蘇 毅， 李崢崢

(北京建筑大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院， 北京 100044)

自行車專用路對(duì)緩解大城市病，建設(shè)步行和自行車友好城市具有重要意義。北京市首條自行車專用路東起昌平回龍觀文華路，西至海淀后廠村路，全長6.5 km。自行車專用路連接回龍觀和上地軟件園，這兩地之間具有大量集中定向的通勤出行需求，但是由于城市被鐵路和高速割裂，且出行人數(shù)多、時(shí)間集中，造成高峰期地鐵擁擠，道路交通擁堵，通勤時(shí)間被拉長，自行車出行可以有效緩解回龍觀至上地的交通擁堵問題。2020年新冠疫情激活了公眾對(duì)自行車的需求，越來越多的人開始選擇自行車出行、鍛煉，自行車專用路成為城市內(nèi)重要的公共空間。除保障自行車路權(quán)之外，優(yōu)化騎行空間的品質(zhì)，提高騎行的舒適度，也成為騎行者關(guān)注的重點(diǎn)問題[1]。

我國在自行車專用路及其舒適度方面研究較少，楊永平等[2]通過分析國內(nèi)外自行車專用路發(fā)展及趨勢，以北京市首條自行車專用路為例，確定了自行車專用路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。廖新龍[3]在對(duì)廣州現(xiàn)狀交通情況進(jìn)行充分梳理的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外自行車高架建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，選定廣州自行車高架專用道示范線，提出了側(cè)掛式、底掛式、改造原道路、改建現(xiàn)有高架、新建高架、路側(cè)式6種設(shè)計(jì)方案，為廣州發(fā)展自行車出行方式的先行探索。LI等[4]對(duì)南京騎行舒適度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)騎行者在自行車道上的舒適度受到自行車道的寬度、路肩的寬度、坡度、公共汽車站點(diǎn)布局、土地利用、電動(dòng)自行車以及自行車的流量等物理環(huán)境因素的影響。田凱等[5]通過主觀評(píng)價(jià)法和行為研究法分析自行車專用路，研究發(fā)現(xiàn)人們偏好使用具有隔離設(shè)施的自行車專用路，這樣的自行車專用路使用率有所提高。朱彤等[6]建立城市道路環(huán)境自行車出行者滿意度模型，針對(duì)通勤交通選取23項(xiàng)指標(biāo)，設(shè)計(jì)調(diào)查問卷并展開調(diào)查，得出影響自行車出行者滿意度最主要的外界因素是通暢性與環(huán)境舒適性，環(huán)境舒適性包括道路綠化條件和隔離設(shè)施對(duì)出行者舒適性的影響、路側(cè)建筑的距離和高度對(duì)出行者舒適性的影響。目前關(guān)于自行車專用路及舒適度的大部分研究是從道路幾何設(shè)計(jì)、環(huán)境條件和交通因素等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，少有對(duì)改善自行車專用路熱環(huán)境和騎者人體熱舒適度的研究。良好的熱環(huán)境條件可以吸引公眾，提高自行車專用路的使用效率，激活空間活力，因此本文引入熱環(huán)境和熱舒適度的相關(guān)理論，完善自行車專用路的相關(guān)研究，從熱環(huán)境角度改善騎行舒適度。

城市微氣候是城市中小尺度內(nèi)的氣候環(huán)境，是室外活動(dòng)人們感受最直接的環(huán)境因素，構(gòu)成因素主要是太陽輻射、風(fēng)、溫度、濕度、降水等，受到城市下墊面、植被、建筑空間形態(tài)以及人的行為活動(dòng)影響[7]。評(píng)價(jià)城市環(huán)境舒適的主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是人體熱舒適度。人體熱舒適度在美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)中定義為：人在心理狀態(tài)上感到滿意的熱環(huán)境。人體舒適度是人們通過自身的熱平衡條件和環(huán)境狀況綜合起來的是否舒適的感覺，是人心理和生理的雙重反映[8]。常見的熱舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)有通用熱氣候指數(shù)(Universal Thermal Climate Index,UTCI)、預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)(Predicted Mean Vote,PMV)、預(yù)計(jì)不滿意者的百分?jǐn)?shù)(Predicted Percentage of Dissatisfied, PPD)、標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(Standard Effective Temperature,SET)等，常用軟件有ENVI-met、RayMan等。本文針對(duì)北京自行車專用路龍澤地鐵站路段進(jìn)行數(shù)值模擬，分析城市自行車專用路的影響因素，并提出優(yōu)化策略，為今后的自行車專用路熱舒適度提升提供支撐。

