城市中心区街区形态与微气候的耦合机理与优化调控

本书可供城市规划学、建筑学、城市设计、城市建设与管理的相关科研人员、高等院校师生阅读、参考。

本书采用现场实测与数值模拟相结合的方法系统地探究了寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候的耦合机理，提出有助于改善夏季高温问题的寒冷地区平原城市中心区街区形态的优化调控方法。作者基于街区尺度城市微气候的形成因素，依据指标描述的适用性、指标计算的便捷性和纳入规范的可操作性原则，共筛选出建筑功能混合度、建筑密度、容积率、平均天空开阔度、平均迎风面积比、平均建筑高度、平均街道高宽比和绿地率八个与街区形态相关的量化指标，以此对寒冷地区平原城市中心区街区形态进行量化指标描述。

郭琳琳，河南工业大学副教授，华中科技大学博士，长期从事城市设计、住区规划、住区室外风热环境的研究。主持完成省厅级科研项目4项，获得一等奖2项，主持市厅级科研项目2项，获得二等奖1项，参与国家自然科学基金重点项目1项，参与省部级科研项目2项，在国内外专业学术期刊上发表论文约20余篇，参编专业教材5部。

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 概念界定

1.3 本书研究介绍

1.4 国内外相关研究综述

1.5 相关理论述评与研究启示

2 城市中心区街区形态典型模型研究

2.1 基于微气候的寒冷地区平原城市中心区街区形态的类型研究

2.2 基于微气候的寒冷地区平原城市中心区街区形态的定性描述

2.3 微气候视角下适用的街区形态量化指标的筛选与计算方法

2.4 基于微气候的寒冷地区平原城市中心区街区形态的定量描述

2.5 微气候视角下寒冷地区平原城市中心区街区形态典型模型建立

3 寒冷地区平原城市中心区典型街区样本的实测与模拟验证

3.1 寒冷地区平原城市中心区典型街区样本概况与实测设计

3.2 街区尺度城市微气候的数值模拟研究与ENVI-met软件

3.3 寒冷地区平原城市中心区典型街区样本的ENVI-met模拟验证

4 城市中心区街区形态与微气候的耦合机理研究

4.1 街区尺度城市微气候的形成机理分析

4.2 街区尺度城市微气候的量化指标测度

4.3 寒冷地区平原城市中心区街区形态典型模型的ENVI-met模拟

4.4 寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候的量化数值关系

4.5 寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候的耦合机理分析

5 城市中心区改善微气候的街区形态优化调控方法!

