1. 引言
居住区室外风热环境对城市居民的室外活动舒适性体验有重要影响。而建筑布局形式是影响其风热环境的主要因素之一，国内对此展开了一系列研究。如胡春景等 [1] 模拟分析了天津市在典型日不同的建筑形态和布局形式的室外热环境，发现总建筑面积相同时，塔式建筑居住区风环境优于板式建筑，板式建筑居住区平均温度和UTCI值均低于塔式建筑；张帆 [2] 运用Ecotect软件模拟分析了夏热冬暖地区产业园建筑布局设计，发现组团式布局方式可以获得较好的微气候效应；Yingjie Jiang等 [3] 运用ENVI-met模拟分析了武汉市6种典型的住宅建筑布局室外风和热环境之间的关系，提出武汉市气候条件下的居住区建筑布局策略；李晗等 [4] 通过对青岛市3种小区建筑布局形式进行热环境模拟，发现围合式和行列式相较于点群式的热岛效应更明显。
本研究采用微气候模拟软件ENVI-met，选择汝阳县主城区北部隆盛路街道某居住区用地作为研究对象，以2021年1月7日7~9时为日期，分别探讨建筑布局变化对居住居住区热环境的影响，并运用Ecotect软件模拟验证优选布局的建筑采光性能，以期为居住区规划布局设计提供参考。
2. 研究区域与数据
2.1. 研究区域
选择洛阳市汝阳县主城区北部隆盛路街道某居住区用地作为真实场景(见图1)，开展基于ENVI-met和Ecotect软件模拟的建筑布局设计探究，汝阳县城市性质为国家级绿色建材产业示范基地和国家酒祖文化产业基地；洛阳南部生态涵养区和伏牛山生态创新发展区；公共服务体系完善的生态宜居山水城 [5] 。该居住区用地位于汝阳主城区北部，南临汝河，北枕万果山(见图2)，区域面积67,840 m2，且本身具有一定坡度(见图3)。根据《汝阳县总体规划(2017~2035年)》，参考城市总体规划规范，在满足居住居住区规划控制指标的前提下，设计不同的详细规划方案作为规划场景，开展多种建筑布局对区域风热环境影响的模拟研究。
Figure 1. Overall plan of Ruyang County (partial)
图1. 汝阳县总体规划(局部)
Figure 2. Location of residential areas base
图2. 居住区基地位置
Figure 3. Residential areas base topography
图3. 居住区基地地形
2.2. 研究数据
建筑布局数据
建筑布局形式是指建筑单体与建筑组团不同的排列组合方式，其会对区域内空气流动产生阻碍或促进作用，并直接影响地块所接收的太阳辐射与通风环境，进而影响区域风热环境 [6] 。
翻阅文献资料并对国内外既有的居住区建筑布局形式进行分类，根据居住区住宅楼及室外活动空间分布的不同将其划分为四种基本的类型，主要包括集中围合式(传统式住宅居住区)、行列式(美式开放街区–纽约模式)，组团式(欧式开放街区–巴黎模式)，错列式(全开放街区错列式) (见表1)。
Table 1. Architectural layout form (drawn by the author)
表1. 建筑布局形式(作者自绘)
本文收集国家规范标准，用以规定后续Ecotect模拟验证时数据设定，根据我国现行《建筑采光设计标准》GB50033-2013对于住宅采光要求主要为：卧室、起居室及厨房应有直接采光；采光不应低于采光等级IV级的采光标准值，侧面采光系数不应低于2.0，室内天然光照度不应低于300 lx。居住建筑设计应以自然采光为主，评价自然采光效果的主要技术指标是采光系数，具体光气候系数和住宅室内采光标准见下图4，图5所示。
Figure 5. Residential indoor lighting standards
图5. 住宅室内采光标准
3. 研究方法
3.1. ENVI-Met风热环境模拟
