徐 振 徐秋霞

1 前言

自第一次工業(yè)革命以來，世界經(jīng)濟快速的發(fā)展推動城市化進程不斷加快以及大量農(nóng)村人口涌入城市。中國作為發(fā)展中國家，人口基數(shù)龐大，自進入城市化階段的關鍵時期后，快速城市化的進程突出了城市人口膨脹與有限的土地資源之間的矛盾日益突出。截至2019年，我國城市建成區(qū)面積占國土總面積的1%，但我國超過一半的人口居住于城市建成區(qū)?；谖覈鐣c經(jīng)濟背景下，大規(guī)模建設、高密度街區(qū)成為我國大多城市建設方向的必然選擇。在城市高密的開發(fā)模式下，高密度城市形態(tài)節(jié)約了城市居民出行的交通成本，為居民日常生活帶來了便利，但也伴隨著城市氣候變暖、熱島效應加劇、城市居住環(huán)境惡化，影響居民戶外活動的意愿、生存環(huán)境和健康[1]，對青少年、老年人和社會經(jīng)濟地位低的弱勢群體的影響更甚。據(jù)世界衛(wèi)生組織估計，過去30年人為引起的氣候變化導致每年15萬人死亡。此外，由于降溫的能源消耗不斷增加，城市的空氣污染會愈加嚴重，臭氧層也會受到影響。城市綠地面積減少導致城市戶外空間夏季時溫度過高，高層建筑聚集使城市冠層氣流復雜化，在建筑背風區(qū)風速過低、角流區(qū)風速過大。在全球變暖、熱島效應、城市風環(huán)境復雜化等多重城市氣候問題下，高密度城市戶外空間的氣候狀況正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

城市微氣候是建筑屋頂和地面之間的城市冠層氣候特征，是由于下墊面的不均一性以及人類和生物活動所產(chǎn)生的近地氣層的氣候特點[2]。由于城市近地面是城市居民活動的主要空間，受人類活動影響最大，同時對城市居民的日常生活、工作影響最大，使微氣候成為人居環(huán)境研究的熱點之一。微氣候主要包括空氣溫度、風速、相對濕度和太陽輻射等氣象因素，其中空氣溫度、風速是影響人體舒適度和戶外活動的兩個重要氣象要素，如德國和日本的都市氣候圖主要分析評估熱環(huán)境和空氣流通這兩個氣候要素[3]。氣象要素間的關系錯綜復雜，熱環(huán)境是風環(huán)境影響下的結果，而空氣間溫度差也能促進空氣的流動，人體的舒適度通常受它們的綜合影響。局部地區(qū)的微氣候氣主要取決于區(qū)域氣候環(huán)境和局部建成環(huán)境。影響微氣候的局部建成環(huán)境因素包括建筑朝向、建造材料的導熱系數(shù)、表面反射率、城市峽谷的幾何形狀等。在高密度街區(qū)戶外空間進行實證研究微氣候的狀況，并提出緩解和調(diào)節(jié)微氣候的措施與途徑是提高城市戶外空間舒適性與宜居性、促進居民健康的有效手段。

城市廣場是城市居民生活質量的重要保障，為居民提供休閑、游憩、交往等活動場所，又在城市綠地系統(tǒng)中發(fā)揮生態(tài)調(diào)節(jié)的作用。建筑學家揚蓋爾在《交往與空間》中提出，只有在外部條件、天氣和場所適宜的情況下，居民才有參加自發(fā)性活動（如散步、駐足觀望、曬太陽等）的意愿。同時，很多研究也表明城市戶外空間的微氣候狀況對其使用狀況有很大的影響[4-6]。改善城市廣場的微氣候，提高城市廣場的舒適度，對增加居民廣場使用頻率和提高城市宜居性都具有重要意義。

