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(jì)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(kāi)闊度、風(fēng)影和陰影簡(jiǎn)化整合成為一張環(huán)境多樣性地圖并運(yùn)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(jì)中的運(yùn)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(píng)價(jià)了在保持容積率不變的條件下經(jīng)過(guò)錯(cuò)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(tuán)建筑的設(shè)計(jì)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(jìn)程的不斷加劇和城市密度的急劇增加，對(duì)城市空間形態(tài)的合理設(shè)計(jì)使其獲得理想的環(huán)境舒適度已成為越來(lái)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(shì)，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(yùn)用于規(guī)劃分析成為了一個(gè)重要的課題。

城市氣候環(huán)境由多種因素同時(shí)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(jìn)行簡(jiǎn)化分類并分析極其重要。梁璟嚴(yán)、李曉暉、肖榮波3位規(guī)劃師以空氣流動(dòng)理論機(jī)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(kāi)敞空間、相鄰界面、建筑5個(gè)方面的規(guī)劃控制指標(biāo)［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(guó)早于1970年代就開(kāi)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(wèn)題，通過(guò)對(duì)城市各項(xiàng)氣候參數(shù)，如風(fēng)向、風(fēng)速、太陽(yáng)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(duì)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(chǎng)地綠化、自然通風(fēng)、建筑物體控制和日影利用等設(shè)計(jì)與決策。其研究目的主要集中在三個(gè)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(tái)，基于參數(shù)研究(Parametric Study)，通過(guò)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(guò)控制建筑密度和調(diào)整建筑高度來(lái)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(guò)圖形化地圖的方式清楚表現(xiàn)空間的環(huán)境多樣性與時(shí)間的關(guān)聯(lián)。本文在分析研究該方法的基礎(chǔ)上將其運(yùn)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(yáng)光照射情況和風(fēng)速3種因素作為基本變量，形成評(píng)價(jià)室外空間環(huán)境的一系列方式，從多個(gè)層面同時(shí)分析城市某區(qū)域在某時(shí)間段內(nèi)的多方面氣候情況。

選擇溫度、陽(yáng)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?yàn)檫@些因素是影響室外熱舒適度的重要指標(biāo)，并且因?yàn)樗鼈兌急容^容易由城市形態(tài)所定義。某個(gè)特定地區(qū)的峰值溫度可由太陽(yáng)輻射的情況決定，而太陽(yáng)輻射的情況則可以用該地點(diǎn)的天空視域因子(sky view factors)即開(kāi)闊度來(lái)定義。開(kāi)闊度是用于表示地形、建筑對(duì)于地表單元遮蔽影響的量，在不同遮蔽條件會(huì)影響到地表所接收到的太陽(yáng)輻射，因此開(kāi)闊度可以反映各個(gè)區(qū)域不同的溫度以及溫差。開(kāi)闊度的計(jì)算方法基于單點(diǎn)計(jì)算模型，它是以視點(diǎn)O(給定觀察點(diǎn))為原點(diǎn)，以某一半徑作為最大可視距離，在水平面上形成一個(gè)半球，將半球內(nèi)所有物體投影在該半球表面，計(jì)算半球非投影面積與半球表面積的比值，即為該點(diǎn)的開(kāi)闊度，即開(kāi)闊度=非投影面積/半球表面積。因此，可以說(shuō)一定區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的開(kāi)闊度是完全由周?chē)慕ㄖ摺挼纫蛩貨Q定的。

同時(shí)，建筑為該地區(qū)帶來(lái)的陰影情況可以用簡(jiǎn)單的幾何學(xué)來(lái)確定，而風(fēng)在城市中的情況也可以使用軟件進(jìn)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(kāi)闊度、一年里每小時(shí)的陰影變化和一年內(nèi)每小時(shí)的風(fēng)影區(qū)情況。對(duì)于開(kāi)闊度來(lái)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(dòng)較少，而其余開(kāi)闊區(qū)的溫度則更加緊密地隨著天氣溫度波動(dòng)，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(yáng)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(yáng)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(gè)地區(qū)的氣候類型分為簡(jiǎn)單的雙重條件來(lái)定義環(huán)境的多樣性，可以以測(cè)試數(shù)值的一定范圍內(nèi)的平均值作為分界線，將這個(gè)地區(qū)的3因素的條件分成“開(kāi)閉的天空”、“陽(yáng)光或陰影”、“有風(fēng)或無(wú)風(fēng)”的簡(jiǎn)單情況。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(yáng)光照射定義為陽(yáng)光區(qū)，6 h以下為陰影區(qū)，這樣就可以將“陽(yáng)光照射量的多少”簡(jiǎn)化為“陽(yáng)光的有無(wú)”，方便下一步合并。用這種方式可以很簡(jiǎn)單直觀地看出一個(gè)地區(qū)顯著的氣候環(huán)境條件。將上述3個(gè)因素組合起來(lái)，創(chuàng)造出一張表現(xiàn)一個(gè)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?？梢苑浅Ｃ黠@地從這張圖看出，不同的色塊顏色分別代表了8個(gè)微氣候環(huán)境類型，分別為開(kāi)闊——閉塞、陽(yáng)光——陰影、有風(fēng)——無(wú)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(gè)地區(qū)在任何時(shí)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(yùn)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(kāi)闊有風(fēng)無(wú)影區(qū)、開(kāi)闊無(wú)風(fēng)無(wú)影區(qū)、開(kāi)闊無(wú)風(fēng)有影區(qū)、開(kāi)闊有風(fēng)有影區(qū)、閉塞有風(fēng)無(wú)影區(qū)、閉塞無(wú)風(fēng)無(wú)影區(qū)、閉塞有風(fēng)有影區(qū)、閉塞無(wú)風(fēng)有影區(qū)8種“環(huán)境特征氣候帶”，通過(guò)它們，我們可以非常直觀地對(duì)新加坡共和理工大學(xué)這片場(chǎng)地進(jìn)行環(huán)境情況的分析。進(jìn)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(jìn)行相關(guān)改進(jìn)。

