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 微文:【Open Access】基于风热环境优化的“山·城共构”城市设计初探——以广州白云新城为例

文首300字: 【文章编号】1002-1329 (2018)12-0116-09【中图分类号】TU984.11+3 ;X16【文献标识码】A【doi】10.11819/cpr20181215a【作者简介】张雅妮(1979-),女,华南理工大学建筑学院博士生,广州市勘测设计研究院政府规划编制部副主任,高级工程师。曾小洲(1990-),男,华南理工大学建筑学院硕士生。肖毅强(1967-),男,华南理工大......(2019-04-03 10:37:12)

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作者:城市规划


    

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【Open Access】基于风热环境优化的“山·城共构”城市设计初探——以广州白云新城为例


【文章编号】1002-1329 (2018)12-0116-09

【中图分类号】TU984.11+3 ;X16

【文献标识码】A

【doi】10.11819/cpr20181215a

【作者简介】

张雅妮(1979-),女,华南理工大学建筑学院博士生,广州市勘测设计研究院政府规划编制部副主任,高级工程师。

曾小洲(1990-),男,华南理工大学建筑学院硕士生。

肖毅强(1967-),男,华南理工大学建筑学院副院长,教授;亚热带建筑科学国家重点实验室建筑设计科学实验中心主任,本文通信作者。

【修改日期】2018-12-03

本文刊载于《》2018年第12期

精彩导读

【摘要】随着当前对城市生态环境的日益重视,基于城市风热环境优化的规划研究实践逐步受到重视和推广。鉴于目前国内外针对城市山前地区的城市设计尚未形成完善的基于风热环境优化的方法,为改善山前地区的风热环境品质,研究将“风热”要素引入常规城市设计的技术方法,提出建立“山·城共构”的风、热优化总体思路,重点构建“风热”与“视觉”耦合的校验模式,并创建“宏观层-空间层-导控层”的方法体系,为气候要素在城市设计中的应用提供技术平台;最后以广州市白云新城多个阶段的城市设计为例,综合采用CFD模拟技术,重点用实验论证“风热”与“视觉”的不同耦合模式的校验方法,探索建立在量化、实证基础上山前地区风热环境优化的城市设计方法。

【关键词】城市设计;山城关系;山前地区;风热环境;白云新城

A PRELIMINARY RESEARCH ON THE URBAN DESIGN OF “MOUNTAIN-CITY” BASED ON OPTIMIZATION OF WIND AND THERMAL ENVIRONMENT: WITH BAIYUN NEW TOWN, GUANGZHOU AS AN EXAMPLE

ABSTRACT : With the increasing emphasis on the urban ecological environment, the planning research based on optimization of wind and thermal environment gradually gains more attentions. Given that there is not yet mature urban design method based on optimization of the wind and thermal environment in mountain-city in the world, this paper introduces the “wind and thermal elements” into the conventional method of urban design in order to solve the problems of ventilation and heat dissipation in city’s mountain area. It proposes an overall “Mountain-City Design Framework (MCDF)”to optimize the wind and thermal environment with the emphasis laid on building a coupling model between "wind-heat" and "visual effect", in addition, it establishes a methodological system composed of “macro-level, spatial-level, guidance-level”, which provides a platform for the application of climate elements in urban design. In the end, the paper uses the different version of Baiyun New Town Urban Design as examples to verify the different coupling mode of “wind-heat” and “visual effect”, and to explore the MCDF based on optimization of wind and thermal environment.

