基于日照、风、热环境模拟的街区形态综合优化方法

技术领域

本发明涉及街区形态研究领域，具体是基于日照、风、热环境模拟的街区形态综合优化方法。

背景技术

城市街区是城市居民活动的主要公共空间，其空间品质对城市居民的日常生活、工作、休闲有很大影响。近年来，街区微气候成为人居环境研究的热点之一。城市微气候是指城市覆盖层以下的气候环境，主要包括空气温度、风速、相对湿度和太阳辐射等气象因素。伴随快速城镇化进程，城市街区的开发建设相对粗放，产生了建筑物彼此遮挡光照、夏季通风不畅、城市高温区不断增加等问题。为了对抗外部物理环境的不适，建筑内部延长了空调使用时间，又进一步让城市人为热量迅速增加，形成恶性循环。因此，如何在城市建设过程中缓解和改善微气候环境，已成为城市发展过程中亟需解决的问题。尤其对于夏季闷热、冬季湿冷的夏热冬冷地区，如何促进城市形态适应气候条件，成为城市规划相关领域的关键问题之一。

目前，物理环境要素与城市街区形态的关联研究已经广泛开展。从关注的物理要素上看，日照环境、风环境、热环境是关键要素，日照环境要求街区进行科学的建筑高度布局；风环境要求街区形态利于引入夏季风和阻碍冬季风；热环境要求街区形态在开敞空间布局建筑形体引导方面利于得热和散热。现有技术一般聚焦单一物理环境要素对街区形态的影响，缺乏基于多要素叠加的街区形态优化技术；从物理环境模拟技术介入设计流程的阶段上看，城市街区相比于单体建筑，对城市绿色性能及碳排放量具有更为显著的影响。现有技术更多地将物理环境模拟放在街区建设末端的建筑方案阶段，缺乏在街区形态设计前期中引入物理环境分析和模拟，优化街区形态的主动性；从街区规划控制指标上看，主要包含街区内地块的性质、规模、高度、容积率、密度等控制指标。现有技术对街区形态的设计和优化提出了一些方向，但未能转化为规划管理环节的精细化指标。同样的控制指标下可能存在大量的具体街区形态，它们对气候的适应程度千差万别，居民的体验也大相径庭。

鉴此，迫切需要一种基于日照、风、热环境等模拟，在街区设计环节探索形态的综合优化，并反馈为城市规划管理环节的精细化指标的方法。从而有效提升城市街区的气候适应能力，提高室外空间舒适性和安全性，降低建筑能耗和碳排放量，引导街区的实际开发建设和改造、实现城市绿色可持续发展。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于日照、风、热环境模拟的街区形态综合优化方法，解决上述背景中提到的缺少物理环境多要素影响模拟叠加的问题，同时实现在街区设计环节植入分析主动设计，并反馈为城市规划管理环节的精细化指标。从而有效提升城市街区的气候适应能力，降低建筑能耗和碳排放量，引导街区的实际开发建设和改造、实现城市绿色可持续发展。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于日照、风、热环境模拟的街区形态综合优化方法，包括如下步骤：

步骤一：获取城市街区相关数据，建立街区盒子三维模型；

步骤二：进行日照模拟，根据街区日照罩面，调整街区内的高度分布，得到日照环境优化后的街区盒子；

步骤三：进行风环境模拟，根据街区的主导风速与风向，设置街区内的通风廊道，得到风环境优化后的街区盒子；

步骤四：进行热环境模拟，根据街区的生理等效温度分布，布局街区内的开敞空间，得到热环境优化后的街区盒子；

步骤五：根据日照、风、热环境综合优化后的街区盒子，反馈为规划管控中的精细化指标和图文，引导实际开发建设和改造。

进一步的，步骤一中城市街区相关数据包括开发建设地块边界、建筑退让线、控制高度。

进一步的，步骤二中根据街区日照罩面，根据街区日照罩面，调整街区内的高度分布，得到日照环境优化后的街区盒子，具体为：

1）当东面、西面、北面相邻街区有日照需求的设施时，获取冬至日城市街区周围建筑地面的日照时长图，识别街区盒子周围建筑地面0-2小时的日照缺乏区域；

2）以冬至日两小时日照标准生成街区盒子的日照罩面，提取日照罩面于模型中；

3）根据日照缺乏区域与日照罩面，调整街区盒子高度分布，使街区盒子上表面不超过日照罩面高度，得到日照优化后街区盒子。

进一步的，所述步骤三中根据街区的主导风速与风向，设置街区内的通风廊道，得到风环境优化后的街区盒子，具体为：

1）依据风速、风向分布图，预判城市街区的风况，确定通风廊道d的设置方式,基于夏季的风向图，识别街区盒子迎风面的边线a在行人高度1.5m处的风向，选取中点p点，判断p点法线l与a的夹角α情况；