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(diǎn)，在這樣的氣候條件下，非陰影區(qū)會(huì)令使用者直接暴露在陽(yáng)光之下，風(fēng)影區(qū)無(wú)法帶來(lái)風(fēng)的降溫效果，開(kāi)闊的地區(qū)會(huì)更容易受到外部氣候條件(主要是高溫)的影響。因此，對(duì)于新加坡共和理工大學(xué)來(lái)說(shuō)，開(kāi)闊無(wú)風(fēng)無(wú)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(lái)的大片開(kāi)闊綠地空間，8種氣候特征中，所占比例最大的為開(kāi)闊有風(fēng)無(wú)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(jìn)行推測(cè)，對(duì)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?yáng)措施或許會(huì)更有利于學(xué)生的活動(dòng)。

閉塞無(wú)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(diǎn)。同時(shí)可以明顯看出，閉塞的區(qū)域有沿建筑輪廓分布的趨勢(shì)，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(kāi)闊度，因此這些空間溫差也相對(duì)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?chē)臒岘h(huán)境。

在新加坡的氣候條件下，非陰影區(qū)會(huì)令使用者直接暴露在陽(yáng)光之下，風(fēng)影區(qū)無(wú)法帶來(lái)風(fēng)的降溫效果，開(kāi)闊的地區(qū)會(huì)更容易受到外部氣候條件(主要是高溫)的影響。因此，對(duì)于新加坡共和理工大學(xué)來(lái)說(shuō)，開(kāi)闊無(wú)風(fēng)無(wú)影的環(huán)境特征氣候帶是最為不利的。從圖2可以看出，開(kāi)闊無(wú)風(fēng)無(wú)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?chē)膮^(qū)域缺乏通風(fēng)與遮陽(yáng)，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(cè)該地區(qū)不同氣候特征帶的舒適度指數(shù)，評(píng)估該地區(qū)的氣候特點(diǎn)，找到存在的問(wèn)題以便于尋求改進(jìn)的措施。

不過(guò)，本次分析的范圍是校園內(nèi)建筑群以及周?chē)欢ǚ秶鷥?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(diǎn)。若需要重點(diǎn)分析建筑群組內(nèi)部的環(huán)境氣候特征，可以通過(guò)用相同的方式縮小分析范圍來(lái)實(shí)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(yùn)用

建筑師往往關(guān)注建筑物本身的設(shè)計(jì)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(duì)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(yùn)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(guò)怎樣的方式可以達(dá)到這種改善的目的。

據(jù)休·安德森(Hugh Anderson)對(duì)西敏斯學(xué)院新教學(xué)樓的研究，該建筑外觀上的一個(gè)顯著特點(diǎn)是南立面層層出挑，從而起到了自然遮陽(yáng)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(dòng)地形成可以遠(yuǎn)眺綠地的平臺(tái)。雖然該建筑主體占滿了整個(gè)建筑用地，但是各層平臺(tái)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(jìn)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(tái)也有不同的回收和旋轉(zhuǎn)，伴隨著各層不同的挑臺(tái)和各種或多或少的開(kāi)發(fā)空間，創(chuàng)造出一個(gè)組織簡(jiǎn)單但是視覺(jué)效果極為豐富的中央空間［5］。國(guó)內(nèi)學(xué)者郝熙凱、高配濤在對(duì)“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(jìn)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(jìn)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(yáng)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(tuán)，代表一個(gè)建筑群體區(qū)域。這個(gè)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(duì)該組團(tuán)進(jìn)行移動(dòng)、抽取、高度等變化，也可以看做是給這個(gè)建筑群體中分別設(shè)置了不同位置、大小的廣場(chǎng)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(duì)環(huán)境多樣性地圖的影響。

從得出的5個(gè)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(jìn)行錯(cuò)動(dòng)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(chǎng)”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(dú)改變建筑的高度對(duì)于環(huán)境的改進(jìn)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(jì)時(shí)可以對(duì)該區(qū)域環(huán)境舒適度進(jìn)行改善的措施，包括增加廣場(chǎng)面積、錯(cuò)開(kāi)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(duì)建筑群體中體塊的變化和各項(xiàng)測(cè)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(shí)例，通過(guò)研究一定城市形態(tài)下特定地區(qū)的開(kāi)闊度、太陽(yáng)陰影情況和風(fēng)影區(qū)情況，從多方面分析并評(píng)價(jià)室外環(huán)境微氣候特征，用一種定量的方式來(lái)評(píng)估城市氣候。同時(shí)將環(huán)境多樣性地圖這一評(píng)估方式運(yùn)用于符合教育建筑模數(shù)的一般建筑群體基本型，評(píng)價(jià)了多種形式的環(huán)境微氣候，對(duì)于組團(tuán)建筑的設(shè)計(jì)布局有一定的借鑒意義。

［1］ 梁璟嚴(yán)，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(xì)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(guó)城市規(guī)劃中的應(yīng)用及其啟示［J］.國(guó)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(bào)，2010，(4):120－123.

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

［5］ 休·安德森(Hugh Anderson).進(jìn)步的漩渦——評(píng)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(qiáng)，譯.建筑學(xué)報(bào)，2011，(6):86－95.

［6］ 郝熙凱，高配濤.微氣候在景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景研究［J］.中國(guó)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