1 研究案例及模擬軟件

1.1 氣象條件與研究范圍

北京是典型的暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春秋環(huán)境溫和舒適，冬季寒冷干燥，夏季天氣炎熱，太陽輻射強(qiáng)(圖1)，濕度對(duì)人體熱舒適度的影響較小，較差的熱環(huán)境則可能會(huì)伴隨強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)在冬季(圖2)、伴隨高溫天氣出現(xiàn)在夏季。本次研究區(qū)域?yàn)樽孕熊噷Ｓ寐俘垵傻罔F站周邊的路段，北沿同成街，南側(cè)是地鐵13號(hào)線和京包鐵路，京藏高速下穿京包鐵路，與同城街相交，四周分布有住宅小區(qū)和城中村，整體研究面積為0.8 km2，其中自行車專用路長度為1 km，將研究集中在夏季和冬季，分析騎行者的熱舒適度以及影響熱環(huán)境的主要?dú)庀笠蛩仫L(fēng)速、溫度、平均輻射溫度(Mean radiant temperature，MRT)，并提出優(yōu)化改善策略。

1.2 模擬軟件及參數(shù)設(shè)置

本文研究基于城市微氣候模擬軟件ENVI-met。目前ENVI-met軟件被國內(nèi)外許多研究學(xué)者廣泛利用于中小尺度空間的研究，如城市街峽[9]、傳統(tǒng)歷史街區(qū)[10]、城市中心區(qū)[11]等，其模擬結(jié)果具有一定的可靠性。根據(jù)研究范圍內(nèi)的實(shí)際建成情況，在軟件中建立建筑、綠化、道路模型，采用ENVI-met 4.4版本進(jìn)行模擬。

學(xué)者布蕾茲等人將UTCI與多個(gè)經(jīng)驗(yàn)型熱舒適度指數(shù)和機(jī)理型熱舒適度指數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果證明UTCI評(píng)價(jià)體制對(duì)國家區(qū)域、氣候分區(qū)、季節(jié)時(shí)間等不同環(huán)境的普適性較強(qiáng)，評(píng)價(jià)結(jié)果也更為貼近人體熱舒適的真實(shí)狀況[12]，所以使用UTCI作為熱舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)。表1為熱中性溫度與熱舒適模型對(duì)應(yīng)范圍[13]。

表1 UTCI等級(jí)標(biāo)度

選取夏季和冬季的典型日——夏至日和冬至日，模擬時(shí)段為早高峰8：00—9:00，高度為在自行車專用路上騎行者的人腦高度，自行車專用路高架段距地面7 m，騎行者的人腦高度為1.5 m，所以研究高度為8.5 m，夏季和冬季服裝熱阻分別設(shè)定為0.36 clo和2.0 clo。ENVI-met設(shè)置具體參數(shù)見表2。

表2 ENVI-met參數(shù)設(shè)置

2 模擬結(jié)果分析

2.1 研究區(qū)域現(xiàn)狀模擬分析

從冬季和夏季的風(fēng)速模擬結(jié)果(表3)可以看出，建筑對(duì)風(fēng)速的影響較大，最大風(fēng)速出現(xiàn)在大體量建筑兩側(cè)，最小風(fēng)速出現(xiàn)在建筑的背風(fēng)面和迎風(fēng)面，小體量建筑比大體量建筑形成的風(fēng)環(huán)境更穩(wěn)定。自行車專用路的風(fēng)速受到附近建筑的影響，而空間開敞的地方，風(fēng)速分布比較均勻。西側(cè)城中村低層建筑距離自行車專用路10 m，風(fēng)穿過街巷加速吹向自行車專用路，東側(cè)住宅小區(qū)內(nèi)多層建筑距離自行車專用路50 m，建筑周圍風(fēng)速變化大，但是距離自行車專用路較遠(yuǎn)，對(duì)自行車專用路無影響，可見建筑退讓距離與自行車專用路微氣候有關(guān)。

