司 睿，任紹斌 ，王 振

在高密度的大城市中心地區(qū)，微氣候密切地影響著居民的生活質(zhì)量，如何通過空間形態(tài)塑造改善街區(qū)環(huán)境舒適性已受到普遍的研究關(guān)注[1-3]。深入了解大部分城市設(shè)計(jì)導(dǎo)則，環(huán)境舒適性相關(guān)內(nèi)容多以指導(dǎo)性意見為主，對(duì)實(shí)際操作的管控力度較弱。近年來(lái)城市設(shè)計(jì)內(nèi)容層級(jí)和空間范圍不斷升級(jí)，城市形態(tài)的量化控制成為的核心問題。

已有研究大致分為兩類。一類是模擬重要街區(qū)，分析評(píng)價(jià)其空間布局對(duì)城市風(fēng)熱環(huán)境的影響，并籍此提出建筑空間組合及規(guī)劃設(shè)計(jì)的改進(jìn)方案[4，5]；另一類是用規(guī)則排列的矩形來(lái)簡(jiǎn)化城市形態(tài)[6，7]，探討天空開闊度、平面建筑密度、迎風(fēng)建筑密度、孔隙率、相對(duì)褶皺率和彎曲率等指標(biāo)[8-11]，并嘗試建立評(píng)價(jià)體系。在指標(biāo)選擇上，空間形態(tài)指標(biāo)與街區(qū)風(fēng)熱環(huán)境的相關(guān)性研究已取得了一定的成果，但是存在與規(guī)劃指標(biāo)銜接不夠全面，對(duì)于規(guī)劃設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義不夠深刻的問題[12，13]。在研究對(duì)象上，城市風(fēng)熱環(huán)境研究目前多關(guān)注居住區(qū)[14，15]和舊城區(qū)[5，6]，對(duì)城市公共空間的關(guān)注較少。然而，開敞空間的微氣候影響到城市戶外空間品質(zhì)與活力，其周邊建筑空間形態(tài)與人們活動(dòng)舒適性密切相關(guān)。

研究方法主要為實(shí)地測(cè)量和數(shù)值模擬，有學(xué)者采用實(shí)地測(cè)量[9，14]的手段，也有學(xué)者運(yùn)用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件模擬的方法[8，11]。實(shí)地測(cè)量的方法雖然準(zhǔn)確，但由于實(shí)際空間環(huán)境的邊界條件及建筑空間組合復(fù)雜多樣，存在難以形成單一因變量進(jìn)行相關(guān)性討論的問題，進(jìn)而較難對(duì)城市空間指標(biāo)進(jìn)行指導(dǎo)。鑒于此，本文擬運(yùn)用CFD數(shù)值模擬的研究方法，選取冬冷夏熱地區(qū)的典型城市武漢市為樣本對(duì)象，模擬分析其城市集中建設(shè)區(qū)開敞空間周邊街區(qū)圍合度與風(fēng)熱環(huán)境的相關(guān)關(guān)系，并為街區(qū)的空間形態(tài)控制與設(shè)計(jì)提供相關(guān)建議。

1 研究基礎(chǔ)與研究方法

1.1 研究對(duì)象

為得到具有代表性的開敞空間形態(tài)組合，首先在武漢市集中建設(shè)區(qū)內(nèi)選取68 處圍合式開敞空間（圖1）。然后，在建筑類型學(xué)的基礎(chǔ)上總結(jié)出主要空間組合方式A-H 共8 種（圖2）。A 為四面圍合、B 為四面點(diǎn)式圍合；C 為西北東三面圍合、東北和西北角邊開放角封閉，D與C在南北方向?qū)ΨQ；E為南北面圍合；F為東西面圍合；G 為東北角與東南角邊開放角封閉，西北角和西南角邊封去角開放；G 與H 在東西方向?qū)ΨQ。將實(shí)際街區(qū)的長(zhǎng)邊、短邊及建筑高度求平均值，相同面積下九種平面布局形式的圍合度逐漸遞增形成1-9 的矩陣（圖2）。

