街區(qū)式商業(yè)綜合體外部空間熱舒適性研究

■ 王 一 WANG Yi 王溯凡 WANG Sufan

1 街區(qū)式商業(yè)綜合體外部空間熱舒適性研究背景與意義

街區(qū)式商業(yè)綜合體，是一種具有街道形態(tài)特征的綜合體建筑。其外部空間是該類建筑最大的特色，也是區(qū)別于一般單體綜合體建筑的一大特征。良好的街區(qū)式商業(yè)綜合體外部空間，既是商業(yè)建筑空間的向外延伸，又屬于城市公共空間的拓展，具有很高的商業(yè)與社會價值。

目前，有關(guān)街區(qū)式商業(yè)綜合體的研究與實踐主要集中在建筑空間形態(tài)、空間聯(lián)系、可達性及空間品質(zhì)等方面[1][2]，鮮有從熱舒適性的角度整體考慮街區(qū)式商業(yè)綜合體外部空間設(shè)計的研究。國內(nèi)外學(xué)者就公共空間微氣候的相關(guān)研究表明，外部空間的物理性環(huán)境對于空間的使用、人的停留有明顯的影響。良好的熱舒適性是外部空間必不可少的考慮因素，會影響使用者的生理和心理感受，影響街區(qū)式商業(yè)綜合體外部空間的活力。

2 人體熱舒適性的概念、指標(biāo)及研究工具

人體對熱環(huán)境有兩方面的反應(yīng)：主觀感受反應(yīng)和客觀生理反應(yīng)。通常所說的人體熱舒適性就是指人體對熱環(huán)境的主觀感受反應(yīng)。美國暖通工程協(xié)會制定的ASHRAE Standard 55標(biāo)準(zhǔn)將其定義為：在主觀感覺反應(yīng)和客觀生理反應(yīng)的共同作用下，人對熱環(huán)境感到滿意的意識狀態(tài)[3]。

對于人體熱舒適性評價指標(biāo)的研究，丹麥工業(yè)大學(xué)Fanger等在《室內(nèi)熱環(huán)境P MV與P P D指標(biāo)的確定及熱舒適條件的確定》中提出的P MV（即預(yù)測平均熱反應(yīng)，是室內(nèi)人員對室內(nèi)環(huán)境的預(yù)期反映）指標(biāo)，已經(jīng)得到了國際標(biāo)準(zhǔn)組織的認(rèn)可（I S O 7 7 3 0標(biāo)準(zhǔn)），并且成為世界上使用最多的熱環(huán)境評價指標(biāo)，是公認(rèn)的室內(nèi)熱舒適性評價指標(biāo)。借助計算機科技的發(fā)展，該指標(biāo)已經(jīng)獲得完善并且推廣到了室外。在該評價體系中，P MV值越接近0，其熱舒適性越好（表1）。

同時，Hoffma n等人的研究已經(jīng)表明，空氣溫度這一因素不能單獨表征夏季人體的熱舒適性[4]。夏季強烈的太陽輻射對人體熱舒適性所帶來的不適遠大于平均空氣溫度，也就是說夏季的平均輻射溫度更能表征人體的熱舒適性溫度。因此，可以借助P MV及平均輻射溫度（MR T）[5]，共同表征室外熱舒適性溫度?！毒G色建筑熱濕環(huán)境及保障技術(shù)》對MR T的定義為“指一個假想的等溫圍合面的表面溫度，它與人體間的輻射熱交換量等于人體周圍實際的非等溫圍合面與人體檢的輻射熱交換量”。

在評價空間熱舒適性的研究方法中，計算機模擬技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并在傳統(tǒng)實測與計算機模擬技術(shù)的結(jié)果比對研究中，得到了較好的評價與較高的準(zhǔn)確性。由德國科學(xué)家Michael Bruse教授及其團隊所開發(fā)的微氣候模型軟件Envi-met，可以直接導(dǎo)出相關(guān)的熱舒適性評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，具有較高的精度與準(zhǔn)確性。一些學(xué)者還對其有效性進行了研究，驗證其計算機模擬的準(zhǔn)確性[6][7]。目前，Envi-me t已經(jīng)成為國內(nèi)外眾多研究者的選擇，借助Envi-met展開空間熱舒適性研究的對象遍布世界，如重慶商業(yè)步行街[8]、美國步行街[9]等。

