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1、城市设计与研究城市设计与研究 URBAN DESIGN AND STUDIES丁沃沃 1 胡友培 1 窦平平 2摘要/ 对城市形态与城市外部空间微气候之间进行关联性研究，提炼了城市肌理形态、城市肌理体量单元等概念，及热舒适度、风舒适度和呼吸性能3 个舒适性指标，同时为城市肌理优化提出了街区整合度、建筑群离散度、建筑朝向指标和体型系数3 组指标，为城市街道空间优化提出了街道贴线率和街阔整合度2 组表述指标，并提出亟待解决的相关问题。关键词/ 城市形态 城市微气候 舒适度 城市设计1 1 研究背景研究背景城市化进程导致了我国大量的城市规模剧增、建筑密度加大且高度提升。这种建设产生的城市物质空间形态
2、完全改变了自然地貌条件，产生了有别于自然气候的城市微气候(Microclimate)。近年来随着对大大城市微气候问题城市微气候问题认识的逐渐深入，城市微气候与城市形态之间存在的密不可分的关系已经被确立1-3。由于城市微气候的问题是由城市物质空间的集聚方式而引起4，因此学界非常关注城市形态和城市微气候之间的对应关系，设想通过适宜的城市设计构筑良好的城市外部空间。在单体建筑设计中，根据环境的适宜性进行建筑设计的传统由来已久，例如传统地域建筑不仅在建造方式、建筑形态甚至建筑语言方面和当地的气候条件相适应，而且建筑之间的组合方式乃至聚落形态的构成也与地域的气候条件相吻合。当今，可持续、绿色、节能等概念
3、成了建筑设计的核心价值观可持续、绿色、节能等概念成了建筑设计的核心价值观，所以尽管先进的结构技术与材料充分解放了建筑的形体，而地域气候和建筑节能规范对建筑的形体与材质仍然予以了制约。表面上看这些规范在一定程度上限定了建筑师对造型的畅想，实际上正是这些规范给建筑师提出了有价值的形式问题，从而赋予设计工作更多的意义。相比之下，在城市设计领域中，虽然人们认识到城市设计应当考虑城市微气候的因素，但是至今尚没有从改善城市微气候环境的视角对室外空间形态构成提出规范性要求。文中所涉及的微气候主要是指城市的微环境气候，对它的质量的定义和评价包括了微气候的物理指标、人的感知舒适度指标和城市室外空间空气质量的指标
4、等。1980 年代开始，在可持续发展概念的引导下，西方学界开始关注城市形态与城市微环境之间的关系。随着研究的展开，调节城市物质空间形态以改善城市的微气候环境，逐渐成为城市设计与研究的目标。一般在同等城市规模的情况下，城市的集中式形态可以缩短城市交通距离，减少交通能耗和碳排放，然而高密度的城市易于引发城市的热岛效应和降低城市的排污能力。作为共识，研究的核心首先是探索城市形态与城市微气候环境内在联系。城市形态与城市微气候的研究属于交叉学科研究，主要涉及到建筑学、大气科学与环境科学，且后两者在研究方面的进展远远超前于建筑学在此领域的研究，确切地说，建筑学研究的介入相对滞后5。尽管如此，建筑师在设计实
5、践中通过处理具体的城市外部空间问题，也取得了一些研究成果并积累了一些经验。他们的城市设计实践证明了通过调整建筑的组合方式来改善城市空间的自然气候条件是可行的。基于探索城市设计方法的思考，本文试图通过对相关研究的梳理，探讨城市形态及其元素与城市微气候的关联性。鉴于城市形态要素非常复杂，城市形态和城市微气候的关联性探讨应该包括3 个方面的内容：首先理清影响城市微气候的城市形态要素，界定建筑与城市设计学科的研究切入点和范围；其次，由于城市微气候质量的评价不仅限于物理指标，因此要进一步梳理和明确各项外部空间环境的舒适度指标；第三，基于上述基础探讨城市空间形态与城市微环境之间的关联性因子。最后，本文指出
