陳 敬，王 芳，劉加平

(1.省部共建西部綠色建筑國家重點實驗室(西安建筑科技大學)，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055)

根據(jù)筆者對于陰影區(qū)現(xiàn)象的觀察，在論文《基于陰影區(qū)現(xiàn)象的亞熱帶商業(yè)步行街外部空間生態(tài)設(shè)計方法研究》中提出了陰影區(qū)理論中的無效陰影區(qū)、有效陰影區(qū)、熱調(diào)節(jié)有效陰影區(qū)等幾個重要的研究概念，并借鑒WBGT指數(shù)評價方法對其研究的邊界進行了界定.這為后續(xù)的測試研究建立了理論基礎(chǔ).盡管目前國內(nèi)有部分學者也曾針對一些地區(qū)進行過基于WBGT指數(shù)的建筑外部空間環(huán)境的測試和相關(guān)的理論分析[1-4],但是這些測試更多的是基于測試-歸納-發(fā)現(xiàn)問題的研究模式，而非本次研究的假設(shè)-測試-驗證假設(shè)的研究模式.陰影區(qū)理論提出的相關(guān)概念在實際的商業(yè)步行街區(qū)中是否存在？在時間與空間中是如何分布的？對步行空間的使用是否有實際的影響？這些問題都不太明確.因此需要通過對步行街區(qū)的實測來檢驗相關(guān)概念在自然環(huán)境中的實際狀況，從而檢驗陰影區(qū)理論的有效與否.

1 研究對象、目的與方法

1.1 研究對象

本次測試研究選取的對象為海南省?？谑袀鹘y(tǒng)騎樓街區(qū)中的中山路與博愛北路部分路段.選取的東西向的中山路段長度約209.2 m，路面寬度12.05 m.街道兩側(cè)的圍合界面為騎樓建筑，層數(shù)一般為2～3層，平均高度11.2 m左右.部分建筑高度達到5～6層，高度在18～21 m.兩側(cè)騎樓建筑下面的步行道寬度為3.2 m.由于騎樓建筑的特殊性，除了建筑頂部檐口遮擋太陽輻射的同時，底部的騎樓步行道空間也會產(chǎn)生一定的影區(qū)(見圖1).選取的南北向的博愛北路長度約216.3 m，路面寬度10.35 m.街道兩側(cè)的圍合界面為騎樓建筑，層數(shù)一般為2～3層，平均高度10.6 m左右.部分建筑高度達到5～6層，高度在17～20 m.西側(cè)騎樓建筑下面的步行道寬度為2.96 m，東側(cè)步行道寬度為3.2 m[5](見圖2).

選取這兩條街道主要是基于以下幾方面的考慮：①?？诘靥巵啛釒У貐^(qū)，常年高溫多雨，平均氣溫在22～26 ℃[6]，具有一定的典型性.②中山路和博愛北路分別是東西向和南北向的街道，是兩種典型的研究工況.③中山路和博愛北路同為傳統(tǒng)騎樓街區(qū)，選取騎樓街區(qū)進行研究，可以研究騎樓步行空間與陰影區(qū)之間的關(guān)系.④中山路和博愛北路為嶺南地區(qū)典型的傳統(tǒng)商業(yè)步行街區(qū).

圖1 中山路概況及測試步驟Fig.1 Zhongshan Road situation and test steps

圖2 博愛北路概況及測試步驟Fig.2 Boai North Road situation and test steps

1.2 研究目的

本次測試的目的在于通過合理的計劃和方法來了解：

(1)檢驗影區(qū)理論在實際街區(qū)設(shè)計中的適用性.是否真實存在有效陰影區(qū)、無效陰影區(qū)、熱調(diào)節(jié)有效陰影區(qū).以及各自的范圍及變化的規(guī)律.

(2)在熱調(diào)節(jié)有效陰影區(qū)時段內(nèi)如何確定相應(yīng)的日照區(qū)范圍，以便采用被動式調(diào)節(jié)措施(如種植植被).

1.3 研究方法——WBGT指數(shù)測試法

WBGT指數(shù)測試方法主要是需要根據(jù)街區(qū)的具體情況，測試空氣溫度、自然濕球溫度、相對濕度、風速、太陽輻射強度、太陽輻射條件下的WBGT(out)指數(shù)、在無太陽輻射條件下的WBGT(in)指數(shù)等相關(guān)參數(shù).

在測試上選取街區(qū)的日出和日落之間的時間段作為主要的測試時間段.具體時間段則根據(jù)街區(qū)的實際情況來定.例如2016年8月6日?？诘娜粘鰰r間為6:14.但是由于周邊建筑的遮擋，陽光照入東西朝向的街道的時間為7:00左右.而到下午18:00以后，街道已經(jīng)沒有陽光直接射入，因此測試的時間段為7:00～18:00.

