羅丹妮 薛哲益

城市環(huán)境多樣性地圖在教育建筑布局設(shè)計中的應(yīng)用

羅丹妮 薛哲益

(華南理工大學(xué)建筑學(xué)院建筑系 廣東廣州 510640)

將開闊度、風(fēng)影和陰影簡化整合成為一張環(huán)境多樣性地圖并運用于新加坡共和理工大學(xué)建筑布局分析，探究環(huán)境多樣性地圖在高密度教育建筑群布局設(shè)計中的運用方法，并推廣到符合教育建筑模數(shù)的一般建筑群體基本型，評價了在保持容積率不變的條件下經(jīng)過錯位、抽取、高度變化等多種形式變化的基本群體環(huán)境微氣候特征，供組團建筑的設(shè)計布局參考。

高密度教育建筑群 環(huán)境多樣性地圖 環(huán)境特征分區(qū) 城市微氣候

隨著城市化進程的不斷加劇和城市密度的急劇增加，對城市空間形態(tài)的合理設(shè)計使其獲得理想的環(huán)境舒適度已成為越來越重要的課題。城市空間形態(tài)與城市環(huán)境微氣候密切相關(guān)，直接結(jié)果是產(chǎn)生多樣性的城市環(huán)境。

持續(xù)增加的人口與建筑的高密度已成必然趨勢，而逐漸加劇的城市熱島效應(yīng)，深刻影響著城市熱環(huán)境。因此，如何在高密度的城市環(huán)境中探索城市空間形態(tài)與室外環(huán)境多樣性的關(guān)系并將其運用于規(guī)劃分析成為了一個重要的課題。

城市氣候環(huán)境由多種因素同時影響，其作用方式非常復(fù)雜，因此將各種影響因素及其影響進行簡化分類并分析極其重要。梁璟嚴、李曉暉、肖榮波3位規(guī)劃師以空氣流動理論機理、夏季城市的主要風(fēng)源、影響城市通風(fēng)的主要規(guī)劃因素為理論基礎(chǔ)，提出城市通風(fēng)廊道的規(guī)劃方法，包括寬度、走向、開敞空間、相鄰界面、建筑5個方面的規(guī)劃控制指標［1］。據(jù)任超、吳恩融、盧茨·卡施納3位教授介紹，在城市氣候應(yīng)用領(lǐng)域，德國早于1970年代就開始了該方向的探索，并最先研發(fā)了應(yīng)用于城市規(guī)劃的氣候信息工具——“都市環(huán)境氣候圖”(Urban Climatic Map)。這一理論與技術(shù)可以從城市氣候與環(huán)境學(xué)角度分析宏觀、中觀、微觀尺度下城市現(xiàn)有的問題，通過對城市各項氣候參數(shù)，如風(fēng)向、風(fēng)速、太陽輻射、氣溫等信息的分析，繼而將所有科學(xué)研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為有針對性的城市規(guī)劃建議，提供給城市規(guī)劃師、建筑師、政府管理者等，改善建筑與場地綠化、自然通風(fēng)、建筑物體控制和日影利用等設(shè)計與決策。其研究目的主要集中在三個方面:一是改善城市熱環(huán)境，特別是降低城市熱島效應(yīng)，滿足城市居民熱舒適度的要求;二是改善城市風(fēng)環(huán)境和提高新風(fēng)流通量;三是降低空氣污染和改善空氣品質(zhì)［2］。袁超教授從高密度城市氣候與規(guī)劃的角度出發(fā)，探討高密度城市內(nèi)微觀氣候環(huán)境下熱島效應(yīng)與城市形態(tài)的關(guān)系。以ArcCIS軟件為平臺，基于參數(shù)研究(Parametric Study)，通過一系列的數(shù)理分析揭示規(guī)劃形態(tài)與天空視域因子的影響，提出在維持土地利用率的前提下，通過控制建筑密度和調(diào)整建筑高度來提高天空視域因子，以緩解高密度城市中的熱島效應(yīng)［3］。在充分總結(jié)中外同行研究成果的基礎(chǔ)上，吳恩融教授提出了一種“城市多樣性地圖［4］，通過圖形化地圖的方式清楚表現(xiàn)空間的環(huán)境多樣性與時間的關(guān)聯(lián)。本文在分析研究該方法的基礎(chǔ)上將其運用于高密度教育建筑群空間的室外空間環(huán)境分析。

1 城市環(huán)境舒適度影響因素與環(huán)境多樣性地圖

“城市環(huán)境多樣性地圖”的城市氣候分析方法，以分析城市環(huán)境多樣性為目的，選擇溫度、陽光照射情況和風(fēng)速3種因素作為基本變量，形成評價室外空間環(huán)境的一系列方式，從多個層面同時分析城市某區(qū)域在某時間段內(nèi)的多方面氣候情況。