6、当前阶段，该研究领域中的关键问题，以确立将来研究的问题域与方向。2 2 研究对象与范围研究对象与范围城市微气候相关的城市形态要素城市微气候相关的城市形态要素2.12.1 对象与范围对象与范围尽管城市微气候与城市形态问题属于一个跨学科的研究，然而不同学科背景的研究各有侧重。气象学、环境学科的研究重点是城市环境中气象动态的建模和气象数据的计算；而建筑学的研究则关注城市形态如何影响微气候，如何调控城市形态以优化微气候环境。对形式问题的理解和操作是建筑学主要任务。为此在城市微环境气候研究中，建筑学的研究对象依然是城市形态，而对应的问题由传统的城市外部空间美学指标而转换成健康指标。美国宾夕法尼亚大学教授
7、格兰尼(Golany. G. S.)5较早地意识到了上述问题。他指出城市微气候研究依托于城市所在的气候区，城市形态对其微气候的影响，随着气候区的不同，影响的方式和程度都不同。城市微气候的研究应该按气候区的不同分别研究，不同的气候区相关指标非常不同，甚至存在本质的区别。同时，针对城市所在的区域应该注意到海拔高度、风温和城市通风、城市坡度和城市方位等方面因素对城市微气候直接的影响。如：通常情况下海拔每升高100m， 气温将会降低1 ，该规律适应于湿热和干热地区。又如：对于湿热地区来说城市风温尤为重要，干热地区稍次。城市周边的江河湖泊可以降低风温，高海拔处的风温低于低海拔处的风温。此外，城市人口的密
8、度也影响了城市微环境的气温状况。作为城市设计的学者，格兰尼教授的早期研究提出了处于不同气候区的城市存在不同的微气候问题，并由此形成了不同的城市肌理形态(urban texture)。向我们揭示出城市形态与微气候之间紧密的内在联系。2.22.2 城市形态与城市微气候的两个关联维度城市形态与城市微气候的两个关联维度在气候、环境科学的研究领域中，城市微气候环境的讨论涉及3 个层级：城市边界层(Urban Boundary Layer，U B L )、城市冠层( U r b a n C a n o p y L a y e r，U C L 图1) 和城市街道层峡(Urban Street Canyon，
9、USC 图2)。当自然风通过城市上空时，城市中高低不同的楼宇导致了风的径流出现非常复杂的状态，加之城市建筑各垂直界面对风的作用使得风在城市街道层峡中产生了湍流6，使得城市外部空间的气流环境变得非常复杂。由于城市冠层是人们赖以生存的城市空间，街道层峡是人们公共活动的场所，所以城市冠层(UCL) 和城市街道层峡(USC) 层面的微气候状况尤为值得重视。从建筑学的视角看，城市冠层对应的是城市的肌理形态，而城市的层峡对应的是城市街道空间。城市肌理形态的构成分结构要素和肌理元素两个方面，结构要素主要包括路网结构和街区尺寸，肌理元素分两大类：不同质感的突起物( 建筑单体或组合体、城市森林)和近年来发展的城
10、市高空绿化( 屋面绿化，图3) 和不同质感的地表面( 城市绿地、广场和城市水体)。城市建筑可视为硬质体量元素，城市森林可视为软质体量元素，而高空绿化则可视为复合体量元素，这些体量元素是干预城市微气候的主要因素。街道层峡讨论的是城市空间围合形态，对于建筑学来说是城市主要的公共活动空间：如街道和广场的几何形态。研究表明城市街区设计和街道空间设计对街道层峡中微环境产生了影响，涉及到该空间中局部的气温、日照、风环境和空气的质量。对于建筑学来说，讨论城市冠层尺度的微气候环境和城市形态之间的关系，同时涉及到了城市片区肌理形态和街道空间两个维度。其中，对街道空间关系的研究对后续建筑形体的反馈更为直接。2.3
11、2.3 城市肌理体量单元城市肌理体量单元相关实验研究证实了不同的体量元素对城市微气候有着不一样的干预或影响。1) 城市森林：城市森林概念的提出已经有30 多年了，它的主要定义在于能够在功能上发挥巨大的生态效益7，弥补城市生态环境问题。经研究和观测证实城市森林可以从3 个方面对城市微气候起到积极作用首先城市森林能够调节城市微气候，相关研究证实了当城市绿化覆盖率低于37% 时对气温的改善不明显，而当市区森林覆盖率达到50%，夏季酷暑现象可以得到缓解8 ；其次城市森林具备固碳释氧的能力，即吸收C O2， 放出O2 ；此外， 城市森林还具备杀菌和滞尘的作用，从绿地降菌的总体效果看，复层结构绿地明显优于
