【绿色建筑】从街道峡谷到街区层峡：城市形态与微气候的相关性分析

基于对城市形态、城市微气候以及两者之间相关性的定量分析，增强城市设计的科学性与严谨性，提升其专业地位。...



从街道峡谷到街区层峡：城市形态与微气候的相关性分析

（《南方建筑》2016年第三期）

作者  王振1　李保峰2　黄媛3

作者简介　1讲师；2教授；1&2华中科技大学建筑与城市规划学院；3西南交通大学建筑与设计学院，副教授

摘要　近年来，为实现社会、经济、环境的协调发展以及城市增量扩张向存量优化模式转型，愈来愈多的国内学者开始重视并持续深入地对城市形态、城市微气候以及两者之间相关性展开研究。文章针对城市形态和城市微气候在尺度、维度和度量以及目标上展开讨论，并探讨街道峡谷和街区层峡的城市形态与微气候之间的相关性。基于微气候定量分析的方法，能够增强城市设计教育研究的科学性与严谨性，提升其专业地位。另外，微气候分析及相关性研究能减少城市设计预期的不确定性并提高城市建成环境发展的可持续性。

关键词　城市形态；街区层峡；微气候；相关性

引言

过去20年我国城市化进程和人口集聚以及随之而来的大规模基础设施建设与城市扩张，使得城市微气候不断恶化，进一步影响城市室外环境的安全、健康与舒适以及高效使用。近年来，为实现经济、社会、环境的协调发展以及城市增量扩张向存量优化模式转型，愈来愈多的国内学者开始重视并持续深入地对城市形态、城市微气候以及两者之间相关性展开研究。其中室外热舒适性和城市能源消耗一直是进行城市形态与微气候相关性研究中的两个重要方面。早在20世纪80年代，Oke、Thurow、Givoni、Bosselmann、Katzschner等人相继通过城市建成区域的密度、城市街道尺度和方位等城市设计层面研究城市形态对城市微气候的影响，并认为通过改善和优化城市微气候，提升城市室外热舒适性和空气品质、降低城市整体能耗，形成城市空间中行人健康环境起着重要作用。

区别于较为稳定的室内环境，城市室外环境的热、风、湿、太阳辐射等微气候要素的时空分布状态直接影响到个体的动态热感觉以及对室外舒适环境的选。因此，良好的城市形态，在很大程度上取决于城市室外近地面适宜的热舒适性。已开展的城市形态，特别是街道尺度的关键几何特征与室外热舒适性之间关联的研究始于中高纬度寒冷地区，如德国波鸿鲁尔大学的Michael Bruse、Heribert Fleer（1998）通过模拟分析城市规划中的局部变化（如树木、草坪和新建筑群）在不同尺度条件下对微气候所带来的影响。后多在热气候条件下的中纬度地区，并集中于城市街区尺度通过形态基础指标对室外热舒适性的影响研究，分析实测和数值模拟场景中人的热感觉并对场景的热环境优化提出建议。例如Pearlmutter、Bourbia、Ali-Toudert、Krüger、Shashua-Bar、Takebayashi相续研究了城市街谷高宽比（H/W）以及街道走向等常用的街区形态指标和街区热环境的关系。上述研究表明，通过街道界面属性和街区自然基质覆盖程度的改善能够明显降低城市下垫面的表面温度，降低室外空气温度，从而提升城市近地面热舒适性和减少城市能源消耗；通过街廓街巷空间结构、建筑组群布局以及街区层峡几何特征等空间形态和建筑形态的优化，可以形成良好的街区室外风、日射环境，从而避免空气污染和热滞留。因而，城市微气候与城市形态存在紧密的相关性，通过城市形态调整，无论对于旧城既有街区或者待建城区的形态调整，都能够大大改善和优化城市微气候。

每一个城市每个街区都有自己独特的城市微气候，其中有通过规划或设计获得良好城市微气候，也可以通过改善或优化城市街区形态减轻城市室外热环境的负面影响。本文针对城市街道峡谷、街区层峡的几何形态和城市微气候在尺度、维度和度量以及目标上展开讨论，并探讨城市形态的微气候分析及其相关性。

