上海市宜居環(huán)境風景園林小氣候適應(yīng)性設(shè)計研究

上海市宜居環(huán)境風景園林小氣候適應(yīng)性設(shè)計研究

在世界氣候變化的背景下，小范圍內(nèi)的環(huán)境、氣候和生活條件最為密切。風景園林能否在城市人居環(huán)境小氣候改善中發(fā)揮作用?風景園林環(huán)境與小氣候諸因素存在著怎樣的關(guān)聯(lián)?依據(jù)這種聯(lián)動關(guān)系,是否可以通過風景園林規(guī)劃設(shè)計達到調(diào)節(jié)改善人居環(huán)境小氣候的目的?這是風景園林學(xué)科具有突破性的研究領(lǐng)域。據(jù)此,由同濟大學(xué)與西安建筑科技大學(xué)合作的“城市宜居環(huán)境風景園林小氣候適應(yīng)性設(shè)計理論和方法研究”國家自然科學(xué)基金重點項目申請,于2013年成功獲準。項目研究圍繞城市風景園林小氣候系統(tǒng)功效、空間要素與空間形態(tài)結(jié)構(gòu)、氣候適宜性3個核心問題的耦合,從理論、方法、技術(shù)及案例調(diào)查驗證4個方面展開(圖1)。其研究內(nèi)容涉及城市風景園林小氣候基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法、關(guān)鍵技術(shù)集成,設(shè)計導(dǎo)則與評價指標體系四大部分。擬選取中國東南(夏熱冬冷地區(qū))和西北(寒冷地區(qū))兩大氣候區(qū)域中3類9種空間建立案例示范,綜合實踐驗證。3類空間分別為:一類廣場類建筑密集區(qū)(包括5hm2以上、1~5hm2、1hm2以下3種規(guī)模)、二類街道/濱水區(qū)類帶狀空間(包括城市主干道、城市次干道、城市濱水帶3種)以及3類城市居住類街區(qū)(包括居住區(qū)、小區(qū)、組團3種類型)。本文介紹了該重點項目子課題“小氣候要素與風景園林空間布局間關(guān)聯(lián)特性基礎(chǔ)調(diào)查”的初步研究成果。2014年7—9月,同濟大學(xué)課題組選取上海市區(qū)的廣場、濱水帶、街道空間進行了基礎(chǔ)調(diào)查,對小氣候影響變量中的風速、風向、相對濕度、空氣溫度及太陽輻射進行了實測記錄。實驗設(shè)備:美國產(chǎn)小型氣象站W(wǎng)atchdog,每10min自記一次。測試內(nèi)容:距地面1.5m高度處風速、風向、相對濕度、空氣溫度及太陽輻射度。測試時長:每點3天。測試日氣象狀況:晴朗、少云。1上海城市公園小氣候要素與空間垂直和平面布局的關(guān)系1.1空間及觀測系統(tǒng)實驗?zāi)康?初步了解各小氣候要素變化與廣場空間平面布局、豎向間的關(guān)系。實測對象:上海創(chuàng)智天地廣場。創(chuàng)智天地廣場位于楊浦區(qū)創(chuàng)智天地產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi),占地面積約8400m2。廣場東北—西南走向(北偏東62°),長約140m,寬約60m,整體為下沉空間,最大高差達5m。廣場由高20m的商業(yè)寫字樓三面圍合,H/W=0.33(H為廣場南北兩側(cè)建筑高度,W為南北兩側(cè)建筑間距)。實測過程:在廣場空間豎向及平面結(jié)構(gòu)性和特征點處布置測點(圖2)。測試時間:7月23日、7月26日及8月4日,每日8:00—21:00。1.2結(jié)果與分析1.2.1到達峰值時間和至最高差值實測結(jié)果顯示:3日中,廣場各測點日平均空氣溫度均高于當日上海城市氣象站數(shù)據(jù),最大差值達3.7℃,峰值最大差值達4.2℃(表1);廣場上各測點到達峰值時間均早于氣象站,最多提前約3小時10分鐘(表2)。結(jié)果表明:測試廣場夏季空氣溫度偏高,高溫持續(xù)時間較長,在一定程度上加劇了城市熱島效應(yīng)。1.2.2日平均空氣溫度根據(jù)廣場空間下墊面與覆蓋類型,將其分為4種空間單元:無覆蓋草坪空間、無覆蓋硬質(zhì)鋪裝空間、植物覆蓋硬質(zhì)鋪裝空間及建筑覆蓋硬質(zhì)鋪裝空間。