楊小樂(lè) 金荷仙 彭海峰 陳楚文
當(dāng)今城市建設(shè)向高密度、窄通道、高層結(jié)構(gòu)的特大型城市發(fā)展。隨著地塊尺寸縮小、城市密度增加、城市綠化區(qū)域不斷被擠占,導(dǎo)致城市空間熱輻射平衡、地面建筑間的對(duì)流換熱、區(qū)域上空熱對(duì)流和城市發(fā)熱性造成了顯著的變化[1],即形成嚴(yán)重的城市熱島效應(yīng)[2]。街道是城市居民必不可少的戶(hù)外活動(dòng)空間,營(yíng)建健康舒適的小氣候環(huán)境是提升街道空間使用率的重要途徑[3],其中遮陰效應(yīng)、溫濕效應(yīng)、負(fù)氧離子效應(yīng)對(duì)城市局部氣候皆有顯著改善作用[4]。城市街道與建筑環(huán)境相輔相成,其氣候影響因素的研究脫離不了對(duì)城市建筑布局及空間的理解,故而國(guó)內(nèi)主要由西安建筑科技大學(xué)董蘆笛教授牽頭的小氣候課題組為代表參與研究[5-10]。除西安對(duì)城市街道小氣候有較為系統(tǒng)詳盡的研究外,也有較多學(xué)者投身其中。邵鈺涵便對(duì)氣流、溫度、濕度、遮陽(yáng)和污染物5個(gè)影響因子對(duì)街道小氣候的作用進(jìn)行綜述,得到空間類(lèi)型及景觀要素對(duì)小氣候因子而言極為重要[11]。城市不同類(lèi)型街道小氣候的研究對(duì)于城市規(guī)劃設(shè)計(jì)具有極其重要的意義,但仍處于不斷探索補(bǔ)充階段,對(duì)于可實(shí)際運(yùn)用于城市街道的小氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略仍需進(jìn)一步定量化完善。
本研究以空間典型性和人群使用率為原則,選擇杭州市典型街道文一西路和古墩路進(jìn)行小氣候?qū)崪y(cè),結(jié)合Rayman1.2模型探討夏季街道不同類(lèi)型空間的人體舒適度差異,提出基于小氣候效應(yīng)的街道空間適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略。其結(jié)果對(duì)城市街道空間建設(shè)具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。
研究區(qū)位于杭州市西湖區(qū)文一西路和古墩路交叉口路段,屬亞熱帶季風(fēng)區(qū),春秋短冬夏長(zhǎng),夏季濕潤(rùn)炎熱,是新四大火爐城市之一。據(jù)2014年《杭州城市綠化景觀》統(tǒng)計(jì)[12],杭州主干道路以“四板五帶式”為主,其次為“三板四帶式”“一板兩帶式”。
東西向文一西路呈雙向八車(chē)道,四板五帶式。臨街建筑以六層住宅為主,一層皆為商業(yè)用房,北側(cè)人行道設(shè)騎樓,街道高寬比(H/W)約0.43。兩側(cè)機(jī)非分隔綠帶皆為喬(香樟)—灌—草復(fù)層結(jié)構(gòu);機(jī)動(dòng)車(chē)道中央分隔綠帶以草—灌結(jié)構(gòu)為主,輔以落葉小喬木;人行道南側(cè)無(wú)行道樹(shù),北側(cè)種落喬黃山欒樹(shù)(Koelreuteria bipinnata var.integrifoliola)。南北向古墩路呈雙向四車(chē)道,三板四帶式。臨街建筑以六層住宅為主,東側(cè)一層為商業(yè)用房,南側(cè)設(shè)居住區(qū)鐵藝圍欄,街道高寬比(H/W)約0.49。兩側(cè)皆有人行道行道樹(shù)及機(jī)非分隔綠帶,未設(shè)機(jī)動(dòng)車(chē)道中央分隔綠帶。根據(jù)街道朝向、界面、空間類(lèi)型等要素選取測(cè)點(diǎn)1、2(圖1、2)。
