特殊形态指标：城市热环境与空间形态设计

基于前文综述研究，总结归纳出一些同城市热环境相关的特殊形态指标，如：天空可视度、街道高宽比、朝向、围护系数、阴影系数、围合度、错落度等。这些指标都不是我国城市规划学科的常用指标，但这些特殊指标同太阳辐射环境或风环境有着一定的特殊的影响，有些指标之间也存在一定关联。本节将通过进一步研究和模拟，探究特殊形态指标对热环境的影响机制。

1）天空可视度

天空可视度（Sky Viev Factor，SVF）^[4]是形象表达城市空间向天空开敞程度的几何空间参数，其数值大小在0～1之间，数值越大天空可视度越高（图2-11，图2-12）。详细的研究可以参见Oke（1987）、Grimmand（2001）、Unger（2004），运用软件skyheilos和ENVI-met可以模拟连续变化的天空可视度，得出区域的平均天空可视度大小。如图2-13，奥克（Oke T.R.）以街峡模型和院落模型作为基础原型研究了天空可视度的几何算法及天空可视度同高宽比的关系。大量不同城市实测研究表明，天空可视度与城市热岛强度有着密切关系，Oke^[5]在20世纪80年代研究中得出二者呈一定的线性关系：dTmax=abSVF（a、b为线性系数，不同城市有所不同），天空可视度表征外部空间的长波辐射环境，在晴朗无风的夜间相关性尤为明显。但在部分实测研究中发现天空可视度同城市热环境无显著关系，Upmanis^[6]（1999）认为“白天的日照和阴影会影响夜间温度”。由于日照同天空可视度形成矛盾作用，天空可视度大的情况下接受太阳辐射会增多，天空可视度对空气温度和地表温度的影响也变得复杂。

图2-11　球面天空可视度算法示意图

＊资料来源：改绘自Gal等（2007）

图2-12　天空可视度的测度与模拟示意图

＊资料来源：作者自绘

图2-13　天空可视度几何描述及同街道高宽比的关系

＊资料来源：［以］埃维特·埃雷尔，戴维·珀尔穆特，［澳］特里·威廉森.
城市小气候——建筑之间的空间设计［M］.叶齐茂，倪晓晖，译.北京：中国建筑工业出版社，2014

ENVI-met模拟中不考虑城市中人为热的释放，模拟只表达空间形态指标同辐射环境的作用。在200m×200m区域模拟三种天空可视度条件下热环境变化，结果表明天空可视度与白天空气温度成一定正相关性（图2-14，表2-3）。白天时，开敞的城市区域建筑阴影面积小，气温会比较高，而夜晚恰恰相反，夜晚天空可视度低的区域能够接受更多来自建筑立面的长波辐射，而开敞区域更易于释放掉白天的储热，因此与夜晚空气温度成反比。

图2-14　不同天空可视度条件下模拟结果比较

＊资料来源：作者自绘

表2-3　不同天空可视度条件下热环境变化

续表2-3

＊资料来源：作者整理绘制

2）街道高宽比

图2-15　街道高宽比示意图

＊资料来源：作者自绘

街道空间是典型的城市线性空间，是城市外部空间的重要组成部分。街峡模型作为研究城市微气候的基础模型，已经有广泛研究。高宽比顾名思义，等于街道高度（H）与街道宽度（W）的比值，前面已经论述街道高宽比同天空可视度存在一定相关性（图2-13）。阿尔菲尔德（Arnfield A.J.）（1998）在不同街道高宽比和不同街道朝向条件下对所有纬度和季节开展街峡界面及地面同太阳辐射量关系的研究^[7]。奥克（Oke T.R.）（1981）通过对热岛强度与城市冠层的几何形态研究分析得出二者的关系式：dTmax=7.45+3.97　H／W^[8]。吉沃尼实测研究西班牙塞维利亚三个不同宽度的街道1m处空气温度，早晨宽阔街道上的温度最低，正午宽阔街道温度最高，狭窄巷子温度最低^[9]。Mayer运用ENVImet软件模拟干热气候条件下，不同街巷高宽比与朝向对街巷空气温度的影响。王振以武汉江汉路为例，研究了冬冷夏热地区骑廊、退台、立面悬挑、坡屋顶、不对称剖面等街峡剖面形态对微气候的影响。研究发现较大高宽比更能改善夏季街道内热环境，骑廊特别是向阳一侧骑廊形态更能改善街道夏季热环境^[10]。增大街道高宽比会改善街道通风条件，对散热和污染物扩散都有较为明显的效果，对于湿热气候而言，通风的作用甚至大于防止太阳辐射的作用。

通过不同高宽比的街峡模型全天热环境模拟，结果显示高宽比增大，白天平均空气温度降低（图2-16，表2-4）。这同其他学者相关研究结果基本吻合，空间形态对太阳短波辐射的影响比较明显。不同高宽比的街峡模型同时可以反映街道开敞度及天空可视度的变化。

