基于建筑與綠化因素對(duì)城市居住區(qū)微氣候影響綜述

許 晨，黃奕婷，遲曉立

（徐州工程學(xué)院，江蘇徐州 221018）

當(dāng)前，隨著全球氣候變暖趨勢(shì)的持續(xù)，全球極端天氣事件的強(qiáng)度和頻率也不斷增加[1]，氣候變化正深刻影響人類生活質(zhì)量和身體健康。近年來(lái)，城市化進(jìn)程的加快，提高了區(qū)域整體經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平。然而，高速城市化加劇了溫室氣體的排放，同時(shí)也改變了下墊面結(jié)構(gòu)，而由此產(chǎn)生的城市“熱島效應(yīng)”及其影響日益明顯[2]。居住空間作為城市空間的延續(xù)，居住區(qū)是城市的重要組成部分[3]，許多學(xué)者從不同的角度去研究居住區(qū)的問題[4]。在城市建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)層面，楊峰等[5]提倡使用城市建筑集群能耗模擬的方法（Urban Building Energy Modelling,UBEM）對(duì)城區(qū)/街區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)的建筑集群能耗影響進(jìn)行量化評(píng)估，并直接對(duì)標(biāo)相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng)，為相關(guān)設(shè)計(jì)指引提供更多依據(jù)，對(duì)于節(jié)能減排導(dǎo)向的城市設(shè)計(jì)、城市更新和城市管理具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。有學(xué)者以“低碳城市”為指導(dǎo)理念，從微觀方法入手，在土地利用、城市規(guī)模、合理規(guī)劃城市居住區(qū)及其建筑物的尺度等方面，實(shí)現(xiàn)從城市角度入手，減緩氣候變化[4]。菲利普·拉姆對(duì)以氣象學(xué)為向?qū)У男滦铜h(huán)境設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了探討，提出運(yùn)用“氣象適應(yīng)性設(shè)計(jì)”來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)氣候的理念。例如，位于亞熱帶炎熱潮濕氣候的臺(tái)中清翠園，通過(guò)設(shè)置相關(guān)設(shè)備并搭配植被和構(gòu)筑物組合來(lái)優(yōu)化園區(qū)小氣候，為豐富多彩的公園活動(dòng)搭建了景觀性的舞臺(tái)[6]。

在對(duì)城市微氣候研究中，建筑、植物、地形和下墊面等都是影響城市微氣候的關(guān)鍵因素。為此，從居住區(qū)綠化因素與建筑布局等對(duì)微氣候影響的角度，總結(jié)在不同建筑布局類型與綠化結(jié)構(gòu)影響下居住區(qū)微氣候的變化規(guī)律，并分析其影響因素，以期為今后居住區(qū)設(shè)計(jì)與規(guī)劃、宜居型住區(qū)打造，以及居住區(qū)微氣候優(yōu)化等研究提供理論指導(dǎo)。

1 建筑因素對(duì)居住區(qū)微氣候的影響

隨著城市化的進(jìn)程加快，城市用地緊張，高層建筑應(yīng)運(yùn)而生[7]，作為城市化發(fā)展的產(chǎn)物，對(duì)城市內(nèi)部的聲、熱、光以及風(fēng)環(huán)境具有重要影響。顧大治等[8]根據(jù)我國(guó)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》《民用建筑通則》相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合建筑層數(shù)和高度可將建筑分為低層建筑（10m 以下）、多層建筑（10～24m）、高層建筑Ⅰ（24～50m）、高層建筑Ⅱ（50～100m）和超高層建筑（100m 以上），并提出了“管控方式分類-控制精度分區(qū)”的城市建筑管控方法。高層建筑的出現(xiàn)增加了城市的粗糙度，建筑密度和容積率也逐漸增大。謝振宇等[9]研究了城市高層建筑對(duì)風(fēng)環(huán)境的不利影響，并基于不同類型風(fēng)環(huán)境提出針對(duì)性改造方案，提出優(yōu)化高層建筑形態(tài)來(lái)減少對(duì)微氣候不利影響的建筑設(shè)計(jì)策略。甘義猛等[10]在對(duì)鄭州市某小區(qū)的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，建筑高度與居住區(qū)內(nèi)部氣溫呈負(fù)相關(guān)，與相對(duì)濕度呈正相關(guān)。Fan 等[11]分別在夏冬兩季對(duì)北京市18 個(gè)小區(qū)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，并計(jì)算確定相應(yīng)指標(biāo)對(duì)居住區(qū)微環(huán)境氣候研究。結(jié)果顯示，居住區(qū)的建筑高度對(duì)其開放區(qū)域微環(huán)境影響不明顯，且夏冬兩季節(jié)呈相反結(jié)果。建筑高度對(duì)城市微氣候的影響較為復(fù)雜，不同建筑高度和不同建筑高度的組合對(duì)局部微氣候的影響不同，即存在一個(gè)最佳的建筑高度和一個(gè)最佳的建筑組合形式，使局部熱環(huán)境達(dá)最佳值[12]。