1 尺度、维度和度量

城市微气候由下垫面构造特性决定的发生在限于高度为100m以下的1km水平范围内近地面处的城市气候，包括太阳辐射强度、温度、湿度、风、降雨以及雾、霜等时空分布的局地差异。而城市形态是对真实的复杂城市形态的简化描述，即与城市气候学关联的城市几何形态，包括城市形态类型和城市形态指标的基本要素和衍生要素。鉴于城市形态和城市微气候的复杂性，城市形态和城市微气候之间相关性的探讨应该在尺度、维度和度量以及目标上进行界定，以便确定本学科研究的切入点和范围，提取影响城市微气候的关键城市形态要素，建立可用于设计前预测和使用后评估的城市形态和微气候的相关性分析矩阵。

1.1 尺度

无论是城市气候学研究或者城市形态学研究，因为面对多时空尺度的变化特征，几乎都跨越区域－城市－城区－街区－街道，或者说大尺度／宏观（Macroscale mode）、中尺度／中观（Mesoscale mode）和小尺度／微观（Microscale mode）。小尺度的城市微气候研究始于城市形态的基本单元—街道峡谷（Street Canyon），其定义为城市街道两边连续的建筑所形成的相对狭长的街道空间。国内学术界对于Street Canyon的早期研究多集中在大气气溶胶及大气污染扩散，故称为街道峡谷或者街谷。本文从街道峡谷（Street Canyon）拓展到街区层峡（Urban Canyons），即城市微气候影响下的街区街道三维空间及其空间界面，其中“层”来自城市热环境下的街道内温度分层现象，而“峡”来自城市风环境下的街道内狭管效应，以体现街区微气候特征。

1.2 维度

从学科视角来看，城市形态和城市微气候之间相关性的研究涉及气候、地理和环境等科学交叉领域，包括城市形态、城市气候和城市设计3个方面的维度。通过这3个方面的维度可以建立Pressure（压力／城市形态）－State（状态／城市气候）－Response（响应／城市设计）PRS模型。即以因果关系为基础，人类活动和城市发展对城市气候和微气候施加一定的压力，打破城市空间的能量系统平衡；因为这些压力，城市气候和微气候改变其原有的性质（状态），影响到城市室外环境的安全、健康与舒适以及高效使用；人类又通过环境、经济、社会等领域的设计或者管理策略对这些变化作出反应，以重新获得良好城市微气候或减轻城市微气候的负面影响。

1.3度量

在城市形态、城市气候、城市设计3个方面的维度下，衍生空间形态、建筑形态、自然景观和城市微气候4种度量／要素，若干个相关因子：

1.3.1空间形态度量／要素

街区的空间形态要素主要指街区尺度的街巷空间结构以及街道尺度的街道高宽比、天空可视率等，其与城市微气候的相关性包括街区的风环境（水平自然对流、垂直热压流以及局部涡流）、热环境（街道界面吸收太阳辐射后的二次热辐射以及空气中颗粒直接吸收的太阳辐射得热）。

1.3.2建筑形态度量／要素

街区的建筑形态要素主要指街区尺度的建筑组群布局、土地开发强度、容积率等以及街道尺度的街道界面贴线率等，其与城市微气候的相关性包括街区的日射环境（建筑之间的太阳辐射遮挡）、热环境（街道界面和下垫面的太阳辐射吸收得热以及可能的潜热）。

1.3.3自然景观度量／要素

街区自然景观要素主要指绿植（包括乔木、灌木、草坪以及植草屋顶、垂直绿化等）、水体、裸土等自然基质覆盖率，三者通过一定程度的蒸腾作用影响城市近地面热、湿环境，其中绿植中的乔木和灌木还会通过局部遮阳，大幅度减少下垫面对于太阳直接辐射的吸收得热。另外，具有一定渗水能力的裸土，通过雨水的滞留和下渗影响街区生态涵养能力和自然水文循环。

1.3.4城市微气候度量／要素

城市微气候要素包括太阳辐射强度、风、温度、湿度、降雨、雾等。通过与城市形态要素的相互作用，微气候要素呈现时空分布以形成街区层峡微气候特征。区别于城市形态要素可剥离成若干个相关因子如街道高宽比、天空可视率等进行独立解析，微气候因子在街区层峡实际能量平衡过程中存在交互影响，因而会使用结合人生理指标和心理感受的室外标准有效温度（OUT- SET﹡）、生理等价温度（PET）或者平均辐射温度（MRT）等综合性热舒适评价指标对室外热舒适性进行评估，而非依靠单一的风或空气温度等描述人体实际舒适度。