5.1 寒冷地区平原城市中心区改善微气候的街区形态调控方法模拟

5.2 寒冷地区平原城市中心区改善微气候的街区形态调控方法优化

5.3 街区形态优化调控方法的案例应用——郑州市中心区街区样本

6 结束语

6.1 本书研究的主要结论

6.2 未来研究的展望

附录 实测数据表与ENVI-met模拟图

参考文献

后记 

前 言随着城市化进程的推进，城市中心区人口高度聚集，城市空间布局高度密集，导致了室外通风不良、热舒适度低等城市微气候问题。城市微气候的形成除了受到宏观气候因素的影响，还与城市形态特征有着密切的关系。街区是城市构成的基本单元，不同形态及界面的街区，其内部空间的热传递特征必然不同，进而表现出不同的微气候特征。街区尺度的微气候是整个城市微气候的有机组成，从改善城市微气候的角度出发，良好的街区形态设计能够改善通风状况、调节室外气温，缓解城市微气候问题。近年来，由于城市化进程的加快，平原城市中心区街区空间表现出高度密集，且复杂多样的街区形态特征，街区空间的这些变化使得城市微气候问题日趋突显。即使是寒冷地区的平原城市，其中心区在夏季也出现了严重的高温化问题。因此，本书的研究聚焦于寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候的耦合机理与优化调控方法，从以下三个方面展开研究：首先，作者采用定性的类型描述与定量的指标描述相结合的方法，实现了对寒冷地区平原城市中心区街区形态进行全面概括与精准描述。在定性的类型描述研究中，作者参照形态学、类型学的研究方法，采取街区建筑功能与建筑容量相结合的主题分类方式，依据石家庄、郑州和西安三个典型案例城市中心区1000MX1000M的街区切片研究单元众样本，将寒冷地区平原城市中心区的街区形态进行分类和梳理，共归纳出三个大类（十三个小类）的街区形态类型(Block Morphology Type)。在定量的指标描述研究中，作者基于街区尺度城市微气候的形成因素，依据指标描述的适用性、指标计算的便捷性和纳入规范的可操作性原则，共筛选出建筑功能混合度、建筑密度、容积率、平均天空开阔度、平均迎风面积比、平均建筑高度、平均街道高宽比和绿地率八个与街区形态相关的量化指标，以此对寒冷地区平原城市中心区街区形态进行量化指标描述。然后，作者采用现场实测与数值模拟相结合的方法分析寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候的耦合机理。在依据郑州市夏季典型日现场实测数据验证和校准了城市微气候模拟软件ENVI-met数值模拟结果的可靠性后，作者以寒冷地区平原城市中心区十三种街区形态类型的典型模型为样本，利用ENVI-met软件分析街区空间内部水平对流传热和下垫面释放的显热与潜热通量对街区空间气温升高的影响机理，发现了寒冷地区平原城市中心区1KM2街区尺度的微气候指标与街区形态量化指标之间的一系列相关关系。依据这些街区形态与微气候的数值关系，作者从街区形态对微气候的影响机理以及构建舒适微气候的街区形态设计两个方面揭示了寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候的耦合机理。研究证明：造成寒冷地区平原城市中心区街区空间夏季高温化的主要原因来自街区空间形态及其空间界面属性的综合影响，以构建舒适微气候的角度进行街区形态设计需从空间形态及其界面属性两方面入手。*后，作者基于寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候的耦合机理分析，依据控制“得热”和加速“散热”的原则，归纳出改善夏季高温的街区形态调控方法，并利用ENVI-met软件模拟比较各种调控方法对降低夏季室外气温的贡献率，综合考虑街区形态调控方法对微气候改善的贡献率、适用性和可操作性等因素，获得有助于改善夏季微气候的寒冷地区平原城市中心区街区形态优化调控方法：①采取街区建筑东西向错位布局的调控方法能够对商务型街区室外空间起到一定的降温效果，但对商住型和居住型街区降温效果不明显；②采取降低街区建筑在夏季主导风向上迎风面积大小的调控方法能够对商住型与居住型街区夏季高温问题起到轻微的缓解作用，但对商务型街区降温效果不明显；③采取适度提高道路围合地块*北一排建筑高度的调控方法能够缓解商住型与居住型街区室外空间部分区域的夏季午后高温问题，但对商务型街区降温效果不明显；④采取适度提高街区平均街道高宽比的调控方法对商住型与居住型街区缓解夏季午后高温问题具有很好的调节效果，但对商务型街区降温效果不显著；⑤采取增加街区空间绿地面积与树木数量的调控方法是对所有街区类型都适用的方法，该方法可以有效缓夏季高温问题；⑥采取提高街区地表面以及建筑外表面反照率的调控方法可以缓解夏季午后高温问题，该方法对容积率＞3.5或建筑密度＞30%的街区降低夏季午后室外气温的效果显著；⑦采取只提高街区地表面反照率的调控方法也可以缓解夏季午后高温问题，该方法对容积率≤3.5的街区降低夏季午后室外气温的效果显著。本书以寒冷地区平原城市夏季为例，系统探究了城市中心区街区形态与微气候的耦合机理与优化调控方法，研究结论希望为规划师、建筑师和城市建设管理者提供有益参考。

（1）微气候视角下寒冷地区平原城市中心区街区形态的类型框架

本书将建筑类型学、城市形态学、形态类型学的相关研究理论与微气候研究相结合，从微气候研究的视角，采取街区建筑功能与建筑容量相结合的主题分类方式，依据石家庄、郑州和西安三个典型案例城市中心区1000MX1000M的街区切片研究单元众样本，对寒冷地区平原城市中心区街区形态特征进行类型属性的划分研究，共归纳出三个大类（十三个小类）的街区形态类型(Block Morphology Type)：

商住型街区BMT1：商住高密高容型街区BMT1-1、商住高密中容型街区BMT1-2、商住中密高容型街区BMT1-3、商住中密中容型街区BMT1-4、商住低密高容型街区BMT1-5、商住低密中容型街区BMT1-6。

居住型街区BMT2：居住高密中容型街区BMT2-1、居住高密低容型街区BMT2-2、居住中密中容型街区BMT2-3、居住低密中容型街区BMT2-4。

商务型街区BMT3：商务中密高容型街区BMT3-1、商务中密中容型街区BMT3-2、商务中密低容型街区BMT3-3。

（2）寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候的量化数值关系

本书以寒冷地区平原城市中心区十三种街区形态类型的典型模型为样本，利用城市微气候模拟软件ENVI-met解析街区形态与城市微气候的关联性表征，获得寒冷地区平原城市中心区1KM2街区尺度的微气候指标与街区形态量化指标之间的如下相关关系：