ENVI-met是由Bruse和Fleer基于流体力学和热力学理论开发的城市微气候模拟软件，用于模拟城市小尺度范围地表、建筑、植被与大气之间的相互作用，被广泛用于城市微气候模拟研究 [7] 。
本文利用ENVI-met5.1演示版模拟场地的空气、温度、风速、湿度等微气候效应。在ENVI-met5.1中设置嵌套网格，并根据《汝阳县总体规划(2017~2035年)》及城市居住区规划设计标准(GB 50180-2018)，参考居住区用地平衡控制指标、人均居住用地控制指标、住宅建筑净密度最大值的控制指标、住宅容积率最大值控制指标、住宅建筑间距指标、住宅建筑层数等规定，分别在基地范围内建立250 m × 250 m的四种常见居住居住区的模型(如下图6~9所示)。
模拟区域的网格数为50 × 50 × 40，分辨率为dx = 5 m，dy = 5 m，dz = 5m。区域内部单体建筑体量为10 m × 25 m，东西间距为15 m，南北间距为20 m，建筑高度为40 m。根据洛阳市历年气候数据，设置模拟日期及微气候参数为2021年1月7日，地面粗糙度系数选取系统默认值0.1，模拟时间为早上7:00~9:00，高度为2 m。在每种布局形式的相同位置设定若干测试点，提取各测点的气候模拟数值并进行对比分析。
3.2. Ecotect模拟验证
根据ENVI-met模拟对比，优选出最佳建筑布局形式，在此优选形式下进行Ecotect软件模拟该布局下建筑的采光性能，验证该建筑布局下其空间的采光系数能否达到绿色建筑标准中的相关要求，验证该优选布局的合理性。
3.2.1. 参数设置
根据《建筑采光设计标准》GB/T-50033-2013表5.0.4不同部位反射比限定参考值的要求，对模型中各材质表面的反射比进行设定。利用Ecotect analysis2011建立自然采光模型如图10所示。该户型模型依据《建筑采光设计标准》GB50033-2013要求，针对卧室、起居室、书房、厨房等自然采光系数要求如表2所示。
项目所处地区属于III类光气候区，室外天然光设计照度临界值E1为5500 lx，分析时取8500 lx，光气候系数K为0.9。模拟时仅考虑项目内住宅以及住宅自遮挡对自然采光的影响，计算模型为建筑的标准层模型。模拟计算时，忽略室内家具等设施的影响，其它构造均根据设计图纸进行建立，在模拟过程中考虑围护结构壁面的反射系数、玻璃的可见光透射比等参数，设置天空状态为全阴天。
Table 2. Setting of natural lighting coefficient
表2. 自然采光系数设置
3.3.2. 模型建立
依据相关资料进行户型选型，并确定该区域研究户型，根据其图纸资料以及规范的相关模拟参数建立自然采光模型，此次分析选取基地内由北向南第二排、由西至东第二幢建筑第5层西户型进行建模分析，楼层户型平面图如图11所示。
4. 研究结果与分析
4.1. ENVI-Met研究结果分析
4.1.1. 建筑布局变化对区域热环境影响分析
4种建筑布局形式位温模拟结果如图12所示，可见居住区位温主要集中在20.5℃~22.0℃之间。受风向及建筑阴影影响，居住区整体东南位温低，西北位温高。错列式与行列式布局条件下，位温分布较为平均；集中围合式和组团布局条件下，在场地空白区域形成较为明显的高温区域。居住区各测点的平均位温对比结果如图12所示，可见位温最低的为行列式，最高的为错列式，但两者仅相差0.04℃。由此可知4种布局条件下各测点的位温均值几乎没有差异。
Figure 12. ENVI-met simulation potential temperature
图12. ENVI-met模拟位温
4.1.2. 建筑布局变化对区域风环境影响分析