圖1 武漢市集中建設(shè)區(qū)開敞空間分布圖

圖2 理想空間模式圖

1.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

武漢是夏熱冬冷地區(qū)的代表城市。在中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)（data.cma.cn/）下載2017 年6 月22 日至8 月22日以及2017 年12 月22 日至2018 年2 月28 日的氣象數(shù)據(jù)。分別計(jì)算各氣象數(shù)據(jù)的平均數(shù)和眾數(shù)，選擇出夏季典型日2017 年7 月12 日和冬季典型日2018 年1 月23 日作為模擬初始條件。夏季數(shù)值模擬的初始溫度設(shè)置為30.7℃，風(fēng)速為2.5m/s，相對(duì)濕度71%，夏季風(fēng)向設(shè)置為西南風(fēng)（192°）；冬季數(shù)值模擬的初始溫度設(shè)置為3.8℃，風(fēng)速為5.1m/s，風(fēng)向設(shè)置為東北風(fēng)（40°），空氣相對(duì)濕度為80%；SUN 模塊根據(jù)季節(jié)進(jìn)行調(diào)整，取正午時(shí)分太陽(yáng)輻射1000w/m2。理想情況下，內(nèi)部開場(chǎng)空間設(shè)置為密集草地，其余下墊面均為水泥地面，模型中的墻體表面采用混凝土墻面。結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)中計(jì)算域的高度應(yīng)至少不小于模擬半徑范圍內(nèi)最高建筑高度H的兩倍,模擬半徑不小于2H 的模擬經(jīng)驗(yàn)[16]，經(jīng)過多次試驗(yàn)比較，確定模擬中500m×400m×40m 的計(jì)算域范圍，最終劃分網(wǎng)絡(luò)數(shù)量約312 120個(gè)。綜合考慮各種傳熱效應(yīng)，選擇RNG k-ε 模型對(duì)速度場(chǎng)模擬。開敞空間正中點(diǎn)和四個(gè)角點(diǎn)作為觀察點(diǎn)記錄模擬結(jié)果。

1.3 街區(qū)圍合度算法

城市形態(tài)圍合特征往往是指實(shí)體形態(tài)的封閉程度，即阻礙風(fēng)的能力。通過分析圍合分布特征可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開敞空間內(nèi)部不同方位的風(fēng)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)。在對(duì)開放空間的控制指標(biāo)中，有開放空間與風(fēng)廊耦合、綠地與冷源布置、下墊面布置等指標(biāo)[12]，但以上指標(biāo)不能對(duì)城市設(shè)計(jì)提出較為直接的指導(dǎo)建議。圍合度計(jì)算方法上，有學(xué)者通過街區(qū)沿街建筑開口程度來(lái)間接表達(dá)圍合度[17]；也有學(xué)者提出圍合度由外部空間剖面高寬比、平面通透率、天穹可見度、地面升起或下沉的高差等概念組成[18]，國(guó)外學(xué)者通常運(yùn)用天穹可見度（Sky View Factor）指標(biāo)探討城市形態(tài)封閉程度與微氣候之間的關(guān)系[19]，相比之下圍合度更加注重面域的完整度。

本文所定義的圍合度從城市設(shè)計(jì)視角出發(fā)，表征街區(qū)水平方向上的圍合封閉特征，即圍合度等于街區(qū)建筑物外立面周長(zhǎng)總和與街區(qū)建筑界面控制線總周長(zhǎng)的比值。計(jì)算公式為C=(L1+L2+L3+...)/L（圖3）。