KEYWORDS: urban design; mountain-city relationship; mountain front area; wind and thermal environment; Baiyun New Town

20世纪80年代以来,我国的城市化建设进程加快,城市设计对城市建设形态、品质、宜居的管控引导作用日益突出。但在实际工作中,城市设计主要局限在城市建设用地范围内讨论风貌、格局和形态,对“宜居”的设计响应不足。随着近年城市物理环境问题如城市热岛问题日益凸显,结合气候适应性的城市设计成为研究和探索的重点[1]。国内外学术界在城市空间与城市风、热环境的关联影响研究方面取得了丰硕成果,如在宏观尺度中采用遥感方式针对城市尺度的研究[2];中观尺度侧重于通风廊道的空间结构和总体布局、风道沿线地区的规划控制等方面[3~5],以及微观尺度针对街巷空间、居住小区、建筑组团等的气候适应性形态学研究等[6~9],但大量研究成果的气候条件、研究尺度不同,并缺乏与我国当前城市设计之间的转译和衔接,较难直接为规划师所利用。

城市的山前地区,因其独特的生态景观资源禀赋,往往成为城市建设快速聚焦的区域,是城市设计重点关注的区域。也因为其周边自然地区的丰富气候资源,所以,降低城市建设对区域气候条件的扰动和利用气候资源改善山前地区建设的物理环境条件成为城市设计的研究重点。2017年颁布实施的《城市设计管理办法》第九条规定,城市“山前地区”“应当编制重点地区城市设计”。因此,研究山前地区城市建设的气候适应性城市设计具有典型意义。本文以广州市典型的山前地区白云新城为例,利用已经被证明能显著改善城市热舒适环境的“自然通风”被动式设计策略[10],探讨如何创造优良的城市风热环境。

1

 “山·城共构”的城市设计框架

关注自然环境相关问题,探索基于整体和环境优先的设计思想和方法是当前城市设计的主导趋势之一[11]。而目前跃进式的城市化造成城市的边界无序扩张,特别是城市中临近山体以及其他重要生态资源的城市组团无序粘连[12]。对于山与城关系的设计实践常常单纯地、片面地仅以美学原则决定城市形态[13],忽视山体对城市风热环境的调节作用。实际上,山前地区的山和城不仅仅具有景观、视觉感知等方面的主观价值呼应关系,还应该内在地具有风热环境最优的客观整体性,也就是山和城之间应该存在不同层次的共构关系。构建“山·城共构”的城市设计方法体系,即是在传统的城市设计关注三维空间形态的传统技术路线基础上,融入风、热环境要素构成五维关系的研究对象,并在山、城的二元关系中拓展并构建多元要素影响的城市设计框架体系(图1)。

  图1 | 维度转变与要素拓展

Fig.1 Dimension transformation and factors expansion

1.1  研究维度

常规城市设计着重于研究城市三维空间,即在城市平面二维体系中加入一个向量所构成的空间体系,主要以人的视觉立体感受为研究对象。在此基础上,将与人体的舒适度密切相关的城市风环境、热环境纳入一并作为分析对象,从而使山前地区城市设计的研究从关注山城关系的三维空间拓展为增加风环境、热环境的五维度的综合研究。

1.2  拓展要素

山前地区城市设计要素通常包含“山”“城”两个领域,在此基础上以风、热环境优化为导向进行拓展:首先将“山”视为立体多元的系统,并将其分解为山峰、山谷、水、陆等多项要素,关注不同要素所影响形成的风、热环境特点,如重点研究由于气压梯度力而形成多样化的风,如地形波、山谷风、林源风等[10],并搜集临山地区常年平均温度,绘制温度曲线图等信息,重点关注热岛效应集中的区域。其次,对“城”的要素进行拓展,分析基于城市物质空间的风环境、热环境特点,关注有助于改善城市热岛问题和人体热舒适性等的关键要素,如城市热岛、冷源、地面粗糙度等的空间分布;最终形成城市综合要素、山体综合要素、风环境要素、热环境要素等四方面的基础分析数据材料。

2

  基于“风热环境优化”的框架检讨

2.1  将“风、热”优化纳入城市设计体系

在“山·城共构”的设计框架体系中纳入风、热要素,即采用“宏观层-空间层-导控层”的城市设计方法进行优化提升(图2)。

  图2 | “风、热”环境优化的城市设计分析框架

Fig.2  Analysis framework of urban design based on the optimization of wind and thermal environment