表1 美國國家暖通工程師協(xié)會七點標(biāo)度與P MV七級標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系

3 街區(qū)式商業(yè)綜合體外部空間形態(tài)特征

街區(qū)式商業(yè)綜合體外部空間，類似于城市街道空間，但由街區(qū)內(nèi)建筑外表面限定。這種外部空間在尺度、功能以及形態(tài)等方面與街道空間類似，但與街道線性空間特征不同的是，街區(qū)式商業(yè)綜合體往往由若干條“街道”構(gòu)成，更加具有“街區(qū)”的城市肌理空間形態(tài)特征。從建筑學(xué)的視角來看，主要的城市外部空間公共空間可以提取為兩類城市形態(tài)要素：城市肌理與城市街峽空間。其中，道路或街道網(wǎng)絡(luò)成為了城市肌理的空間骨格，其密度、布局和方位在很大程度上決定了城市肌理的空間形態(tài)（圖1）。

代爾夫特理工大學(xué)的Meta，Haupt對城市街區(qū)的形態(tài)類型進行研究，以地塊中單位面積所含路徑長度為計量標(biāo)準(zhǔn)，進行網(wǎng)絡(luò)密度的計算，得到的網(wǎng)絡(luò)密度被作為主要量化參數(shù)對城市形態(tài)進行描述，并可以結(jié)合容積率、建筑密度等參數(shù)來描述街道形態(tài)[10]。與此同時，在城鄉(xiāng)規(guī)劃中還會使用到街道面積率這一指標(biāo)來描述街道或者道路的地面交通承載力。街道面積率即指單位面積內(nèi)街道或者道路面積所占比率。已有學(xué)者通過研究上述兩個指標(biāo)，分別提出了“線密度”（即網(wǎng)絡(luò)密度）和“面密度”（即街道面積率）兩個概念，共同來表征街道的網(wǎng)絡(luò)密度[11]。

同時，相同街道網(wǎng)絡(luò)密度條件下，街道交叉口數(shù)量雖然對街道的網(wǎng)絡(luò)密度沒有產(chǎn)生影響，但是其對城市肌理中街區(qū)大小，街區(qū)地塊的離散分布，街道的界面密度、貼線率等產(chǎn)生影響（圖2），進而影響太陽輻射、風(fēng)向風(fēng)速的變化，造成街區(qū)內(nèi)街道空間微氣候環(huán)境的變化[12]。

國內(nèi)外眾多學(xué)者研究還發(fā)現(xiàn)，街道方向與街道空間的熱舒適性有著密切的聯(lián)系[13]。街道方向與太陽輻射、風(fēng)向風(fēng)速等影響人體熱舒適性的影響因素也存在密切的聯(lián)系。

基于上述研究成果，通過街道密度、街道交叉口數(shù)量以及街道方向這三個形態(tài)控制指標(biāo)，即可表征街區(qū)式商業(yè)綜合體的肌理。通過這三個指標(biāo)，探求街區(qū)式商業(yè)綜合體空間肌理與人體熱舒適性的關(guān)聯(lián)性。

4 街區(qū)式商業(yè)綜合體空間肌理原型

通過對城市若干街區(qū)式商業(yè)綜合體的實際調(diào)研與總結(jié)，結(jié)合街區(qū)式商業(yè)綜合體外部空間形態(tài)特征，簡化和類型化街區(qū)式商業(yè)綜合體外部空間，作為計算機數(shù)值模擬的空間肌理原型。