實驗結(jié)果顯示:4種空間單元日平均空氣溫度(圖3)由高到低依次為,無覆蓋硬質(zhì)鋪裝空間>無覆蓋草坪空間>植物覆蓋硬質(zhì)鋪裝空間>建筑覆蓋硬質(zhì)鋪裝空間。其中,8:00—19:30無覆蓋硬質(zhì)鋪裝空間平均空氣溫度最高,19:30—21:00則為植物覆蓋空間平均空氣溫度最高,建筑覆蓋空間在整個測試時段均處于最低。結(jié)果表明,太陽輻射是影響空氣溫度的主要原因,相同光照條件下,無覆蓋硬質(zhì)下墊面空氣溫度高于草坪;日落后風速是影響空氣溫度的主因,植物覆蓋空間通風效果低于其他空間單元類型,因此,空氣溫度偏高。1.2.3相對濕度和風速測點(8)(9)(10)位于廣場西南草坡上,各測點垂直間距為2m。實驗結(jié)果顯示:3個測點日平均相對濕度(圖4)由高到低依次為,測點(8)>測點(9)>測點(10);日平均風速(圖5)由高到低依次為,測點(8)>測點(9)>測點(10)。結(jié)果表明,廣場西南草坡,相對濕度隨高程降低而下降,風速隨高程降低而減弱。此次實測結(jié)果與已有研究結(jié)果一致。1.2.4地表和西南向斜坡空氣溫度對比西南向斜坡、東北向斜坡、平地3組小氣候數(shù)據(jù),結(jié)果顯示(圖6):8:00—14:00,空氣溫度與地表溫度由高到低依次為東北向斜坡>平地>西南向斜坡,主要由于太陽位于東側(cè),東北向坡接收太陽輻射量大。東北向斜坡空氣溫度與平地、西南向斜坡最大溫差約0.49℃、1.48℃;東北向斜坡地表溫度與平地、西南向斜坡最大溫差約3.84℃、1.67℃。14:00—18:00,太陽由東往西移動,西南向坡接收太陽輻射量較大,空氣溫度與地表溫度由高到低依次為西南向斜坡>平地>東北向斜坡。西南向斜坡空氣溫度與平地、東北向斜坡最大溫差約0.39℃、1.1℃;西南向斜坡地表溫度與平地、東北向斜坡最大溫差約1.02℃、13.72℃。18:00—21:00,空氣溫度與地表溫度由高到低依次為西南向斜坡>平地>東北向斜坡,計算可知,平地接收太陽輻射總量小于西南向斜坡約346.67W/m2、大于東北向斜坡約2951.5W/m2。結(jié)果表明:日間斜坡空氣溫度和地表溫度與太陽方位角相關(guān),夜間空氣溫度、地表溫度與太陽輻射總量相關(guān)。1.3廣場小氣候設(shè)計1)選取適宜的廣場下墊面類型。2)增加建筑和植物遮蔭面積。太陽輻射是影響日間廣場空氣溫度的主要原因,實測結(jié)果顯示,建筑遮陰降溫效果優(yōu)于植物遮陰,但植物能有效調(diào)節(jié)空氣濕度,具有生態(tài)效能。在廣場設(shè)計中,改變廣場周圍建筑物的圍合關(guān)系能有效增加由建筑產(chǎn)生的陰影面積,避免太陽直射,是降低空氣溫度有效手段之一;增加落葉闊葉喬木特別是冠幅較大的喬木來提供遮蔭,根據(jù)植物蒸騰速率規(guī)律進行合理配置,不僅可以降低空氣溫度,還可以調(diào)節(jié)空氣濕度,屬于綜合改善夏季廣場小氣候的生態(tài)化途徑。3)有效引導(dǎo)風向、改變風速。廣場走向與城市主導(dǎo)風向一致時有利于氣流疏導(dǎo),增大空氣流速及場地熱交換,降低空氣溫度。在中國南方地區(qū),廣場設(shè)計應(yīng)以改善夏季小氣候熱環(huán)境為主要目的,走向應(yīng)盡量與城市夏季主導(dǎo)風向一致,并保持此方向空間通透。4)合理營造廣場豎向空間。廣場下沉空間是良好的避風場所,可有效降低周圍高層建筑形成的風影效應(yīng)和峽谷效應(yīng),但不利于廣場夏季散熱,因而應(yīng)合理處理下沉廣場的高差或減少下沉廣場的設(shè)置。特別對于中國南方地區(qū),為有利于廣場夏季散熱,其豎向應(yīng)增加微地形隆起變化,在北向斜坡設(shè)置活動場地,營造涼爽空間。2上海濱水區(qū)小氣候因素與空間斷面的關(guān)系2.1內(nèi)河道寬、寬帶設(shè)計實驗?zāi)康?探求濱水帶空間斷面形式與小氣候要素變化關(guān)系。實測對象:上海市蘇州河光復(fù)西路段西岸濱水綠帶。