需要指出的是，本文进行城市形态和城市微气候之间相关性探讨的目标是城市室外环境的安全、健康与舒适以及高效使用。其中安全等级是城市微气候基本要求，涉及到空气污染和扩散、强烈阳光曝晒和雨洪等问题；健康等级是城市微气候标准要求，提倡健康出行、节能节水等；舒适等级属于城市微气候理想要求，适用于对于城市微气候有较高要求的室外公共休憩空间、公园等。

 

2 研究方法

现代城市气候学研究始于1983年卢克·霍华德（Luke Howard）对城市热岛现象的实测研究。城市微气候的研究方法包括文献分析、物理模型分析、现场实测、缩尺模型和风洞试验、数值模拟等。虽然现场实测存在成本高、风险大、干扰因素多等问题，但它仍是研究城市气候学最基本的手段，也是进行物理模型和数值模型研究前实测数据校验所必须的环节。物理模型分析是在城市微气候实测数据基础上建立回归预测模型进行分析。另外真实环境下的实体缩尺模型和和用于风洞试验的缩尺模型，在进行城市气候相关分析上仍发挥不可替代的重要作用。伴随近10年来高解析性能的气候数值模拟分析方法及其软件的快速发展，针对对不同尺度的城市气候进行数值模拟分析已成为当前研究城市微气候的重要方法。本文案例分析中所采用的数值模拟软件包括以室外热舒适性为目标的ENVI-met，以能耗性能为目标并结合辐射计算模型（coupled simulation of convection, radiation and conduction）的SOLENE。两者分别在城市街区室外热舒适性和城市能源消耗的数值模拟分析上与实测数据校验，以此作为展开街区层峡的城市形态与微气候相关性研究的基础。



图1 不同街道巷弄空间结构模式的街区层峡，地上1.4m处下午15：00水平空气温度分布（相等街块占地面积、相同街高、街轴与南向来风正交）



图2 街区Blocks_1的PET时空演变图（2a：东西走向层峡中心地上1.4m处PET时空演变图；2b：南北走向层峡中心地上1.4m处PET时空演变图）；

图3 街区Blocks_2的PET时空演变图（3a：东西走向层峡中心地上1.4m处PET时空演变图；3b：南北走向层峡中心地上1.4m处PET时空演变图）；

图4 街区Blocks_3的PET差值时空演变图（4a：东西走向层峡中心地上1.4m处PET差值时空演变图；4b：南北走向层峡中心地上1.4m处PET差值时空演变图）

3 微气候相关性案例分析

3.1城市形态与微气候相关性研究之于室外热舒适性——以武汉街区尺度的街巷空间结构为例

如图1~3所示，通过对武汉街区尺度的街巷空间结构与室外热舒适性的相关性研究，可以看到在相等街块占地面积（90m×90m×9=135m×60m×9）和等宽等高街巷（H/W=2或者H/W=1）条件下，从街区层峡近地面1.4m处10：00到18：00时间段的空气温度来看，Blocks_1街区略高于Blocks_2街区，在东西走向层峡内共时温度差不超过0.15℃，在南北走向层峡内最大共时空气温度差约0.6℃，而Blocks_3街区内最不利的南北走向层峡近地面空气温度略低于Blocks_2街区内最好的东西走向层峡，最大共时空气温度差有0.34℃。从街区层峡近地面1.4m处的PET时空分布（7:00~20:00）来看，Blocks_2街区同Blocks_1街区相比，其南北走向层峡内PET明显降低，PET高值区域出现的时间也有所缩短；Blocks_3街区在东西走向层峡近地面处PET优于街区Blocks_2，最大共时PET差值3.2℃出现在14：00左右的层峡中间区域，而Blocks_3街区内南北走向层峡近地面处PET与Blocks_2街区大致相当，只是层峡中间PET高值区域在10：00至14：00时间段内有所转移。