表3 8點(diǎn)研究區(qū)域現(xiàn)狀模型UTCI、風(fēng)速、空氣溫度、MRT模擬結(jié)果Tab.3 Simulation results of UTCI, wind speed, air temperature, MRT of the study area at 8 o’clock

從空氣溫度模擬結(jié)果來看，冬季室外氣溫整體寒冷，在建筑的背風(fēng)處會(huì)形成局部升溫，但效果不大。夏季高溫區(qū)出現(xiàn)在建筑背風(fēng)面和城市道路處，低溫區(qū)出現(xiàn)在綠地和住宅小區(qū)建筑形成的通風(fēng)廊道處。建筑背風(fēng)面是建筑陽面，風(fēng)速過低，不利于散熱，產(chǎn)生區(qū)域高溫。由于汽車排放大量熱，在炎熱且風(fēng)速小的夏季不易擴(kuò)散，也產(chǎn)生區(qū)域高溫。植物具有蒸騰吸熱、遮陰降溫的作用，在綠地的作用下，該段自行車專用路溫度低于受到區(qū)域高溫影響的路段，住宅建筑之間通風(fēng)良好且在陰影作用下溫度降低，但是降溫范圍有限，對(duì)自行車專用路的影響較小，可見建筑間距、綠地會(huì)影響自行車道的微氣候。

冬季和夏季的熱舒適度指數(shù)UTCI的最高值，均出現(xiàn)在風(fēng)速最小處，即建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面，夏季的熱舒適度還與陰影分布有關(guān)，最低值出現(xiàn)在大體量建筑的陰影和高風(fēng)速疊加的區(qū)域。但是由于大體量建筑距離自行車專用路遠(yuǎn)，對(duì)自行車專用路不構(gòu)成影響，地鐵龍澤站站房雖然距離近，但是沒有形成陰影，并且對(duì)風(fēng)的阻擋作用明顯，惡化了該段的熱舒適度。

綜合模擬結(jié)果分析可以看出，在研究區(qū)域內(nèi)，建筑退讓距離、建筑間距、綠地對(duì)自行車專用路周圍的微氣候具有一定的影響作用，并影響騎行者的熱舒適度變化。

2.2 影響因素分析

基于模擬結(jié)果的比較分析，對(duì)影響自行車專用路熱環(huán)境的空間要素設(shè)立對(duì)照組，進(jìn)行模擬試驗(yàn)，探索適合北京自行車專用路的空間布局形態(tài)及影響規(guī)律。在研究范圍內(nèi)，城中村、多層住宅、高層住宅分別退自行車專用路10 m、20 m、50 m，依據(jù)現(xiàn)狀設(shè)置3個(gè)建筑退讓距離對(duì)照組(圖3)。在建筑防火要求的基礎(chǔ)上，以小區(qū)內(nèi)住宅間距為參考，分別設(shè)置9 m、15 m、30 m 3個(gè)建筑間距對(duì)照組(圖4)，綠地布局對(duì)照組以城市中常見的帶狀公園以及小區(qū)公園為基礎(chǔ)，分別模擬0 m、8 m、20 m 3種寬度的綠地(圖5)，3組綠地均布置在自行車專用路北側(cè)，再以對(duì)照組2為基礎(chǔ)，分別改變綠地布局在自行車專用路南側(cè)(對(duì)照組4)、兩側(cè)(對(duì)照組5)，在對(duì)照組中設(shè)置2處固定測點(diǎn)，觀察熱環(huán)境的變化。為了便于計(jì)算和研究，將研究區(qū)域內(nèi)常見的多層建筑作為標(biāo)準(zhǔn)建筑模型，標(biāo)準(zhǔn)單體建筑模型20 m×60 m，高24 m，建筑間距為15 m，分別改變單一空間形態(tài)參數(shù)，模擬并對(duì)比分析結(jié)果見表4。

