上海市宜居环境风景园林小气候适应性设计研究

上海市宜居环境风景园林小气候适应性设计研究

在世界气候变化的背景下，小范围内的环境、气候和生活条件最为密切。风景园林能否在城市人居环境小气候改善中发挥作用?风景园林环境与小气候诸因素存在着怎样的关联?依据这种联动关系,是否可以通过风景园林规划设计达到调节改善人居环境小气候的目的?这是风景园林学科具有突破性的研究领域。据此,由同济大学与西安建筑科技大学合作的“城市宜居环境风景园林小气候适应性设计理论和方法研究”国家自然科学基金重点项目申请,于2013年成功获准。项目研究围绕城市风景园林小气候系统功效、空间要素与空间形态结构、气候适宜性3个核心问题的耦合,从理论、方法、技术及案例调查验证4个方面展开(图1)。其研究内容涉及城市风景园林小气候基础理论、设计方法、关键技术集成,设计导则与评价指标体系四大部分。拟选取中国东南(夏热冬冷地区)和西北(寒冷地区)两大气候区域中3类9种空间建立案例示范,综合实践验证。3类空间分别为:一类广场类建筑密集区(包括5hm2以上、1~5hm2、1hm2以下3种规模)、二类街道/滨水区类带状空间(包括城市主干道、城市次干道、城市滨水带3种)以及3类城市居住类街区(包括居住区、小区、组团3种类型)。本文介绍了该重点项目子课题“小气候要素与风景园林空间布局间关联特性基础调查”的初步研究成果。2014年7—9月,同济大学课题组选取上海市区的广场、滨水带、街道空间进行了基础调查,对小气候影响变量中的风速、风向、相对湿度、空气温度及太阳辐射进行了实测记录。实验设备:美国产小型气象站Watchdog,每10min自记一次。测试内容:距地面1.5m高度处风速、风向、相对湿度、空气温度及太阳辐射度。测试时长:每点3天。测试日气象状况:晴朗、少云。1上海城市公园小气候要素与空间垂直和平面布局的关系1.1空间及观测系统实验目的:初步了解各小气候要素变化与广场空间平面布局、竖向间的关系。实测对象:上海创智天地广场。创智天地广场位于杨浦区创智天地产业园区内,占地面积约8400m2。广场东北—西南走向(北偏东62°),长约140m,宽约60m,整体为下沉空间,最大高差达5m。广场由高20m的商业写字楼三面围合,H/W=0.33(H为广场南北两侧建筑高度,W为南北两侧建筑间距)。实测过程:在广场空间竖向及平面结构性和特征点处布置测点(图2)。测试时间:7月23日、7月26日及8月4日,每日8:00—21:00。1.2结果与分析1.2.1到达峰值时间和至最高差值实测结果显示:3日中,广场各测点日平均空气温度均高于当日上海城市气象站数据,最大差值达3.7℃,峰值最大差值达4.2℃(表1);广场上各测点到达峰值时间均早于气象站,最多提前约3小时10分钟(表2)。结果表明:测试广场夏季空气温度偏高,高温持续时间较长,在一定程度上加剧了城市热岛效应。1.2.2日平均空气温度根据广场空间下垫面与覆盖类型,将其分为4种空间单元:无覆盖草坪空间、无覆盖硬质铺装空间、植物覆盖硬质铺装空间及建筑覆盖硬质铺装空间。实验结果显示:4种空间单元日平均空气温度(图3)由高到低依次为,无覆盖硬质铺装空间>无覆盖草坪空间>植物覆盖硬质铺装空间>建筑覆盖硬质铺装空间。其中,8:00—19:30无覆盖硬质铺装空间平均空气温度最高,19:30—21:00则为植物覆盖空间平均空气温度最高,建筑覆盖空间在整个测试时段均处于最低。结果表明,太阳辐射是影响空气温度的主要原因,相同光照条件下,无覆盖硬质下垫面空气温度高于草坪;日落后风速是影响空气温度的主因,植物覆盖空间通风效果低于其他空间单元类型,因此,空气温度偏高。1.2.3相对湿度和风速测点(8)(9)(10)位于广场西南草坡上,各测点垂直间距为2m。实验结果显示:3个测点日平均相对湿度(图4)由高到低依次为,测点(8)>测点(9)>测点(10);日平均风速(图5)由高到低依次为,测点(8)>测点(9)>测点(10)。结果表明,广场西南草坡,相对湿度随高程降低而下降,风速随高程降低而减弱。此次实测结果与已有研究结果一致。1.2.4地表和西南向斜坡空气温度对比西南向斜坡、东北向斜坡、平地3组小气候数据,结果显示(图6):8:00—14:00,空气温度与地表温度由高到低依次为东北向斜坡>平地>西南向斜坡,主要由于太阳位于东侧,东北向坡接收太阳辐射量大。东北向斜坡空气温度与平地、西南向斜坡最大温差约0.49℃、1.48℃;东北向斜坡地表温度与平地、西南向斜坡最大温差约3.84℃、1.67℃。