不僅是建筑高度、建筑的布局形式也會(huì)對(duì)居住區(qū)的微氣候產(chǎn)生重要的影響。居住區(qū)的建筑布局形式大致分為行列式、周邊式、混合式、自由式、庭園式和散點(diǎn)式六大類，不同地區(qū)的居住區(qū)采用建筑布局形式不盡相同。袁景玉[13]運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和問卷調(diào)查方法，研究了天津市3 種典型布局形式的老舊居住區(qū)室外微氣候，并通過(guò)Phoenics 和Ecotect 軟件模擬分析，發(fā)現(xiàn)采用在建筑來(lái)風(fēng)向一側(cè)圍合、內(nèi)部呈行列式分布的混合布局形式，能夠影響居住區(qū)室外空間的太陽(yáng)輻射和風(fēng)速，從而營(yíng)造更好的居住環(huán)境。孫勇等[8]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)住宅小區(qū)的建筑布局進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變建筑布局，在小區(qū)內(nèi)形成有效通風(fēng)廊道，有利于夏季小區(qū)內(nèi)部氣流流動(dòng)，增強(qiáng)散熱排污效果，從而提高居住區(qū)微氣候環(huán)境質(zhì)量。

與此同時(shí)，建筑密度也是影響居住區(qū)微氣候的重要因素。Ridwan 等[14]利用Landsaty 影像對(duì)Makasar 市的建筑密度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)建筑密度與城市熱島有著高度聯(lián)系。Widiyannita Efrita Nur 等[15]運(yùn)用ENVI-met軟件對(duì)Yogyakarta 吐谷站區(qū)的建筑進(jìn)行模擬，通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)比得出適合Yogyakarta 吐谷站區(qū)的最佳建筑密度值，同時(shí)在研究中發(fā)現(xiàn)，建筑密度對(duì)戶外熱環(huán)境的影響還受到建筑高度等因素的影響。關(guān)于建筑對(duì)居住區(qū)微氣候影響的研究方法主要包括：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、調(diào)查問卷、軟件模擬等，以上研究成果顯示，建筑在布局、高度和密度等方面均會(huì)對(duì)居住區(qū)微氣候產(chǎn)生一定影響，其中建筑密度對(duì)微氣候環(huán)境的影響研究易受到其他因素的干擾，那么如何將建筑密度從其他因子的影響中分離出來(lái)是當(dāng)前亟需解決的問題。此外，由于運(yùn)用場(chǎng)地實(shí)測(cè)的方法研究微氣候需要消耗大量的人力、物力和資金，且場(chǎng)地實(shí)測(cè)易受多種外界因素的影響。因此，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究復(fù)雜多變的城市微氣候在近年來(lái)得到廣泛運(yùn)用[14-15]。

