罗丹妮 薛哲益

城市环境多样性地图在教育建筑布局设计中的应用

罗丹妮 薛哲益

(华南理工大学建筑学院建筑系 广东广州 510640)

将开阔度、风影和阴影简化整合成为一张环境多样性地图并运用于新加坡共和理工大学建筑布局分析，探究环境多样性地图在高密度教育建筑群布局设计中的运用方法，并推广到符合教育建筑模数的一般建筑群体基本型，评价了在保持容积率不变的条件下经过错位、抽取、高度变化等多种形式变化的基本群体环境微气候特征，供组团建筑的设计布局参考。

高密度教育建筑群 环境多样性地图 环境特征分区 城市微气候

随着城市化进程的不断加剧和城市密度的急剧增加，对城市空间形态的合理设计使其获得理想的环境舒适度已成为越来越重要的课题。城市空间形态与城市环境微气候密切相关，直接结果是产生多样性的城市环境。

持续增加的人口与建筑的高密度已成必然趋势，而逐渐加剧的城市热岛效应，深刻影响着城市热环境。因此，如何在高密度的城市环境中探索城市空间形态与室外环境多样性的关系并将其运用于规划分析成为了一个重要的课题。

城市气候环境由多种因素同时影响，其作用方式非常复杂，因此将各种影响因素及其影响进行简化分类并分析极其重要。梁璟严、李晓晖、肖荣波3位规划师以空气流动理论机理、夏季城市的主要风源、影响城市通风的主要规划因素为理论基础，提出城市通风廊道的规划方法，包括宽度、走向、开敞空间、相邻界面、建筑5个方面的规划控制指标［1］。据任超、吴恩融、卢茨·卡施纳3位教授介绍，在城市气候应用领域，德国早于1970年代就开始了该方向的探索，并最先研发了应用于城市规划的气候信息工具——“都市环境气候图”(Urban Climatic Map)。这一理论与技术可以从城市气候与环境学角度分析宏观、中观、微观尺度下城市现有的问题，通过对城市各项气候参数，如风向、风速、太阳辐射、气温等信息的分析，继而将所有科学研究结果转化为有针对性的城市规划建议，提供给城市规划师、建筑师、政府管理者等，改善建筑与场地绿化、自然通风、建筑物体控制和日影利用等设计与决策。其研究目的主要集中在三个方面:一是改善城市热环境，特别是降低城市热岛效应，满足城市居民热舒适度的要求;二是改善城市风环境和提高新风流通量;三是降低空气污染和改善空气品质［2］。袁超教授从高密度城市气候与规划的角度出发，探讨高密度城市内微观气候环境下热岛效应与城市形态的关系。以ArcCIS软件为平台，基于参数研究(Parametric Study)，通过一系列的数理分析揭示规划形态与天空视域因子的影响，提出在维持土地利用率的前提下，通过控制建筑密度和调整建筑高度来提高天空视域因子，以缓解高密度城市中的热岛效应［3］。在充分总结中外同行研究成果的基础上，吴恩融教授提出了一种“城市多样性地图［4］，通过图形化地图的方式清楚表现空间的环境多样性与时间的关联。本文在分析研究该方法的基础上将其运用于高密度教育建筑群空间的室外空间环境分析。

1 城市环境舒适度影响因素与环境多样性地图

“城市环境多样性地图”的城市气候分析方法，以分析城市环境多样性为目的，选择温度、阳光照射情况和风速3种因素作为基本变量，形成评价室外空间环境的一系列方式，从多个层面同时分析城市某区域在某时间段内的多方面气候情况。

选择温度、阳光照射情况和风速3种因素作为基本影响变量，不仅仅因为这些因素是影响室外热舒适度的重要指标，并且因为它们都比较容易由城市形态所定义。某个特定地区的峰值温度可由太阳辐射的情况决定，而太阳辐射的情况则可以用该地点的天空视域因子(sky view factors)即开阔度来定义。开阔度是用于表示地形、建筑对于地表单元遮蔽影响的量，在不同遮蔽条件会影响到地表所接收到的太阳辐射，因此开阔度可以反映各个区域不同的温度以及温差。开阔度的计算方法基于单点计算模型，它是以视点O(给定观察点)为原点，以某一半径作为最大可视距离，在水平面上形成一个半球，将半球内所有物体投影在该半球表面，计算半球非投影面积与半球表面积的比值，即为该点的开阔度，即开阔度=非投影面积/半球表面积。因此，可以说一定区域内任意一点的开阔度是完全由周围的建筑高、宽等因素决定的。

