夏熱地區(qū)“常全影”空間設(shè)計時空分析體系

龔兆先, 魯 進, 李怡楠

(廣州大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

0 引 言

夏熱地區(qū)夏季晴日，人們在室外公共空間中的活動通常飽受烈日暴曬，光熱舒適性差，人們期待較為蔭涼的陰影空間。特別是較長時段的人群室外活動，更希望能在整個活動時段內(nèi)始終處于陰影之中，而且陰影的平面大小和形態(tài)適應(yīng)活動規(guī)模和方式的空間。然而，這種愿望一般難以很好地實現(xiàn)，因為找到自然形成的、可完全符合這種時空需求的陰影空間并不容易。因此，通常的結(jié)局是，要么提前結(jié)束活動，要么頻繁移動位置，另尋它處而得以繼續(xù)。

不過，在室外建成環(huán)境中，可以發(fā)現(xiàn)，在日照條件下，由建筑物、植物和構(gòu)筑物等構(gòu)影體可形成在一定時段內(nèi)始終具有陰影的區(qū)域，眾所周知的就是“終日陰影區(qū)”。它是以日出和日落時間為起止時刻，存在于整個白晝期間的陰影區(qū)。但問題是，相對于一般至多數(shù)小時的室外活動，整個白晝這個時長明顯超出需求；而更為關(guān)鍵的是，時長越長，其面積和尺度就越小，從而削弱了用于室外活動的功能。然而，從中也可以獲得啟發(fā)，即如果改變起止時刻，以較短時長適應(yīng)活動時長需要并去除冗余時段，則可獲得平面尺度更大、形態(tài)更適應(yīng)室外活動所需且始終有陰影的空間。因此，改變起止時刻并限定數(shù)小時時長的時段，可望獲得更利于室外活動所需的“終時段陰影區(qū)”(圖1)。

圖1 改變起止時刻并縮短時長可獲更為有利的陰影

在此，如果將在一定起止時刻所限定的時段內(nèi)始終有陰影的影定義為“常影”，那么，上述“終時段陰影區(qū)”就是該時段常有陰影的“常影”區(qū)；同時，如果該時段內(nèi)日光光線完全未穿透建筑物等構(gòu)影體而形成“全影”，則該“終時段陰影區(qū)”可稱之為“常全影”空間。

室外 “常全影”是一種日照條件下在三維空間中客觀存在的自然現(xiàn)象，其所形成的“常全影”空間，可保障對應(yīng)時段和空間中人群活動的全程和充分遮陽需求，理應(yīng)在夏熱地區(qū)室外公共空間的規(guī)劃和設(shè)計時，作為重要的設(shè)計目標之一進行積極構(gòu)建。但因“常全影”所固有的時空動態(tài)性和復(fù)雜性等，難以單憑經(jīng)驗直觀可察、可控，如果不在設(shè)計中予以及時的過程關(guān)注和檢驗評判，不可保證最終設(shè)計形成的“常全影”空間一定適應(yīng)人群活動的時空需求。因此，需要探索建立一種能適應(yīng)通常由城市設(shè)計、修建性詳細規(guī)劃、建筑和景觀設(shè)計等相關(guān)規(guī)劃和設(shè)計構(gòu)成的多階段過程、設(shè)計調(diào)整頻繁的工作要求和方式特點，并可及時掌握設(shè)計進程中所形成“常全影”空間的狀態(tài)的分析和評判辦法，以便引導(dǎo)最終“常全影”空間的設(shè)計結(jié)果契合設(shè)計目標。

