CN114417467A - 城市密集区通风廊道的建立方法、装置、介质及设备 - Google Patents

城市密集区通风廊道的建立方法、装置、介质及设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种城市密集区通风廊道的建立方法，包括如下步骤：统计城市三维数据，建立城市景观的三维模型；将三维模型按照网格进行划分，形成若干分布式三维模型；将若干分布式三维模型与Phoenics软件对接，得到Phoenics模型，通过Phoenics模型设计不同参数进行模拟，得到城市设计景观配置方案并评估城市通风效果。本发明提供了详细的通风廊道构建思路、技术原理、效果验证等，提高了通风廊道建设的有效性；据此提出了分布式模型构建技术，克服了Phoenics模型运算效率低的难题，可以为相关规划提供科学、可行、准确的技术支撑。

Description

城市密集区通风廊道的建立方法、装置、介质及设备
技术领域
本发明涉及一种城市密集区通风廊道的建立方法、装置、介质及设备，属于城市建立管理领域。
背景技术
城市热岛是城市核心区温度高于周边区域的现象，在当今城市密集区非常普遍。容易导致与高温热量有关的疾病，显著增加了城市夏季空调能耗和碳排放，并且提高了大气污染物的浓度。通过使用高反照率的城市建筑材料来降低局部热点，提高热量的扩散速度，能够有效降低部分建筑、部分区域的热岛强度。但是，由于成本太高而无法在整个城市进行实践。通过城市通风廊道构建，借助“基于自然的解决方案 (Natural-basedSolutions,NbS)”来提升城市韧性，是当前国内外研究热点和技术前沿。
通风廊道当前多停留在理论探讨阶段，比如在香港地区、成都市、北京市等虽然提出了一些概念设计，但是尚无具体技术方案。主要原因在于：
(1)技术储备不系统。当前技术方案多从建筑密度出发，而忽视了绿地和水体的降温作用；
(2)模型参数不全面。当前模型的参数多从土地利用入手，忽视了三维建筑和树木等景观形态和生态影响；
(3)模型运算效率低。当前城市尺度热岛效应模型主要基于大尺度气象模式，比如WRF等，精度低；而城市街区多用流体动力学模型，计算量超级大，无法推广到城市区域。这导致了整个城市范围的通风廊道建立，没有合适的模型可以使用，模拟预测精度低；
(4)技术可操作性差。城市景观设计和规划部门亟需一些可行技术，对当前景观进行优化，从而提升居住环境适应性，而当前多数方案没有考虑景观类型、配置等因素，无法实现这一现实需求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种城市密集区通风廊道的建立方法、装置、介质及设备，该方法通过构建分布式模型(Distributed Phonics Model,DPM)进行当前热环境评估，并将绿地和建筑配置作为重点参数，提出城市景观优化设计的方案。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种城市密集区通风廊道的建立方法，包括如下步骤：
统计城市三维数据，建立城市景观的三维模型；
将三维模型按照网格进行划分，形成若干分布式三维模型；
将若干分布式三维模型与Phoenics软件对接，得到Phoenics模型，通过Phoenics模型设计不同参数进行模拟，得到城市设计景观配置方案并评估城市通风效果。
所述的建立方法，优选地，统计城市三维数据，建立城市景观的三维模型，具体过程如下：
利用ArcScene软件处理城市三维数据并建立三维模型，城市三维数据包括绿地面积、绿地类型、建筑数量、建筑高度、建筑占地面积、道路数量和道路面积。
所述的建立方法，优选地，将三维模型按照网格进行划分，形成若干分布式三维模型，网格为8km×8km。
所述的建立方法，优选地，将若干分布式三维模型与Phoenics软件对接，得到Phoenics模型，通过Phoenics模型设计不同参数进行模拟，得到城市设计景观配置方案并评估城市通风效果，具体步骤如下：