近年來，國內(nèi)的建筑環(huán)境領域的研究者對于室內(nèi)環(huán)境的通風及節(jié)能方面進行了較多的探討，對于室外的熱環(huán)境與風環(huán)境的營造方面的研究大都止步于與日常生活聯(lián)系較為密切的住宅小區(qū)戶外環(huán)境，但對于廣場空間微氣候狀況的研究仍處于起步階段。于付濤對西安市鐘鼓樓廣場和大雁塔北廣場的微氣候進行實測，發(fā)現(xiàn)夏季時樹蔭空間的微氣候較好，同時，居民使用頻率也更高[6]。魏冬雪等通過實測和問卷調(diào)查結合的方式對上海創(chuàng)智天地廣場夏秋冬三季的微氣候進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)人們的熱感覺和熱認知一致認為廣場夏季熱環(huán)境是嚴峻的[7]。一些學者對此進行了深入研究，徐振等對南京對不同城市建筑密度發(fā)展階段的開放空間及周邊的風環(huán)境進行分析發(fā)現(xiàn)，相對于20世紀30年代和20世紀60年代，隨著城市建筑密度變化，現(xiàn)代的城市戶外空間的舒適度下降[8]。然而，城市規(guī)劃師、景觀設計師、建筑師雖然對植被、水體等設計要素對于調(diào)節(jié)室外微氣候的效果有概念上的認識，但主要還是以美觀作為規(guī)劃設計的評價標準。高密度街區(qū)的建筑密度高、綠化面積少，其微氣候狀況及人體舒適度更應引起足夠的重視。目前，高密度街區(qū)城市廣場的微氣候評價及基于微氣候的城市廣場設計策略與建議是缺乏的，因此，有必要對高密度街區(qū)城市廣場的微氣候狀況進行評價并提出優(yōu)化策略，為建設更舒適的城市廣場空間提供基礎性的參考。

2 研究方法

2.1 研究場地

南京是我國東部沿海地區(qū)的典型特大城市，也是人口密度最高的城市之一，遠高于全國平均水平。受季風影響，南京屬于亞熱帶季風氣候，主要氣候特征為夏熱冬冷。夏季（7月-9月）炎熱潮濕，各種級別高溫和熱浪頻發(fā)，每年平均高溫日數(shù)14.5d。高溫高濕加劇導致極高的熱指數(shù)，使熱環(huán)境處于極度不舒適的狀態(tài)，這對戶外公共空間的使用會產(chǎn)生較大的制約。所以本文選擇一年中戶外感知微氣候最極端的季節(jié)——夏季進行模擬與評估，以盡可能充分體現(xiàn)微氣候的不適狀況。其中，熱環(huán)境、風環(huán)境是微氣候對使用戶外空間的頻率影響以及人們的熱感知影響最大的兩個因素，所以本文選擇模擬廣場夏季的風熱環(huán)境。

本次研究的場地為南京萊迪廣場，位于南京典型高密度街區(qū)——新街口核心商業(yè)區(qū)，屬于城市商業(yè)廣場，周邊環(huán)境狀況如圖1所示。廣場的平面為十字形，被周圍高層建筑包圍，總占地面積為16700m2。場地中硬質鋪裝占較大面積，樹池、花池數(shù)量有限，共有喬木 23 棵，以桂花為主，是典型的高密度城市市中心廣場的代表。南京新街口地區(qū)平均人流量為3082人/小時，萊迪廣場作為新街口地區(qū)重要的商業(yè)廣場，人流量大，是居民購物、交談、散步、交通等的主要場所，對南京地區(qū)居民生活具有重要意義。

圖1 南京萊迪廣場區(qū)位圖

2.2 研究方法

近年來， 一些用于計算流體動力學軟件(Computational Fluid Dynamics)已經(jīng)開發(fā)出來了，相對于風洞模擬和實地測量具有成本低、可控性強、干擾小等優(yōu)點。已有研究表明計算數(shù)值模擬技術對微氣候模擬的準確性，已大量用于城市尺度的流體模擬[9]。本次選用由英國CHAM公司開發(fā)的商業(yè)計算流體軟件PHOENICS來預測微氣候狀況，可以準確模擬研究對象的空氣流動和傳熱等物理現(xiàn)象，從而為城市規(guī)劃設計提供科學的理論支撐。