當(dāng)前，學(xué)界在日照陰影的影響、作用、夏季陰影利用及其相關(guān)方法等方面，已有相應(yīng)的有價值的研究。通常，除關(guān)注陰影的建筑美學(xué)作用外，主要將陰影作為一種消極的對象[1]，如為保證冬季室內(nèi)日照要求，力求其它建筑物陰影盡量少地遮擋室內(nèi)空間[2-4]。但也有部分學(xué)者重視夏季陰影的積極作用[5-7]，提出建筑陰影用于室外活動空間并進行設(shè)計核實的初步方法[5]，或強調(diào)在建筑設(shè)計初期進行陰影相關(guān)節(jié)能模擬優(yōu)化算法[8]，或基于有效陰影區(qū)概念并探索步行街的陰影利用[9]，利用建筑布局便于陰影控制[3-4]。也有學(xué)者關(guān)注植物陰影的特征[10]，認為植物的葉片密度與其遮蔭效應(yīng)密切關(guān)聯(lián)[11]，合理的植物分布是關(guān)鍵[12]。而對于陰影的模擬和識別分析，Ecotect等相關(guān)軟件提供了便捷和可靠的技術(shù)手段[13-14]。但總體而言，目前尚未發(fā)現(xiàn)基于“常全影”的復(fù)雜時空相關(guān)性和設(shè)計進程掌控要求，形成有效的“常全影”空間過程的察驗方法。因此，關(guān)注在“常全影”空間設(shè)計中的“常全影”及其空間的時空變化特征，并進行相應(yīng)時空分析的體系研究，是十分必要的。

為此，本文將在解析“常全影”空間的形態(tài)、大小、位置和影深品質(zhì)等時空屬性的動態(tài)性及其與一般規(guī)劃與設(shè)計過程相關(guān)性的基礎(chǔ)上，闡述在設(shè)計過程中進行“常全影”空間時空分析的必要性和可行性，闡明分析的對象、內(nèi)容及標準等特征，以期為進一步探索具體的時空分析方法，并促進相關(guān)規(guī)劃和設(shè)計有效構(gòu)建“常全影”空間提供指引。

1 “常全影”空間時空特征及其設(shè)計分析要求

1.1 “常全影”空間的時空多樣、復(fù)雜性

作為自然現(xiàn)象，室外“常全影”首先是一種由建(構(gòu))筑物和植物等構(gòu)影體在地面等承影面上所形成的日光投影，其與特定地理位置、日期和太陽動態(tài)運行軌跡密切相關(guān)；同時，“常全影”具有時段限定性，某個日期及明確起、止時刻限定的“常全影”，是該時段內(nèi)由所有連續(xù)時刻的陰影所構(gòu)成的時空四維動態(tài)影序列，被時段限定在一定三維空間范圍之內(nèi)的那部分，具有三維空間屬性，并反映形態(tài)、大小和位置等方面的空間幾何屬性，且因?qū)?yīng)構(gòu)影體相對于全時段所有日光的通透性，反映其影深品質(zhì)屬性。

綜合而言，“常全影”與地理位置、時間、構(gòu)影體和承影面等密切相關(guān)，并服從日照成影規(guī)律。但當(dāng)時段確定后，就是一種可以明確界定且人能置身其中的三維空間對象。雖然“常全影”空間在理論上應(yīng)該是一種三維空間，不過，由于人群在室外空間外場地上的活動依賴趨近水平的地面等承影面，故通常用“常全影”空間的水平投影表達“常全影”空間基于人群活動相關(guān)的空間特征(圖2)。

圖2 “常全影”及其空間的界定方式Fig.2 The Constant-holistic Shadow and its spatial definition

緣自室外人群活動時段的多樣性和太陽運行的動態(tài)性等因素，“常全影”空間的時空屬性呈現(xiàn)多樣化的時空差異性。如在地理位置和日期確定，構(gòu)影體和地形(如平地)等構(gòu)影條件不變的情形下，相同時長但不同起、止時刻的“常全影”空間，其形態(tài)、大小等空間幾何屬性具有顯著的差別；不同時長的“常全影”空間更是變化多樣，即使起始時刻或終止時刻相同，也同樣如此(圖3)。