圖3 圍合度示意圖

2 理想街區(qū)風(fēng)熱環(huán)境模擬分析

2.1 數(shù)值模擬

2.1.1 夏季數(shù)值模擬

模擬可以得到夏季各類型各圍合度形態(tài)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速圖（圖4），夏季整體風(fēng)速在0m/s 至4m/s 之間，風(fēng)速較高區(qū)域主要集中在南部及西南部。A、C 和D 類空間由于四面皆有遮擋氣流通行受阻，風(fēng)速衰減形成靜風(fēng)區(qū)；但在圍合度較高時(shí)C 類通風(fēng)條件優(yōu)于D 類。B 類由于建筑密度較低，日間大部分區(qū)域暴露在日影以外，太陽(yáng)輻射直接到達(dá)開敞空間內(nèi)部場(chǎng)內(nèi)溫度上升。E 類和F 類在空間形態(tài)上只是朝向不同，F(xiàn) 類建筑未遮擋南北向氣流，因此開敞空間內(nèi)風(fēng)速較高；E 類留出一條盛行風(fēng)通道，因此位于西南和東北方向的監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速整體大于F 類。G 類和H 類，風(fēng)旋渦發(fā)展不完全相互間有干擾，隨著圍合度減少氣流間相互干擾減少，但由于更多高比熱容的地面和道路接受太陽(yáng)輻射導(dǎo)致空氣溫度上升；I 類相比于H 類在夏季迎風(fēng)方向觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速波動(dòng)極大。

圖4 夏季各類型理想空間風(fēng)速云圖

2.1.2 冬季數(shù)值模擬

冬季各類型各圍合度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速圖（圖5），場(chǎng)內(nèi)整體風(fēng)速在1m/s 至7m/s 之間，風(fēng)速較高的區(qū)域集中在東北部。C 類和F 類由于建筑擋住東北方向的氣流，建筑物背風(fēng)向形成風(fēng)影區(qū)，且在建筑轉(zhuǎn)角及迎風(fēng)面首排建筑易出現(xiàn)表面風(fēng)壓較大的情況；F 類開敞空間內(nèi)部中心點(diǎn)風(fēng)速整體大于C 類。A 類和D 類空間類型皆有遮擋，A類比D 類通風(fēng)條件更好，因此A 類冬季御風(fēng)能力較弱；A 類的風(fēng)影區(qū)集中在開敞空間內(nèi)部，D 類集中冬季盛行風(fēng)下風(fēng)向。B 類點(diǎn)式建筑冬季御風(fēng)能力差，開敞空間內(nèi)部風(fēng)環(huán)境復(fù)雜且轉(zhuǎn)角處風(fēng)速過高，整體上風(fēng)速值波動(dòng)大。E 類由于開口方向皆順應(yīng)冬季盛行風(fēng)，開敞空間內(nèi)部風(fēng)速高于其他類型。G 類和H 類比較，G 類在冬季御風(fēng)能力強(qiáng)，H類東側(cè)單獨(dú)一列將氣流阻塞導(dǎo)致氣流快速穿過組合內(nèi)部狹小空間，建筑組合中風(fēng)速數(shù)值波動(dòng)大。

圖5 冬季各類型理想空間風(fēng)速云圖

2.2 整體相關(guān)性探討

圖6 展示了A 類至H 類8 類空間類型的圍合度箱圖，B 類由于以點(diǎn)式為主圍合度整體偏小，A 類和E 類圍合度跨度較大，C 類和D 類由于空間形態(tài)限制圍合度數(shù)值比較集中。圖7 展示各類型空間環(huán)境指標(biāo)分布特征，B 類空間類型場(chǎng)內(nèi)風(fēng)壓平均值整體較小，由于建筑密度較小導(dǎo)致建筑前后風(fēng)壓及風(fēng)速變化較少；G 類和H 類建筑密度較大對(duì)風(fēng)造成的遮擋明顯增加，建筑之間形成渦流，開敞空間內(nèi)壓力平均值整體偏高。通過對(duì)比圖6 和圖7 初步可知，圍合度與夏季1.5m 處5 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)速、平均空氣壓力呈現(xiàn)一定負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖6 各類型理想空間圍合度箱圖

