基于“源-流-汇”理论的城市风环境优化与CFD分析方法——以天津市为例

摘要

我国正处于城镇化加速阶段，面临着大气污染严重、城市雾霾频发、热岛效应严重等诸多环境问题的挑战。在规划设计中，如何应对气候变化，基于低碳、生态与节能的目的，通过城市结构优化和空间形态控制，进而达到改善城市微气候环境的目的，是当前城市规划研究中重要的前沿科学问题。
　　论文结合国家自然科学基金课题，基于系统科学思维，针对上述城市微气候和风环境问题，研究城市风环境与城市形态的耦合规律，探索不同气候条件下风环境规划的对策，构建适应国情的低碳城市风环境规划理论与设计方法，课题的研究具有重要的理论意义和实践应用价值。
　　论文融合多学科理论成果，从系统的规划视角出发，建构城市风环境生态规划理论框架，并运用CFD软件模拟、遥感图像反演以及GIS分析手段，在掌握在大量第一手数据的基础上，开展天津市中心城区风环境规划实证研究。论文的研究主要围绕以下三个重点展开：
　　首先，本文通过借鉴环境生态控制的“源—流—汇”理念，建构了城市风环境“源—流—汇”系统的生态规划理论框架，提出城市风环境多层级的构成要素与分类标准，总结了不同空间层级的风道类型与功能构成特点，归纳了风环境系统生态协调原则；并根据不同结构、不同功能区、不同密度与空间形态条件下的城市通风需求，探讨了适应地域气候的生态规划原则。同时，基于“富氧源——扩散流——补偿汇”相互衔接的规划思路，通过ENVI与PHEONICS等计算机模拟与分析软件，建立舒适度与污染防控并重的评价标准。为论文的深入研究提供了层次化、系统化的分析框架。
　　其次，分别从“源”的适应——多角度气象特点分析与规划应对、“流”的调控——多尺度风道系统的气流组织策略、“汇”的优化——城市空间构成分析与风环境优化策略三个层面，探讨了风环境与城市空间结构之间耦合关系、互动机理与协调对策。在“源”的适应层面，根据风源的风向、风速条件，总结了多尺度风源区域的特征，并提出多层级污染源控制及富氧型风源的保护规划方法；同时，针对不同的建筑热工气候区划，提出“避风防寒主导型”、“导风与避风兼顾型”、“导风驱热防尘型”，以及“导风祛湿与除热型”等风环境规划策略；在“流”的调控层面，沿着“流的载体——流的层级——流的构建——流的管控”的思路，总结了不同空间层级的风道类型与功能构成特点，阐述了风道规划设计的方法与步骤，并提出了城市设计导则；在“汇”的优化层面，归纳了城市级、街区级以及建筑群级别的多层级风环境布局优化与设计要点。
　　最后，以天津市中心城区为例，基于“源——流——汇”风环境系统研究视野，从城市风道系统与城市功能结构的整合关系、城市风道与城市典型区域的协调发展、典型居住模块的风环境特点分析与优化三个层面，进行了实证研究。通过确定模拟的基础条件及参数设置，采用ENVI温度反演与CFD软件风模拟的技术路线、以风速、风压、风速比、不良风速面积比等物理参量作为评价标准，指出了风环境系统与天津高密度区域功能和结构协调中所面临的问题，进而提出风源与风道、风道与风汇区、风道系统相协调的规划设计技术方法，并针对天津市中心城区风道的规划设计实践，提出具有实践参考价值的设计策略。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题研究的背景

1.2研究的目的和意义

1.3研究的概念与范围

1.4研究内容与研究方法

1.5创新点及论文框架

第二章 相关基础理论与研究动态综述

2.1基础理论与研究动态综述

2.2城市风环境研究的存在问题分析

2.3本章小结

第三章 城市风环境的“源—流—汇”理论框架建构

3.1城市风环境“源—流—汇”理论框架

3.2城市风环境优化的评价标准

3.3 CFD的概念与常用软件

3.4本章小结

第四章 “源”的适应——风气候区划与低碳应对策略

4.1源的相关构成—多尺度风源的类别分析

4.2“源”的气象区划---风气候分区与热工气候分区

4.3 “源”的低碳适应—应对两种地理区划的风环境规划策略

4.4“源”的生态调控—控流、控量与控污的风源保护策略

4.5本章小结

第五章 “流”的调控——多尺度风道系统的构建组织

5.1“流”的空间载体--城市风道概念、意义及研究现状

5.2“流”的系统层级--城市风道系统的多尺度构建准则

5.3“流”的体系构建--城市风道规划设计的方法与步骤

5.4“流”的规划管控--城市风道的规划控制指引

5.5本章小结

第六章 “汇”的优化——城市空间与风环境的规划策略

6.1“汇”的城市层级—结构、形态的风环境耦合优化策略

6.2“汇”的街区层级—街道布局与风环境的耦合优化

6.3“汇”的建筑层级—组合方式与风环境耦合优化

6.4本章小结

第七章 “源—流—汇”视角下天津城市结构分析与CFD模拟研究

7.1“源”的认识—热工与风气候区视角下的天津风环境基调

7.2“流”的分析—基于海河水系的中心城区风道系统布局

7.3“汇”的研究——中心城区典型风汇区的数字模拟分析

7.4基于CFD的天津典型居住模块风环境特点研究

7.5本章小结

第八章 天津城区风环境系统的“源-流-汇”优化策略

8.1天津城区风环境系统的“源-流-汇”结构优化

8.2街坊与建筑群空间的“源-流-汇”优化布局

8.3本章小结

第九章 结论与展望

9.1 主要结论

9.2 不足与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