“常全影”空間同時也反映復(fù)雜性。雖然有一定的特征性規(guī)律可循，但具體的形態(tài)、尺度和位置等時空信息，并非可由人們的經(jīng)驗直接獲知和把握。不同的構(gòu)影體體形和尺度，建筑構(gòu)影體朝向的構(gòu)影體組合，以及承影面的地形坡度等，都會引起“常全影”空間的多方面復(fù)雜變化。如以承影面為水平平地為例，不同形體和尺度的建筑構(gòu)影體在同時段所形成的“常全影”空間的形態(tài)和尺度明顯不同(圖4)；同等建筑構(gòu)影體因不同朝向，同時段所產(chǎn)生的“常全影”空間的形態(tài)、大小也有明顯變化(圖5)；此外，在較低太陽高度角的時段，即使較小的構(gòu)影體尺度的改變，也能引起顯著的“常全影”空間形態(tài)和大小等改變，表明“常全影”空間對構(gòu)影體具有較大的敏感性。而地形在坡向和坡度上的改變，也同樣引起其空間屬性的差異。

圖3 在同等構(gòu)影條件下起止時刻相關(guān)的“常全影”空間多樣差異性表現(xiàn)

圖4 不同建筑形態(tài)、尺度等引起的“常全影”空間變化

圖5 相同體量、不同朝向建筑構(gòu)影體對“常全影”空間形態(tài)和尺度的影響

1.2 設(shè)計過程中的時空分析要求

在相關(guān)規(guī)劃和設(shè)計過程中，雖然在確定設(shè)計目標時，通?？筛鶕?jù)場地空間的人群活動規(guī)律需求等先行明確一個或多個時段的“常全影”空間進行設(shè)計，但由于對構(gòu)影體和地形進行分階段設(shè)計處理的修改和調(diào)整則是一種常態(tài)，而且頻度很高。因此，隨著構(gòu)影體和地形隨設(shè)計階段和階段內(nèi)修改過程不斷深化、細化和優(yōu)化調(diào)整，設(shè)計形成的“常全影”空間，其時空和品質(zhì)屬性也隨時發(fā)生改變，設(shè)計結(jié)果與設(shè)計進程呈現(xiàn)一種復(fù)雜的聯(lián)動關(guān)系，須隨時進行分析和適宜性確認。

另外，一個特定的空間設(shè)計對象，相關(guān)規(guī)劃和設(shè)計過程是以漸進式推進的，由粗到細、由淺入深、由簡單到復(fù)雜。在此進程中，如果前序設(shè)計階段的構(gòu)影體缺失或布局不適，將直接影響后續(xù)設(shè)計階段“常全影”構(gòu)影的不足，甚至是顛覆性的缺陷。如果不在前序設(shè)計階段進行必要的、尤其是全局性、結(jié)構(gòu)性的布局，可能導(dǎo)致后續(xù)設(shè)計階段無能為力或額外附加原本不必要的構(gòu)影體。

因此，“常全影”空間的設(shè)計，不能僅以最終設(shè)計結(jié)果來核實其針對人群活動陰影時空需求的合理性和有效性，而須在相關(guān)設(shè)計的全程，對各設(shè)計階段的“常全影”空間結(jié)果予以充分關(guān)注，逐步深化、細化和調(diào)適，漸序達成精確符合所需的“常全影”空間。

2 “常全影”空間設(shè)計中的時空分析方式

“常全影”空間的設(shè)計，除了遵循通行的相關(guān)規(guī)劃和設(shè)計的常規(guī)原理和方法等之外，還需以適當(dāng)、可行的方式，對過程中的設(shè)計“常全影”空間狀態(tài)進行可行的時空分析與判斷。

2.1 全程性的時空分析

在設(shè)計過程的全程加入“常全影”空間設(shè)計結(jié)果的時空分析環(huán)節(jié)。即針對“常全影”空間的最終設(shè)計目標和各設(shè)計階段的可行實現(xiàn)程度，結(jié)合常規(guī)設(shè)計階段的成果，每個階段都進行相應(yīng)的“常全影”空間模擬和時空分析。只有如此，才能準確掌握相關(guān)規(guī)劃和設(shè)計進程中所形成的“常全影”空間，在其形態(tài)、大小、位置和影深以及時長等時空和品質(zhì)屬性方面，是否已符合或不妨礙后續(xù)階段符合人群活動所需。據(jù)此各階段的分析和判斷，為后續(xù)階段通過及時調(diào)整和優(yōu)化，逐步趨近，最終全面符合設(shè)計目標提供依據(jù)和指引。