同时，建筑为该地区带来的阴影情况可以用简单的几何学来确定，而风在城市中的情况也可以使用软件进行模拟。因此只要我们掌握了一定地区的建筑空间形态，我们就可以确定上述变量。

现以新加坡共和理工大学校园的某局部为例，展示其开阔度、一年里每小时的阴影变化和一年内每小时的风影区情况。对于开阔度来讲，我们可以明显看出某些户外空间被高度堵塞(图1阴影图中颜色较深处)而温度波动较少，而其余开阔区的温度则更加紧密地随着天气温度波动，这可以反映出区域的温差环境。相似，可以在第二张图看出太阳阴影在某些位置很密集，而在某些位置则一直有连续不断的阳光。从图1中可以看到盛行风和其他被建筑遮挡的地方。

图1 新加坡共和理工大学环境多样性地图分析Fig.1 Analasis on environmental diversity map of the Republic Polytechnic in Singapore

为了清楚地将一个地区的气候类型分为简单的双重条件来定义环境的多样性，可以以测试数值的一定范围内的平均值作为分界线，将这个地区的3因素的条件分成“开闭的天空”、“阳光或阴影”、“有风或无风”的简单情况。简单来说，就是将环境的因素由定量转换为定性。例如将6 h以上的阳光照射定义为阳光区，6 h以下为阴影区，这样就可以将“阳光照射量的多少”简化为“阳光的有无”，方便下一步合并。用这种方式可以很简单直观地看出一个地区显著的气候环境条件。将上述3个因素组合起来，创造出一张表现一个区域中不同环境条件的组合图，也就是“环境多样性地图”的合成图。可以非常明显地从这张图看出，不同的色块颜色分别代表了8个微气候环境类型，分别为开阔——闭塞、阳光——阴影、有风——无风相互之间的排列组合。城市环境多样性地图可以非常直观而明确地反应任何一个地区在任何时间段内由不同因素相互作用而产生的微气候环境条件。

2 环境多样性地图的运用

利用环境多样性地图，我们可以将整块区域划分成开阔有风无影区、开阔无风无影区、开阔无风有影区、开阔有风有影区、闭塞有风无影区、闭塞无风无影区、闭塞有风有影区、闭塞无风有影区8种“环境特征气候带”，通过它们，我们可以非常直观地对新加坡共和理工大学这片场地进行环境情况的分析。进一步，如果将环境多样性地图与案例当地的气候条件相结合，则可以很方便地找出环境条件不佳的区域并进行相关改进。

新加坡共和理工大学地处热带雨林气候带，高温潮湿是该地区最显著的特点，在这样的气候条件下，非阴影区会令使用者直接暴露在阳光之下，风影区无法带来风的降温效果，开阔的地区会更容易受到外部气候条件(主要是高温)的影响。因此，对于新加坡共和理工大学来说，开阔无风无影的环境特征气候带是最为不利的。

得益于新加坡共和理工大学紧凑的建筑布局所带来的大片开阔绿地空间，8种气候特征中，所占比例最大的为开阔有风无影区，这是非常值得现在的许多大学校园所借鉴的。

而在舒适度方面我们可以进行推测，对于处于热带雨林气候、夏日炎热潮湿的新加坡，在这片空间中增加适当的遮阳措施或许会更有利于学生的活动。

闭塞无风有影区的比例也是较大的，这体现了高密度建筑的一般性特点。同时可以明显看出，闭塞的区域有沿建筑轮廓分布的趋势，因此四面被建筑环绕的区域——如天井或庭院空间——有着最低的开阔度，因此这些空间温差也相对更小，可以在建筑群中充当“冷巷”的作用，能够有效提高建筑周围的热环境。

在新加坡的气候条件下，非阴影区会令使用者直接暴露在阳光之下，风影区无法带来风的降温效果，开阔的地区会更容易受到外部气候条件(主要是高温)的影响。因此，对于新加坡共和理工大学来说，开阔无风无影的环境特征气候带是最为不利的。从图2可以看出，开阔无风无影区占有了相当部分的面积，这块广泛地分布在建筑周围的区域缺乏通风与遮阳，并且温度随着天气的状况在不断地变化，是一种不利的气候环境，值得反思和优化。

综上，可以根据城市环境多样性分布图推测该地区不同气候特征带的舒适度指数，评估该地区的气候特点，找到存在的问题以便于寻求改进的措施。

不过，本次分析的范围是校园内建筑群以及周围一定范围内的环境，存在一定局限性，并不能完全反应建筑群组内部的环境特点。若需要重点分析建筑群组内部的环境气候特征，可以通过用相同的方式缩小分析范围来实现。