根據(jù)從政府部門獲取的地形數(shù)據(jù)使用3D建模軟件SketchUp 2019建立萊迪廣場地區(qū)的三維模型。建筑物的幾何形狀會影響局部的網(wǎng)格的質量，為避免建筑細節(jié)引起局部網(wǎng)格質量下降并確保微氣候模擬的準確性，在建模過程中對建筑細節(jié)如窗體、挑檐等的簡化是十分必要的。不同形狀的植物樹冠對流場具有不同的影響，但現(xiàn)實生活中的樹冠形狀多樣、復雜，若完全按照實際樹冠形狀進行建模，將會加大建模工作量及計算量。植物樹冠的形狀可以進行適當簡化為立體幾何形狀，球體、橢球體、長方體等形式。李亮等將植物樹冠模型簡化為長方體，通過適當調(diào)整參數(shù)即可得很好的計算結果和模擬精度，且具有建模簡便、計算快捷、收斂好的優(yōu)點[10]。所以本文將植物樹冠的建模簡化為長方體，以便于計算收斂并減少計算、建模的工作量。

植物對微氣候有很大的影響，但這也是微氣候模擬的難點。植物對場地微氣候的影響主要體現(xiàn)在兩方面：空氣流動和熱傳遞。在空氣流動方面，植被對流場的主要影響是冠層阻力和樹冠所產(chǎn)生的額外湍流[11]。本次研究中通常使用多孔介質（porous-media）代表樹冠，以局部阻力和湍流源項的方式體現(xiàn)植物對流場影響。在熱傳遞角度，植物通過樹冠阻擋太陽輻射和蒸騰作用降低其周圍的空氣溫度。雖然PHOENICS的Foliage模塊可以用來模擬植物冠層對空氣流速的影響，但是不能模擬植物蒸騰作用對熱環(huán)境的影響。相比于研究植物單個葉片的蒸騰效應對熱環(huán)境的影響，本研究通過整個植物單體冷卻效應和植物冠層體積以確定的單位體積植物的冷卻效果。根據(jù)以往研究對單棵植物蒸騰速率的測量得到單株桂花的日吸熱量為18280kJ（10小時），得到單位體積桂花樹冠的吸熱量為63.47J/s*m3[12]，將此作為本研究中植物的單位體積吸熱量。

2.3 邊界條件設置及網(wǎng)格劃分

氣象數(shù)據(jù)使用《城市居住區(qū)熱環(huán)境設計標準》（JGJ286-2013)中的南京地區(qū)夏季典型氣象日14：00的氣象參數(shù)，干球溫度為29.4℃，水平總輻射照度483.33W/m2和水平散射輻射照度236.11 W/m2。南京地區(qū)戶外空間的主導風向為東南偏南，風速為3m/s。依據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2001)，結合本次研究地塊的情況，本文中下墊面粗糙度取值α為0.22。以夏季典型日的中午14：00的東南偏南3m/s的風作為萊迪廣場夏季微氣候模擬的10m高度處的參考風速。

網(wǎng)格的質量對微氣候模擬的準確性具有一定的影響。過于粗糙的計算網(wǎng)格將導致計算結果不準確，而網(wǎng)格設置過密將會導致運算時長過長。結構網(wǎng)格通過在研究區(qū)域進行局部網(wǎng)格加密處理以控制網(wǎng)格數(shù)量，可以節(jié)約運算時間，同時也能保證計算的準確性，但是相鄰網(wǎng)格的形狀不宜變化過大?；贑FD軟件模擬、風洞試驗和現(xiàn)場測量的交叉比較，日本建筑師協(xié)會（AIJ）提出，在研究區(qū)域內(nèi)，水平網(wǎng)格最小分辨率應設置為建筑尺寸的1/10左右（約0.5-5m）。為確保行人高度的微氣候模擬的準確性，垂直的網(wǎng)格應該使行人高度的網(wǎng)格位于距地面3個或者更高的網(wǎng)格上[13-14]。本次采用直角坐標，根據(jù)物體邊界位置劃分網(wǎng)格，可控性強且操作方便。研究區(qū)域內(nèi)水平軸2m的精度，z軸網(wǎng)格0.5m的精度，為研究區(qū)域的關鍵區(qū)域提供了足夠的分辨率，并在連續(xù)網(wǎng)格區(qū)域提供了平滑的過度大小。