在這個測試時間段內(nèi)，又分為兩種不同的情況進行分別測試研究：①使用WBGT指數(shù)儀測定在太陽輻射條件下的WBGT(out)指數(shù)，當WBGT(out)指數(shù)〉31 ℃時，認定此刻在太陽輻射下活動的人達到了能夠長期忍受的極限，即可能會出現(xiàn)中暑的反應(yīng)[7].同時對比此刻太陽輻射的強度與之后的太陽輻射強度之間的關(guān)系，如果之后的太陽輻射強度繼續(xù)呈現(xiàn)上升的趨勢，則可以認為此刻出現(xiàn)的陰影區(qū)范圍為有效陰影區(qū)范圍.②出現(xiàn)有效陰影區(qū)之后，將WBGT指數(shù)儀移動到有效陰影區(qū)中，繼續(xù)檢測有效影區(qū)中的熱壓變化情況，當在無太陽輻射條件下的WBGT(in)指數(shù)〈31 ℃的時段，可以認定產(chǎn)生有效影區(qū)的時段，當WBGT(in)指數(shù)〉31 ℃，則說明單純依靠陰影區(qū)已經(jīng)無法解決熱環(huán)境問題，需要加入其他設(shè)計手段進行調(diào)節(jié).

2 測試過程

2.1 東西向街道(中山路)的研究工況

(1)測試街道的概況及測試步驟(見圖1)

(2)相關(guān)氣象參數(shù)測試數(shù)據(jù)

本次測試的時間段為2016年8月6日7:00～18:00.本次測試過程中記錄了空氣溫度(Ta)、黑球溫度(Tg)、自然濕球溫度(Tnw)、相對濕度(RH)、風速(Va)、WBGT(out)(室外有太陽輻射)、 WBGT(in)(室外無太陽輻射)、太陽輻射強度等測試數(shù)據(jù).

(3)測試數(shù)據(jù)分析

從圖3可以看出：7:10～8:00之間出現(xiàn)了較大的波動.這是因為在測試過程中，在儀器的布點上先是將儀器布置在太陽輻射直接照射的條件下，當7:40 WBGT(out)達到31℃時，認定其達到了人會中暑的邊界條件.隨后為了數(shù)據(jù)測試的穩(wěn)定，繼續(xù)測試到8:00，然后將儀器移動到?jīng)]有太陽輻射的陰影區(qū)內(nèi).從圖4的數(shù)據(jù)表明從8:10開始，有效影區(qū)內(nèi)的WBGT(in)指數(shù)的變化范圍除了在個別的時間點(比如17:00以及17:50～18:00)會高于31 ℃外，大多數(shù)時間的WBGT(in)指數(shù)是低于31 ℃的，這說明在有效陰影區(qū)內(nèi)在不采用外部設(shè)備調(diào)節(jié)的情況下是可以基本滿足人長時間使用的.

圖3 中山路室外有太陽輻射WBGT(out)時間段的熱壓指數(shù)變化Fig.3 Zhongshan Road outside WBGT(out)index change with solar radiation

圖4 中山路室外無太陽輻射WBGT(in)時間段陰影區(qū)內(nèi)的熱壓指數(shù)變化Fig.4 Zhongshan Road outside WBGT(in)index change in shadow areas without solar radiation

2.2 南北向街道(博愛北路)的研究工況

(1)測試街道的概況及測試步驟(見圖2)

(2)相關(guān)氣象參數(shù)測試數(shù)據(jù)

為了驗證在同一時間段內(nèi)不同朝向街道的有效影區(qū)的變化規(guī)律，本次測試的時間段同樣為2016年8月6日7:00～18:00.本次測試過程中記錄了空氣溫度(Ta)、黑球溫度(Tg)、自然濕球溫度(Tnw)、相對濕度(RH)、風速(Va)、WBGT(out)(室外有太陽輻射)、WBGT(in)(室外無太陽輻射)、太陽輻射強度等測試數(shù)據(jù).