将若干分布式三维模型与Phoenics软件进行对接，设置气象参数进行模拟，通过设计包括绿地面积和类型、建筑面积和高度在内的不同参数，评估每个网格的风速、热量，评价绿地的降温效应；对容积率相同，建筑物参数不同的情景进行模拟，确定城市小区域较优的建筑格局配置，识别、评价近地表通风廊道的生态效益。
所述的建立方法，优选地，绿地的降温效应包括降温强度与降温效率，绿地降温强度值为区域内无绿地时1.5m高处的平均气温减去有绿地时的平均气温，用CI表示；降温效率的值为降温强度与区域内绿地占比的比值，用CE表示：
CI＝T0-T1 (1)
CE＝CI/X (2)
式中TI：区域无绿地平均气温；T0：区域内有绿地平均气温；X：绿地在区域内的占比，模型尺寸为1km×1km，将绿地面积占比设为定值，即10％、20％、30％、40％和50％，并设计无绿地的对比区域，通过改变模拟区内绿地的形态特征，利用Phoenics 软件对建筑区形态的夏季热环境进行模拟，从而比较不同绿地格局下的热环境状况。
所述的建立方法，优选地，绿地的设计方案如下：随着绿地面积增大，区域平均气温变低，占比10～50％的绿地降温强度CI为1.4～2.2℃，分散型绿地降温效应优于集中式大型绿地。
本发明第二方面提供一种城市密集区通风廊道的建立装置，包括：
第一处理单元，用于统计城市三维数据，建立城市景观的三维模型；
第二处理单元，用于将三维模型按照网格进行划分，形成若干分布式三维模型；
第三处理单元，用于将若干分布式三维模型与Phoenics软件对接，得到Phoenics模型，通过Phoenics模型设计不同参数进行模拟，得到城市设计景观配置方案并评估城市通风效果。
本发明第三方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述城市密集区通风廊道的建立方法的步骤。
本发明第四方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述城市密集区通风廊道的建立方法的步骤。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
本发明提供了详细的通风廊道构建思路、技术原理、效果验证等，提高了通风廊道建设的有效性；据此提出了分布式模型构建技术，克服了Phoenics模型运算效率低的难题，可以为相关规划提供科学、可行、准确的技术支撑。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的方法应用于路面时Phoenics模型精度对比示意图；
图2本发明该实施例提供的方法应用于草地时Phoenics模型精度对比示意图；
图3为本发明该实施例提供的不同绿地占比(容积率)对离地1.5m高度气温的影响示意图，其中a的容积率为1.2，b的容积率为1，c的容积率为1.5，d的容积率为 2；
图4为本发明该实施例提供的不同设置参数对离地1.5m高度气温的影响示意图，其中a为容积率，b为建筑物数量，c为平均楼高，d为建筑面积占比；
图5为本发明该实施例提供的利用Phoenics模型对通风的模拟效果图，其中a为北京整体通风效果图，b为区域7的局部通风模拟效果图；
图6为本发明该实施例提供的利用Phoenics模型对热量的模拟效果图，其中a为北京市五环内区域，b为其中一个区域(编号7)；
图7为本发明该实施例提供的北京最优通风廊道建设图；
图8为本发明该实施例提供的Phoenics模型构建流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
传统模型将研究区作为一个整体，利用一个模型进行评估和模拟。本发明提出了分布式模型思路，将城市密集区按照网格(8000米*8000米网格)进行划分；然后在每个栅格区域，采用Phoenics进行模拟。传统技术方案多城市作为一个二维平面，本发明充分利用了城市三维数据，通过建筑物、树木的位置和高度，建立城市景观的三维模型。
本发明所提供的城市密集区通风廊道的建立方法，具体步骤如下：
(1)模型及案例选择：
模拟区域在北京五环内选取。首先将五环分成多个8km×8km的小区域，统计每个小区域内的绿地面积、建筑数量、建筑高度、建筑占地面积等数据，计算每个小区的容积率。其次取容积率为1的17个区域，容积率1.5的16个区域，容积率为2的8个区域，共41个区域为模拟对象，用来评价模型运算效果、绿地和建筑搭配效果，从而为通风廊道建设提供关键参数。