4种布局形式风速模拟结果如图13所示，可见建筑及其布局方式对居住区风速影响效果明显。由于文氏效应，4种类型的最大风速均出现在住宅居住区的东侧和主导风向的上方向。由于峡口效应，集中围合式和组团式在室外活动区域的东南–西北角同样出现较大面积的高风速区域。从整体上看，行列式高风速区域面积最小。可见不同布局条件下风速差异较为明显，其中组团式风速最低，约为0.4 m/s；行列式风速最高，约为1.0 m/s，两者差值约为0.6 m/s。由此可知居住区建筑布局对风速影响较为明显。
4.1.3. 建筑布局变化对相对湿度影响分析
4种布局形式空气湿度模拟结果如图14所示，可见湿度主要集中在63.4%~65.8%之间。同样受风向及建筑阴影影响，整体东南空气湿度高，西北空气湿度低。错列式与行列式布局条件下，空气湿度分布较为平均；集中围合式和组团式条件下，在场地空白区域湿度较高。由居住区各测点的平均湿度对比结果可见集中围合式空气湿度最低，行列式空气湿度最高，但两者仅相差0.08%，由此可知4种布局条件下各测点的空气湿度均值几乎没有差异。
4.1.4. ENVI-Met研究结果优选
研究发现：不同布局模式下居住区风速差异明显，其中错列式风环境舒适性明显高于其他布局形式，而居住区位温和湿度差异较小；错列式整体位温最高，可以获得较好的热舒适，且不受时间的影响；风速是导致不同布局条件热舒适差异的主要原因。因此，建议该居住区建筑多采用错列式布局形式，根据以上研究结果，形成居住区规划方案如下图15所示。
Figure 14. ENVI-met simulation of relative humidity
图14. ENVI-met模拟相对湿度
4.2. Ecotect模拟验证结果
Ecotect自然采光模拟结果
根据《建筑采光设计标准》GB50033-2013的要求，建筑物以采光系数和室内天然光照度作为采光设计的评价指标，采光系数标准值和室内天然光照度标准值为计算参考平面上的平均值 [8] 。根据规范要求，民用建筑取距地面0.75 M作为参考平面进行模拟分析。得出该户型的整体采光系数分布如图16所示，天然光照度如图17所示。图18和图19分别表示厨房的采光系数和天然采光照度计算值，其他房间的采光系数与照度以同样方法模拟计算。
Figure 16. Overall lighting factor distribution
图16. 整体采光系数分布
Figure 18. Calculated value of natural lighting
图18. 天然采光照度计算值
Figure 19. Calculated value of day lighting factor
图19. 采光系数计算值
由图19可知，起居室、卧室、厨房平均采光系数基本在2.0以上，且其他区域如厨房、卫生间等采光系数基本在1.0以上。根据整体采光模拟结果及采光系数平均值分析，此户型设计的最低采光系数满足《建筑采光标准》GB50033-2013规定，各主要功能空间采光系数值均大于采光系数标准值，天然光照度值均大于天然光照度标准值，并且采光效果理想，由此可知在错列式布局下，其空间的采光系数能够达到绿色建筑标准中的相关要求，该优选布局的合理性得到验证。
5. 结论
本文根据文献资料并结合具体案例提取出4种居住区基本建筑布局形式，通过ENVI-met软件模拟特定时间不同类型居住区的风热环境，经比较分析得出如下结论：1) 4种居住区建筑布局条件下，居住区风速差异明显，其中错列式风环境明显高于其他布局形式。居住区位温和湿度差异较小；2) 就总体热舒适而言，错列式布局可以获得较好的热舒适，且不受时间的影响；3) 风速是导致不同布局条件热舒适性差异的主要原因。4) 优选方案错列式布局经Ecotect进行自然采光模拟后符合相关规范，其合理性得到验证。因此，建议在居住居住区建筑布局规划时，多考虑错列式布局形式，以提高居住区的热舒适度。
本文研究未考虑绿化对居住区局部气候的影响，而且模型较为简单，未考虑不同层高、多类建筑混合的空间布局形式，这在今后的研究中将进一步完善。
NOTES
*共第一作者。
#通讯作者。