2.2  宏观层:建立“山·城共构”的风、热优化总体思路

明确研究区域所在的气候区划,搜集其特征气候资料,可结合气象监测数据与天气预报模式进行模拟(WRF),开展山、城的宏观环境的区域级风环境研究,基于遥感图像运用辐射传输方程法(大气校正法)对地表温度进行成果反演,得出总体风、热环境特征和数据。将以上数据与实测的风、热环境数据进行相互校验,在传统城市设计要素分析的基础上纳入风、热等气候要素,并进行多因子类聚的GIS分析评价判断。基于以上评价,重点对山前区域的风向、风速、热岛等环境进行科学分析,总体判断研究区域的风向特点以及热岛分布特征,将其转译为城市设计图示语言。总结研究区域的山、城之间引风、散热的趋势和方向,最终建立“山·城共构”的风、热优化总体城市设计思路。

2.3  空间层:构建“风热”与“视觉”的耦合校验模式

2.3.1  “双导向反馈”的核心模式

空间层设计是“山·城共构”城市设计方法的重点,建立“风热”与“视觉”的耦合校验机制,将风、热环境模拟比选纳入空间方案设计比选过程。采用“双导向反馈(校验)”机制,首先进行“山”-“城”视线分析为基础的三维空间研究,针对山体视线、地区标志物、山城界面等进行分析,初步划定山、城的开敞空间系统和空间形态布局,并确定比选方案;然后针对比选方案分别进行风、热环境模拟分析,即基于计算流体动力学分析方法(CFD)进行模拟比较,其可用于研究建筑物周围的风、风速和人体热舒适度[14],并形成数字化、可视化的模拟结果。将模拟结果进行比对,以此作为空间视觉方案的优化、深化的依据,以风热环境优化为目标,逐步矫正、提升空间视觉方案,以形成“风热” 与“视觉”耦合校验。反馈校验模式的重点在于,针对人类活动高度聚集区域的风、热环境的改善进行比选,最终形成既符合人体舒适度要求的风、热环境,同时满足人视觉感受的优美空间布局。

2.3.2  “风热”空间策略

根据流体动力学原理,山体周边的热岛环流、山谷风等导致的气压差影响形成山前地区相对特定的风环境,也对既定的热环境产生影响。结合大量山城环境下风、热环境与城市空间形态学的研究成果,形成以下“风热”空间策略与“视觉”分析的相互校验:

(1) 空间形态:自然仿生、山城融合的空间形态。

将立体的城市空间形态视为山体的波峰、波谷等形体的人工化延续部分,山前地区空间结构应呈斑块状,模仿自然生态的形式组成城市和山林之间地貌的过渡空间,并且采用大小搭配、点线结合、高低渐变的自然布局,与城市级、组团级、小区级等不同层级公共开敞空间结合,整合形成等级丰富、系统完善的通风廊道和开敞空间体系,将有助于缓解城市热岛效应(图3)。

  图3 | 自然仿生、山城融合

Fig.3 Nature oriented and mountain-city integration

(2) 开敞空间:利用开敞空间组织“风”的流动。

重点建立山、城一体化的“风”的流动空间的引导组织,山前地区被山谷风、山坡风、水陆风、林源风和越山风等多种类型的风影响,其中对城市微气候影响最大的是山谷风,重点针对引导山谷风走向进行“风”的流动组织分析,通过从不同空间组织模式进行模拟比较,探讨判断最优的开敞空间组织方式(图4)。

  图4 | 利用开敞空间组织“风”的流动

Fig.4 Using open space to organize the flow of wind

(3) 尺度关系:耦合山谷风方向的廊道和空间。

在空间尺度关系研究过程中,注重主要绿化通廊以及大型山前开敞空间与主要山谷风的尺度耦合,大量研究表明[10,15],主要绿化通廊方向与周边山谷形态发生紧密耦合时,将有助于加强风的流动;其次,主要开敞空间的尺度及比例关系与山体形态、山谷风走向的呼应程度,也将影响山前地区风热环境。对绿化通廊和开敞空间的比例关系、大小尺度、朝向关系进行模拟和比选,廊道顺应自然山脉保留冲沟和溪流,并降低通风道上的城市粗糙度,有利于将山体植物蒸腾作用所产生的水气流有效引导入城市(图5)。