當(dāng)前，建造技術(shù)不斷發(fā)展，為建造豐富多樣建筑形態(tài)的工程提供了有利條件，同時(shí)更應(yīng)該與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)[9]，從而深入探討建筑與城市微氣候環(huán)境的關(guān)系，明晰不同建筑因素對(duì)居住區(qū)微氣候影響的敏感尺度，對(duì)生態(tài)宜居型住區(qū)的打造具有重大意義。然而，當(dāng)前學(xué)者大多研究單一建筑因子對(duì)居住區(qū)微氣候的影響評(píng)價(jià)，對(duì)于多個(gè)因素影響的綜合研究很少；另一方面，地表溫度變化受到空氣流動(dòng)，以及輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流等因素的影響，其變化的空間并不獨(dú)立[12]。在一定空間范圍內(nèi)，建筑的空間形態(tài)與微氣候的相關(guān)關(guān)系往往受到周圍空間的影響。因此，未來(lái)要對(duì)多尺度下的城市空間形態(tài)，綜合多種空間形態(tài)指標(biāo)研究城市居住區(qū)微氣候，定量表征各指標(biāo)的敏感性，以更好地指導(dǎo)居住區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)等問題。此外，綠化作為影響居住區(qū)環(huán)境的另一重要因素，對(duì)居住區(qū)微氣候調(diào)節(jié)有著舉足輕重的作用。

2 綠化因素對(duì)居住區(qū)微氣候影響

綠化對(duì)微氣候環(huán)境影響的研究最早開始于20 世紀(jì)40 年代[16]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、模型構(gòu)建、軟件模擬等方式對(duì)植被布局形式、綠化配置、植物群落、植被面積指數(shù)等多個(gè)方面進(jìn)行研究。平面布局和立體綠化是比較常見的2 種植被布局形式，Zhang等[17]在對(duì)韓國(guó)首爾一處具有代表性的公寓式住宅進(jìn)行微氣候模擬分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在植被總面積相同的情況下，以小單元的形式分散種植比集中種植的降溫效果好；將植物布置在建筑物周圍比布置在建筑物之間的降溫效果好。立體綠化中具有代表性的包括屋頂綠化、垂直綠化、高架綠化等。Pompeii[18]研究了屋頂綠化對(duì)城市熱環(huán)境的影響，結(jié)果表明屋頂綠化可以使室內(nèi)外溫度分別降低4.2℃和0.3℃。黃佳敏[19]總結(jié)保利華苑建筑立面的垂直綠化設(shè)計(jì)，對(duì)“雙重立面”的垂直綠化設(shè)計(jì)策略、灌溉設(shè)計(jì)、植物配置等方面進(jìn)行了探討，提出了高層建筑垂直綠化的可持續(xù)發(fā)展的形式。在綠化配置方面，從單一配置形式和多元化的配置方式對(duì)居住區(qū)微氣候的影響也不同。馬曉陽(yáng)[20]根據(jù)情景設(shè)計(jì)原則和方法模擬方案，依據(jù)人體熱舒適度標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)出了不同的綠化配置對(duì)微氣候影響的差異，發(fā)現(xiàn)對(duì)居住區(qū)微氣候調(diào)節(jié)效果較好的是喬木、灌木和草地綠化組合和喬木加草地2 種模式，而草地和灌木加草地綠化模式的調(diào)節(jié)作用相對(duì)不明顯，甚至?xí)a(chǎn)生副作用。不同綠地植物的群落結(jié)構(gòu)和群落特征對(duì)微氣候也有較大影響。張曉璇[21]通過(guò)對(duì)杭州市臨安區(qū)5 個(gè)居住區(qū)20 組植物群落的微氣候進(jìn)行春夏秋3 個(gè)季節(jié)的實(shí)測(cè)，表明選取葉面積指數(shù)大，喬灌結(jié)構(gòu)、帶狀布局的植物群落對(duì)改善居住區(qū)夏季微氣候和人體舒適度有著重要作用。在植被面積指數(shù)方面，Ruzana Sanusi[22]對(duì)墨爾本市中心商業(yè)區(qū)附近3 個(gè)郊區(qū)的3 條南北走向街道的行道樹進(jìn)行研究，測(cè)量了具有不同植被面積指數(shù)（PAI）的各種樹木下方和遠(yuǎn)離樹木的微氣候條件，發(fā)現(xiàn)3 種樹種的微氣候效益隨著植被面積指數(shù)的增加而增加；在指數(shù)相近時(shí)，3 種樹的冠層下小氣候差異不明顯。因此，在選擇和比較樹種的遮陰和降溫效果時(shí)，應(yīng)該注意樹種所能達(dá)到的植被面積指數(shù)。