图2-16　不同高宽比条件下街道空气温度变化

＊资料来源：作者自绘

表2-4　不同街道高宽比条件下热环境变化

续表2-4

＊资料来源：作者整理绘制

3）朝向

朝向的变化引起太阳辐射和通风两方面发生变化，二者都对整体街区内的热环境产生影响。珀尔穆特（D.Pearlmutter）等人（2014）对干热气候条件下街峡模型热环境进行了较为深入的研究，得出夏季不同朝向高宽比条件下街道中不舒适全部小时数（图2-17），研究在湿热气候地区同样得到类似结论，而且湿热气候条件下通风的影响要大于干热气候。从图2-17右图不舒适指数图中可以看出南北向街道在不同高宽比条件下变化较为强烈，而东西向街道变化相对较小，平行于风向的街道舒适性要优于垂直于风向朝向的街道。炎热的夏季南北向的街道会造成沿街建筑朝向不利，可以通过增加南北向街道高宽比和街道绿化增加遮阴。

图2-17　不同朝向高宽比条件下街道热环境模拟及热舒适度评价

资料来源：［以］埃维特·埃雷尔，戴维·珀尔穆特，［澳］特里·威廉森.
城市小气候——建筑之间的空间设计［M］.叶齐茂，倪晓晖，译.北京：中国建筑工业出版社，2014

图2-18　不同朝向条件下模拟街区白天空气温度变化
＊资料来源：作者自绘

受传统城市格局与朝向的影响，南京老城中心区内街道与建筑朝向存在15°旋转现象，模拟东西向正交与旋转15°两种模式下白天热环境变化。通过采样比较两街区中心街峡中部空气温度，结果显示旋转后白天空气温度低于正交模式（表2-5，图2-18）。模拟设置初始风条件为南京夏季主导风向——东南方向，风速为1m／s，一方面旋转后的街道更顺应了东南向的来风，另一方面旋转后建筑投射在街道上的阴影增多。

综合模拟实验及其他已有研究，我们可以得出以下结论：湿热气候条件下，旋转一定角度迎合主导风向有利于改善街道热环境。

表2-5　不同朝向条件下热环境变化

续表2-5

＊资料来源：作者整理绘制

4）围护系数

街区内建筑表面围护系数（BESA），等于街区内总建筑表面积与街区总占地面积之比，BESA=S／A，其中，S为总建筑表面积，A为街区占地面积，S=S1+S2+S3+S4+S5（图2-19）。建筑的表面白天接受太阳辐射，夜晚以长波辐射的方式向外散发。白天太阳短波辐射强度远远大于长波辐射，但夜晚由于没有阳光直射，天空温度远远低于城市表面空气温度，此时长波辐射对热环境产生重要影响。建筑的表面或称围护也成为影响夜间热环境的重要指标。同时，建筑表面积同建筑通风、内部湿热传递及建筑能耗也密切相关，一般用体积表面积比（V／S）反映通风和自然采光潜力，体积紧凑度用体形系数（S／V）表示，体形系数越小，紧凑度越高。在现实城市中建筑相互交错、肌理复杂的情况下，空间形态变化大大增多，建筑表面积的统计也变得更为复杂，因此围护系数、体形系数也不太方便在复杂城市中进行大规模统计。

图2-19　围护系数示意图(www.xing528.com)

＊资料来源：作者自绘

吉沃尼在对西班牙塞维利亚的研究中，发现建筑围护结构面积与建筑场地面积之比（围护系数BESA）和建筑物永久性遮阳面积与场地面积之比（遮阳系数PSHA）与空气温度具有一定的相关性，夏季BESA和PSHA对最高温度和白天温度变化范围的影响都很显著。冬季，只有BESA的影响是显著的（冬季日照辐射弱）。夏季：Tmax=32.93-0.155（PSHA）-0.0061（BESA），冬季：Tmax=19.1-0.011（BESA）。

在模拟中，比较了相同密度条件下三种不同围护系数样本夜晚温度变化，结果显示，围护系数同夜晚室外空气温度存在一定正相关性（表2-6）。

表2-6　不同围护系数条件下热环境变化

续表2-6

＊资料来源：作者整理绘制

5）阴影系数

阴影是由不透光障碍物遮挡太阳直射而形成的，城市中阴影可能来自：地形地貌的阴影；建筑阴影；植被阴影。太阳能利用与街道遮阳是城市气候设计中必须考虑的重要部分，大量研究表明平均辐射温度与PET有强烈的相关性。对于夏季炎热城市（尤其是干热气候），通过街道遮阳可缓解太阳辐射引起的酷热；冬季寒冷城市，通过保证街道、墙面日照可提高热舒适度。阴影系数作为太阳辐射量的反映，受纬度位置和太阳高度角影响。阿尔菲尔德（Arnfield A.J.）在20世纪90年代提出太阳能利用系数，表征城市某一地面接收的潜在可用太阳能。吉沃尼（Givoni B.）在西班牙塞维利亚微气候研究中提出阴影系数，夏季阴影系数对最高温度和白天温度变化范围的影响显著。Bourbia和Awbi^[11]（2004）在北纬33°地区类似研究中，发现对于南北走向街道，在夏季和冬季，不同高宽比街道内阴影系数变化不明显。阴影系数越大，地表或空气温度越低。