  图5 | 耦合山谷风方向的廊道和空间

Fig.5 Coupling of corridors and spaces to the direction of valley wind

2.4  导控层:采用密度优选、疏风散热的设计引导

城市设计引导控制对微气候的影响不容小觑,山前地区的城市设计导控应重点关注“山”要素在指标设计中的体现,如建筑密度与山体的过渡衔接,街区空间设计方面关注临山界面、街区形态、组团开口、地形关系等。对于重要节点街区组团,可采用简化山体和空间模型的方法进行局部CFD模拟比较,推敲讨论关键指标的设计导向。

2.4.1  “由疏到密”的过渡原则

密度是影响城市风、热条件的重要要素,国内外众多学者对此展开研究,但所持观点有所不同[16,17],主要由于研究的尺度和方法不同而造成。山前地区的城市街区作为山体与城市的过渡地带,过大的地面粗糙度不利于山风与城市空间的流通,建筑密度应呈逐步递增方式,有助于山风灌入密集的城市内部空间,但临山组团的空间形态及建筑业态未必能保证按照理想的密度递增的原则进行布置,可进行模拟比较以确定可多方平衡的密度取值。

2.4.2  疏风散热的山前街区设计引导

制定气候适应性的微观街区形态与布局导控方法,主要在于构建街区的临山界面控制原则以及组团内绿地、水体、植被、空间适应山边气候的搭配和组织方式等。重点应关注来自山体的立体风廊向组团内部的导入,街区组团开口方向、架空方式等与山体联系的原则性控制,并加强地形地貌、建筑生态界面、人工或自然水环境组织、绿化景观等设计对山体格局呼应的引导等,最终形成满足人体风、热舒适需要的城市设计导控方法。

3

 案例研究

3.1  研究区域概况

广州作为典型亚热带气候的城市,高温高湿气候特征明显。白云新城位于广州白云山西侧,原为旧白云机场用地(2005年关闭),研究范围东至白云山西侧山麓,南至机场快速路,西邻跑道西侧,总面积2.79km2。该区是典型的城市山前地区,周边紧邻大量集中成片的城乡结合部建成区,建筑密度高,风、热条件较差(图6),亟待以风、热环境改善为目的、通过城市设计手段强化山体对周边区域气候调节的作用。2004年至今,白云新城建设过程中历经多轮城市设计方案,研究以此为案例,论证和探讨在风、热要素条件下“山·城共构”城市设计的必要性和策略方法。

  图6 | 基地现状概况

Fig.6 Site condition

3.2  宏观层分析

考虑白云山山体尺度庞大,周边建设情况复杂,为更加科学地总结宏观层面的山体周边区域的风、热环境特点,选用广州市域范围的模拟结果进行分析:

(1)热环境分析:选用广州2013年9月14日10点42分Land sat5 TM 遥感图像,运用辐射传输方程法(大气校正法)以对地表温度进行反演的成果作为宏观热环境分析对象(图7)。模拟结果表明:白云山是广州中心城区最重要的冷源之一,但位于白云山西侧的研究区域周边已形成明显的城市副热岛中心,甚至部分热岛斑块严重程度已超出中心城区。

  图7 | 广州市地表温度分析

Fig.7 Analysis of ground surface temperature in Guangzhou

资料来源:《广州总体城市设计》。

(2)风环境分析:选用广州气象监测数据与天气预报模式模拟(WRF)市域的区域级风环境模拟结果作为宏观分析对象(图8),结果表明:广州夏季盛行风为东南风。进一步根据广州地面气象站的多年夏季风速检测结果(图9),分析发现:研究区域南部由于被白云山遮挡,明显处于“静小风区”内,风环境相对较差,需作为重点优化对象;研究区域北部风速较大,可加强山顶冷空气廊道与城市东西向大型通风廊道的耦合关系。 

  图8 | 广州市风环境WRF模拟

Fig.8  WRF simulation of wind environment in Guangzhou

资料来源:同图7。

  图9 | 广州市地面气象站夏季风速检测分析

Fig.9  Detection and analysis of summer wind speed at Guangzhou meteorological station