3 研究結果

3.1 風速狀況

在3m/s的東南偏南風場下，模擬獲得萊迪廣場14:00行人高度的風速分布圖，如圖2。萊迪廣場夏季行人高度的風速為0～2.4m/s，較高風速位于高層建筑角流區(qū)域，較低風速區(qū)位于東西向空間。根據(jù)《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2006）, 建筑物周圍人行區(qū)風速應低于5m/s，滿足不影響室外活動舒適性的需求。本次場地內(nèi)風速總體滿足《綠色建筑評價標準》，未出現(xiàn)大于5m/s的影響人體舒適度的風速。當風速小于1m/s可能會導致悶熱及污染物堆積，本次場地內(nèi)東西向空間較多處于風速過低的狀況。由于主導風向為東南偏南，廣場內(nèi)東西向空間位于建筑背風面，所以較多靜風區(qū)域出現(xiàn)于建筑北部的背風區(qū)。廣場內(nèi)的植物多為喬木，樹冠與行人高度具有一定的距離且種植于花壇距離行人高度增加，對行人高度的風速衰減作用并不明顯。

圖2 萊迪廣場夏季風環(huán)境圖

圖3 萊迪廣場夏季熱環(huán)境圖

3.2 熱環(huán)境狀況

在夏季典型氣象條件下，模擬獲得萊迪廣場14：00行人高度的溫度分布圖，如圖3所示。萊迪廣場行人高度的空氣溫度在29.7℃-36℃，較大面積區(qū)域的空氣溫度為30℃左右。廣場東側區(qū)域空氣溫度高于西側，存在接近2℃的空氣溫度差。對比廣場整體空氣溫度，大部分植物冠下及其周邊空間的空氣溫度較低。雖然熱環(huán)境是由多種環(huán)境因素共同決定的，但植物對局部的空氣溫度具有一定的調(diào)節(jié)能力。植物樹冠能直接阻擋樹蔭空間的太陽輻射且植物葉片的蒸騰作用能吸收空氣中大量的熱量，受到空氣流動的影響植物的降溫效應會隨之擴散，導致植物所在空間及其周邊空間溫度較低。萊迪廣場植物為單排的種植方式，對局部行人高度的熱環(huán)境影響相對不明顯。而且廣場空間內(nèi)綠地面積過小，無法充分發(fā)揮廣場的生態(tài)效益，綠地對萊迪廣場行人高度空氣溫度的調(diào)節(jié)作用相對較弱。

結合圖2和圖3，可以發(fā)現(xiàn)廣場行人高度的熱環(huán)境與風環(huán)境的聯(lián)系密切，廣場內(nèi)風速較低的區(qū)域熱量容易堆積導致局部溫度較高，而空氣流通狀況較好的區(qū)域更易于熱量的清除以保持空氣溫度相對較低，人體感知熱環(huán)境較為舒適。

總體來看，與主導風向夾角較小的道路風速較高形成氣流通道。氣流通道對整個廣場的風熱環(huán)境都有一定的影響。萊迪廣場中部溫度高、風速低是人體熱舒適度較差的空間，相對而言，廣場西部是溫度較低、風速較高的相對舒適區(qū)。

4 微氣候下的城市廣場設計策略

根據(jù)《建筑氣候區(qū)劃分標準》，南京地區(qū)屬于冬冷夏熱氣候區(qū)，營造戶外活動區(qū)域微氣候需著重考慮夏季的降溫通風需求。通過對萊迪廣場的風熱環(huán)境分析，結合城市廣場的設計要素，提出以下改善城市廣場風熱緩解和應對氣候變化的思路和策略：

4.1 廣場與周邊建筑

廣場與周邊建筑的比例是影響使用心理的重要設計元素，也是廣場微氣候的重要影響因素。周邊建筑高，高寬比過大，可能會造成廣場處于大面積處于建筑風影區(qū)和陰影區(qū)，風速過低且長時間缺乏陽光。而廣場周圍建筑高度低，廣場寬度過寬時，也會因缺少建筑遮擋太陽輻射導致熱舒適度下降狀況。荷蘭學者建議在進行廣場設計的時，使H/W=0.25（H為建筑物高度，W為廣場空間的寬度）作為一個指導廣場高寬比例確定原則[15]。合理控制廣場與周邊建筑的比例，減少廣場的風影區(qū)靜風面積，并充分利用建筑間日影區(qū)的遮陰作用。