2.2 適宜性的時空分析

人們夏季室外活動方式越來越具有多樣性和選擇性，也引起陰影利用方式和程度的多樣性。室外活動因人、因活動類型不同而存在許多差異，并反映到對場地中的陰影空間需求是全部還是部分，所需部分應(yīng)該是哪些部分并且是多大；不同類型的活動適宜開展的時段也有差別，“常全影”空間的營造須對此予以時間尺度上的匹配。否則，將導(dǎo)致在活動所需時段內(nèi)仍會面臨暴曬。這些人群活動相關(guān)的多樣性反映在時空上的匹配要求，也表明設(shè)計過程中應(yīng)對“常全影”空間進行適宜性的時空分析。

2.3 模擬驗證性的時空分析

運用相對于規(guī)劃和設(shè)計而言的適用和可靠的技術(shù)手段，有助于設(shè)計全程實行時空分析的可行性和可靠性。對于“常全影”空間的時空分析，當(dāng)前Ecotect和Grasshopper等日照模擬分析相關(guān)軟件，為在設(shè)計過程中的驗證性時空分析，提供可行和可靠的技術(shù)工具，并且具有便利的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。借助于各設(shè)計階段中可便利獲得、加工的構(gòu)影體及地形環(huán)境的數(shù)字模型，便可進行有效的日照成影模擬，獲得各階段設(shè)計“常全影”空間的精確狀態(tài)，進而對其滿足設(shè)計目標時空需求的充分性和尚存問題進行驗證分析，并給出后續(xù)可能的進一步優(yōu)化調(diào)整方向和可行措施等。

3 “常全影”空間設(shè)計的時空分析體系框架

3.1 分析對象

“常全影”空間的時空分析，是基于人群活動的相應(yīng)時空需求，分析各階段設(shè)計“常全影”空間在形態(tài)、大小、方位、時段和品質(zhì)等時空和品質(zhì)屬性方面的相符性。因此，各階段的設(shè)計“常全影”空間，是時空分析的直接對象。但同時，設(shè)計“常全影”空間的時空和品質(zhì)屬性的狀態(tài)與構(gòu)影體和地形的空間處理之間的關(guān)聯(lián)性，也同樣是重要的分析對象，以便當(dāng)設(shè)計結(jié)果與目標未能完全相符時，可據(jù)此關(guān)聯(lián)，獲知不相符部分“常全影”在構(gòu)影體和地形中的對應(yīng)部位并探尋調(diào)整方向和程度。

3.2 分析體系

綜合前述“常全影”空間的特征和設(shè)計要求，時空分析主要應(yīng)包括人群活動對“常全影”空間目標時空需求分析，設(shè)計“常全影”空間相對于目標需求時空的形態(tài)、尺度符合度分析，時空分布符合度分析，補影符合度分析和影深品質(zhì)分析，共5項。

上述5項分析各有側(cè)重，即①“常全影”空間目標時空需求分析，旨在結(jié)合目標活動類型相關(guān)的人群規(guī)模、活動方式和時段等要求特征，分析確定目標活動空間場所上所需“常全影”的時段、形態(tài)、大小、位置和影深，確立一個或多個時段的目標“常全影”需求空間；②“常全影”空間形態(tài)、尺度符合度分析，檢驗現(xiàn)階段設(shè)計結(jié)果所形成“常全影”空間，在形態(tài)和尺度大小方面對每個需求時段的目標“常全影”空間的包容程度；③“常全影”空間時空分布符合度分析，探查現(xiàn)階段設(shè)計結(jié)果在每個需求時段內(nèi)所形成的“常全影”空間，其空間分布與相對應(yīng)時段目標“常全影”需求空間的一致性程度；④“常全影”空間補影符合度分析，復(fù)查現(xiàn)階段設(shè)計調(diào)整后形成的“常全影”空間補全原缺影“常全影”空間局部的有效性和程度；⑤“常全影”空間影深品質(zhì)分析，確認構(gòu)影體局部非不透明材質(zhì)所致“常全影”空間中部分影深降低之處的形態(tài)、大小、位置及其可接受度以及必要時的改善導(dǎo)向。