资料来源:同图7。

以上表明,宏观层面的热岛分布与“静小风区”分布基本吻合,鉴于南部区域位于“静小风区”,宜采用开敞、低密度为主的总体原则,北部区域则应加强白云山的大型通风廊道的作用以实现通风散热。

3.3  空间层分析

3.3.1 “双导向反馈”方案设定

“视觉”方案拟定:在白云新城规划历程中,分别基于不同角度三维空间分析,形成两个阶段城市设计,以此拟定模拟方案1、2(图10,图11):方案1为2004年版方案,为基于原机场跑道的南北轴线的视线关系形成传统的南北轴线型布局;方案2为2010年版方案,为根据机场高速路上人眼观测白云山的视线关系而拟定,采用“北高-中高-南低”的大开大合的空间布局。以上两个方案总体建设量基本持平,分别将风、热环境作为方案验证的判别条件,进行CFD技术模拟验证。

  图10| 5个方案空间模式对比

Fig.10 Comparison of spatial models of five alternative schemes

  图11| 5个对比方案剖面示意

Fig.11 Section diagram of five alternative schemes

3.3.2  模拟方法和边界条件

采用计算机数值模拟法CFD(computational fluid dynamics),即计算流体动力学的计算方法,利用其通用软件Phoenics,采用压力校正法(SIMPLE)进行模拟计算,考虑不同下垫面对风热环境的影响,将树木绿化和山体、小区地面、交通干道、水体分别简化为草地、铺装地面、混凝土路面和水面,建立物理模型(图12)。模拟区域取10000m×10000m×760m,建筑周边区域的网格精度取15m×15m,总网格数为七百多万。在边界条件设定中,将环境风速作为一个入口边界条件来分析,使用夏季盛行风向为东南方向,因此模拟工况的气象数据取广州夏季典型气象日(参考《JGJ286-2013 城市居住区热环境设计标准》)14:00的气象数据,具体为气温31℃,风速2m/s,风向为东南向,太阳直射辐射188.89 W/m2以及太阳散射辐射为208.33W/m2。由于研究范围尺度较大,仅将白云山、大型城市公园或宽度达50m以上的绿化隔离带定义为绿地。

  图12| 物理模型示意(以方案2为例)

Fig.12 Schematic diagram of physical model ( with scenario 2 as an example )

3.3.3  分析讨论

(1)风环境比较:结果显示(图13),方案1中连续南北向封闭界面对主要山谷风通向城市内部造成显著的遮挡,三条东西向来自白云山方向的“气流走廊”都被阻隔,可见80m宽的南北向轴线公园对于风环境的改善收效甚微;方案2中从白云山山谷形成5条明显的主要通风廊道,从多条不同走向的通风廊道来看,通风廊道与山前地区的东南风方向达到一致时,气流的增速较为明显。

  图13| 5个方案风环境、热环境模拟结果

Fig.13 Simulation results of wind and thermal environment of five alternative schemes

(2)热环境比较:方案1中南北向轴线公园的布置对研究范围整体温度的降低作用不明显,仅仅对周边部分街区起了一定的降温作用。方案2中北部区域的设计将现状水体适当扩大,并且布置大量带状绿地,模拟结果显示即使其区段开发强度高于方案1,整体气温也相对较低。

3.3.4  “风热”导向的调整校验

基于以上结论,方案2具有显著的风、热环境优势,在此基础上遵循宏观层的“北部引风、南部开敞”的原则,在不改变建设总量、不改变山城“视觉”效果的思路下,进行方案拟定调整,进而结合CFD技术再次进行模拟验证。

(1)调整措施。方案3尝试调整天际轮廓线与山体的关系;方案4则分别在南部和北部增加5条联系白云山的通风廊道;方案5调整建筑密度分布规律和绿廊的位置,南部增加大型开敞空间联系山体,北部则增加多条联系山体的契型绿化通廊(图10,图11)。

