低质量的空气已经成为影响人类健康的重要因素,有效的城市通风是缓解城市低质量空气的重要手段。因此,对城市通风效果的评价以及借助于城市规划设计手段对城市通风效果进行优化在改善人居环境,保障人类健康生活层面具有重大意义。论文主要研究城市规划设计、城市风环境以及城市空气质量之间的关联关系,采用了实证研究与数值模拟相结合的研究方法,首先借助于计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）进行数值模拟,建立风环境与城市污染物浓度之间的关系模型,确定风速对污染物浓度稀释的临界值域,基于此建立设计要素系统与风环境的关联关系,进而实现通过改变设计要素改善城市空气质量的目标;其次通过实地测量,证明了城市微环境区域存在风环境空间分布上的差异,且风环境与污染物浓度之间存在对应关系,即风速越大污染物浓度越低,反之越高。论文梳理了城市气候与城市设计相关性研究的发展脉络,总结了气候适应性设计的历史沿革;提炼了城市规划对城市气候环境的双向影响,包括城市规划建设带来的具体城市气候问题以及立足于规划层面对城市气候环境优化的诸多尝试;着重研究了风环境与城市规划设计的关联,分析了现有的城市通风设计。论文深入研究了相关学科理论,构建了基于城市规划改善城市风环境进而优化城市空气质量研究的理论框架。首先,从大气物理学的角度,分析了空气污染物随气流扩散沉积的过程,肯定了风环境对于缓解城市空气污染的重要意义;其次,从气候学角度,分析了城市边界层,确定了大气湍流运动从全球尺度到城市尺度的重要作用,尤其在城市局部尺度,由于地面粗糙度的复杂性,其运动变化更为明显;最后,分析了计算流体力学在城市环境层面的运用,借鉴其成功经验,为本研究的完成提供了途径和支撑。论文论述了具体的数值模拟方法。包括空气流动控制方程,数值离散格式,计算网格划分,边界条件设定以及湍流模型。将研究用到的整个数值模拟过程进行了详细的阐释说明,改进了相应的计算算法,验证了计算方法的可靠性。论文研究了风速与污染物扩散效率的对应关系,经过多次反复迭代模拟,确定了有效扩散污染物的风速阈值（临界风速）。在此基础上提出用行人高度（1.5m）剖面的临界风速面积比表征相应区域空气质量,即:依据模拟的风速云图,提取风速低于临界风速的区域面积,将其与区域总面积（除去建筑基底面积）相比,得出百分数,即为临界风速比,将临界风速比作为评价城市通风效果的指标,临界风速比越高,空气流通性越差,空气污染越严重,反之亦然。论文研究了空气质量与设计要素的关联关系。首先,选取各类城市设计要素,建立城市设计要素系统;其次,以临界风速比作为评价指标,通过数值模拟计算,分析各类要素变化对城市空气质量的影响;最后,计算各类要素与空气质量的相关性系数,找出与城市空气质量相关性较大的因子,以此作为城市空气质量优化的背景前提。论文选取了重庆市三峡广场以及乌鲁木齐市钻石城广场分别进行空气质量评价及优化设计。选取的优化对象分属中国不同气候区,且包括建成项目与设计方案,此优化不是纯粹的数值优化,而是基于前述结论的经验性优化。在第五章结论的基础上,首先提取相应的设计要素,对这些设计要素进行修正,最后通过将优化前后的设计方案进行临界风速比比较,可以看出,优化后的项目实现了临界风速比的显著降低,城市通风效果得到提升,城市空气污染得到缓解。论文最后引入粒子群优化算法进行标准案例模型的空气质量优化设计,得到了实现空气质量最佳目标的优化设计方案,这是在经验优化的基础上引入全新的智能算法在城市规划设计上的尝试,为人工智能在城市规划设计中的运用打下了基础。论文实现了以下创新:①论文界定了能有效扩散空气中污染物的临界风速值。通过对城市风环境与污染物扩散的关系研究,确定了有效疏散空气污染物的临界风速值,即为1.0m/s。并在此基础上提出了新的城市空气质量判定指标:临界风速比。②论文完善了计算流体力学方法在城市环境中的应用。包括:比较了结构性网格和非结构性网格的优劣,选择适用于城市环境计算的网格模式,对边界条件,计算方法以及网格量的疏密、分辨率都进行了相应的调整,使其在运用于城市环境这种大体量的环境计算时具有合适的精度以及计算效率。③论文系统性地研究了城市设计要素系统对空气质量的影响规律。结果显示,环境背景要素中的风速与风向条件是影响空气流通效率的决定性因素,开发强度要素中的建筑密度要素对城市通风效果影响明显,布局设计要素中的风道设计以及围合方式也会影响城市通风性能。在城市设计要素系统中,同时存在对城市通风效率正相关与负相关的指标,在具体的改善策略中,应综合利用,统筹考虑各要素对城市通风效果的影响,相互配合,才能实现城市空气质量的整体提升。④论文将设计要素与城市空气质量的关联性结论运用于具体的城市设计项目中,比较其优化结果,验证结论的准确性。结果显示,基于第五章的研究结论,对城市设计要素的局部修改能有效降低临界风速比,实现城市空气质量的优化。⑤论文提出了一种简易判定城市微环境空气质量的方法,链接风速云图,可以便捷的实现对城市局部区域某一具体地点空气质量的判定,预测。在此基础上,通过引入粒子群优化算法,实现基于空气质量的城市布局设计修正,为智能城市设计奠定了基础。