圖1 街區(qū)形態(tài)圖底關(guān)系圖

圖2 相同街道網(wǎng)絡(luò)密度條件下不同街道交叉口示意圖

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)劃管理條例中有關(guān)道路間距的規(guī)定，以及實際調(diào)研案例中的經(jīng)驗數(shù)值，空間肌理原型地塊尺度確定為2 5 0 m×2 5 0 m。由于相同線密度外部空間覆蓋率相同，街道密度可以僅用線密度，即單位面積內(nèi)街道長度進行表征（單位為m/h a）?？臻g原型選取了1 0 0、2 0 0、3 0 0以及4 0 0的街道密度，外部空間覆蓋率取2 0%（調(diào)研發(fā)現(xiàn)街區(qū)式商業(yè)綜合體一般建筑密度為7 0%，周邊道路及綠化一般占據(jù)1 0%，外部空間一般為2 0%左右），同時，在相同街道密度下選取3～8個街道交叉口來設(shè)計不同的空間原型，并在街道密度與交叉口數(shù)量的研究基礎(chǔ)上，展開其方向的討論，選取0°、4 5°、9 0°三種街區(qū)布局方向的整體熱舒適性進行對比研究（圖3）。

通過調(diào)研眾多城市街區(qū)式商業(yè)綜合體容積率指標(biāo)，容積率為3最為常見，并選之作為空間原型的容積率。建筑類型主要為多層建筑，高度一般不超過2 4 m。

為方便研究，對空間肌理原型進行了編號，選取街道密度分別為1 0 0、2 0 0、3 0 0、4 0 0 m/h a原 型 在E n v i-me t中建模，其對應(yīng)編號分別為1 0 1、1 0 2、1 0 3與1 0 4（圖4）；對相同街道密度（4 0 0 m/h a）不同街道交叉口（3～8個）的空間肌理原型進行編號，其對應(yīng)的模型編號分別 為 2 0 1、2 0 2、2 0 3、2 0 4、2 0 5與2 0 6（圖5）。

5 空間肌理原型模擬

5.1 模擬時間的確立

街區(qū)式商業(yè)綜合體其外部空間使用頻率具有一定的時效性。工作日期間，大多數(shù)街區(qū)式商業(yè)綜合體集中在1 0:0 0開業(yè)，營業(yè)至2 2:0 0；部分商店在休息日期間營業(yè)時間可以延長至2 2:3 0或者2 3:0 0。根據(jù)實際調(diào)研觀察，結(jié)合基于手機信令數(shù)據(jù)的城市熱力圖發(fā)現(xiàn)，街區(qū)式商業(yè)綜合體的人流高峰集中在中午1 2:0 0～1 3:0 0、下午1 4:0 0～1 7:0 0以及晚上1 9:0 0～2 1:0 0。同時，為更好地探究空間肌理形態(tài)與人體熱舒適性之間的關(guān)聯(lián)，選取上海市2 0 1 5年8月5日一個晴朗高溫日氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對所選取的空間肌理原型通過E n v ime t模擬，并選取下午1 6:0 0或者1 7:0 0兩個時間點作為模擬時段，模擬外部空間空氣溫度、風(fēng)速、濕度、平均輻射溫度（MR T）以及P MV空間布局。并通過對比研究獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。

5.2 街道密度與人體熱舒適性的關(guān)聯(lián)

圖3 空間肌理原型設(shè)定

表2 空間肌理原型基礎(chǔ)指標(biāo)