圖7 各類型理想空間1.5m 處觀測(cè)點(diǎn)平均空氣速度、溫度、壓力箱圖

2.3 平均值線性方程擬合

首先，使用圍合度、冬夏季1.5m 處五個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均空氣速度、平均溫度、平均壓力等576 個(gè)樣本繪制散點(diǎn)圖（圖8），并計(jì)算顯著性水平、Pearson 的相關(guān)系數(shù)、決定系數(shù)（表1）。然后，對(duì)比Pearson 的相關(guān)系數(shù)和決定系數(shù)R2，推測(cè)圍合度對(duì)空氣速度的影響夏季大于冬季；對(duì)冬夏兩季平均空氣溫度的影響皆不顯著；圍合度對(duì)空氣壓力的影響夏季大于冬季，該值高低主要由空間類型決定。最后，通過綜合考量可知，在95%的置信水平下，圍合度在一定程度上能解釋夏季空氣速度的變化，線性回歸方程見表1。

圖8 圍合度與1.5m 處平均空氣溫度、風(fēng)速、空氣壓力散點(diǎn)圖

表1 圍合度與1.5m 處平均空氣速度、溫度、空氣壓力相關(guān)分析

2.4 討論

圍合度反應(yīng)開敞空間內(nèi)部開敞程度對(duì)于風(fēng)熱環(huán)境的影響，要探究?jī)?nèi)部空間域微氣候的變化規(guī)律需要從周邊建筑的開口位置、開口數(shù)量以及開口大小思考，要提出合理的空間提升策略則需綜合考慮冬夏季情況。因此，本文根據(jù)開口情況將所有理想模型重新分類，并選出各類型中圍合度處于0.8 至0.9 之間的空間模型，依據(jù)行人高度處相對(duì)舒適Beaufort 標(biāo)準(zhǔn)分別評(píng)價(jià)夏季和冬季風(fēng)環(huán)境，將空間劃分為靜風(fēng)區(qū)域、長(zhǎng)時(shí)間停留區(qū)域、短時(shí)間停留區(qū)域和散步區(qū)域，最后將評(píng)價(jià)結(jié)果綜合放置于10m×10m 單元中形成開敞空間冬夏季綜合評(píng)價(jià)圖（圖9）。

圖9 基于風(fēng)環(huán)境相對(duì)舒適的開敞空間開口方向、位數(shù)與數(shù)量論圖

在圍合度相近的基礎(chǔ)上，（1）開口位置決定了氣流在開敞空間內(nèi)部的流動(dòng)方向與軌跡，如E2 類空間兩面開口皆在冬夏季迎風(fēng)面，不利于冬季風(fēng)環(huán)境的人體舒適感受，開敞空間出入風(fēng)口處設(shè)置短時(shí)間停留活動(dòng)較為適宜；開口僅設(shè)置在迎風(fēng)方向的側(cè)面時(shí)，沒有受到阻擋的部分氣流進(jìn)入空間內(nèi)部，但整體靜風(fēng)面積仍然較大，例如D5 與A2。（2）開口大小決定開口處氣流流動(dòng)速度，開口面積越大越能引導(dǎo)氣流進(jìn)入，但開口小可以增加該處風(fēng)速。例如D5 靜風(fēng)面積及長(zhǎng)坐類型活動(dòng)區(qū)域明顯大于F2，但其南面入口風(fēng)速大于D5。（3）開口數(shù)量決定空間內(nèi)部氣流總體路線及復(fù)雜程度，H4 類明顯空間綜合活動(dòng)評(píng)價(jià)復(fù)雜，這對(duì)于開敞空間內(nèi)部規(guī)劃提出更高的要求。

3 規(guī)劃設(shè)計(jì)策略建議

開敞空間作為市民常使用的城市場(chǎng)所，其周邊建筑組合方式及空間形態(tài)對(duì)于城市微氣候具影響。針對(duì)以上特點(diǎn)基于優(yōu)化城市開敞空間微氣候的原則提出設(shè)計(jì)策略。

