往通过实验、观测、访谈、模拟等各种方法，进行研究。[1]也已经形成了一些公认的评价场地微气候的理论数值体系，以及对于材料、植物的模型参数设置，积累了一定的经验，并通过实测及模拟对比，验证了其可靠性，从而使得这个领域的研究得以不断推进。
场地微气候是空间形态的视觉感受、生理感受、心理感受的结合体，其最基本的特征是具有一系列的物理环境要素，在昼夜四季的时间变化中，包括风、湿、热、光等要素，它们可独立或叠加作用于户外环境。[2]从目前来看，与其密切相关的景观设计专业的研究还刚刚起步，但已经成为国家自然基金项目和专业学术领域关注的重点。笔者的此次研究，希望通过人工元素，如植被、水体、建（构）筑物等影响或部分影响场地及空间内部的气候变化幅度，控制或改善微气候条件，从而改变人体对场地微气候的生理感受。
2研究简介
2.1 研究方法
借助计算机软件建立数值模拟模型，通过数值模拟一系列的物理环境要素，在昼夜四季的时间变化中，包括风、湿、热、光等要素，以及其独立或者叠加作用于户外环境后，形成的场地微气候状态。在理性认知场地的物理空间特性和人体舒适需求差距之后，通过景观设计的方法改善和优化，使之高度契合，成为真正量身定制、因地制宜的景观设计。
2.2研究案例的选择
本文选择的案例位于上海市中心城区边缘的一幢新建办公楼。基地面积：66091平方米，建筑面积27629平方米，按照绿色建筑二星设计标准。项目的规模、位置、使用功能具有一定的典型性，同时建筑的形体复杂，也形成了场地中丰富的空间形态和微气候，使用者对舒适性体验要求也较高，使得这个项目成为理想的研究案例。
2.3应用软件的选择
国内外在场地微气候领域的计算机模拟软件主要有Fluent、CFD、ENVI-met、Phoenics等十余种，模拟对象分别为风流场、风热环境、日照环境、热能、辐射分析等[3]。本次研究选用的为：Phoenics，世界上第一套计算流体与计算传热学商业软件，模拟对象为风环境、热环境；DesignBuilde，英国公司开发的建筑模拟软件，通过与美国环境部开发的建筑能源模拟程序EnergyPlus实现连动，模拟对象为自然采光；CFD60，高效能的计算仿真工具，可自行定义多种物理模型，模拟对象为雨水。
2.4工况与参数设置
2.4.1风环境工况：
注：植被统一设置为多孔介质（Foliage）。
2.4.7几何模型参数设置
分析模型包括本项目内所有建筑，模型的计算区域：1200m?1200m?120m（长?宽?高），其中1.5m高度区10个网格；按原尺寸1：1建模，乔灌木简化为树冠等直径和高的圆柱体；另外其他参数：地貌α=0.22，有效粗糙高度0.03m，k-E模型，二阶中心差分格式；
2.5模型状态设置
2.5.1初始模型设置
建筑按照实际形体和表面材质，稍作简化后建模，如图1左；场地红线范围以内除建筑以外，按照规划要求，布置车行道和步行道、入口广场、消防通道和人活动的硬质场地，铺装材料按照普通混凝土路面建模；满足30%绿地率要求的场地面积按照草坪建模。
2.5.2改良模型设置
建筑模型不做修改，场地内的绿地范围，按照常规景观设计的方法，进行乔木、灌木和地被的配置，乔木和灌木简化成圆柱形模型，地被简化成矩形模型，同时根据景观效果，考虑在绿地中设计部分的水体，由此形成改良模型，如图1中。
2.5.3优化模型设置
建筑模型同样不作修改，将改良模型中存在微气候不良的区域或者人活动最频繁的区域若干处，进行网格放大，调整下垫面材质、绿化种植的形式、水面的位置等等，来建立局部放大模型如图1右。
图2
（3）场地内排水比较顺畅，模拟十年一遇暴雨降水时，没有出现明显的积水区域，场地内的积水可以及时排完。