綠化對(duì)微氣候的影響主要體現(xiàn)在溫度、濕度、風(fēng)速等氣候因子上。林波榮[23]為研究不同下墊面及綠化形式下居住區(qū)熱環(huán)境的差別，于清華大學(xué)校內(nèi)主樓、甲所、東樓區(qū)住宅群以及青年公寓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，樹木遮陰的林下降溫效果比無(wú)樹蔭遮擋的草地、沙地降溫效果好。Evan Mallen 等[24]利用技術(shù)氣候網(wǎng)絡(luò)中的高密度溫度傳感器陣列，探討佐治亞理工學(xué)院的城市熱島分布以及建筑和綠化布置對(duì)當(dāng)?shù)匚夂虻挠绊?，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋地區(qū)的降溫效果與不透水下墊面環(huán)境相比效果較好，最高溫差達(dá)到3.77℃，熱島效應(yīng)強(qiáng)度與樹冠和景觀設(shè)計(jì)顯著相關(guān)。黃鈺麟等[25]基于ENVI-met 軟件，根據(jù)福州市不同的植物群落特征對(duì)溫度、濕度和風(fēng)速的影響，探究了適合當(dāng)?shù)鼐G化空間的降溫降濕通風(fēng)效果最優(yōu)的組合方案。陳卓倫等[26]以廣州某住宅小區(qū)為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和定量分析，總結(jié)不同景觀設(shè)計(jì)因子對(duì)居住區(qū)微氣候的影響規(guī)律，提出通過(guò)改變相應(yīng)的因子來(lái)改善熱環(huán)境的方法。楊詩(shī)敏[27]基于ENVI-met 軟件對(duì)杭州某居住區(qū)進(jìn)行風(fēng)速模擬分析，發(fā)現(xiàn)由于植物對(duì)風(fēng)的阻擋作用，綠化區(qū)域的風(fēng)速小于空曠地帶。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外綠化研究主要包括植物群落類型、布局形式和植物配置結(jié)構(gòu)等與微氣候的關(guān)系，運(yùn)用多種技術(shù)手段對(duì)綠化做出整體性研究；強(qiáng)調(diào)了樹木遮陰的重要性，提出喬-灌-草的最優(yōu)植物配置模式，選擇葉面積指數(shù)大，喬灌結(jié)構(gòu)、帶狀布局的植物群落對(duì)微氣候的調(diào)節(jié)具有良好效果。目前研究大多是綠化對(duì)微氣候的影響以及對(duì)熱環(huán)境的緩解策略，所得結(jié)論尚缺乏對(duì)綠化配置模式中各植物的量化，且與綠化設(shè)計(jì)相脫離。因此，對(duì)于居住區(qū)綠化改善微氣候環(huán)境的研究，還需要將定性研究與定量研究相結(jié)合，得出切實(shí)可行的綠化設(shè)計(jì)策略。

3 討論與展望

本研究系統(tǒng)地概括和總結(jié)了學(xué)者基于建筑與綠化對(duì)城市居住區(qū)微氣候影響，發(fā)現(xiàn)合理優(yōu)化居住區(qū)的建筑與綠化，可以有效改善戶外活動(dòng)空間微氣候。然而，當(dāng)前相關(guān)研究成果主要集中在城市規(guī)劃的理論和對(duì)策層面，對(duì)于建筑與綠化因子的定量化還缺乏進(jìn)一步的研究，無(wú)法為城市設(shè)計(jì)與規(guī)劃管理提供科學(xué)的技術(shù)支撐。另一方面，居住區(qū)微氣候環(huán)境質(zhì)量同時(shí)受客觀因素與主觀因素的綜合影響，單方面的研究結(jié)果不能作為評(píng)價(jià)居住區(qū)微氣候環(huán)境質(zhì)量的依據(jù)。

綜上所述，未來(lái)研究應(yīng)注重定量與定性相結(jié)合、多學(xué)科交叉的研究方法，構(gòu)建更加系統(tǒng)的研究體系，進(jìn)一步將城市微氣候環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)化與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)管理策略的研究相結(jié)合，推動(dòng)城市居住區(qū)環(huán)境朝著更加宜居的方向發(fā)展。