2）当0°≤α≤30°时,基于夏季风速图，识别p点处的风速。若V

3）当30°＜α≤90°时，根据地块尺度决定是否设置通风廊道，当边线a＜200m时，不设置通风廊道切分街区盒子；当200≤a＜400m时，进一步判断通风廊道d的设置范围；

划定通风廊道d的可设置范围包括，在边线a的端点A、A’之间，布置线段DD’，其中AD≥60m， A’D’≥60m，以同样的方式在a的对边a

选取边线a上DD’中点O，根据O点风速值Vo，判定通风廊道d的尺度，当0.2m/s≤Vo＜1.5m/s时，沿d设置宽度10m的通风廊道，切分街区盒子；当1.5m/s≤Vo＜5.0m/s时，沿d设置宽度20m的通风廊道，切分街区盒子；当Vo＞5.0m/s时，沿d设置宽度30m的通风廊道，切分街区盒子。

进一步的，步骤四中根据街区的生理等效温度分布，布局街区内的开敞空间，得到热环境优化后的街区盒子，具体为：

1）根据街区盒子夏季典型日的生理等效温度图，识别街区盒子及周围街道的生理等效温度P，对P≥24℃区域，选择与街区盒子相邻的P值最高区域，作为开敞空间的设置范围。

2）根据开敞空间范围切分调整街区盒子，得到热环境优化后的街区盒子。

进一步的，步骤五中根据日照、风、热环境综合优化后的街区盒子，反馈为规划管控中的精细化指标和图文，引导实际开发建设和改造，具体为：

1）根据以上日照、风、热环境优化后的街区盒子，转换为能反馈规划管控精细化的街区盒子三维模型；

2）根据控制性详细规划的规划指标，划定符合规划指标要求的地块线，切分街区盒子；

3）根据街区盒子三维模型的平面、高度信息，包括用地面积、容积率、控制高度等，反馈规划管控中的精细化指标和图文,引导实际开发建设和改造；

4）根据规划精细化管控指标和图文，布置街区盒子范围内的建筑肌理模型，反馈为规划管控中街区形态的具体示例。

有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

（1）从街区绿色性能上看，相比于单一物理环境因素的模拟，多要素综合模拟的街区形态优化方法有利于全面提升街区绿色降碳性能；

（2）从街区设计流程上看，相比于在街区设计末端对建筑方案进行验核，提供了街区设计前端主动适应气候的设计方法，提升设计效率；

（3）从城市规划管理上看，本发明将街区形态综合优化方法可以有效融入规划管理程序，形成精细化控制指标，引导街区的实际开发建设和改造；

（4）从城市居民体验上看，夏热冬冷地区的城市居民将获得采光良好、夏季通风并缓热、冬季避风并蓄热的高舒适街区环境。

附图说明

图1：本发明方法流程图。

图2：控制性详细规划中的街区平面信息。

图3：控制性详细规划中的街区规划指标。

图4：根据规划指标生成街区盒子三维模型。

图5：进行日照模拟，生成街区日照罩面后精细化街区建筑的高度分布，得到日照环境优化后的街区盒子。

图6：进行风环境模拟，设置街区内的通风廊道示意图。

图7：根据风环境模拟的主导风速与风向，选择街区通风廊道平面位置。

图8：设置街区内通风廊道后切分街区盒子，得到风环境优化后的街区盒子。

图9：根据开敞空间范围切分调整街区盒子，得到热环境优化后的街区盒子。

图10：综合优化后，反馈规划管控精细化的街区盒子三维模型。

图11：反馈于控制性详细规划的街区平面信息。

图12：反馈控制性详细规划的街区指标内容。

图13：反馈规划精细化管控的图文内容。

图14：根据精细化管控指标和图文，反馈为规划管控中街区形态的具体示例。

实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明在实际应用中对城市街区形态综合优化的操作方法。本实施例日照模拟基于grasshopper的ladybug平台，风环境模拟Cradle的scSTREAM平台，热环境模拟基于ENVI-met平台，但不限于此。

以某规划城市街区作为具体案例阐述如下，方法流程如图1所示，本发明包括如下步骤：

步骤一：获取城市街区相关数据，建立街区盒子三维模型，如图2，图3，图4所示，具体为：

11.获取当地规划相关资料，得到城市街区的规划指标，包括路网布局、绿地广场布局、开发建设地块边界、容积率、高度、建筑退让线。

12.根据开发建设地块边界、建筑退让线、控制高度，建立街区盒子的三维模型；街区盒子指在控制性详细规划中，以建筑退让线为平面轮廓，以控制高度垂直拉升形成的几何柱体，街区盒子控制了街区的水平与竖向形态，是街区最大建设的实体边界范围。