12、草坪。在滞尘方面，有研究表明植物的滞尘功能主要决定于单位绿地面积上的绿量，以乔木为主的复合结构绿地能够最有效地增加单位绿地上的绿量，起到良好的滞尘效果。2) 建筑屋顶绿化：城市的扩张使得原有的自然绿地及其固有的生长过程逐渐变成了现代的产品“沥青丛林” 。针对城市微环境气候恶化的状况，屋顶绿化作为弥补策略越来越受到各国城市的重视。相关研究证实种植屋面能缓解城市热岛效应，如2002 年加拿大环境部的研究报告认为，如果城市整体建筑屋面中有6% 是绿化屋面的话，市区的气温可能降1 . 2 9。其次，种植屋面还可以改善空气质量，研究表明当自然风经过城市时，由于大量高楼大厦的抑制而形成的湍流和风速降低，极
13、易形成空气袋(air pockets) 使得污染物在城市中停滞几天。为此，屋面植被可以过滤和绑定空气中的尘埃粒子，自然过滤空气中的毒素。在生态方面，虽然种植屋面的生态性质不可和自然地表同日而语，然而也可以为部分野生动物提供栖息场所。英国和瑞士的研究人员发现，即便是人口比较密集的地区，由于种植屋面提供了大量的栖息场所，有些濒临灭绝的昆虫、鸟类、蜘蛛和其他脊椎动物物种又返回到城市10。3) 建筑组合体：由单体建筑组合而成的城市肌理形态是城市微气候研究讨论的主要对象，也是建筑学介入的意义。环境工程学家的研究初步证实了在特定气候区中存在最佳的城市肌理形态11。近几年的研究已经表明在同等的密度下，不同的
14、肌理形态可以导致不同的微气候表现12，这就意味着在地块指标不变的情况下，通过设计工作可以提高或改善城市空间环境质量。当然，要实现这个目标还有许多工作要做。3 3 城市外部空间环境舒适度指标研究城市外部空间环境舒适度指标研究3.13.1 舒适度指标因子舒适度指标因子对于城市设计而言，创造舒适的室外环境可以作为城市设计研究所要达到的理想目标之一。早期的舒适性理论仅仅基于一个固定状态的模型，即人体需要产生的热量与流失到环境中的热量相等，局限于“热舒适度” ( thermalcomfort)。1973 年，澳大利亚研究者彭华登（P e n w a r d e n . D）致力于更加系统的热环境研究，其
15、成果在传统模型基础上增加了一个维度“日光辐射”(solar radiation)13。1984 年，美国加州伯克利大学的研究人员在对室外热舒适度的研究取得了显著成果，同时将考量指标扩大到对城市公共建筑周边空间风速的限定，以及对日出、日落时段建筑物阴影的投射区域的限定1。近年来，剑桥大学的多项研究发现，城市物质空间的“自然性” (naturalness) 和“可视控制” (perceived control)14,15，也是舒适度的重要指标，并在很大程度上可以通过优化城市物质环境得到改进。随着人们对城市空气质量问题的关注，又有一项指标被引入, 即利用空气龄（M e a n A g e o f A
16、 i r）来考量城市的呼吸性能（Breathability）16。空气龄概念的介入使得城市外部空间的质量标准不再局限于人体的直接感知，而是提升到难以直接感知的空气的健康问题。针对微气候环境的问题，目前主要考量的因子是：热舒适度、风舒适度和场所中空气的呼吸性能。3.23.2 热舒适度热舒适度由于室外环境的复杂性，无论时间、跨度和空间尺度上的巨大，还是变化范围和人们从事的活动类型的多样，先前国际上对室外环境舒适性的理解和研究都较为有限。传统的舒适性考量指标大多沿用了室内的考核标准，局限于人体生理指标。然而与心理学和社会学结合的城市研究指出，仅仅以生理指标考量室外舒适度并没有现实意义，人们对室外舒适度的感受受到其当时的处境与季节的影响，并且可以通过与建筑物质环境的互动， 即 “适应性” (adaptive) 操作，来提升其对环境的满意程度17。由此，研究将传统的“热舒适度”细分为“热感知” (thermal sensation) 和“热满意度” (thermal satisfaction)。 “热感