因此总结街巷空间结构与室外热舒适性相关的规律性：宽街为东西走向、窄巷为南北走向的街区比宽街为南北走向、窄巷为东西走向的街区更能从整体上改善夏季街区热舒适性环境；同样，具有长街短巷特征的街区在改善夏季室外热舒适性环境上优于具有短街长巷特征的街区；更重要的是，在夏季街道高宽比与街区室外热舒适性的相关性上，南北走向层峡远高于东西走向层峡。



图5 相同容积率、不同建筑密度研究的布局示意图



3.2 城市形态与微气候相关性研究之于城市能源消耗——以武汉街区尺度的建筑组群布局为例

通过对武汉街区建筑组群布局与城市能源消耗的相关性研究（图5、表1），发现在相同容积率（PL＝3.0）和用地布局模式条件下，街区内建筑层数相续从5层变为19层，建筑密度从0.6变为0.16，冬季时楼层为7层、建筑密度为0.43的街区的热负荷最低，与楼层为11层、建筑密度为0.27的街区热负荷相比减少4.35%；而夏季时楼层为5层、建筑密度为0.6的街区的冷负荷最低，与楼层为11层、建筑密度为0.27的街区冷负荷相比减少14.81%。这说明相同容积率（PL＝3.0）条件下，楼层为7层、建筑密度为0.43的街区是建筑组群布局与冬季采暖能源消耗的拐点，而楼层为5层、建筑密度为0.6的街区是建筑组群布局与夏季制冷能源消耗的拐点。

因此总结建筑群组布局与城市能源消耗相关的规律性：当容积率一定的条件下，无论冬季、夏季，较高的建筑密度都有利于城市整体节能，更重要的是夏季较高的建筑密度与城市能源消耗的相关性高于冬季较高的建筑密度与城市能源消耗的相关性。

结语

综上所述，通过不同城市形态的街区层峡内微气候要素的时空分布和动态趋势以及能耗分析，街区层峡的几何形态如街区街巷空间结构、建筑群组布局等和城市室外热舒适性、城市能源消耗直接相关。并且通过比较分析知道在夏季街道高宽比与街区室外热舒适性的相关性上，南北走向层峡远高于东西走向层峡；夏季较高的建筑密度与城市能源消耗的相关性高于冬季较高的建筑密度与城市能源消耗的相关性。这说明城市形态与微气候的相关性分析不仅可以直接为城市建成环境发展的可持续性提供设计策略，并且能够进行多目标寻优以减少城市设计预期的不确定性。

当前，一方面对于城市形态、城市微气候展开数据分析，特别是结合3S技术和基于位置服务（LBS）的开放数据，更是为数值模拟和分析提供了更多和更可靠的数据基础。也有学者通过微气候图谱方法建立多变量回归模型，借助计算机图像处理技术和空间分析技术，获得微气候指标的空间分布图和预测模型。愈来愈多的数值模拟分析将使得城市形态与微气候的相关性研究从使用后评估走向设计前预测。另外一个方面，如何把握当地气候和城市形态对症下药，是进行城市气候设计的关键所在，而全球的气候变化以及城市化进程和人口集聚将加剧对城市微气候的影响，使得城市建成环境更加脆弱。这些更需要我们谨慎地、理性地思考和探讨城市形态、城市微气候和城市设计的关系。与气候、地理、环境等科学领域相比，国内建筑学和城市设计领域的科研成果产出在深度和广度以及认识上仍有不小差距。基于微气候定量分析的方法，能够增强城市设计教育研究的科学性与严谨性，同时提升其专业地位。气候数值模拟分析方法的快速发展，使得城市形态和微气候的相关性研究进行多因子交互和多目标寻优，尚可结合3S技术、LBS大数据技术推动城市设计研究显化和量化。我们今天所面对的众多可持续发展的挑战并不能简单地通过设计来解决。气候弹性城市和规划需要应用定量化手段来论证项目预期，从而减少不确定性因素。而且多尺度、多目标和跨学科的系统整体设计至关重要，以协调社会、经济和环境可持续性发展。

本文选自《南方建筑》2016年第三期，欲知全文，可在《南方建筑》官方网站或中国知网上查阅，或订阅本期期刊O(∩_∩)O

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