選擇溫度、陽光照射情況和風(fēng)速3種因素作為基本影響變量，不僅僅因為這些因素是影響室外熱舒適度的重要指標，并且因為它們都比較容易由城市形態(tài)所定義。某個特定地區(qū)的峰值溫度可由太陽輻射的情況決定，而太陽輻射的情況則可以用該地點的天空視域因子(sky view factors)即開闊度來定義。開闊度是用于表示地形、建筑對于地表單元遮蔽影響的量，在不同遮蔽條件會影響到地表所接收到的太陽輻射，因此開闊度可以反映各個區(qū)域不同的溫度以及溫差。開闊度的計算方法基于單點計算模型，它是以視點O(給定觀察點)為原點，以某一半徑作為最大可視距離，在水平面上形成一個半球，將半球內(nèi)所有物體投影在該半球表面，計算半球非投影面積與半球表面積的比值，即為該點的開闊度，即開闊度=非投影面積/半球表面積。因此，可以說一定區(qū)域內(nèi)任意一點的開闊度是完全由周圍的建筑高、寬等因素決定的。

同時，建筑為該地區(qū)帶來的陰影情況可以用簡單的幾何學(xué)來確定，而風(fēng)在城市中的情況也可以使用軟件進行模擬。因此只要我們掌握了一定地區(qū)的建筑空間形態(tài)，我們就可以確定上述變量。

現(xiàn)以新加坡共和理工大學(xué)校園的某局部為例，展示其開闊度、一年里每小時的陰影變化和一年內(nèi)每小時的風(fēng)影區(qū)情況。對于開闊度來講，我們可以明顯看出某些戶外空間被高度堵塞(圖1陰影圖中顏色較深處)而溫度波動較少，而其余開闊區(qū)的溫度則更加緊密地隨著天氣溫度波動，這可以反映出區(qū)域的溫差環(huán)境。相似，可以在第二張圖看出太陽陰影在某些位置很密集，而在某些位置則一直有連續(xù)不斷的陽光。從圖1中可以看到盛行風(fēng)和其他被建筑遮擋的地方。

圖1 新加坡共和理工大學(xué)環(huán)境多樣性地圖分析Fig.1 Analasis on environmental diversity map of the Republic Polytechnic in Singapore

為了清楚地將一個地區(qū)的氣候類型分為簡單的雙重條件來定義環(huán)境的多樣性，可以以測試數(shù)值的一定范圍內(nèi)的平均值作為分界線，將這個地區(qū)的3因素的條件分成“開閉的天空”、“陽光或陰影”、“有風(fēng)或無風(fēng)”的簡單情況。簡單來說，就是將環(huán)境的因素由定量轉(zhuǎn)換為定性。例如將6 h以上的陽光照射定義為陽光區(qū)，6 h以下為陰影區(qū)，這樣就可以將“陽光照射量的多少”簡化為“陽光的有無”，方便下一步合并。用這種方式可以很簡單直觀地看出一個地區(qū)顯著的氣候環(huán)境條件。將上述3個因素組合起來，創(chuàng)造出一張表現(xiàn)一個區(qū)域中不同環(huán)境條件的組合圖，也就是“環(huán)境多樣性地圖”的合成圖。可以非常明顯地從這張圖看出，不同的色塊顏色分別代表了8個微氣候環(huán)境類型，分別為開闊——閉塞、陽光——陰影、有風(fēng)——無風(fēng)相互之間的排列組合。城市環(huán)境多樣性地圖可以非常直觀而明確地反應(yīng)任何一個地區(qū)在任何時間段內(nèi)由不同因素相互作用而產(chǎn)生的微氣候環(huán)境條件。

2 環(huán)境多樣性地圖的運用

利用環(huán)境多樣性地圖，我們可以將整塊區(qū)域劃分成開闊有風(fēng)無影區(qū)、開闊無風(fēng)無影區(qū)、開闊無風(fēng)有影區(qū)、開闊有風(fēng)有影區(qū)、閉塞有風(fēng)無影區(qū)、閉塞無風(fēng)無影區(qū)、閉塞有風(fēng)有影區(qū)、閉塞無風(fēng)有影區(qū)8種“環(huán)境特征氣候帶”，通過它們，我們可以非常直觀地對新加坡共和理工大學(xué)這片場地進行環(huán)境情況的分析。進一步，如果將環(huán)境多樣性地圖與案例當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件相結(jié)合，則可以很方便地找出環(huán)境條件不佳的區(qū)域并進行相關(guān)改進。