實(shí)驗(yàn)于2017年8月24、27—28日3個(gè)晴朗無(wú)風(fēng)的典型氣象日進(jìn)行,其中25、26日突發(fā)雷陣雨暫停測(cè)量,測(cè)量三日整體天氣相近,基本可視為連續(xù)3天;實(shí)測(cè)時(shí)間選為08:00—18:00(表1、2)。采用定點(diǎn)移動(dòng)式觀測(cè)法[13],即每隔1h對(duì)垂直地面1.5m處的各小氣候因子進(jìn)行手持測(cè)定。觀測(cè)時(shí)疏散周?chē)巳翰⑼V箤?duì)話(huà)交流,儀器距離胸前一臂長(zhǎng)并保持平穩(wěn)約3min,待氣候因子穩(wěn)定后讀取并記錄,取3天均值作為分析用數(shù)據(jù)。
太陽(yáng)輻射強(qiáng)度測(cè)量值與遮陰嚴(yán)密程度存在直接關(guān)系,即遮陰越嚴(yán)密,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越低。夏季,由于喬木冠層枝葉茂盛,加之局部時(shí)段建筑遮陰,文一西路和古墩路多測(cè)點(diǎn)、多時(shí)段均處于遮陰之下,其太陽(yáng)輻射值與無(wú)遮陰區(qū)域相比存在明顯差異。由于文一西路機(jī)動(dòng)車(chē)道中央測(cè)點(diǎn)4于測(cè)量時(shí)段皆無(wú)遮陰,故將其定為無(wú)遮陰對(duì)照點(diǎn)。無(wú)遮陰對(duì)照點(diǎn)于正午12:00達(dá)到所有測(cè)點(diǎn)日峰值949.1W/m2,且全天趨勢(shì)變化最為明顯(圖3)。
文一西路測(cè)點(diǎn)1~3、5、6太陽(yáng)輻射強(qiáng)度受建筑、行道樹(shù)遮陰而顯著降低,其中測(cè)點(diǎn)1、2、3、5由于行道樹(shù)冠層遮陰較為嚴(yán)密,整體日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化小,變化趨勢(shì)接近;測(cè)點(diǎn)6于上午時(shí)段因建筑遮陰導(dǎo)致其太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化與測(cè)點(diǎn)1~3、5相近,但13:00后由于缺少行道樹(shù)及建筑遮陰,引起太陽(yáng)輻射強(qiáng)度反向增大,至15:00—18:00間與無(wú)遮陰測(cè)點(diǎn)4的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相接近。古墩路測(cè)點(diǎn)7~12的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度日變化相較文一西路更為復(fù)雜,上下午時(shí)段差異明顯,最高值于測(cè)點(diǎn)9的13:00達(dá) 882.6W/m2。
據(jù)夏季太陽(yáng)陰影時(shí)段變化發(fā)現(xiàn),遮蔽物投影變化呈西—北—東圓周形變化。東西向文一西路兩側(cè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的太陽(yáng)輻射值基本一致,僅南側(cè)人行道空間因無(wú)行道樹(shù)遮陰于午后處于強(qiáng)太陽(yáng)輻射狀態(tài)。由于太陽(yáng)東升西落,南北向古墩路人行道的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度主要受建筑遮陰影響,非機(jī)動(dòng)車(chē)道主要受行道樹(shù)遮陰影響,結(jié)果與人行道空間基本一致。結(jié)果表明,遮陰能夠有效降低太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,且對(duì)南北向道路的太陽(yáng)輻射熱具有較大影響,往往上午時(shí)段西界面的太陽(yáng)輻射值高于東界面,反之中下午時(shí)段則低于東界面,與劉濱誼對(duì)上海城市街道的研究成果一致[14]。