(3)測試數(shù)據(jù)分析

從圖5可以看出：溫度波動較大的時間段出現(xiàn)在8:20～9:20這個時間段內(nèi).這與東西向街道(中山路)出現(xiàn)的7:10～8:00的時間段不一致.這主要是因為街道朝向的關(guān)系.盡管東西向街道(中山路)在7:40的 WBGT(out)指數(shù)就達到了31 ℃但在7:40南北向街道(博愛北路)因為建筑遮擋的關(guān)系，整體還處在陰影區(qū)中，而根據(jù)圖5和實地對影區(qū)的觀察的數(shù)據(jù)表明9:10是WBGT(out)達到了31 ℃，而9:00～9:10這個時間段也是太陽照射到街道內(nèi)的出現(xiàn)的時間.也就是說在南北向街道(博愛北路)中，只要太陽一出來，WBGT(out)指數(shù)就已經(jīng)超過31 ℃，從這個時刻起產(chǎn)生的陰影區(qū)都是有效陰影區(qū).同樣，為了數(shù)據(jù)測試的穩(wěn)定，繼續(xù)測試到9:20，然后將儀器移動到?jīng)]有太陽輻射的陰影區(qū)內(nèi).從圖6的數(shù)據(jù)表明，有效影區(qū)內(nèi)的WBGT(in)指數(shù)的變化范圍除了在13:40～14:10這個范圍內(nèi)超過31 ℃外，其他時間段內(nèi)的WBGT(in)指數(shù)<31 ℃.也就是說13:40～14:10的時間段內(nèi)，即使在陰影區(qū)內(nèi)也是無法有效解決熱環(huán)境問題的，需要通過一些其他的技術(shù)手段來進行環(huán)境調(diào)節(jié).

圖5 博愛北路室外有太陽輻射WBGT(out)時間段的熱壓指數(shù)變化Fig.5 Bo′ai North Road outside WBGT(out)index change with solar radiation

圖6 博愛北路室外無太陽輻射WBGT(in)時間段陰影區(qū)內(nèi)的熱壓指數(shù)變化Fig.6 Bo′ai North Road outside WBGT(in)index change in shaodow areas without solar radiation

2.3 主體步行街需要綠化種植的有效區(qū)域

關(guān)于主體步行街的有效影區(qū)在設(shè)計的時候可以進行如下考慮：

由于在有效影區(qū)的時段內(nèi)存在WBGT(in)>31 ℃的情況，所以存在需要進行熱環(huán)境調(diào)節(jié)的有效陰影區(qū)[6].在實際測試中，只有南北向的博愛北路在13:40～14:10時段內(nèi)情況較為突出，因此這個時段的影區(qū)范圍是可以被提煉出來的(見圖7)，因此在熱調(diào)節(jié)有效陰影區(qū)的范圍內(nèi)，需要進行一些被動式的設(shè)計來緩解街區(qū)中的熱環(huán)境狀況，確保在有效影區(qū)的時段內(nèi)不會出現(xiàn)WBGT(in)>31 ℃的情況.根據(jù)測試結(jié)果可以測定出當WBGT(in)>31 ℃時的熱調(diào)節(jié)有效陰影區(qū)及日照區(qū)的范圍，這個時間段內(nèi)導(dǎo)致出現(xiàn)熱調(diào)節(jié)有效陰影區(qū)的主要原因在于日照區(qū)范圍內(nèi)吸收了過多的太陽輻射的能量，因此該時段的日照區(qū)范圍是景觀設(shè)計的主要范圍.國內(nèi)相關(guān)學者通過測試研究表明，在露天的廣場或街道中，鋪設(shè)草坪的方式相對于設(shè)置水池景觀的方式能夠更為有效的緩解室外空間的熱環(huán)境狀況[8-12].因此在這個時段的日照區(qū)范圍內(nèi)主要還是考慮通過種植草坪、灌木的方式來減少太陽輻射的影響.這種景觀植被的種植方法，與以往步行街景觀綠化設(shè)計并不相同[13-15].

3 基于有效影區(qū)理論的步行街道的設(shè)計程序

基于有效影區(qū)理論的步行街道的生態(tài)設(shè)計方法既可以用于對傳統(tǒng)商業(yè)步行街或是具備成為商業(yè)步行街的潛力的普通街道進行改造，也可以針對新建的商業(yè)街區(qū)進行有效影區(qū)的規(guī)劃.由于針對的對象不同，在設(shè)計的程序上也會有所差異.