14:00—18:00,太阳由东往西移动,西南向坡接收太阳辐射量较大,空气温度与地表温度由高到低依次为西南向斜坡>平地>东北向斜坡。西南向斜坡空气温度与平地、东北向斜坡最大温差约0.39℃、1.1℃;西南向斜坡地表温度与平地、东北向斜坡最大温差约1.02℃、13.72℃。18:00—21:00,空气温度与地表温度由高到低依次为西南向斜坡>平地>东北向斜坡,计算可知,平地接收太阳辐射总量小于西南向斜坡约346.67W/m2、大于东北向斜坡约2951.5W/m2。结果表明:日间斜坡空气温度和地表温度与太阳方位角相关,夜间空气温度、地表温度与太阳辐射总量相关。1.3广场小气候设计1)选取适宜的广场下垫面类型。2)增加建筑和植物遮荫面积。太阳辐射是影响日间广场空气温度的主要原因,实测结果显示,建筑遮阴降温效果优于植物遮阴,但植物能有效调节空气湿度,具有生态效能。在广场设计中,改变广场周围建筑物的围合关系能有效增加由建筑产生的阴影面积,避免太阳直射,是降低空气温度有效手段之一;增加落叶阔叶乔木特别是冠幅较大的乔木来提供遮荫,根据植物蒸腾速率规律进行合理配置,不仅可以降低空气温度,还可以调节空气湿度,属于综合改善夏季广场小气候的生态化途径。3)有效引导风向、改变风速。广场走向与城市主导风向一致时有利于气流疏导,增大空气流速及场地热交换,降低空气温度。在中国南方地区,广场设计应以改善夏季小气候热环境为主要目的,走向应尽量与城市夏季主导风向一致,并保持此方向空间通透。4)合理营造广场竖向空间。广场下沉空间是良好的避风场所,可有效降低周围高层建筑形成的风影效应和峡谷效应,但不利于广场夏季散热,因而应合理处理下沉广场的高差或减少下沉广场的设置。特别对于中国南方地区,为有利于广场夏季散热,其竖向应增加微地形隆起变化,在北向斜坡设置活动场地,营造凉爽空间。2上海滨水区小气候因素与空间断面的关系2.1内河道宽、宽带设计实验目的:探求滨水带空间断面形式与小气候要素变化关系。实测对象:上海市苏州河光复西路段西岸滨水绿带。苏州河光复西路段,河道南北走向(与正南北呈18°),研究范围内河道宽约45m,长约426.6m,西岸滨水绿带宽约18~20m,植被覆盖率约84%。河道两岸为高层居住建筑,两岸建筑间距约113.6m,H/W=0.35(H为两岸建筑高度,W为两岸建筑间距)。实测过程:选取研究范围内典型断面9个,在断面特征点处布置测点11个(图7)。实测时间:7月22日、7月24日及8月3日,每日8:00—18:00。2.2试验数据和分析结果2.2.1最大高温首次出现时间表4可见测点日平均温度(除测点(6))均低于当日城市气象站数据,最大差值约1.4℃。表4可见各测点最高温首次出现时间相比城市气象站均有所推迟,平均推迟时间为1.8h。结果表明,城市中的河流与滨水绿带在夏季可以有效地降低空气温度,缩短高温时长,在一定程度上缓解夏季城市热岛。2.2.2测点温湿度、植物受到影响以乔灌草绿量比为参数,试验地植物群落现状见表5,绿量依照陈自新等提出的回归模型进行计算,各断面所在样地的绿量及乔灌草绿量比见表6。将测点(6)(7)(9)3日平均空气温度进行比较(图8),并与绿量表(表6)对照,可见,植物绿量与空气温度呈负相关,绿量越大,空气温度越低,降温效果越明显。将测点(6)(7)(9)3日平均相对湿度进行比较(图9)排序,可见,测点(7)(乔—灌—草)>测点(9)(乔—草)>测点(6)(乔)。结果表明植被空间结构越复杂,增湿效果越明显。将测点(6)(7)(9)3日平均风速进行比较(图10)排序,可见,测点(9)(乔—草)>测点(6)(乔)>测点(7)(乔—灌—草)。结果表明,草坪对风速影响较小;叶面积总量较大的大灌木(高度3~3.5m)或小乔木降低风速效果显著。结果表明,植被空间结构对风速有直接影响,植被空间结构越复杂、乔灌木绿量越大,对风速减弱效果越明显。将测点(6)(7)(9)3日平均太阳辐射强度进行比较(图11)排序,可见,测点(6)(乔)>测点(7)(乔—灌—草)>测点(9)(乔—草)。结合绿量及乔灌草比例,可知,乔木绿量与所接收的太阳辐射量相关性最强,乔木绿量越大,测点所接收的太阳辐射强度越小。2.2.3草坪草坪、草坪、草坪、草坪、草坪、草坪、空气温度和风场特征与风速关联性分析实验还实测研究了坡面形式、乔木郁闭度、临河灌木高度对小气候的影响,结果如下。