新加坡共和理工大學(xué)地處熱帶雨林氣候帶，高溫潮濕是該地區(qū)最顯著的特點，在這樣的氣候條件下，非陰影區(qū)會令使用者直接暴露在陽光之下，風(fēng)影區(qū)無法帶來風(fēng)的降溫效果，開闊的地區(qū)會更容易受到外部氣候條件(主要是高溫)的影響。因此，對于新加坡共和理工大學(xué)來說，開闊無風(fēng)無影的環(huán)境特征氣候帶是最為不利的。

得益于新加坡共和理工大學(xué)緊湊的建筑布局所帶來的大片開闊綠地空間，8種氣候特征中，所占比例最大的為開闊有風(fēng)無影區(qū)，這是非常值得現(xiàn)在的許多大學(xué)校園所借鑒的。

而在舒適度方面我們可以進行推測，對于處于熱帶雨林氣候、夏日炎熱潮濕的新加坡，在這片空間中增加適當(dāng)?shù)恼陉柎胧┗蛟S會更有利于學(xué)生的活動。

閉塞無風(fēng)有影區(qū)的比例也是較大的，這體現(xiàn)了高密度建筑的一般性特點。同時可以明顯看出，閉塞的區(qū)域有沿建筑輪廓分布的趨勢，因此四面被建筑環(huán)繞的區(qū)域——如天井或庭院空間——有著最低的開闊度，因此這些空間溫差也相對更小，可以在建筑群中充當(dāng)“冷巷”的作用，能夠有效提高建筑周圍的熱環(huán)境。

在新加坡的氣候條件下，非陰影區(qū)會令使用者直接暴露在陽光之下，風(fēng)影區(qū)無法帶來風(fēng)的降溫效果，開闊的地區(qū)會更容易受到外部氣候條件(主要是高溫)的影響。因此，對于新加坡共和理工大學(xué)來說，開闊無風(fēng)無影的環(huán)境特征氣候帶是最為不利的。從圖2可以看出，開闊無風(fēng)無影區(qū)占有了相當(dāng)部分的面積，這塊廣泛地分布在建筑周圍的區(qū)域缺乏通風(fēng)與遮陽，并且溫度隨著天氣的狀況在不斷地變化，是一種不利的氣候環(huán)境，值得反思和優(yōu)化。

綜上，可以根據(jù)城市環(huán)境多樣性分布圖推測該地區(qū)不同氣候特征帶的舒適度指數(shù)，評估該地區(qū)的氣候特點，找到存在的問題以便于尋求改進的措施。

不過，本次分析的范圍是校園內(nèi)建筑群以及周圍一定范圍內(nèi)的環(huán)境，存在一定局限性，并不能完全反應(yīng)建筑群組內(nèi)部的環(huán)境特點。若需要重點分析建筑群組內(nèi)部的環(huán)境氣候特征，可以通過用相同的方式縮小分析范圍來實現(xiàn)。

圖2 新加坡共和理工大學(xué)各環(huán)境特征氣候帶分布Fig.2 Each environmental characteristic climate band distribution of the Republic Polytechnic in Singapore

3 多樣性地圖在天井式建筑群中的運用

建筑師往往關(guān)注建筑物本身的設(shè)計以及其內(nèi)部環(huán)境舒適度，卻少有關(guān)注高密度建筑群體中的不同建筑形式和布局對這一塊區(qū)域的微氣候舒適度影響。下文將探究環(huán)境多樣性地圖是否可以運用于改善高密度群體建筑的環(huán)境舒適度和微氣候特征，以及通過怎樣的方式可以達到這種改善的目的。

據(jù)休·安德森(Hugh Anderson)對西敏斯學(xué)院新教學(xué)樓的研究，該建筑外觀上的一個顯著特點是南立面層層出挑，從而起到了自然遮陽的作用，而相應(yīng)的北立面則層層后退，從而既增大了內(nèi)部空間的自然采光，又自動地形成可以遠眺綠地的平臺。雖然該建筑主體占滿了整個建筑用地，但是各層平臺在不同的部分有著不同程度、不同形狀的回退，這樣就使得自然光線易于進入建筑主體內(nèi)部。與之呼應(yīng)的是在建筑內(nèi)部的中庭各層平臺也有不同的回收和旋轉(zhuǎn)，伴隨著各層不同的挑臺和各種或多或少的開發(fā)空間，創(chuàng)造出一個組織簡單但是視覺效果極為豐富的中央空間［5］。國內(nèi)學(xué)者郝熙凱、高配濤在對“武漢百步亭社區(qū)自百步華庭”研究后表明，小區(qū)的建筑以由南向北梯度式升高的方式進行布局，有效阻擋了冬季西伯利亞冷氣流，另外，這種梯度式變化可以促進夏季風(fēng)的流通，從而在一定程度上保證了小區(qū)氣候的舒適性。建筑高度的合理布置使得每棟建筑的各樓層能夠充分地接受陽光普照［6］。