步骤二：进行日照模拟，根据街区日照罩面，调整街区内的高度分布，得到日照环境优化后的街区盒子，如图5所示，具体为：

21.将街区盒子的三维模型导入Rhino，通过grasshopper的ladybug平台识别城市街区模型，包括街区盒子与街区周围建筑模型。

22.当东面、西面、北面相邻街区出现住宅、幼儿园、托儿所、疗养院、医院病房等有日照需求的设施时，通过ladybug插件计算，得到冬至日城市街区周围建筑地面的日照时长图，识别街区盒子周围建筑地面0-2小时的日照缺乏区域。

23.通过ladybug插件选择日照搜集模式，以冬至日两小时日照标准生成街区盒子的日照罩面，提取日照罩面于模型中。

24.结合22、23步骤，根据日照缺乏区域与日照罩面，调整街区盒子高度分布，使街区盒子上表面不超过日照罩面高度，得到日照优化后街区盒子。

步骤三：进行风环境模拟，根据街区的主导风速与风向，设置街区内的通风廊道，得到风环境优化后的街区盒子，如图6，图7、图8所示，具体为：

31.将街区盒子模型与周围街区建筑模型导入Cradle的scSTREAM平台，依据气象数据对城市街区进行夏季、过渡季风况模拟，得到城市街区的风速分布与风向分布图。

32.由于夏季的街区热舒适性要求较高，利用通风改善城市热舒适性更为重要。依据风速、风向分布图，预判城市街区的风况，确定通风廊道d的设置方式。基于夏季的风向图，识别街区盒子迎风面的边线a在行人高度1.5m处的风向，选取中点P点，判断p点法线l与a的夹角α情况。

33.当0°≤α≤30°时,基于夏季风速图，识别p点处的风速：若Vp≥1.5m/s，沿边线a方向设置通风廊道d来切分街区盒子，其中d=10m；若Vp＜1.5m/s，不设置通风廊道d。

34.当30°＜α≤90°时，地块A具有设置贯穿通风廊道的可能性，以助于改善地块内部的热舒适性，可根据地块尺度决定是否设置通风廊道。当边线a＜200m时，不设置通风廊道切分街区盒子；当200≤a＜400m时，进一步判断通风廊道d的设置范围。

划定通风廊道d的可设置范围包括，在边线a的端点A、A’之间，布置线段DD’，其中AD≥60m， A’D’≥60m，以同样的方式在a的对边a1布置线段D1D1’；a1指街区盒子远离边线a的一侧的边线，线段D1D1’的设置方式为：在对边a1的端点A1、A1’之间，布置线段D1D1’，其中A1D1≥60m，A1’D1’≥60m；DD1与D’D1’即为通风廊道d的设置范围；其中通风廊道d的方向一般垂直于边线a，亦可根据设计调整具体方向与走向。

选取边线a上DD’中点O，根据O点风速值Vo，判定通风廊道d的尺度，当0.2m/s≤Vo＜1.5m/s时，沿d设置宽度10m的通风廊道，切分街区盒子；当1.5m/s≤Vo＜5.0m/s时，沿d设置宽度20m的通风廊道，切分街区盒子；当Vo＞5.0m/s时，沿d设置宽度30m的通风廊道，切分街区盒子。

35.依据过渡季风速、风向图，重复步骤33—34判断布置通风廊道，二次切分或调整街区盒子，得到风环境优化后街区盒子。

步骤四：进行热环境模拟，根据街区的生理等效温度分布，布局街区内的开敞空间，得到热环境优化后的街区盒子，如图9所示，具体为：

41.根据步骤三优化后，将街区盒子三维模型与周围街区建筑模型导入ENVI-met平台，根据气象数据对街区模型的进行夏季的热环境分析，得到街区盒子地面的生理等效温度图。

42.根据街区盒子夏季典型日的生理等效温度图，识别街区盒子及周围街道的生理等效温度P，对P≥24℃区域，选择与街区盒子相邻的P值最高区域，作为开敞空间的设置范围。

43.根据开敞空间范围切分调整街区盒子，得到热环境优化后的街区盒子。

步骤五：根据日照、风、热环境综合优化后的街区盒子，反馈为规划管控中的精细化指标和图文，引导实际开发建设和改造，如图10，图11，图12，图13，图14所示，具体为：

51.根据日照、风、热环境优化后的街区盒子，转换为能反馈规划管控精细化的街区盒子三维模型。

52.根据控制性详细规划的规划指标，划定符合规划指标要求的地块线，切分街区盒子。

53.根据街区盒子三维模型的平面、高度信息，包括用地面积、容积率、控制高度，反馈规划管控中的精细化指标和图文,引导实际开发建设和改造。

54.根据规划精细化管控指标和图文，布置街区盒子范围内的建筑肌理模型，反馈为规划管控中街区形态的具体示例。其中建筑肌理对夏热冬冷地区，优选围合式的建筑肌理，次选具有围合形态的板式、点式肌理。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。