在上述各項時空分析中，人群活動對“常全影”空間的時空需求分析是首要、前置性和目標性的，以此分析結(jié)果作為其它分析的對照標桿；在相關(guān)規(guī)劃設(shè)計、建筑設(shè)計和景觀設(shè)計階段，可采用與設(shè)計階段工作方式和成果特征相適應(yīng)的一種或多種分析。上述目標性或驗證性的5項分析，共同構(gòu)成“常全影”空間構(gòu)建中必需的、相對完整的分析體系(圖6)。

圖6 “常全影”空間設(shè)計的時空分析體系框架

3.3 評判標準

“常全影”空間時空分析在各設(shè)計階段的分析評判標準，與常規(guī)規(guī)劃與設(shè)計各階段的設(shè)計深度要求密切相關(guān)，但更注重“常全影”空間的時空和品質(zhì)結(jié)果與本階段所應(yīng)適應(yīng)人群活動時空需求的相符程度。在尚未最終完成設(shè)計的中間階段時，表現(xiàn)為階段性的評判標準，而最終設(shè)計階段時，則為終極標準；階段性標準可能相對粗略，但應(yīng)保證后續(xù)的可行優(yōu)化和深化。終極標準則須全面反映目標需求。各階段的評判標準應(yīng)組成一種由粗到細、由宏觀到微觀的的序列標準。

3.4 體系特征

“常全影”空間構(gòu)建中的時空分析體系，具有多方面的特征：①在總體上貫穿相關(guān)各規(guī)劃和設(shè)計階段，具有顯著的全程性特征；②相關(guān)分析基于首位的“常全影”目標時空需求分析，但必要時須同時兼顧冬季日照標準等其它要求，從“常全影”空間全面適應(yīng)目標需求的多個視角進行分析，具有多視角特征。而且，在同一視角下也兼顧多個必須關(guān)注的設(shè)計階段；③由于“常全影”空間的設(shè)計構(gòu)建，在規(guī)劃和設(shè)計過程中是逐步明確、細化和優(yōu)化的，因而具有在分析深度上的漸進式特征；④為了適應(yīng)相關(guān)規(guī)劃設(shè)計、建筑設(shè)計和景觀設(shè)計各階段設(shè)計的工作對象、方式和設(shè)計深度等差異，各階段的分析目標、標準和精確程度等有所不同，依托的手段和方式也有差異，呈現(xiàn)同一項分析在不同階段的差異化特征；⑤除了目標時空需求分析，其它4種都是驗證性分析，用以確認該階段設(shè)計是否實現(xiàn)理應(yīng)達到的程度。若未達到而存在問題，則提示后續(xù)調(diào)整、優(yōu)化的方向。

4 結(jié) 論

在“常全影”空間的設(shè)計中，基于“常全影”時空多樣性、復(fù)雜性和分階段規(guī)劃設(shè)計工作方式與要求特點，對各設(shè)計階段的設(shè)計“常全影”空間結(jié)果，進行基于人群活動“常全影”空間目標時空需求的符合度分析，是必要的和可行的；這些分析以 “常全影”空間的目標時空需求在各階段的漸序、可行實現(xiàn)程度為標準，同時兼顧冬季日照標準等其它要求；通?！俺Ｈ啊笨臻g設(shè)計中的時空分析，主要由“常全影”空間目標時空需求分析，以及“常全影”空間的形態(tài)尺度符合度、時空分布符合度、補影符合度及影深品質(zhì)符合度5項分析，構(gòu)成時空分析體系，可滿足大多數(shù)情形下室外公共空間“常全影”空間設(shè)計的分析要求。但在特殊設(shè)計條件和要求時，應(yīng)另有補充。本文基于平地地面條件，明確了“常全影”空間設(shè)計中適宜時空分析的方式、對象和標準，并建立了時空分析體系框架，為實施時空分析奠定了良好的基礎(chǔ)。更為具體的分析方法及其在設(shè)計實踐中的應(yīng)用方法，以及基于更為綜合、大規(guī)模和地形復(fù)雜變化等場景的時空分析方法體系擴展，還有待于今后進一步探索。