3.1 對于現(xiàn)有街道的步行街道改造的設(shè)計方法

對于現(xiàn)有街道的步行街道的改造，其主要設(shè)計步驟如下:①對現(xiàn)有街道進行測繪，獲取該街道每棟沿街建筑的高度、面寬、圍合方式等方面的數(shù)據(jù)；②選取當?shù)剌^為典型的極端氣候時段進行為期一周的測試，測試時間段內(nèi)最好為無云的全晴天，以街道獲得最強的太陽輻射為最佳研究工況.③根據(jù)WBGT指數(shù)測定儀，在典型氣象條件下測定無效陰影區(qū)、有效陰影區(qū)、熱調(diào)節(jié)有效陰影區(qū)的出現(xiàn)的時間段.④在測定無效陰影區(qū)、有效陰影區(qū)、熱調(diào)節(jié)有效陰影區(qū)的出現(xiàn)的時間段的同時，測繪記錄下這些不同影區(qū)的邊界變化情況，尤其是熱調(diào)節(jié)有效影區(qū)的邊界變化情況.由于沿街建筑的高低變化所產(chǎn)生的影長不一致，應(yīng)在對街區(qū)進行測繪的基礎(chǔ)上，求出沿街建筑的平均高度，選取與平均高度最近似的一棟建筑作為基本測試點來測繪影區(qū)的變化情況.同時，對于街區(qū)中一些特別高或是特別低的建筑物產(chǎn)生的影區(qū)也進行測繪記錄，因為特別高的建筑在一般情況下會形成的陰影要比平均高度的建筑的長，那么在相同時間點可以用的影區(qū)范圍就越大，可以形成放大的節(jié)點性空間，而對于較低矮的建筑由于陰影較短，則應(yīng)根據(jù)街區(qū)的實際使用情況考慮是否采用措施來彌補影長太短的缺陷.⑤測試的同時記錄陰影區(qū)的變化范圍以及觀察街區(qū)中人的行為方式，分析人可能使用的空間與有效影區(qū)的關(guān)系，根據(jù)不同時段的活動情況來重新調(diào)整商業(yè)布局的方式.⑥對熱調(diào)節(jié)有效影區(qū)的變化范圍進行提煉，以綠化景觀的方法對該時段的日照區(qū)域進行調(diào)整，以防止該時段日照區(qū)的太陽輻射對于有效影區(qū)的不利影響(見圖7).

3.2 對于新建街道的改造方法

對于新建步行街道的設(shè)計，其主要設(shè)計步驟如下：①在典型氣象條件下對場地附近現(xiàn)有街道進行熱環(huán)境測試，掌握現(xiàn)有街區(qū)中無效陰影區(qū)、有效陰影區(qū)、熱調(diào)節(jié)有效陰影區(qū)出現(xiàn)的時間段.②在規(guī)劃階段確定街道的尺度與沿街建筑物的高度.并對之前測定的不同類型的影區(qū)出現(xiàn)的時間段帶入新建街道進行模擬，根據(jù)新規(guī)劃、設(shè)計的建筑物的體量和布局方式，分析其有效陰影區(qū)的邊界變化狀況，同時挑選出熱調(diào)節(jié)有效陰影區(qū)的變化范圍.③針對挑選出來的有效陰影區(qū)的可利用范圍和熱調(diào)節(jié)有效陰影區(qū)的變化范圍，進行具體的業(yè)態(tài)布局考慮和相應(yīng)景觀設(shè)計.

4 結(jié)論

通過對有效陰影區(qū)相關(guān)概念的界定、實際街道的測試與測繪、有效陰影區(qū)測試方法的選用、對無效陰影區(qū)、有效陰影區(qū)、熱調(diào)節(jié)有效陰影區(qū)、日照區(qū)等空間的提煉、以及對有效影區(qū)的有效設(shè)計范圍、設(shè)計步驟等一系列問題的研究，可以得出如下的結(jié)論：

①無效陰影區(qū)、有效陰影區(qū)、熱調(diào)節(jié)有效陰影區(qū)，是基于WBGT評價標準下，根據(jù)人在太陽輻射和非太陽輻射條件下的中暑可能性而提出的相關(guān)概念，在實際場地測試中是可以被明確測定到的.

②在不大規(guī)模改造現(xiàn)有城市街道的條件下，通過種植植被對街道中太陽輻射的吸收是調(diào)節(jié)街道熱環(huán)境狀況的主要手段.而通過本次研究給出的實驗步驟，能夠較為精確的劃定出合適種植植被的區(qū)域，為建筑師、景觀設(shè)計師提供設(shè)計的依據(jù).

③對于在步行街中的商業(yè)行為而言，在南北向的步行街的下午的時段適合商業(yè)行為在室外的展開，而上午的時段則不合適.對于東西向的步行街，除了下午一小段時間外基本不適合室外活動的展開.

由于本次研究的生態(tài)設(shè)計方法是以?？隍T樓步行街室外空間為例來展開的，而對于亞熱帶地區(qū)不同城市的地理緯度、氣象條件、商業(yè)街區(qū)布局、建筑空間尺度的差異性，以及在評判街區(qū)熱環(huán)境過程中所選取的WBGT(in)>31 ℃的技術(shù)標準是否合適的問題，仍有待于通過進一步的深入研究來探討.本次研究成果只是具有一定的代表性而非具有普世意義.但是在基礎(chǔ)研究不斷深化的同時，在有效陰影區(qū)理論的指導(dǎo)下，按照一定的切實可行的操作步驟，有利于建筑師、景觀設(shè)計師能夠快速了解商業(yè)步行街區(qū)的熱環(huán)境狀況，并對其進行相應(yīng)的改造設(shè)計，從科學合理的角度推動商業(yè)步行街的朝著更加生態(tài)化、人性化的方向發(fā)展.