1)不同坡面形式对小气候的影响存在差异,降温增湿方面,草坪台地与草坪坡地优于硬质台阶;风的引导方面,草坪台地优于草坪坡地及硬质台阶。2)乔木郁闭度与太阳辐射、空气温度呈负相关,与相对湿度呈正相关,与风速关联性较低。乔木的空间布局将直接影响太阳辐射强度最大值出现的时间。3)临河灌木具有降低风速的作用,灌木越高,风速减弱越明显,但两者间非简单的线性关系。2.3对我国地理气候的影响植被空间结构对滨水带小气候具有显著影响,建立合理的乔—灌—草复层群落种植结构,是夏季滨水带小气候适宜性规划设计的措施之一。在植物配置过程中可优先考虑乔─草结构,既能有效控制太阳辐射量、降低空气温度,又能引导河道风进入滨水绿带中,增加空气对流,提高舒适度。2)提高乔木郁闭度。实测可见,乔木郁闭度与太阳辐射强度呈负相关,提高郁闭度是降低太阳辐射度与温度,增加湿度的有效手段之一。3)选取适宜的坡面形式。为满足夏季降温增湿要求,应尽量选择草坡、草坪台地或木质台地,减少硬质铺装的使用;滨河无灌木(小乔木)阻挡的台地可结合观景平台进行设计,为使用者提供一个感受河风的游憩空间。3上海小气候要素与空间形态的关系研究3.1道路长度、分布实验目的:初步了解各小气候要素变化与街道空间形态间的关系。实测对象:上海市金陵东路及与之邻接的广西南路、浙江南路。金陵东路位于黄浦区,为城市干道,东北—西南走向(东西走向偏北35°),宽度为15m,两侧建筑高度约为15~17m,基本无行道树覆盖;广西南路、浙江南路与金陵东路正交,为城市次干道,东南—西北走向,宽度分别为9m,15m。研究区域内道路长度金陵东路约为200m,广西南路100m,浙江南路50m。实测过程:根据路段走向、街道两侧建筑形态和街道界面选取特征点布置测点(图12,表7)。测试时间:8月26日、8月30日及8月31日,每日7:00—19:00。3.2试验数据和分析结果3.2.1太阳辐射值分布由图13可知,受两侧建筑阴影影响,9:00—14:00,测点(2)所在的街道西北界面太阳辐射值高于测点(1)所在的东南界面,并在12:30达到峰值;14:00—17:00,测点(1)太阳辐射值高于测点(2),并在15:30左右达到峰值。结果表明,建筑阴影对街道界面太阳辐射得热具有较大影响。3.2.2金陵东南角风速带金陵东路(1)(2)测点太阳辐射平均值与浙江南路(3)(4)测点比较可见(图14),7:00—12:00,浙江南路高于金陵东路;14:00—16:00浙江南路低于金陵东路。比较(1)(2)测点与(3)(4)测点平均风速可见(图15),平行于三日主导风向(东北向)的浙江南路高于垂直于主导风向的金陵东路,浙江南路最大风速达6km/h,金陵东路最大风速为3km/h。受太阳辐射及风速综合影响,(1)(2)测点与(3)(4)测点平均空气温度(图16)7:00—12:00间差异较小,12:00—19:00间(3)(4)测点小于(1)(2)测点。结果表明,街道走向决定街道界面太阳辐射得热,通风口位置和街区层峡空气气流方向,三者综合作用影响街道空气温度。3.2.3太阳辐射度、空气温度及风速对比金陵东路上骑楼架空层外测点(2)与架空层内测点可见,测点太阳辐射度、空气温度及风速均小于测点(2),但测点湿度大于测点(2)。结果表明,街道建筑细部的设计,如骑楼、房檐和门斗等,能在夏季为街道提供降温、避暑空间。3.3街道走向、建筑细部和小气候街道走向对街道小气候有显著影响,是街道小气候适宜性规划设计的关键。在新城规划建设中,控制街道走向,改变街道周围建筑的围合关系与高宽比能有效增加建筑阴影面积,避免太阳直射;与主导风向平行的街道走向能有效引导风的流动,增大空气流速及热交换,达到夏季降温的目的。2)增加建筑遮阴面积。实测发现建筑细部骑楼对街道的小气候,特别是夏季降温增湿有明显作用。对于中国南方地区,在街道两侧建筑物的设计中,建议结合地方特色,加入骑楼等建筑细部,可在夏季为街道提供避暑空间,有效降低局部空气温度。3)建立街道复合型绿化配置。适宜的街道绿化垂直结构能对小气候要素起到良好的控制和调节作用。采取复合型绿化配置形式,适当丰富群落垂直结构,对稳定街道小气候环境有较为显著的效果,同时应注意控制行道树整体树高和分支点高度,可对优化垂直空间结构直接起作用。4夏季风景园林小气候改善作用1)广场是城市最基本且最具代表性的空间类型之一。本次测试比较了广场中4种空间单元(无覆盖硬质铺装空间、草坪空间、植物