城市形态与城市微气候的关联性研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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
Biblioteka Baidu
17
ARCHITECTURAL JOURNAL 2012.7 建筑学报
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。
建筑物体量要素
3 城市中 3 种不同质感的体量要素
城市森林体量要素
建筑物高空绿化体量要素
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，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。
美国宾夕法尼亚大学教授格兰尼 (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，城市人口的密度也 影响了城市微环境的气温状况。
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。
屋面的生态性质不可和自然地表同日而 A g e o f A i r）来考量城市的呼吸性能
语，然而也可以为部分野生动物提供栖 （Breathability）[16]。空气龄概念的介入
息场所。英国和瑞士的研究人员发现， 使得城市外部空间的质量标准不再局限
即便是人口比较密集的地区，由于种植 于人体的直接感知，而是提升到难以直
作者单位：1 南京大学建筑与城市规划学院(南京，210093) 2 剑桥大学建筑系
收稿日期：2012-06-15
1 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。
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。 2.2 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，
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 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
城市设计与研究 URBAN DESIGN AND STUDIES
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 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 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。
建筑学报 2012.7 ARCHITECTURAL JOURNAL
16
1 城市边界层、冠层示意
城市边界层
城市冠层
H1 H2
θ1
θ2
W 2 城市街道层峡示意
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 研究对象与范围—城市微气候相关 的城市形态要素 2.1 对象与范围
屋面提供了大量的栖息场所，有些濒临 接感知的空气的健康问题。针对微气候
城市设计与研究 URBAN DESIGN AND STUDIES
城市形态与城市微气候的关联性研究
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 ABSTRACT/ Based on study of the interrelationship between urban pattern and urban microclimate, this paper first proposes the concepts of Urban Texture and Volume Unit, and elaborated the microclimate index into Thermal Comfort, Fluid Comfort and Breathability. Then, the study extends the current index for Street Integration Index, Building Complex Scattering Index, Orientation and Volume Index, Distance to Property Line Index, and Urban Block Profile. Finally, the study urges future explorations on Quantifiable Mapping of Urban Texture and Digital Mapping Technology on Urban Physical Space. KEY WORDS/ urban pattern, urban microclimate, comfort, urban design
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
Biblioteka Baidu
17
ARCHITECTURAL JOURNAL 2012.7 建筑学报
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。
建筑物体量要素
3 城市中 3 种不同质感的体量要素
城市森林体量要素
建筑物高空绿化体量要素
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，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。
美国宾夕法尼亚大学教授格兰尼 (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，城市人口的密度也 影响了城市微环境的气温状况。
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。
屋面的生态性质不可和自然地表同日而 A g e o f A i r）来考量城市的呼吸性能
语，然而也可以为部分野生动物提供栖 （Breathability）[16]。空气龄概念的介入
息场所。英国和瑞士的研究人员发现， 使得城市外部空间的质量标准不再局限
即便是人口比较密集的地区，由于种植 于人体的直接感知，而是提升到难以直
作者单位：1 南京大学建筑与城市规划学院(南京，210093) 2 剑桥大学建筑系
收稿日期：2012-06-15
1 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。
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。 2.2 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，
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 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
城市设计与研究 URBAN DESIGN AND STUDIES
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 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 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。
建筑学报 2012.7 ARCHITECTURAL JOURNAL
16
1 城市边界层、冠层示意
城市边界层
城市冠层
H1 H2
θ1
θ2
W 2 城市街道层峡示意
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 研究对象与范围—城市微气候相关 的城市形态要素 2.1 对象与范围
屋面提供了大量的栖息场所，有些濒临 接感知的空气的健康问题。针对微气候
城市设计与研究 URBAN DESIGN AND STUDIES
城市形态与城市微气候的关联性研究
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 ABSTRACT/ Based on study of the interrelationship between urban pattern and urban microclimate, this paper first proposes the concepts of Urban Texture and Volume Unit, and elaborated the microclimate index into Thermal Comfort, Fluid Comfort and Breathability. Then, the study extends the current index for Street Integration Index, Building Complex Scattering Index, Orientation and Volume Index, Distance to Property Line Index, and Urban Block Profile. Finally, the study urges future explorations on Quantifiable Mapping of Urban Texture and Digital Mapping Technology on Urban Physical Space. KEY WORDS/ urban pattern, urban microclimate, comfort, urban design