文一西路測(cè)點(diǎn)1~6日變化趨勢(shì)相近,其中無(wú)遮陰測(cè)點(diǎn)4空氣溫度明顯高于其余測(cè)點(diǎn),并于13:00達(dá)文一西路日最高溫40.7℃,測(cè)點(diǎn)1則基本處于較低溫水平,于08:00達(dá)測(cè)量時(shí)段最低溫30.8℃。古墩路日最高溫出現(xiàn)于測(cè)點(diǎn)9(40.9℃),且測(cè)點(diǎn)8、9在13:00—16:00時(shí)間段內(nèi)因太陽(yáng)斜射而導(dǎo)致快速增溫。就測(cè)點(diǎn)1~12空氣溫度整體日變化而言,上午增溫速率相較下午降溫速率更為明顯,其中測(cè)點(diǎn)4增溫最快,測(cè)點(diǎn)1因擁有絕佳的建筑及行道樹(shù)遮陰,空氣溫度減弱程度最為明顯(圖4)。
通過(guò)兩條街道空氣溫度整體水平發(fā)現(xiàn),東西向文一西路整體略高于南北向古墩路。一是由于東西向道路受太陽(yáng)東升西落的影響小,二是文一西路為“四板五帶式”結(jié)構(gòu),相對(duì)古墩路“三板四帶式”結(jié)構(gòu)更為開(kāi)闊,受光時(shí)間更長(zhǎng),導(dǎo)致降溫變化緩慢。就街道兩側(cè)界面空氣溫度整體水平而言,東西向道路兩側(cè)差異較小,其空氣溫度變化基本取決于建筑及行道樹(shù)遮陰的差異;而南北向道路兩側(cè)差異明顯,且存在因太陽(yáng)東升西落引起的時(shí)段性規(guī)律變化,故炎熱夏季,南北向道路上午東側(cè)、下午西側(cè)的街道氣溫減弱作用最為明顯。
測(cè)點(diǎn)1~12相對(duì)空氣濕度日變化趨勢(shì)基本呈“U”字形,且其最小值出現(xiàn)于13:00—16:00內(nèi)。測(cè)點(diǎn)4于13:00達(dá)最低相對(duì)空氣濕度值37.7%,與日最高溫度出現(xiàn)時(shí)間及測(cè)點(diǎn)一致,表明相對(duì)空氣濕度與空氣溫度有一定負(fù)相關(guān)性(圖5)。
1 文一西路測(cè)點(diǎn)圖Wenyi West Road measuring points map
2 古墩路測(cè)點(diǎn)圖Gudun Road measuring points map
3 文一西路及古墩路太陽(yáng)輻射強(qiáng)度日變化Daily variation of solar radiation in Wenyi West Road and Gudun Road
4 文一西路及古墩路空氣溫度日變化Daily variation of air temperature in Wenyi West Road and Gudun Road
表1 實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)量?jī)?nèi)容Tab.1 Experimental equipment and measurement content
表2 測(cè)量日基本情況Tab.2 Basic conditions of measurement days
東西向文一西路8:00—13:00相對(duì)空氣濕度呈緩慢下降狀態(tài),13:00—14:00達(dá)到極值,14:00后得到回升,但回升速度略慢于上午下降速度。古墩路和文一西路相對(duì)空氣濕度整體日變化趨勢(shì)相似,極值達(dá)到時(shí)間段略晚于文一西路,與空氣溫度日變化結(jié)果一致。就相對(duì)空氣濕度日變化而言,文一西路降至最低值所用時(shí)間更短,速率更快。
文一西路南北界面相對(duì)空氣濕度有一定區(qū)別,而古墩路東西界面變化趨勢(shì)相近,差異較小。文一西路北界面相對(duì)空氣濕度整體水平相較南界面更高,主要由于南界面相比北界面缺少行道樹(shù)遮陰,相對(duì)空氣濕度降幅快,加之北界面臨街住宅建筑略高于南界面建筑,空間相對(duì)郁閉,整體空氣濕度降幅較為緩慢。
測(cè)點(diǎn)1~12全天風(fēng)速變化趨勢(shì)復(fù)雜,基本無(wú)明顯規(guī)律可循(圖6)。東西向文一西路平均風(fēng)速整體略強(qiáng)于南北向古墩路,測(cè)點(diǎn)4~6尤為明顯。可初步得到,街道空間的風(fēng)速?gòu)?qiáng)弱取決于街道朝向與當(dāng)日盛行風(fēng)向的關(guān)系。