①街区建筑功能混合度与平均MRT负相关；

②街区容积率、平均迎风面积比、平均建筑高度均与平均风速呈显著正相关关系；③街区平均天空开阔度与平均气温呈显著正相关关系；

④街区平均天空开阔度、绿地率与平均MRT呈显著正相关关系；

⑤街区平均街道高宽比与平均MRT呈显著负相关关系；

⑥街区容积率、平均街道高宽比均与平均PET呈显著负相关关系；

⑦对城市微气候品质有重要影响的平均风速可以通过平均建筑高度变化的一元线性回归方程进行预测；对城市微气候品质有重要影响的平均MRT可以通过平均天空开阔度变化的一元线性回归方程进行预测。

（3）寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候的耦合机理

寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候耦合机理包括两个方面：一是街区形态对微气候的影响机理，二是构建舒适微气候的街区形态设计。

街区形态对微气候的影响机理主要表现在受街区空间形态及其空间界面属性的综合影响，街区空间内部热平衡的各项热量所体现出的热平衡特征。当街区形态特征有如下表征：①街区中建筑功能混合度低；②街区平均天空开阔度大；③街区建筑在城市夏季主导风向上的迎风面积大；④街区平均建筑高度低；⑤街区平均街道高宽比小；⑥街区绿地面积小。此时，街区空间内所获得的热量增加，且无法及时地代谢消失，街区空间的微气候就会表现出增温的趋势。当街区形态特征有如下表征：①街区中建筑功能混合度高；②街区平均天空开阔度数值小；③街区建筑在城市夏季主导风向上的迎风面积小；④街区平均建筑高度高；⑤街区平均街道高宽比大（但不大于0.6）；⑥街区绿地面积大。此时，街区空间内获得的热量减少，且代谢消失了更多的热量，街区空间的微气候就会表现出降温的趋势。

为了应对寒冷地区平原城市中心区街区尺度的微气候夏季高温化问题，构建舒适微气候的街区形态设计要满足增加街区通风，降低街区辐射得热吸收量的要求。增加通风的街区形态设计主要有：①控制街区地块容积率的大小，防止街区建筑在高度上过于密集化。②调整街区建筑单体的平面形状，使街区建筑在夏季城市主导风向上的迎风面积最小化，防止体量过大或高度较高的挡风楼位于街区内夏季主导风向的上风处。③适度增加建筑高度留出更宽敞的室外空间，同时使建筑群顺应夏季主导风向呈现出前低后高逐渐升高的趋势，利于引导气流进入。降低辐射得热吸收量的街区形态设计主要有：①发展多功能混合布局的街区，使街道与建筑构成的“内部空腔体”空间层次更丰富。②建筑东西向错位布置，使平均天空开阔度指标的数值变小。③提高街区两侧建筑的高度，适度加大平均街道高宽比（但不大于0.6）。④街区建筑设计秉承节地原则，尽量增加街区绿地面积，提高绿地率标准。

（4）寒冷地区平原城市中心区改善夏季微气候的街区形态优化调控方法

本书利用ENVI-met软件模拟比较各种调控方法对于降低夏季室外气温的贡献率，针对寒冷平原城市中心区街区尺度城市微气候的现况问题，除去经济因素的影响，综合考虑街区形态调控方法对微气候改善的贡献率、适用性和可操作性等因素，获得有助于改善微气候的寒冷地区平原城市中心区街区形态优化调控方法如下：

①采取街区建筑东西向错位布局的调控方法能够对商住型街区室外空间起到一定的降温效果，但对商住型和居住型降温效果不明显；

②采取降低街区建筑在夏季主导风向上迎风面积大小的调控方法能够对商住型与居住型街区夏季高温问题起到轻微的缓解作用，但对商务型街区降温效果不明显；

③采取适度提高道路围合地块最北一排建筑高度的调控方法能够缓解商住型与居住型街区室外空间部分区域的夏季午后高温问题，但对商务型街区降温效果不明显；

④采取适度提高街区平均街道高宽比的调控方法对商住型与居住型街区缓解夏季午后高温问题具有很好的调节效果，但对商务型街区降温效果不显著。

⑤采取增加街区空间绿地面积与树木数量的调控方法是对所有街区类型都适用的方法，该方法可以有效缓夏季高温问题。

⑥采取提高街区地表面以及建筑外表面反照率的调控方法可以缓解夏季午后高温问题，该方法对容积率＞3.5或建筑密度＞30%的街区降低夏季午后室外气温的效果显著。

⑦采取只提高街区地表面反照率的调控方法可以缓解夏季午后高温问题，该方法对容积率≤3.5的街区降低夏季午后室外气温的效果显著。