圖4 街道密度分別為1 0 0、2 0 0、3 0 0、4 0 0 m/h a的空間肌理原型在E n v i-me t中建模平面示意圖

圖5 街道交叉口分別為3、4、5、6、7、8的空間肌理原型在E n v i-me t中建模平面示意圖

圖6 不同街道密度空間肌理模型的空氣溫度、風(fēng)速以及相對濕度模擬結(jié)果（1 6:0 0，地上1.2 m處）

通過E n v i-me t模擬不同街道密度的空間原型外部空間的熱舒適性指標(biāo)（空氣溫度，風(fēng)速，相對濕度，MR T以及P MV），通過測算與數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，街道密度與原型模型外部空間的熱舒適性有著顯著的關(guān)聯(lián)（圖6、7）：隨著街道密度的增加，原型外部空間的平均空氣溫度在白天會降低，在夜晚則四個類型模型間沒有顯著的差異；四個原型外部空間的平均風(fēng)速會顯著降低，且差值較大，該差值沒有出現(xiàn)顯著的時段差異；四個原型外部空間的平均相對濕度在白天沒有顯著差異，但在夜間則呈現(xiàn)出一定的反比關(guān)系，即平均相對濕度會下降得慢一些（圖8、9）。

隨著街道密度的增加，且在一定的范圍內(nèi)，四個原型外部空間的MR T值、P MV值，白天會明顯降低，夜間則趨于一致。即隨著街道密度增加，其空氣溫度、風(fēng)速、MR T以及P MV會下降，人體熱舒適性會提升。

5.3 街道交叉口與人體熱舒適性關(guān)聯(lián)

通過E n v i-me t模擬相同街道密度下不同交叉口數(shù)量的空間肌理原型熱舒適性指標(biāo)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，街道交叉口數(shù)量與空間肌理原型外部空間的熱舒適性有著顯著的關(guān)聯(lián)：隨著街道交叉口數(shù)量的增加，空間肌理原型外部空間的平均空氣溫度在白天會降低，在夜晚則六個類型模型間沒有顯著的差異；六個原型外部空間的平均風(fēng)速會顯著降低，且差值較大，該差值沒有出現(xiàn)顯著的時段差異，然而我們也可以在這個大趨勢中發(fā)現(xiàn)某個模型的數(shù)據(jù)有異，可能的原因也許與濕度、太陽輻射有關(guān)；2 0 1、2 0 2、2 0 3以及2 0 6四個空間肌理原型外部空間的平均相對濕度在白天沒有顯著差異，但是模型2 0 4以及2 0 5則分別位于較高濕度以及較低濕度，可

圖7 不同街道密度空間肌理模型的MR T、P MV模擬結(jié)果（1 6:0 0，地上1.2 m處）

圖8 不同街道密度空間肌理模型的空氣溫度、風(fēng)速以及相對濕度平均值對比（1 0:0 0～2 3:0 0，地上1.2 m處）

圖9 不同街道密度空間肌理模型的MR T、P MV平均值對比（1 0:0 0～2 3:0 0，地上1.2 m處）能的原因為太陽輻射與風(fēng)速；交叉口較多的原型模型外部空間的MR T值在白天會明顯降低，在夜間則趨于一致，但也存在原型模型2 0 5的P MV數(shù)據(jù)偏高的結(jié)果，不符合規(guī)律，可能的原因為較低的風(fēng)速，降低了帶走熱量的能力；六個原型模型外部空間的P MV值在白天會明顯降低，在夜間則趨于一致（圖1 0、1 1）。即在一定范圍內(nèi)隨著街道交叉口數(shù)量增加，人體熱舒適性會提升，但也與太陽輻射量、風(fēng)速有關(guān)聯(lián)（圖1 2、1 3）。

5.4 街道方向與人體熱舒適性的關(guān)聯(lián)

在街道方向的研究中，空間肌理模型命名由四位數(shù)字組成，其中第一位為3，第二位為0用以分割，三、四位數(shù)字代表空間肌理模型與東西向的夾角（順時針為正，逆時針為負，將街道密度為1 0 0 m/h a的模型定義為原始模型3 0 0 0）。

圖1 0 相同街道密度不同街道交叉口數(shù)量空間肌理模型的空氣溫度、風(fēng)速以及相對濕度模擬結(jié)果（1 6：0 0，地上1.2 m處）

圖1 2 相同街道密度不同街道交叉口數(shù)量空間肌理模型的空氣溫度、風(fēng)速以及相對濕度平均值對比圖（1 0:0 0～2 3:0 0，地上1.2 m處）