5 文一西路及古墩路相對(duì)空氣濕度日變化趨勢(shì)Daily variation of relative air humidity in Wenyi West Road and Gudun Road
6 文一西路及古墩路平均風(fēng)速日變化趨勢(shì)Daily variation of average wind speed in Wenyi West Road and Gudun Road
7 測(cè)點(diǎn)1~12 PET熱感覺(jué)和生理應(yīng)激等級(jí)占比The proportion of PET thermal sensation and physiological stress levels of measuring points 1~12
表3 文一西路及古墩路不同界面及類(lèi)型不舒適感受統(tǒng)計(jì)Tab.3 Different interfaces and types of uncomfort statistics in Wenyi West Road and Gudun Road
人體舒適度是以人體與近地空間內(nèi)大氣之間的熱交換原理為基礎(chǔ),從氣象角度評(píng)價(jià)人類(lèi)在不同氣候條件下的身體舒適感的一項(xiàng)生物氣象指標(biāo)[15]。劉敏等研究表明在炎熱的夏季,影響人體舒適度的主要因素是空氣溫度和相對(duì)空間濕度。Rayman模型主要用于分析小氣候舒適度指標(biāo)—生理等效溫度(PET)[16],導(dǎo)入各測(cè)點(diǎn)小氣候數(shù)據(jù)—空氣溫度、相對(duì)空氣濕度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、風(fēng)速,選定夏季服裝熱阻為0.5clo,人體條件為性別男、身高175cm、體重70kg、年齡35歲,新陳代謝率為80W/m2[17],并輸入準(zhǔn)確的日期時(shí)間、地理位置以計(jì)算PET。PET能夠體現(xiàn)人體能量與室外空間長(zhǎng)波輻射通量間的平衡關(guān)系,是最適合于評(píng)價(jià)公共空間人體舒適度的指標(biāo)之一[18]。
計(jì)算測(cè)點(diǎn)1~12三天每一測(cè)量時(shí)間段的PET值,并將其分為9類(lèi)生理應(yīng)激等級(jí),即熱感覺(jué)程度[17]。據(jù)計(jì)算,08:00—18:00測(cè)點(diǎn)1~12的PET數(shù)值均高于23.0,故炎熱夏季PET越低,人體感受越舒適;且具有冠層即喬木遮陰的街道空間比不具冠層的空間更舒適[17]。將強(qiáng)熱應(yīng)激及極端熱應(yīng)激作為不舒適指標(biāo),統(tǒng)計(jì)3天PET(圖7)可得測(cè)點(diǎn)4不舒適時(shí)段最長(zhǎng),占總測(cè)量時(shí)間段的87.9%,為12個(gè)測(cè)點(diǎn)中最不舒適街道空間,主要由于該測(cè)點(diǎn)無(wú)建筑或喬木冠層遮陰,且處機(jī)動(dòng)車(chē)道中央,受汽車(chē)尾氣影響嚴(yán)重,故舒適度遠(yuǎn)比其他測(cè)點(diǎn)差;其次不舒適測(cè)點(diǎn)為5、8~11,皆占總測(cè)量時(shí)段的50%左右,且全為機(jī)非分隔綠帶測(cè)點(diǎn),可見(jiàn)機(jī)非分隔綠帶測(cè)點(diǎn)由于兩側(cè)頻繁經(jīng)過(guò)的機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)而導(dǎo)致舒適度下降;所有測(cè)點(diǎn)中最佳舒適空間為測(cè)點(diǎn)1,全時(shí)段達(dá)到中熱應(yīng)激等級(jí)以下,08:00時(shí)段達(dá)到微熱應(yīng)激等級(jí),其建筑及喬木冠層遮陰給予了測(cè)點(diǎn)1 所在文一西路北界面人行道良好的街道環(huán)境。