同理，我們選取符合教育建筑模數(shù)的40 m× 40 m的天井式(天井24 m×24 m)建筑作為基本型，組成5×5的方陣組團，代表一個建筑群體區(qū)域。這個區(qū)域內(nèi)街道寬度24 m，容積率為1.31。在保持容積率不變的情況下，分別對該組團進行移動、抽取、高度等變化，也可以看做是給這個建筑群體中分別設(shè)置了不同位置、大小的廣場或者改變了建筑的高度組合關(guān)系，并分別探究這些變化對環(huán)境多樣性地圖的影響。

從得出的5個基本型的環(huán)境的多樣性地圖可以看出，相比于最初的排列方式，將建筑群進行錯動可以改善建筑之間的環(huán)境條件，避免潮濕陰暗的死角位置;抽離部分建筑從而形成“廣場”可以獲得大面積的有風(fēng)區(qū)域，避免風(fēng)影區(qū)的形成，適合于潮濕炎熱地區(qū);而單獨改變建筑的高度對于環(huán)境的改進則收效甚微。

因此，從以上結(jié)果可以得出一些建筑群體設(shè)計時可以對該區(qū)域環(huán)境舒適度進行改善的措施，包括增加廣場面積、錯開建筑物排布等均可使建筑群體的微氣候特征得到顯著改善。

圖3 對建筑群體中體塊的變化和各項測試結(jié)果Fig.3 The change of the block in the architetural groups and each test result

圖4 不同建筑群體布置的環(huán)境多樣性地圖結(jié)果Fig.4 Arrangement result of environmental diversity maps in different architectural groups

4 小結(jié)

環(huán)境多樣性地圖應(yīng)用于高密度校園環(huán)境實例，通過研究一定城市形態(tài)下特定地區(qū)的開闊度、太陽陰影情況和風(fēng)影區(qū)情況，從多方面分析并評價室外環(huán)境微氣候特征，用一種定量的方式來評估城市氣候。同時將環(huán)境多樣性地圖這一評估方式運用于符合教育建筑模數(shù)的一般建筑群體基本型，評價了多種形式的環(huán)境微氣候，對于組團建筑的設(shè)計布局有一定的借鑒意義。

［1］ 梁璟嚴，李曉暉，肖榮波.城市通風(fēng)廊道規(guī)劃與控制方法研究——以《廣州市白云新城北部延伸區(qū)控制性詳細規(guī)劃》為例［J］.風(fēng)景園林，2014，(10):92－96.

［2］ 任超，吳恩融，盧茨·卡施納.城市環(huán)境氣候信息在德國城市規(guī)劃中的應(yīng)用及其啟示［J］.國際城市規(guī)劃，2013，(4):91－99.

［3］ 袁超.緩解高密度城市熱島效應(yīng)規(guī)劃方法的探討——以香港城市為例［J］.建筑學(xué)報，2010，(4):120－123.

［4］ 吳恩融.Design High Density Cities for Social and Environmental Sustainability［M］.北京:中國建筑出版社，2014.150－162.

［5］ 休·安德森(Hugh Anderson).進步的漩渦——評斯米特·哈默·拉森(SHL)的新作:西敏斯學(xué)院新教學(xué)樓［J］.高強，譯.建筑學(xué)報，2011，(6):86－95.

［6］ 郝熙凱，高配濤.微氣候在景觀設(shè)計中的應(yīng)用前景研究［J］.中國輕工教育，2013，(2): 34－36.

Application of Urban Environmental Diversity Map in Educational Architecture Modules Design

LUO Dan－ni，XUE Zhe－yi

(Department of Architecture，School of Architecture，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China)

This paper firstly interprets and concludes three main factors including which can comprehensively reflect the environment of certain areas，as well as combines and simplifies those three factors into an approach of environmental diversity map.Then this method is applied to the Republic Polytechnic in Singapore in order to explore the usage and effect of environmental diversity map in general cases.At the same time we explore the utilization of this approach in general groups of basic educational architecture modules applying different changes to the form of the group and explore the differences among their environment diversity maps，in order to evaluate its micro climate，with the plot ratio unchanged.

High density education architecture group;Environmental diversity map;Environmental characteristics zonings;Urban microclimate

TU201.1

A

1671－8755(2015)03－0057－05

2015－07－08

羅丹妮(1993—)，女，本科生。E－mail:ldn@163.com