(2)风、热反馈对比。结果显示(图13),方案3的风环境模拟结果与方案2相似度较高,可见调整天际线剖面关系对风环境结果影响不大;方案4结果中廊道周边局部通风条件改善,但密度较大的组团内通风情况普遍变化不显著。方案5通风廊道的方向更加契合常年风向,通风情况明显好转,中部的绿地公园面积改小后,由于其尺度方面与山谷风方向耦合,通风情况仍然较佳。方案3的热环境模拟结果也与方案2相似度较高,但是部分建筑密度的降低使得高温的现象得到明显缓解。方案4加宽了主要通风廊道的宽度,发现对几个区段的温度有一定改变,但改变不显著。方案5在方案4的基础上将通风廊道变成迎合山体形状,原先局部高温现象的区域明显缓解。

(3)反馈结果。可以看出,优化后方案的风速、温度分布较前面方案更加均匀,促进了山城环境的通风性与导风性,避免了山前地区密集热岛效应的产生,合理减少“静小风区”的面积,基本达到了风、热环境优化的目标。

3.4  导控层分析

将研究区域划分为5个区段,针对山前城市设计导控,如组团密度、开口朝向、主要开敞空间下垫面等进行比对分析(图14,图15),研究发现:密度要素在风热环境中影响极大,如方案3中改变了南部d段的组团密度,虽周边热环境不佳,但是获得了良好的风环境;组团开口朝向与山体关系也会明显影响风、热舒适性,如方案2、3、4、5中的a段均为较高开发强度,但由于各组团均开口朝向山体方向,组团内部通风散热效果均处于较好状态;公共开敞空间下垫面对风、热环境起决定性作用,如方案1中c段大型开敞空间由于采用大平台架空的形式导致风、热环境较差。由此可见,在城市设计导控层面,针对山前地区的特点研究制定的风、热优化的城市设计导控具有较强的必要性。

  图14| 5个方案在a-e区段风环境模拟比较

Fig.14 Comparison of wind environment simulation among five alternative schemes in a-e section

  图15| 5个方案在a-e区段热环境模拟比较

Fig.15 Comparison of thermal environment simulation among five alternative schemes in a-e section

4

 结论与讨论

综上,在山前地区城市设计方法中引入风、热要素的分析思路,提出采用“宏观层-空间层-导控层”的多层级方法,这种城市设计中风、热环境的适应性设计的技术路径是有效的。以广州白云新城的模拟实证为例,重点提出“风热”与“视觉”的耦合校验机制,基于其2004年、2010年两版城市设计方案的简化模型,分别展开风环境、热环境的模拟,以数值化、可视化的特征直观地展示出不同空间布局方案中存在的风、热环境问题,并展开“风热”导向空间策略校验及方案反馈优化。可以看出,该方法较好地将气候学技术成果转译为城市设计可运用的设计语言,便于规划师针对山前地区的气候特征进行城市设计优化。更一般地,“风热”与“视觉”的耦合校验机制和“风热”导向空间策略校验及方案反馈优化是“自然通风”被动式设计策略的拓展和具体化,可以更广泛应用于其他地区的城市设计。

针对山前地区的气候适应性设计,还有一些问题有待深入研究。山前地区的风、热环境形成因素复杂多样,案例中的宏观研究直接选用了城市总体宏观风、热数据结果,如何在具体应用中简化山城模型并得出较为科学的判断,仍待进一步探讨;不同优化方案模拟的风热环境改善的程度如何进行量化统计和比较,以及在此基础上开展局部方案更细腻的对照比较和优化,是本文在后续研究中可以继续深入的方向。另外,从更高层面来看,山前地区的通风廊道的构建与风环境耦合方式只是影响风、热环境的核心问题之一,它们与生态景观、低碳功能布局、绿色建筑共同作用以改善城市风热环境,如何对这些要素进行系统性的科学研究,以便形成操作性强、以改善城市物理环境为导向的城市设计系统方法和图示化的适应性设计语言,则是一项系统性工程,对我国人与自然和谐的城市建设有举足轻重的意义,有待有志于此者的研究拓展与深化。

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