測(cè)點(diǎn)4位于文一西路機(jī)動(dòng)車(chē)道中央,雖整體計(jì)算PET值時(shí)納入計(jì)算,但由于其所處位置無(wú)行人受用,空間使用者基本為駕駛封閉車(chē)輛的人員,故在比較戶(hù)外人體舒適度時(shí),剔除測(cè)點(diǎn)4 的比較,僅將其PET數(shù)值作為參照組。統(tǒng)計(jì)東西向文一西路與南北向古墩路不同界面及類(lèi)型舒適感受(表3)可得,文一西路不舒適感受占比遠(yuǎn)小于古墩路。究其原因主要是古墩路熱及炎熱感受時(shí)段較長(zhǎng),大大拉高了古墩路整體不舒適感。顯而易見(jiàn),于炎熱夏季人們更愿意行走在人行道行道樹(shù)樹(shù)蔭底下,或兩側(cè)建筑的騎樓底下,以盡量緩解不舒適感。
不同朝向道路兩側(cè)界面的PET指標(biāo)也存在一定區(qū)別(表3),這主要取決于兩側(cè)街道空間、遮陰情況等不同影響因素,并非道路朝向?qū)е隆N囊晃髀繁苯缑姝h(huán)境舒適度遠(yuǎn)優(yōu)于南界面,強(qiáng)熱或極端熱應(yīng)激等級(jí)僅占南界面的1/4,主要由于北界面建筑及行道樹(shù)遮陰能夠有效降低太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,并減緩空氣溫度升幅及相對(duì)空氣濕度降幅,提升人體熱舒適度;而古墩路東西界面無(wú)論人行道空間還是機(jī)非分隔綠帶空間,PET數(shù)值均相似,即街道界面對(duì)人體舒適度的影響較為接近。
通過(guò)對(duì)杭州市文一西路和古墩路小氣候?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)和人體舒適度結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)街道朝向、界面、植物結(jié)構(gòu)及種類(lèi)是影響城市街道小氣候環(huán)境的重要因素,故本研究從該3項(xiàng)要素探討杭州街道小氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略,旨在為同類(lèi)型城市街道空間建設(shè)提供一定借鑒與依據(jù)。
1)街道朝向的控制。杭州整體主導(dǎo)風(fēng)與東西向接近,穩(wěn)定性微氣候視角下,東西向街道略?xún)?yōu)于南北向街道。街道朝向是影響空間遮陰率及通風(fēng)狀況的最直接因素,利用城市主導(dǎo)風(fēng)與街道走向的關(guān)系可明顯改善通風(fēng)效果,提升戶(hù)外空間人體舒適度。當(dāng)街道朝向與城市主導(dǎo)風(fēng)趨于一致時(shí),整體風(fēng)速經(jīng)街道峽谷而得到增強(qiáng),能夠增大空氣熱交換,起到降溫效果,從而緩解夏季炎熱的不舒適感受。
2)街道界面的差異性設(shè)計(jì)。城市街道界面極大程度上影響了遮陰時(shí)段及類(lèi)型。通過(guò)對(duì)不同界面的日陰影變化分析,可提出兩方面實(shí)施策略:①人為增建遮陰空間,縮小街道界面小氣候環(huán)境差異。②選擇綠色人行空間建筑材料。城市街道環(huán)境極大程度是為步行人群所服務(wù)的,對(duì)此可采用植物或建筑材料以緩和溫度變化,如將卵石樹(shù)池替換成綠植樹(shù)池、選擇具有較高太陽(yáng)反射指數(shù)(SRI)的淺色涂料作為墻面材料[13]等方式。