周邊建筑的位置決定了進入廣場氣流的方向以及流速，影響廣場整體的通風狀況。周圍建筑的位置布局時，應避免建筑布局位于進入廣場的氣流位置使廣場空間于建筑背風區(qū)，宜位于主導風向的兩側，保證廣場內(nèi)部空氣流通的同時，也能促進城市空氣流通，擴大廣場生態(tài)效益的影響范圍。廣場周邊的高層建筑不僅對風具有遮擋作用，兩側的角流區(qū)和下層氣流風速較高，合理布局高層建筑的位置充分利用其角流區(qū)和下層氣流對廣場內(nèi)的風速狀況將具有很大改善作用。

4.2 活動場地的位置

活動場地的位置決定了居民在廣場活動行為的空間分布，對于居民的安全性和舒適性十分重要。在城市廣場設計與改造時，通過計算流體動力學軟件模擬場地的熱環(huán)境、風環(huán)境，并綜合考慮風熱環(huán)境，選擇兩者較為舒適的區(qū)域進行活動安排和設施的布置，而避免在熱舒適較差的區(qū)域進行活動安排。一般而言，低層建筑周圍的角流區(qū)通常風環(huán)境較為舒適的區(qū)域，但是這也取決于建筑的朝向，大多可以為人們在夏季時提供相對舒適的活動空間。高層建筑的角流區(qū)或者街道峽谷的入口往往會形成較高風速，甚至會到影響人體舒適度，合理利用植物景觀墻、草坡等可以達到降低風速的需求。在高密度城市中，戶外空間的靜風區(qū)污染物難以擴散，會對人體產(chǎn)生不利的影響，通過安排雕塑、景墻等設計的手法占據(jù)公眾的活動空間減少其停留時間。

從空間類型角度看，半開放空間往往是風環(huán)境比較舒適，通過植物、景觀墻、草坡等可以創(chuàng)造半開放的風環(huán)境舒適空間。在利用植物圍合空間上，選擇葉面積指數(shù)大、樹冠直徑大的高大落葉喬木種植于活動空間周邊形成頂覆蓋空間，為城市居民提高蔭涼、熱舒適度較佳的活動空間。

4.3 植物種植

植物是提升環(huán)境美觀度的重要途徑，合理種植植物還可以緩解風速過高、降低空氣溫度[9]，提高人體舒適性。植物在對熱環(huán)境進行調(diào)節(jié)時，需要一定量的植物才能對熱環(huán)境的發(fā)揮明顯作用。雖然城市廣場一般以大面積的鋪裝為主體，但是考慮到植物對微氣候的調(diào)節(jié)作用，所以設計者應適當提高植物比例。目前，大多數(shù)城市商業(yè)廣場考慮到商業(yè)活動，其綠化比例遠低于《城市綠地規(guī)劃設計規(guī)范》的要求，因此，植物對這些商業(yè)廣場的微氣候調(diào)節(jié)作用是十分微弱。

有研究表明，當綠化覆蓋率低于40%時，綠地內(nèi)部的結構與布局對周圍環(huán)境溫度的影響尤為重要。廣場作為綠化覆蓋率較低的區(qū)域，應更為重視植物結構與布局。植物對熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用與種類、高度、枝葉的濃密程度等有關。一般而言，喬木比灌木降溫效果好，灌木比草地降溫效果好，三者復合的綠地降溫效果最好，因為復雜的植被結構可以使冠下空間在不同的太陽高度角下都具有較好的遮陰。而廣場植物較多種植單層喬木的樹陣，卻忽視了喬、灌、草組合的多種植被結構帶來的微氣候效益。在對風速調(diào)節(jié)方面，應根據(jù)場地具體的風速狀況合理安排植被的空間位置以及植被類型。常綠灌木作為綠籬不僅可以分割空間，對人行高度的風環(huán)境具有一定的阻擋作用，可在風速過高的高層建筑角流區(qū)和街道峽谷的入口區(qū)域使用。因此，根據(jù)場地實際的微氣候狀況，在溫度和適宜的風速的基礎上，結合不同植被結構特點科學合理地配置植物。