圖1 3 相同街道密度不同街道交叉口數(shù)量空間肌理模型的MR T、P MV平均值對比圖（1 0:0 0～2 3:0 0，地上1.2 m處）

通過E n v i-me t模擬相同街道密度與街道交叉口數(shù)量，不同街道方向的空間肌理原型熱舒適性指標(biāo)（圖1 4、1 5），通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，街道方向與原型模型外部空間的熱舒適性有著顯著的關(guān)聯(lián)：順應(yīng)夏季主導(dǎo)風(fēng)向的原型模型外部空間，其空氣溫度、風(fēng)速、MR T以及P MV相對會下降（圖1 6、1 7）。

6 理想模型模擬與分析

以空間肌理原型模擬結(jié)果為依據(jù)，設(shè)計了基于空間肌理原型與熱舒適性關(guān)聯(lián)結(jié)論的空間理想模型，并與相同類型的空間肌理原型（空間肌理原型2 0 4）進行比對，以驗證空間肌理原型模擬結(jié)果（圖1 8）。

該理想模型命名為2 0 7，其形態(tài)控制指標(biāo)依舊為街道密度、街道交叉口數(shù)量以及街道方向。根據(jù)空間原型的實驗結(jié)論，對理想模型進行如下定義。

（1）街道密度值：4 0 0 m/h a。

（2）在確定外部空間街道密度的前提下，適當(dāng)將街道空間錯位，創(chuàng)造更多的街道交叉口數(shù)量，該理想模型街道交叉口數(shù)量為6個。

圖1 4 相同街道密度與街道交叉口數(shù)量，不同方向空間肌理模型的空氣溫度、風(fēng)速以及相對濕度模擬結(jié)果（1 6:0 0，地上1.2 m處）

圖1 5 相同街道密度與街道交叉口數(shù)量，不同方向空間肌理模型的MR T、P MV度模擬結(jié)果（1 6:0 0，地上1.2 m處）

（3）主要街道空間南北向布置，一方面，可以較順應(yīng)上海市夏季主導(dǎo)圖1 6 相同街道密度與街道交叉口數(shù)量，不同方向空間肌理模型的空氣溫度、風(fēng)速以及相對濕度模擬結(jié)果對比圖（1 0:0 0-2 3:0 0，地上1.2 m處）風(fēng)向，增大平均風(fēng)速，加快熱量對流與擴散；另一方面，西側(cè)建筑裙房可在下午太陽輻射較大時產(chǎn)生陰影區(qū)，總體上減少太陽直接輻射。

圖1 7 相同街道密度與街道交叉口數(shù)量，不同方向空間肌理模型的MR T、P MV模擬結(jié)果對比圖（1 0:0 0-2 3:0 0，地上1.2 m處）

相較空間肌理原型2 0 4，理想模型2 0 7加寬了南北向街道空間的范圍，增大了其在下午的陰影區(qū)。通過計算機數(shù)值模擬手段，將理想模型的熱舒適性評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，與空間肌理原型模型的熱舒適性評價指標(biāo)數(shù)據(jù)進行比對后發(fā)現(xiàn)，理想模型的外部空間熱舒適性在下午太陽輻射較強時，其熱舒適性反而較好，熱舒適性指標(biāo)均低于空間肌理原型2 0 4，說明太陽輻射對人體熱舒適性的影響作用顯著，并驗證了空間肌理原型模型模擬的相關(guān)結(jié)論（圖1 9、2 0）。

7 上海街區(qū)式商業(yè)綜合體外部空間實例微氣候數(shù)值模擬

圖1 8 經(jīng)過優(yōu)化后的理想模型2 0 7（左）以及空間肌理模型2 0 4（右）在E n v i-me t中建模示意圖

圖1 9 空間肌理原型2 0 4與理想模型2 0 7的MR T、P MV模擬結(jié)果（1 6:0 0，地上1.2 m處）

為進一步驗證空間肌理原型與理想模型的模擬結(jié)果與結(jié)論在實際街區(qū)式商業(yè)綜合體外部空間的正確性，本文選取上海市區(qū)內(nèi)開發(fā)強度相似，但其外部空間具有差異的兩個街區(qū)式商業(yè)綜合體案例兩例（五角場萬達、大寧國際廣場）進行比對研究，作為驗證與補充（圖2 1、2 2）。表3為五角場萬達廣場及大寧國際商業(yè)廣場基本情況及模擬參數(shù)設(shè)定。