表4 對(duì)照試驗(yàn)?zāi)MENVI-met參數(shù)設(shè)置

2.3 影響因素模擬結(jié)果分析

2.3.1 建筑退讓距離

從模擬結(jié)果可以看出，建筑退讓距離會(huì)對(duì)自行車專用路熱環(huán)境產(chǎn)生積極或消極的影響。隨著建筑退讓距離增加，夏季UTCI先減小再增大，風(fēng)速先減小再增大，MRT逐漸增大，熱舒適度、空氣溫度先減小再增大，見表5和表6。而在冬季，隨著退讓距離增加，UTCI逐漸減小，風(fēng)速逐漸增大，空氣溫度、MRT逐漸降低，熱舒適度與退讓距離呈負(fù)相關(guān)，見表7和表8。綜合比較之下，退讓距離為20 m時(shí)，夏季和冬季的熱舒適度最優(yōu).

表5 夏季不同建筑退讓距離UTCI、風(fēng)速、空氣溫度、MRT模擬結(jié)果Tab.5 Simulation results of UTCI, wind speed, air temperature, MRT of buildings with different concession distance in summer

表6 夏季不同建筑退讓距離微氣候模擬數(shù)據(jù)

表7 冬季不同建筑退讓距離UTCI、風(fēng)速、空氣溫度、MRT模擬結(jié)果Tab.7 Simulation results of UTCI, wind speed, air temperature, MRT of buildings with different concession distance in winter

表8 冬季不同建筑退讓距離微氣候模擬數(shù)據(jù)

2.3.2 建筑間距

在研究建筑退讓距離的基礎(chǔ)上，對(duì)比研究建筑間距的變化對(duì)熱舒適度的影響。適當(dāng)增加建筑間距，有助于改善熱舒適度。當(dāng)建筑間距從9 m增加到30 m，測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的熱舒適度數(shù)值均呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，夏季的熱舒適度提升，冬季的熱舒適度則相反，夏季的微氣候變化情況見表9和表10，冬季的微氣候變化見表11和表12。同一模型中，夏季測點(diǎn)1的溫度、MRT高于測點(diǎn)2，冬季則相反，因?yàn)闇y點(diǎn)1在建筑角流風(fēng)的作用下，風(fēng)速大于測點(diǎn)2。增大建筑間距，可以緩解風(fēng)速，應(yīng)注意在冬季強(qiáng)風(fēng)天氣下，建筑間距過大而造成局部風(fēng)速過大會(huì)對(duì)騎行產(chǎn)生影響，綜合來看建筑間距15 m時(shí)的微氣候更為舒適。

表9 夏季不同建筑間距UTCI、風(fēng)速、空氣溫度、MRT模擬結(jié)果Tab.9 Simulation results of UTCI, wind speed, air temperature, MRT of different buildings space in summer

表10 夏季不同建筑間距微氣候模擬結(jié)果

表11 冬季不同建筑間距UTCI、風(fēng)速、空氣溫度、MRT模擬結(jié)果Tab.11 Simulation results of UTCI, wind speed, air temperature, MRT of different buildings space in winter