4.4 廣場鋪裝

鋪裝是城市廣場的主要園林要素之一，也是影響廣場戶外熱環(huán)境的因素，但常常被忽視。而且廣場中的鋪裝面積遠大于綠地面積，應提高鋪裝材料選擇的重視程度。廣場地面溫度受鋪裝材料的蓄熱性和反射性所影響，通過空氣流動影響行人高度的熱環(huán)境。高反射率的鋪裝材料可以通過反射太陽輻射，降低地面溫度，從而降低近地面空氣溫度，增加戶外熱舒適度。同時，也應注意反射率過高的鋪裝材料會產(chǎn)生炫光和光污染。在色彩方面，冷色系的鋪裝往往能給人心理上帶來一種更涼快的感覺。大多廣場常采用灰色作為鋪裝色彩基調(diào)，對于溫帶和熱帶地區(qū)具有良好的心理降溫作用，但是我國幅員遼闊各地氣候狀況不同，寒地區(qū)域的廣場選擇灰色調(diào)會增強冬季時人的寒冷感。在鋪裝材料的選擇時，應考慮當?shù)氐某鞘袣夂蛱攸c，創(chuàng)造氣候宜人的戶外活動空間。

4.5 水景設計

水體一般作為裝點景觀的作用，有多種表現(xiàn)形式，如噴泉、水池、湖泊等。在城市廣場中，多運用小面積的水池、噴泉增加城市居民休閑的趣味，保持人與自然的親密接觸。在夏季，景觀水體能夠對環(huán)境起到降溫增濕的作用，其降溫作用甚至可以達到3℃。由于水體的比熱大于城市下墊面，在相同的太陽輻射照射下形成不同的表面溫度，而且水體蒸發(fā)帶走一部分熱量，對水體周邊的空氣溫度具有一定的降低作用。其中，噴泉增加空氣濕度和降低空氣溫度的效果最為明顯，但是噴泉會消耗大量的能源，所以在使用時應注意適當使用，以避免能源的過度浪費。

然而城市水體的降溫效應對水體面積具有一定的要求，直徑需在200米甚至更大的范圍才能顯著降低周邊環(huán)境空氣溫度。小型城市水體對空氣溫度的降低與調(diào)節(jié)作用并不顯著，甚至在夜間出現(xiàn)些許升溫的現(xiàn)象。但是通過小型水體與周邊植物、建筑、道路等合理搭配可以形成通風良好的城市廣場，對城市空間的熱舒適具有一定的提升。Cor Jacobs等使用ENVI-met軟件模擬發(fā)現(xiàn)在植物遮陰、水體蒸發(fā)和自然通風的綜合作用下，小型水體空間表現(xiàn)出周邊空氣溫度顯著降低[16]。因此，廣場水體布置時考慮使用者停留空間的同時，也應結合植物、建筑、道路以達到廣場整體通風狀況良好，提升城市廣場整體的熱舒適度。

5 結語

在全球氣候變化、熱島效應、顆粒物污染多重威脅下，合理運用廣場內(nèi)部及周圍的建筑和景觀要素提升廣場的熱舒適度日益重要，將成為未來城市空間提升重要方向之一。因而對于城市戶外空間改造或重建項目，微氣候評估不僅需要評估規(guī)劃設計產(chǎn)生的微氣候負面空間，也需要分析合理結合微氣候而布置的活動空間、景觀要素對人的活動帶來的正面效應。由于廣場空間的微氣候及舒適性不是通過單一設計要素控制及優(yōu)化，本研究從植物、廣場鋪裝、建筑等方面探討城市廣場的夏季微氣候提升方式，可以對規(guī)劃設計者在城市廣場設計提供一定的參考，提升城市建成區(qū)的居民戶外舒適度。

以上策略針對城市廣場的設計與改造，但也可以將其拓展到城市其他公共開放空間，進一步改善城市其他公共空間的微氣候與熱舒適度。由于我國緯度跨越和垂直海拔高度變化大，不同地區(qū)間氣候差異較大，還需要根據(jù)不同廣場周圍地空間環(huán)境狀況、場地特征、地理氣候因地制宜地搭配植物、選擇鋪裝材料等合理規(guī)劃設計，提高城市居民戶外空間的舒適性。