（1）圍合度接近的情況下，可以通過控制圍合形態(tài)優(yōu)化舒適性。①夏季盛行風(fēng)方向塑造通風(fēng)廊道或拓寬現(xiàn)有風(fēng)道寬度或數(shù)量，利用整體建筑界面遮擋冬季盛行。②各方向合理設(shè)置開口位置、開口大小和開口數(shù)量。開口位置方面，單側(cè)開口會(huì)降低通風(fēng)效率，主風(fēng)向兩側(cè)布置開口輔助增強(qiáng)流通效果；開口大小方面，在夏季迎風(fēng)方向設(shè)置尺度較小的開口增加流通速度；開口數(shù)量上，盡量避免開口過多。原因在于，其一開口過多無(wú)法形成完整界面，造成開敞空間內(nèi)部風(fēng)環(huán)境復(fù)雜迎風(fēng)面轉(zhuǎn)角處風(fēng)壓和風(fēng)速較大；其二建筑底面積較少需要通過提高建筑高度實(shí)現(xiàn)建設(shè)容量要求，隨著建筑密度和高度的增大，風(fēng)通過低層建筑群后氣流下降形成渦流，影響開敞空間內(nèi)部行人舒適。

（2）綜合措施協(xié)同改善開敞空間風(fēng)熱環(huán)境。武漢市夏季日照時(shí)間長(zhǎng)且空氣溫度高，開敞空間內(nèi)部通常硬質(zhì)土地面積比例高，地面材質(zhì)較難參與溫濕度平衡。從以上冬夏季各理想空間的模擬可以看出，開敞空間內(nèi)部存在很大的差異，可以通過改善下墊面的方式對(duì)開敞空間的熱環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。首先，在植被選擇方面可以選擇喬木等植物增加綠化陰影從而減少夏季的天穹可見度；其次，可以通過其他植被的蒸發(fā)作用改變開敞空間內(nèi)的熱濕平衡；再次，改變開敞空間內(nèi)部下墊面材質(zhì)，選擇可滲透性地面替代瀝青路面、混凝土地面等硬質(zhì)鋪地對(duì)于改善微氣候是經(jīng)濟(jì)可行的方式之一。

結(jié)語(yǔ)

本文基于冬冷夏熱地區(qū)的武漢市集中建設(shè)區(qū)開敞空間總結(jié)出8 種理想空間模式，運(yùn)用Phoenics 數(shù)值模擬的研究方法對(duì)不同圍合度的理想空間進(jìn)行模擬，并運(yùn)用SPSS 等工具進(jìn)行分析并擬合出線性方程，為已建成的集中建設(shè)區(qū)開敞空間的風(fēng)熱環(huán)境改造設(shè)計(jì)提供了必要的科學(xué)依據(jù)。本文研究對(duì)象較為單一，對(duì)于城市熱島效應(yīng)明顯的高密度地區(qū)的開敞空間而言，植被優(yōu)化以及建筑表面材質(zhì)選擇是改善局部微氣候的有效途徑，在選取合理范圍城市切片的前提下進(jìn)一步研究晝夜之間空氣溫度的變化具有實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值[20]?！吨泄仓醒雵?guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》與《城市設(shè)計(jì)管理辦法》中多次提到保護(hù)自然環(huán)境并鼓勵(lì)應(yīng)用新技術(shù)開展城市設(shè)計(jì)工作。但是在城市設(shè)計(jì)的成果要求中并沒有明確對(duì)環(huán)境模擬和標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試的要求。在今后城市設(shè)計(jì)實(shí)踐中，可以根據(jù)相應(yīng)的城市空間類型選擇適合該類型的空間指標(biāo)或者拆分已有的建筑環(huán)境指標(biāo)，通過實(shí)測(cè)、模擬以及理想空間模擬來(lái)探索規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市建設(shè)的指導(dǎo)和最優(yōu)方案的選取，并落實(shí)到具體的空間單元上，并提出合理的導(dǎo)控與管理辦法。

圖、表來(lái)源

文中圖、表均由作者繪制。