图2 新加坡共和理工大学各环境特征气候带分布Fig.2 Each environmental characteristic climate band distribution of the Republic Polytechnic in Singapore

3 多样性地图在天井式建筑群中的运用

建筑师往往关注建筑物本身的设计以及其内部环境舒适度，却少有关注高密度建筑群体中的不同建筑形式和布局对这一块区域的微气候舒适度影响。下文将探究环境多样性地图是否可以运用于改善高密度群体建筑的环境舒适度和微气候特征，以及通过怎样的方式可以达到这种改善的目的。

据休·安德森(Hugh Anderson)对西敏斯学院新教学楼的研究，该建筑外观上的一个显著特点是南立面层层出挑，从而起到了自然遮阳的作用，而相应的北立面则层层后退，从而既增大了内部空间的自然采光，又自动地形成可以远眺绿地的平台。虽然该建筑主体占满了整个建筑用地，但是各层平台在不同的部分有着不同程度、不同形状的回退，这样就使得自然光线易于进入建筑主体内部。与之呼应的是在建筑内部的中庭各层平台也有不同的回收和旋转，伴随着各层不同的挑台和各种或多或少的开发空间，创造出一个组织简单但是视觉效果极为丰富的中央空间［5］。国内学者郝熙凯、高配涛在对“武汉百步亭社区自百步华庭”研究后表明，小区的建筑以由南向北梯度式升高的方式进行布局，有效阻挡了冬季西伯利亚冷气流，另外，这种梯度式变化可以促进夏季风的流通，从而在一定程度上保证了小区气候的舒适性。建筑高度的合理布置使得每栋建筑的各楼层能够充分地接受阳光普照［6］。

同理，我们选取符合教育建筑模数的40 m× 40 m的天井式(天井24 m×24 m)建筑作为基本型，组成5×5的方阵组团，代表一个建筑群体区域。这个区域内街道宽度24 m，容积率为1.31。在保持容积率不变的情况下，分别对该组团进行移动、抽取、高度等变化，也可以看做是给这个建筑群体中分别设置了不同位置、大小的广场或者改变了建筑的高度组合关系，并分别探究这些变化对环境多样性地图的影响。

从得出的5个基本型的环境的多样性地图可以看出，相比于最初的排列方式，将建筑群进行错动可以改善建筑之间的环境条件，避免潮湿阴暗的死角位置;抽离部分建筑从而形成“广场”可以获得大面积的有风区域，避免风影区的形成，适合于潮湿炎热地区;而单独改变建筑的高度对于环境的改进则收效甚微。

因此，从以上结果可以得出一些建筑群体设计时可以对该区域环境舒适度进行改善的措施，包括增加广场面积、错开建筑物排布等均可使建筑群体的微气候特征得到显著改善。

图3 对建筑群体中体块的变化和各项测试结果Fig.3 The change of the block in the architetural groups and each test result

图4 不同建筑群体布置的环境多样性地图结果Fig.4 Arrangement result of environmental diversity maps in different architectural groups

4 小结

环境多样性地图应用于高密度校园环境实例，通过研究一定城市形态下特定地区的开阔度、太阳阴影情况和风影区情况，从多方面分析并评价室外环境微气候特征，用一种定量的方式来评估城市气候。同时将环境多样性地图这一评估方式运用于符合教育建筑模数的一般建筑群体基本型，评价了多种形式的环境微气候，对于组团建筑的设计布局有一定的借鉴意义。

［1］ 梁璟严，李晓晖，肖荣波.城市通风廊道规划与控制方法研究——以《广州市白云新城北部延伸区控制性详细规划》为例［J］.风景园林，2014，(10):92－96.

［2］ 任超，吴恩融，卢茨·卡施纳.城市环境气候信息在德国城市规划中的应用及其启示［J］.国际城市规划，2013，(4):91－99.

［3］ 袁超.缓解高密度城市热岛效应规划方法的探讨——以香港城市为例［J］.建筑学报，2010，(4):120－123.

［4］ 吴恩融.Design High Density Cities for Social and Environmental Sustainability［M］.北京:中国建筑出版社，2014.150－162.

［5］ 休·安德森(Hugh Anderson).进步的漩涡——评斯米特·哈默·拉森(SHL)的新作:西敏斯学院新教学楼［J］.高强，译.建筑学报，2011，(6):86－95.

［6］ 郝熙凯，高配涛.微气候在景观设计中的应用前景研究［J］.中国轻工教育，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

罗丹妮(1993—)，女，本科生。E－mail:ldn@163.com