表12 冬季不同建筑間距微氣候模擬結(jié)果

2.3.3 綠地布局

通過對(duì)比對(duì)照組1、2、3中綠地面積對(duì)熱舒適度的影響，對(duì)照組2和4對(duì)比綠地在上風(fēng)向和下風(fēng)向?qū)崾孢m度的影響，對(duì)照組2和5對(duì)比單側(cè)和雙側(cè)綠地布局下熱舒適度的變化情況，微氣候變化情況見表13和表14?？梢钥闯鯱TCI絕對(duì)值明顯降低，可見綠地有優(yōu)化熱舒適度的作用，但是對(duì)比對(duì)照組2和3，UTCI數(shù)值變化不大，說明綠地的改善作用有限。對(duì)比夏季2組對(duì)照組2和4，對(duì)照組2要比4更舒適，因?yàn)閷?duì)照組4中的綠地位于下風(fēng)向，且未能對(duì)自行車專用路形成有效的遮陰，MRT升高，降低了熱舒適度。對(duì)比2組冬季的數(shù)值，對(duì)照組4的MRT更高，但是風(fēng)速大，所以熱舒適度更差。對(duì)比對(duì)照組2和5夏季的數(shù)值，對(duì)照組2更舒適，雖然對(duì)照組5的MRT均優(yōu)于對(duì)照組2，但是對(duì)照組5的風(fēng)速較低，因?yàn)殡p側(cè)綠地削弱了風(fēng)速，在冬季是有利條件，但在夏季，加強(qiáng)通風(fēng)對(duì)熱舒適度的改善更為有效，可見增加過多綠地，易產(chǎn)生反作用。所以綠地布局在上風(fēng)向、南側(cè)，喬木種植留有通風(fēng)間隙，形成良好的小氣候循環(huán)，對(duì)熱舒適度的改善更為有效。

表13 夏季不同綠地布局微氣候模擬結(jié)果

表14 冬季不同綠地布局微氣候模擬結(jié)果

3 優(yōu)化策略及驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化策略

結(jié)合建筑退讓距離、建筑間距、綠地布局3種影響因素對(duì)熱舒適度的影響，針對(duì)區(qū)域現(xiàn)狀提出優(yōu)化改善建議。根據(jù)現(xiàn)狀模擬結(jié)果，自行車專用路兩側(cè)建筑退讓距離過大、建筑陰影和風(fēng)環(huán)境，未能對(duì)自行車專用路的熱舒適度形成有效的改善，自行車專用路周圍區(qū)域空間開敞，風(fēng)速均勻，車道受太陽直射，導(dǎo)致夏季自行車專用路暴曬嚴(yán)重，冬季風(fēng)大且寒冷，惡化了騎行舒適度。針對(duì)以上問題，提出優(yōu)化策略。

1)隨著建筑退讓距離增大，夏季自行車專用路的熱舒適度呈現(xiàn)先降低再增長的趨勢，冬季熱舒適度與退讓距離呈負(fù)相關(guān)，綜合來看，最合適的建筑退讓距離為20 m。但是在城市已建成的環(huán)境中，建筑退讓距離難以改變，可以將研究結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)，應(yīng)用于城市設(shè)計(jì)方案階段。

2)合理的建筑間距可以優(yōu)化熱舒適度，夏季建筑間距增大，通風(fēng)效果好，熱舒適度指數(shù)降低，但冬季相反，應(yīng)注意建筑間距過大而加劇建筑角流風(fēng)，對(duì)騎行產(chǎn)生影響，因此建筑間距15 m時(shí)的微氣候更為舒適。西北側(cè)城中村內(nèi)的街道空間被部分臨時(shí)搭建的建筑占據(jù)，可將其進(jìn)行拆除以疏通街道，從而增大建筑間距，改善通風(fēng)的狀況，從而進(jìn)一步改善熱舒適度。

3)綠地通過遮陰和蒸發(fā)作用改善熱舒適度，喬木對(duì)風(fēng)有阻擋作用，盲目擴(kuò)大綠地的規(guī)模，可能會(huì)起到反作用。綠地應(yīng)當(dāng)布置在自行車專用路的上風(fēng)向和南側(cè)，喬木種植要保持一定的距離，從而對(duì)風(fēng)起到引導(dǎo)作用，加強(qiáng)通風(fēng)，增強(qiáng)對(duì)熱舒適度的改善作用。在自行車專用路兩側(cè)沒有布局綠地的條件下，可在專用路上方加設(shè)植物廊架，起到夏季遮陽降溫、冬季擋風(fēng)的作用。