（4）场地室外区域年平均日照满足大部分植物进行光合作用的光补偿点下限，无长期建筑阴影区域。
根据以上数值模拟，可以基本得出场地的微气候特征，以及可以进一步改善的内容：夏季热环境、风场漩涡区和静风区。
3.2景观设计对场地微气候的重要性分析
按照通常的景观设计方法，进行初步的道路、广场布局、种植设计和水体、下垫面铺装设计以后，建立改良模型。将改良模型的微气候数值模拟与初始模型模拟结果进行比较，能够清晰地看到差别：
3.2.1热环境分析：
夏季平均气温最高月下午14：00 场地表面最高温度45℃，降低了3℃，高温分布区域明显减少；人行高度（1.5m）最高温度降低了2℃如图3左，环境的舒适性有明显提高；
区域1、区域2、区域3为使用者经常活动的区域，模拟显示平均温度相对比较高，如图3右。将在下一步优化模型中，通过区域1 下垫面的调整、区域2增加水景、区域3增加植物，观察具体景观设计要素对场地微气候的影响。区域1、区域2、区域3局部放大的初始与改良热环境模拟对比。
图3
3.2.2风环境分析：
首先把周边环境的基本体量模型建立起来，再加上项目本身的方案模型，根据当地的气象数据，进行风环境模拟分析，得出空气的流动形态，然后再进行设计调整。风环境模拟分析主要内容包括：风速和风压。（通常认为人体决舒适的风速<5m/s）［4］风速：冬季西北风，最大风速3.0m/S作用下，风场均匀，风速最高2.18m/s，如图20。夏季东南风，平均风速3.4m/S作用下，风场均匀，局部旋涡区以及静风区的范围明显减少，基本位于人不会进入的V型凹区。
根据以上对比分析，可以看出景观设计的铺装、水体特别是绿化种植等因素对于场地的总体微气候改善有明显影响，特别是热环境和风环境。因此，景观设计的重要性毋庸置疑。
3.3景观设计要素对于场地微气候的影响
3.3.1 下垫面铺装材料对场地热环境的影响
城市热环境问题主要是由城市下垫面改变导致城市地面长波辐射能量的变化，以及人类自身生产、生活所释放的人为热两个方面共同形成的。而所谓长波辐射能量的改变，主要是由于具有较大热惯性和热容量值的土壤、植被、水体等自然土地覆盖系统逐渐被人工不透水面所取代而产生的［5-7］。在优化模型中，我们选取了夏季高温时段热环境最为不利，但又是人经常要进出使用的出入口广场区，进行网格放大。将下垫面的材质从硬质地面（传热系数=30 W/m2●K）调整为透水路面（传热系数=10 W/m2●K），并在可行的位置增加了乔木的种植。模拟结果对比，明显地反映出热环境有优化的趋势，该区域的地面温度降低了1℃，高温的红色区域面积减少，舒适性明显提高了。
3.3.2绿化种植形式对场地风、热环境的影响
植被是城市生态系统中一种重要的组成成分，城市植被通过选择性吸收和反射太阳辐射能以及调节潜热和显热的交换，调节城市空气，降低污染等影响着城市的各种自认环境过程，成为城市生态环境评价的一个高度综合指标［8-11］。
在优化模型中，我们选取了几处人活动比较频繁的景观节点区域，做了几种不同种植形式的方案比较。
（1）此区域位于建筑的西侧，建筑内部功能为航空公司内部使用的酒店。作为酒店的景观设计，一般比较精致、细腻、尺度偏小，适合人静赏，通常会采用一些修剪精细的整形灌木，点缀造型优美的小乔木，结合色彩丰富的地被来营造优美的环境。因此优化模型中将原来的大树草坪进行了调整。从模拟的结果来看，夏季地面的最高温度和人行高度的最高温度，都有小幅度的下降；夏季的风环境模拟中，风速更小，静风区的范围略有增大，但在可以接受的范围。冬季的风环境改良和优化环境模拟对比中可以看出，静风和漩涡面积有所改善，模拟的矢量箭头图更直观的表达了漩涡点如图4左。