3)城市街道綠化主要包括行道樹(shù)、機(jī)非分隔綠帶及機(jī)動(dòng)車(chē)道中央分隔綠帶。植物的覆蓋作用可最高降低建筑墻體及屋頂表面溫度11~25℃[14],可見(jiàn)綠化在城市公共空間小氣候環(huán)境中的重要性。城市街道植物設(shè)計(jì)主要通過(guò)行道樹(shù)選擇、植物結(jié)構(gòu)、垂直綠化3方面來(lái)闡述:①行道樹(shù)樹(shù)種選擇。要實(shí)現(xiàn)夏季提供良好遮陰、冬季提供陽(yáng)光直射取熱,在人行道空間種植的行道樹(shù)可選擇落葉樹(shù)種,在機(jī)非分隔綠帶種植的行道樹(shù)則可選擇常綠樹(shù)種。常綠與落葉喬木相結(jié)合的種植方式,既避免了景觀上的單一枯燥,也滿(mǎn)足了夏季遮陰、冬季光照的環(huán)境要求,并能營(yíng)建較為舒適的城市街道空間。②植物結(jié)構(gòu)復(fù)層化。植物結(jié)構(gòu)可分為橫向的綠化帶結(jié)構(gòu)及豎向的配置結(jié)構(gòu)。一般在喬—灌—草復(fù)層結(jié)構(gòu)的情況下,其空間綠量較大,綠化覆蓋率較高,可有效緩和小氣候因子日變化。③垂直綠化的增設(shè)。對(duì)于城市街道而言,通過(guò)墻面綠化、屋頂綠化來(lái)增加綠化覆蓋率,可有效緩和溫濕度日變化,緩解夏季極端熱感受。
根據(jù)對(duì)杭州市街道小氣候的實(shí)測(cè)分析和人體舒適度評(píng)價(jià)研究所得的結(jié)果,提出街道空間小氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略。首先,在城市規(guī)劃之初,應(yīng)盡可能設(shè)定朝向與城市主導(dǎo)風(fēng)向平行或接近的街道。其次,通過(guò)人為增建遮陰空間、采用植物或綠色建筑材料、增設(shè)道路中央界面景觀以區(qū)別不同朝向道路的界面設(shè)計(jì)。最后,當(dāng)人行道種植落葉喬木、機(jī)非分隔綠帶種植常綠喬木,并設(shè)置5條綠帶(人行道行道樹(shù)×2+機(jī)非分隔綠帶×2+機(jī)動(dòng)車(chē)道中央分隔綠帶),盡可能選用喬—灌—草復(fù)層配置結(jié)構(gòu),增設(shè)垂直綠化(墻面及屋頂綠化)時(shí),能夠提升綠化覆蓋率,滿(mǎn)足夏季遮陰、冬季光照的環(huán)境要求,從而營(yíng)建舒適健康的城市街道空間。
城市街道環(huán)境中,街道朝向及界面、建筑物、植被、下墊面、天空可視度等組成要素的變化均可對(duì)小氣候產(chǎn)生重大影響。良好舒適的城市街道活動(dòng)空間可促進(jìn)人群流動(dòng),延長(zhǎng)停留時(shí)間,提升城市整體環(huán)境質(zhì)量。借助街道空間小氣候研究總結(jié)城市街道走向與整體城市規(guī)劃之間的關(guān)系,并針對(duì)性設(shè)計(jì)街道兩側(cè)界面,以創(chuàng)建最佳的街道環(huán)境?;仡櫻芯咳蹋鞘薪值佬夂虻南嚓P(guān)研究仍需在理論、實(shí)測(cè)、實(shí)踐3方面做進(jìn)一步深入研究。理論上,應(yīng)逐步構(gòu)建中國(guó)城市小氣候的系統(tǒng)性研究框架,拓展研究?jī)?nèi)容,深入挖掘研究切入點(diǎn)為后期同類(lèi)型學(xué)者提供更充分的文獻(xiàn)依據(jù)。實(shí)測(cè)上,可通過(guò)智能化、精確化、大數(shù)據(jù)化的方式進(jìn)行操作,以豐富研究?jī)?nèi)容。實(shí)踐上,結(jié)合小氣候量化理論及適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略,運(yùn)用于城市街道建設(shè)案例,并于建成后進(jìn)行使用后評(píng)價(jià)分析及實(shí)地小氣候因子測(cè)定,以驗(yàn)證小氣候環(huán)境營(yíng)造的價(jià)值。
注釋?zhuān)?/p>
文中圖表均由作者自繪。其中表2溫度、濕度及風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)天氣官方網(wǎng)站;日出日中日落時(shí)間取兩實(shí)測(cè)街道交叉口經(jīng)緯度所在時(shí)間,數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)天氣官方網(wǎng)站。