(2)模型参数：
利用ArcScene建立41个研究区的三维模型，并与Phoenics进行对接，设置气象参数进行模拟。当下垫面为地面时，地面粗糙度代表近地面平均风速(扣除湍流脉动之后的风速)为0处的高度。它在推导风的对数定律时，作为下边界条件引入。当下边界平坦时，地面粗糙度较小，反之较大。地面粗糙度依据《建筑结构荷载规范》、(GB 50009-2012)选取，每种类型的地面粗糙度指数见下表；气温、风向根据北京夏季典型数值进行设置。
表1为不同类型的底面粗糙度指数
Figure BDA0003458403660000061
(3)绿地降温评价技术：
绿地的降温效应分为降温强度与降温效率。绿地降温强度值为区域内无绿地时的平均气温(1.5m高处)减去有绿地时的平均气温，用CI表示。降温效率的值为降温强度与区域内绿地占比的比值，用CE表示。
CI＝T0-T1 (1)
CE＝CI/X (2)
式中T1：区域无绿地平均气温；T0：区域内有绿地平均气温；X：绿地在区域内的占比。模型尺寸为1km×1km，将绿地面积占比设为定值(10％、20％、30％、40％和50％)，并设计无绿地的对比区域。通过改变模拟区内绿地的形态特征，利用Phoenics 对建筑区形态的夏季热环境进行模拟，从而比较不同绿地格局下的热环境状况。
(4)模型模拟精度评价：
Phoenics模拟的草地与路面的表面温度值与实际观测值接近，均方根误差 RMSE＝1.34℃，显示Phoenics模型精度较高，可以很好的模拟温度的空间分布。
(5)绿地设计方案及效果：
随着绿地面积增大，区域平均气温变低，占比10～50％的绿地降温强度CI为 1.4～2.2℃，分散型绿地降温效应优于集中式大型绿地。
(6)建筑设计方案及效果：
高层建筑物在提高城市的土地利用效率的同时，可在一定范围内可以改善区域热环境，由于高层建筑物有较大的遮荫面积，降低了到达地表的太阳辐射量。建筑物的数量及占地面积对小区域内的气温影响显著，建筑物密度大的城市区域，热量更容易聚集在建筑物周围，形成局部热点，不利于热量的扩散。
(7)通风和热量模拟效果：
依据建筑物高度属性对北京五环进行建模，分别将25个区域导入Phoenics软件中。在经过网格划分、参数输入以及模型的选择之后，运行程序。
Phoenics能够输出区域内的平均风速，统计区域内1.5m高度处的风速，将之与区域内容积率、建筑占地面积进行分析。
(8)最优通风廊道建设方案：
将ArcGIS与Phoenics模拟的五环风况，结合夏季盛行风，确定了五条近地表的通风廊道。第一条主要贯穿西四环主干道，向北通过船营公园，途径昆玉河连接到昆明湖，廊道现状较好。第二条沿海子公园往北，经过北京营城建都滨水绿道、沿西北贯穿玉渊潭公园，通过廊道与水系、绿地以及公园贯通。第三条沿南中轴路，由南向北途径南苑、桃苑、和义公园，经至永定门时风道扩宽，同时贯穿陶然亭、天台公园，之后沿北海公园连接奥林匹克公园，是五环内通风状况最好的一条人行廊道。第四条沿东二环护城河往北，途径日坛公园、望湖公园，之后偏东与第五条廊道汇合。第五条由海棠公园，沿东四环干道，途径朝阳公园，之后偏西北与第四条廊道汇合，共同贯穿北京朝来森林公园，具有相当大的通风潜力。
本发明提供了详细的通风廊道构建思路、技术原理、效果验证等，提高了通风廊道建设的有效性；据此提出了分布式模型构建技术，将整个城市分为41个单元，每个单元分别计算，再根据空间位置进行合并，衔接边界结果，从而克服了Phoenics模型运算效率低的难题，可以为相关规划提供科学、可行、准确的技术支撑。在仿真模型的建立方面(图8)，传统方法是基于3D Max等软件进行构建，本发明充分利用了 ArcGIS软件，使得空间位置和属性信息有机统一。
本发明第二方面提供一种城市密集区通风廊道的建立装置，包括：
第一处理单元，用于统计城市三维数据，建立城市景观的三维模型；
第二处理单元，用于将三维模型按照网格进行划分，形成若干分布式三维模型；