（2）此区域是消防登高面，改良模型中为混凝土路面，没有植物种植。优化模型中，保留了必须的硬质铺装面积，其余范围改为草坪，同时摆放小型乔木盆栽。模拟结果的比较显示，局部的热环境有所改善。
（3）此区域位于场地西北角，优化模型中按照乔、灌、草结合的多层次植物配置，进行了调整。结果显示：冬季的西北风向静风区面积有所减少，夏季东南风向风速和静风区范围，有所增大，地面的最高温度略有下降。
根据以上几个区域的模拟结果，可以看到不同的绿化种植形式在局部的微气候的不同方面会有程度不同的影响。由于项目本身的条件所限，不能进行较大范围的模拟，优化的结果不是很显著，但通过局部网格的放大，还是能从中总结出一些规律和共性。
3.3.3 水体对场地热环境的影响
水体具有较大的热惯性和热容量值、较低的热传导和热辐射率。在优化模型中，我们选取了夏季高温时热环境一般，但是人经常停留、活动的主要景观节点区域，进行网格放大。将原来的草坪调整成为深度70厘米的硬底水池。模拟结果的对比显示，该区域的地面（0M）温度降低了3度如图4中，但是人行高度（1.5m）的温度不降反升如图4右。究其原因，是因为水体的蓄热系数大于草坪，因此地表温度下降，而水面的反射系数大于草坪，造成人行高度范围的热辐射较强，不利于夏季降温。由于，温度升高的部分主要位于水面的正上方区域，人不会在这个范围活动，而且作为主要的景观观赏区域，需要比较有特色的水景，所以还是保留了水体的方案，但是，模拟的结果还是给我们以提示，在景观水体的设计上还是应该谨慎。
图4
3.3.4 各种因素对场地微气候的叠加影响
以上的分析，为了强化某一因素的作用，尽量只做了单一因素的变化比较。研究过程中，我们还发现：各种因素之间其实还会产生互相影响，或者在某些方面是起到了叠加的作用，而在另一些方面，则消减了作用；还有可能一些因素的改变在某些方面起到了改善的作用，而在其它方面起到了相反的作用。而在具体的景观设计过程中各种因素的综合考虑和应用其实是不可避免的，而且决定最优方案的准则也不是一尘不变，一言概之的。有时还会面临景观效果和人体舒适性存在矛盾，需要取舍的选择，那就需要景观设计师有综合把控、统一协调，分清主次的能力。
4 结语
面对各种高新技术迅猛发展的新时代，风景园林设计遇到了前所未有的挑战，也面临重大的机遇。本研究尝试用相关计算机软件的数值模拟功能，结合了风景园林的专业设计内容，直观地显示景观设计对于场地微气候改善和优化效果，并探索将此次研究过程中的体会分析总结，形成一套行之有效的设计方法，运用到日后的工作中。当然，计算机软件模拟不能替代设计师做设计，也不能解决所有项目场地微气候的问题，只是辅助指导和拓展思路的工具，提供更加科学的设计依据。专业学科的发展需要更加开阔的视野和思路，通过多学科协作，推动风景园林微气候舒适性研究的发展，从而为提升景观设计的技术含量作进一步的探究。
参考文献
［1］刘滨谊，张德顺，张琳，匡玮。上海城市开敞空间小气候适应性设计基础调查研究[J]。中国园林，2014.12：17-22
［2］王南，刘滨谊。夏季风景园林小气候与老年人心理影响机制浅析[J]。中国风景园林学会2015年会论文集，全球化背景下的本土风景园林，2015 中国建筑工业出版社
［3］李晓锋建筑周边微环境模拟方法及工程应用［R］“计算机模拟辅助设计优化”国际学术研讨会，2006
论文作者:李佳毅,李文敏,杨扬
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/28
标签：场地论文; 模型论文; 环境论文; 区域论文; 气候论文; 景观设计论文; 水体论文; 《建筑学研究前沿》2017年第33期论文;