城市街区风环境评价与形态生成方法研究

城市街区是城市的基本组成单元，也是与人们生活关系*为密切的区域。对于风环境来说，虽然目前性能模拟技术和多目标控制模式都已日臻完善，但是传统的性能模拟平台杂而多，要求设计者有较高的专业背景才能操作；而多目标优化工具多数情况下是通过脚本来实现，不易与模型和性能模拟平台进行对接；这就造成了一般情况下设计师难以充分地利用这些工具实现在方案初期对城市空间的风环境进行优化设计的目标。因此，为实现城市街区风环境的性能评价与多目标优化，有效提高街区形态设计与技术的融合和交互水平，亟需发展相应的优化设计方法，搭建优化工具平台，满足不同设计工具之间的数据交换，连接设计、评价与优化功能，在三者间形成互动与反馈，以达到自动寻优的效果，弥补传统设计模式在这一方面的缺陷。 本书基于Rhino & Grasshopper软件平台搭建了城市街区风环境优化设计插件程序，编制了街区形态生成模块，利用Butterfly风环境模拟插件编制了风环境评价模块，利用第二代进化算法插件Wallacei编制了多目标优化模块，从而实现了城市街区风环境评价与形态生成设计，有效促进了设计和模拟之间的联动效应，达到自动寻优效果，显著提升设计效率。本书主要结论如下： （1） 通过对多目标性能化设计、街区形态、风环境评价以及优化设计过程及工具的研究，确定了优化设计流程，解决传统设计方法所面临的街区风环境优化问题。 首先，在多目标性能化设计层面，确定了人机结合的“生成-评价-寻优”所构成的多目标优化设计过程，该过程类似于传统设计，但由人机结合的优化设计过程与传统设计方法相比存在巨大优势。 其次，在街区形态与风环境评价方面，通过对各指标的研究，提出街区形态的分类方法（尺度、密度、强度、平均高度、围合度及形态）与风环境评价方法（舒适风区面积比、强风区面积比、静风区面积比、风速离散度、舒适风速离散度、风速区间及风速众数），为形态生成、风环境评价及优化目标的研究奠定了基础。 *后，在优化设计方法层面，提出针对街区形态的参数化生成渠道与方法，该方法以参数化软件平台为人机耦合接口，参数化模型为信息交换媒介，通过人对形态逻辑的制定，计算机对形态参数的调整，人机共同决策和人机相互协作完成形态生成过程。确定了多目标优化项与风环境评价指标的关系，利用5种2目标典型模型及IGD评价法针对SPEA2和NSGA-II2种多目标进化算法进行了性能检验，确定了NSGA-II算法的优势。 （2） 通过对我国城市地理特征以及街区形态特征的阐述，确定了青岛的代表性。以青岛东岸城区为例，多源获取城市数据，依照数据分析对城市街区进行了分类，并选取相对应的代表城市片区，为风环境模拟评价研究提供研究基础。 首先，根据青岛规划确定了以青岛东岸城区为研究范围。对青岛东岸城区建筑、街道、地形进行了数据获取与整合分析，从街区尺度、街区密度、街区开发强度（容积率）三个方面阐述了街区指标在城市中的分布特征。 然后，根据青岛东岸城区街区形态的分析，总结了三种主要的街区类型：院落型，柱、点型，条型。并针对三种形态类型对应了不同的形态指标选取了三个代表城市片区：以中山路片区为代表的小尺度、高密度、中低强度城市历史风貌街区，以香港中路片区为代表的中小尺度、中密度、中高强度城市金融商业街区，以浮山后片区为代表的大尺度、低密度、中低强度城市居住建筑街区。三个代表片区基本涵盖了青岛东岸城区的街区形态类型，在我国城市街区形态中也具有广泛的代表意义。 （3） 从气象数据获取到模拟评价，确定了基于人主要活动时间的模拟边界条件，以及城市片区的风环境模拟与指标计算方法，并提出了基于对城市片区的模拟结果对每个街区的评价指标数据及边界条件数据的提取方法。 以青岛东岸城区代表城市片区为例通过模拟得出，院落型街区（中山路片区）主要问题在于*热季围合度较高的街区通风问题；柱、点型街区（香港中路片区）*热季多数街区通风良好，但*冷季强风区过多，两季的风速离散度均较高；条型街区（浮山后片区）主要问题较为分散，个别街区存在*热季静风区、*冷季强风区面积比较大，多数街区风速离散度较高。 （4） 基于对多目标性能化设计方法及风环境评价方法的研究，搭建了城市街区风环境优化设计插件程序，并进行了验证。 首先，提出插件程序的基本结构，由形态生成模块、风环境评价模块、性能优化模块构成。在形态生成模块中，制定了三种街区类型的形态生成逻辑，在条型街区形态生成逻辑中提出了使用日照圆锥曲面发确保满足日照条件，分别对每种街区进行了形态生成验证。在风环境评价模块中采用同时对*冷季与*热季的风环境模拟方法，分别计算出街区2季的风环境评价指标。在搭建性能优化模块步骤中提出使用优化率的概念对优化效果进行评价。 然后，针对每个代表片区，各选取了2个代表性街区进行了优化平台的验证，经过50代的运算，街区各风环境指标*优解均达到收敛，初步验证了平台对街区风环境优化的有效性。