這兩個街區(qū)式商業(yè)綜合體占地面積相當(dāng)，開發(fā)強度接近，且都處在上海市市區(qū)，具有相似的氣候環(huán)境背景。兩街區(qū)式商業(yè)綜合體的街道密度、街道交叉數(shù)量不同，前者街道密度較小，且街道交叉口數(shù)量少；兩個街區(qū)式商業(yè)綜合體其街道方向接近。

通過模擬數(shù)據(jù)提取與分析（圖2 3），不難發(fā)現(xiàn)大寧國際商業(yè)廣場外部空間的熱舒適性要優(yōu)于五角場萬達。且從空氣溫度、平均風(fēng)速、相對濕度、MR T以及P MV值多方面進行了對比與分析，發(fā)現(xiàn)在街道密度與街道交叉口數(shù)量兩個形態(tài)要素量化指標(biāo)的作用下，大寧國際商業(yè)廣場外部空間熱舒適性要優(yōu)于五角場萬達。進而驗證了空間肌理原型以及理想模型模擬所得結(jié)論（圖2 4）。

圖2 0 空間肌理原型2 0 4與理想模型2 0 7的MR T、P MV模擬結(jié)果對比圖（1 0:0 0～2 3:0 0，地上1.2 m處）

圖2 1 街區(qū)式商業(yè)綜合體案例

8 結(jié)語

基于空間肌理原型、理想模型以及實際案例的計算機數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)整理，結(jié)合街區(qū)式商業(yè)綜合體其建筑設(shè)計特點，可以提出以下基于熱舒適性提升的設(shè)計策略，供建筑師及城市設(shè)計師在設(shè)計先期決策階段作為參考：①可以適度增加街區(qū)內(nèi)部街道空間的街道空間長度，增加街道密度，以提升外部空間熱舒適性。建議的街道密度值為4 0 0 m/h a，也就是說對一個2 5 0 m×2 5 0 m的街區(qū)地塊而言，整體切四條街道，其外部空間熱舒適性提升較為明顯。同時從建筑學(xué)的角度考慮，即切四條街道形成類似于九宮格式的街區(qū)形態(tài)，其建筑面積及外部空間面積劃分具有一定彈性，便于商業(yè)開發(fā)。②在確定街區(qū)式商業(yè)綜合體外部空間街道密度的前提下，可以適當(dāng)將街道空間錯位，創(chuàng)造更多的街道交叉口數(shù)量，以提升外部空間熱舒適性。建議的街道交叉口數(shù)量為6～8個。③街區(qū)式商業(yè)綜合體其主要街道空間宜南北向布置。一方面，可以較順應(yīng)上海市夏季主導(dǎo)風(fēng)向，增大平均風(fēng)速，加快熱量對流與擴散；另一方面，西側(cè)建筑裙房可在下午太陽輻射較大與空氣溫度較高時產(chǎn)生陰影區(qū)，總體上減少太陽直接輻射，提升整個街區(qū)空間的人體熱舒適性。

圖2 3 五角場萬達廣場及大寧國際商業(yè)廣場空氣溫度、風(fēng)速以及相對濕度、MR T、P MV模擬結(jié)果（1 6:0 0，地上1.2 m處）

表3 五角場萬達廣場及大寧國際商業(yè)廣場基本情況及模擬參數(shù)設(shè)定

圖2 4 五角場萬達及大寧國際商業(yè)廣場MR T、P MV模擬結(jié)果對比圖（1 0:0 0～2 3:0 0，地上1.2 m處）