高度与屋顶形态都会对建筑投影产生影响。人体阴影系数SCSV描述某一时刻街道中人体直接暴露在阳光直射下的比例，当人体完全处于阴影之中时为0，完全暴露于阳光中为1（图2-20）。阴影长度可以直观反映建筑的高度，如果街道宽度小于阴影长度，则阴影投射于对侧建筑立面之上。L=H·cotα，式中：H为建筑高度，α为太阳高度角。SCF表示投射在立面上的阴影率，SCSV=，其中Hb为人的高度，H为建筑高度，W为街道宽度。从公式中可以看出，阴影长度及立面上阴影率都同街道高宽比有一定关系，由于不同空间形态建筑高度的变化，阴影系数的计算方法较为复杂，可以通过高宽比的变化表征阴影变化。鱼眼照片叠合太阳轨迹分析可以形象地观察出点位的周边建筑遮挡和全年太阳照射情况（图2-21）。

图2-20　阴影系数示意图

＊资料来源：作者自绘

图2-21　太阳轨迹图

＊资料来源：作者自绘

运用RayMan软件和Ecotect软件，模拟比较北纬32.8°^[12]南京地区，不同街道高宽比和朝向变化下阴影的变化情况。三组朝向分别为正交、旋转22.5°和旋转45°，模拟时刻选择为夏至日上午9点、中午12点和下午3点。经过统计发现，旋转后的街区会有更多阴影投射在两个方向的街道上，尤其是东西向街道上的阴影面积，在旋转朝向的情况下，会多于正交朝向的情况（表2-7）。

表2-7　RayMan模拟南京不同建筑朝向的夏至日阴影变化

续表2-7

＊资料来源：作者整理绘制

6）围合度

围合度是表征街区水平方向上围合封闭特征的指标，同其类似的指标有城市设计中的贴现率指标，后者更为关注街道界面和城市肌理的完整程度。围合度对街区内部通风产生重要影响，是城市实体形态在不同方位上的封闭度，即阻碍风通过的能力^[13]。城市中某点的围合度可以通过该原点的不同方位的城市断面建筑墙面比进行评价，并叠合在风玫瑰图上，从而直观判断形态是否利于通风（图2-23）。本书采用《无锡空间形态城市设计》中街区整体围合度的界定方法，围合度等于街区外立面周长与街区周长的比值（图2-22），即（a1+a2+a3+a4+a5）／l。

图2-22　围合度示意图

＊资料来源：作者自绘

图2-23　样本点的围合度与风玫瑰（用线段长度表示）叠合

＊资料来源：昆·斯蒂摩.可持续城市设计：议题、研究和项目［J］.世界建筑，2004，（8）：34-39.

模拟初始条件设置为东南风向，风速为1m／s，初始温度20℃，湿度50%。结果显示白天正午初始外界参数温度高，则高围合度有利于阻止热风进入街区内部，温度随围合度增加而降低；相反，当初始外界温度为冷风，则高围合度不利于冷空气进入（图2-24，表2-8）。无风或静风状态下围合度对街区内部空气温度影响较弱。

图2-24　不同围合度条件下街区中午平均空气温度变化

＊资料来源：作者自绘

综上分析我们可以得到以下结论：围合度对街区内部气流影响明显，围合度越大，内部风速越小；静风条件下，热量更多通过热力紊流向上散失，围合度对街区内部热环境影响不显著。在湿热地区，适当地在夏季盛行风向减小围合度，能够有效调节街区内部热环境。

表2-8　不同围合度条件下空气温度变化

＊资料来源：作者整理绘制

7）错落度

城市中的建筑高度不一形态各异，呈现一种错落随机分布状态。错落度表征城市空间形态三维上的起伏特征，即垂直方向上的高度错落变化。错落度可以直观地通过城市形态的“天际轮廓线”反映，《无锡城市空间城市设计》中将错落度大小界定为街区内建筑最高高度与平均高度的差值（图2-25），差值越大错落度越高。围合度和错落度两个指标分别从水平方向和垂直方向表征了城市下垫面的粗糙程度，也就是城市肌理的变化。错落度越低、围合度越高，粗糙程度越低、城市肌理越统一完整，反之粗糙程度越高、城市街区肌理越复杂。

图2-25　错落度示意图

＊资料来源：作者自绘

以上的模拟都是在建筑规则排布条件下进行的，是一种理想的简化模式，旨在分析指标同热环境的关系，但现实城市是不规则随机组合排布的，更具有复杂性。在密度相同的条件下，从规则排布与随机排布的对比研究中可以看出：当建筑前后错开排布，建筑四周的风将有助于相邻建筑的通风，从而对空气温度产生影响（表2-10）。错落度与排布方式的变化已经涉及形态层面的变化，这部分将在第4章进行详细解析。

表2-9　不同错落度条件下空气温度变化

＊资料来源：作者整理绘制

表2-10　平面规则排布与平面随机排布条件下空气温度变化

＊资料来源：作者整理绘制