3.2 改進(jìn)方案效果驗(yàn)證

驗(yàn)證提出優(yōu)化策略后的改進(jìn)方案的有效性，依據(jù)增加喬木、加設(shè)廊架、疏通街巷3種改善策略修改模型，選定與現(xiàn)狀模擬相同的時(shí)段和氣象邊界條件，選取3個(gè)測點(diǎn)觀察熱舒適度的改善情況。

圖6和圖7為優(yōu)化策略實(shí)施后的夏、冬季節(jié)模擬結(jié)果，表15為冬夏兩季對(duì)比模擬結(jié)果，測點(diǎn)1的風(fēng)速變化不大，改進(jìn)方案測點(diǎn)2和測點(diǎn)3的風(fēng)速低于現(xiàn)狀模擬，因?yàn)闇y點(diǎn)2處的喬木和測點(diǎn)3上方的廊架對(duì)風(fēng)起到阻擋作用，所以3個(gè)固定測點(diǎn)的空氣溫度變化不大，從MRT來看，改進(jìn)方案3個(gè)測點(diǎn)的數(shù)值較現(xiàn)狀分別下降了35.8%、11.3%、38.3%，綠地遮陽作用有效改善了自行車專用路的熱舒適度，熱舒適度數(shù)值降低，在舒適的范圍內(nèi)，向更涼爽的趨勢變化，熱舒適度得到優(yōu)化提升。對(duì)比冬季的模擬結(jié)果，測點(diǎn)的風(fēng)速均有所下降，其中測點(diǎn)2下降18%，空氣溫度、MRT提升，熱舒適度數(shù)值雖然變大，但由于室外整體氣溫低，熱舒適度依然在寒冷的范圍內(nèi)。經(jīng)過改進(jìn)，自行車專用路的熱舒適度有所改善。

表15 改進(jìn)方案與現(xiàn)狀模擬微氣候模擬對(duì)比

4 結(jié)論

通過ENVI-met模擬研究自行車專用路龍澤地鐵站路段的熱舒適度，設(shè)置對(duì)照組，改變建筑退讓距離、建筑間距、綠地布局3個(gè)影響因素，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析得到結(jié)論如下：

1)建筑退讓距離影響自行車專用路的熱舒適度，表現(xiàn)在夏季呈現(xiàn)先降低再增長的趨勢，冬季熱舒適度則呈負(fù)相關(guān)，綜合來看，當(dāng)建筑退讓距離為20 m時(shí)，夏季和冬季的熱環(huán)境最優(yōu)，可以運(yùn)用在城市設(shè)計(jì)中。

2)建筑間距對(duì)自行車專用路熱環(huán)境的改善存在相關(guān)性，隨著建筑間距增大，熱舒適度指數(shù)UTCI減小，夏季更涼爽舒適，但是冬季易惡化熱環(huán)境，所以，當(dāng)建筑間距為15 m時(shí)，熱舒適度指數(shù)UTCI最優(yōu)，可兼顧冬夏兩季熱環(huán)境，疏通街巷，適當(dāng)增大建筑間距，有利于改善城市熱環(huán)境。

3)綠地主要通過風(fēng)速和MRT影響熱環(huán)境的改善效果，將綠地布置在上風(fēng)向、自行車道專用路的南側(cè)，架設(shè)綠廊，適當(dāng)增大植物的種植間隙，形成陰影和良好的通風(fēng)，對(duì)熱環(huán)境的改善更為有效。

本文針對(duì)北京自行車專用路龍澤地鐵站路段冬夏兩季的熱舒適度進(jìn)行模擬分析，以一種新的設(shè)計(jì)視角為后續(xù)的自行車專用路的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒，設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注到環(huán)境的實(shí)際“變化”對(duì)戶外人體舒適度的影響，為公眾騎行提供更好的舒適度體驗(yàn)。本文分析僅考慮了相同建筑高度下微氣候?qū)ψ孕熊噷Ｓ寐返挠绊懀煌慕ㄖ叨冉M合對(duì)微氣候也會(huì)產(chǎn)生影響，后續(xù)工作將會(huì)擴(kuò)大對(duì)照試驗(yàn)，研究在不同建筑高度組合下自行車專用路的熱舒適度變化情況。