第三处理单元，用于将若干分布式三维模型与Phoenics软件对接，得到Phoenics模型，通过Phoenics模型设计不同参数进行模拟，得到城市设计景观配置方案并评估城市通风效果。
本发明第三方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述城市密集区通风廊道的建立方法的步骤。
本发明第四方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述城市密集区通风廊道的建立方法的步骤。
本发明是根据具体实施方式的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解为可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种城市密集区通风廊道的建立方法，其特征在于，包括如下步骤：
统计城市三维数据，建立城市景观的三维模型；
将三维模型按照网格进行划分，形成若干分布式三维模型；
将若干分布式三维模型与Phoenics软件对接，得到Phoenics模型，通过Phoenics模型设计不同参数进行模拟，得到城市设计景观配置方案并评估城市通风效果。
2.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，统计城市三维数据，建立城市景观的三维模型，具体过程如下：
利用ArcScene软件处理城市三维数据并建立三维模型，城市三维数据包括绿地面积、绿地类型、建筑数量、建筑高度、建筑占地面积、道路数量和道路面积。
3.根据权利要求2所述的建立方法，其特征在于，将三维模型按照网格进行划分，形成若干分布式三维模型，网格为8km×8km。
4.根据权利要求3所述的建立方法，其特征在于，将若干分布式三维模型与Phoenics软件对接，得到Phoenics模型，通过Phoenics模型设计不同参数进行模拟，得到城市设计景观配置方案并评估城市通风效果，具体步骤如下：
将若干分布式三维模型与Phoenics软件进行对接，设置气象参数进行模拟，通过设计包括绿地面积和类型、建筑面积和高度在内的不同参数，评估每个网格的风速、热量，评价绿地的降温效应；对容积率相同，建筑物参数不同的情景进行模拟，确定城市小区域较优的建筑格局配置，识别、评价近地表通风廊道的生态效益。
5.根据权利要求4所述的建立方法，其特征在于，绿地的降温效应包括降温强度与降温效率，绿地降温强度值为区域内无绿地时1.5m高处的平均气温减去有绿地时的平均气温，用CI表示；降温效率的值为降温强度与区域内绿地占比的比值，用CE表示：
CI＝T0-T1 (1)
CE＝CI/X (2)
式中T1：区域无绿地平均气温；T0：区域内有绿地平均气温；X：绿地在区域内的占比，模型尺寸为1km×1km，将绿地面积占比设为定值，即10％、20％、30％、40％和50％，并设计无绿地的对比区域，通过改变模拟区内绿地的形态特征，利用Phoenics软件对建筑区形态的夏季热环境进行模拟，从而比较不同绿地格局下的热环境状况。
6.根据权利要求5所述的建立方法，其特征在于，绿地的设计方案如下：随着绿地面积增大，区域平均气温变低，占比10～50％的绿地降温强度CI为1.4～2.2℃，分散型绿地降温效应优于集中式大型绿地。
7.一种城市密集区通风廊道的建立装置，其特征在于，包括：
第一处理单元，用于统计城市三维数据，建立城市景观的三维模型；
第二处理单元，用于将三维模型按照网格进行划分，形成若干分布式三维模型；
第三处理单元，用于将若干分布式三维模型与Phoenics软件对接，得到Phoenics模型，通过Phoenics模型设计不同参数进行模拟，得到城市设计景观配置方案并评估城市通风效果。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6任意一项所述城市密集区通风廊道的建立方法的步骤。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6任意一项所述城市密集区通风廊道的建立方法的步骤。
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