蘇州河光復(fù)西路段,河道南北走向(與正南北呈18°),研究范圍內(nèi)河道寬約45m,長約426.6m,西岸濱水綠帶寬約18~20m,植被覆蓋率約84%。河道兩岸為高層居住建筑,兩岸建筑間距約113.6m,H/W=0.35(H為兩岸建筑高度,W為兩岸建筑間距)。實測過程:選取研究范圍內(nèi)典型斷面9個,在斷面特征點處布置測點11個(圖7)。實測時間:7月22日、7月24日及8月3日,每日8:00—18:00。2.2試驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果2.2.1最大高溫首次出現(xiàn)時間表4可見測點日平均溫度(除測點(6))均低于當日城市氣象站數(shù)據(jù),最大差值約1.4℃。表4可見各測點最高溫首次出現(xiàn)時間相比城市氣象站均有所推遲,平均推遲時間為1.8h。結(jié)果表明,城市中的河流與濱水綠帶在夏季可以有效地降低空氣溫度,縮短高溫時長,在一定程度上緩解夏季城市熱島。2.2.2測點溫濕度、植物受到影響以喬灌草綠量比為參數(shù),試驗地植物群落現(xiàn)狀見表5,綠量依照陳自新等提出的回歸模型進行計算,各斷面所在樣地的綠量及喬灌草綠量比見表6。將測點(6)(7)(9)3日平均空氣溫度進行比較(圖8),并與綠量表(表6)對照,可見,植物綠量與空氣溫度呈負相關(guān),綠量越大,空氣溫度越低,降溫效果越明顯。將測點(6)(7)(9)3日平均相對濕度進行比較(圖9)排序,可見,測點(7)(喬—灌—草)>測點(9)(喬—草)>測點(6)(喬)。結(jié)果表明植被空間結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,增濕效果越明顯。將測點(6)(7)(9)3日平均風速進行比較(圖10)排序,可見,測點(9)(喬—草)>測點(6)(喬)>測點(7)(喬—灌—草)。結(jié)果表明,草坪對風速影響較小;葉面積總量較大的大灌木(高度3~3.5m)或小喬木降低風速效果顯著。結(jié)果表明,植被空間結(jié)構(gòu)對風速有直接影響,植被空間結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、喬灌木綠量越大,對風速減弱效果越明顯。將測點(6)(7)(9)3日平均太陽輻射強度進行比較(圖11)排序,可見,測點(6)(喬)>測點(7)(喬—灌—草)>測點(9)(喬—草)。結(jié)合綠量及喬灌草比例,可知,喬木綠量與所接收的太陽輻射量相關(guān)性最強,喬木綠量越大,測點所接收的太陽輻射強度越小。2.2.3草坪草坪、草坪、草坪、草坪、草坪、草坪、空氣溫度和風場特征與風速關(guān)聯(lián)性分析實驗還實測研究了坡面形式、喬木郁閉度、臨河灌木高度對小氣候的影響,結(jié)果如下。1)不同坡面形式對小氣候的影響存在差異,降溫增濕方面,草坪臺地與草坪坡地優(yōu)于硬質(zhì)臺階;風的引導(dǎo)方面,草坪臺地優(yōu)于草坪坡地及硬質(zhì)臺階。2)喬木郁閉度與太陽輻射、空氣溫度呈負相關(guān),與相對濕度呈正相關(guān),與風速關(guān)聯(lián)性較低。喬木的空間布局將直接影響太陽輻射強度最大值出現(xiàn)的時間。3)臨河灌木具有降低風速的作用,灌木越高,風速減弱越明顯,但兩者間非簡單的線性關(guān)系。2.3對我國地理氣候的影響植被空間結(jié)構(gòu)對濱水帶小氣候具有顯著影響,建立合理的喬—灌—草復(fù)層群落種植結(jié)構(gòu),是夏季濱水帶小氣候適宜性規(guī)劃設(shè)計的措施之一。在植物配置過程中可優(yōu)先考慮喬─草結(jié)構(gòu),既能有效控制太陽輻射量、降低空氣溫度,又能引導(dǎo)河道風進入濱水綠帶中,增加空氣對流,提高舒適度。2)提高喬木郁閉度。實測可見,喬木郁閉度與太陽輻射強度呈負相關(guān),提高郁閉度是降低太陽輻射度與溫度,增加濕度的有效手段之一。3)選取適宜的坡面形式。為滿足夏季降溫增濕要求,應(yīng)盡量選擇草坡、草坪臺地或木質(zhì)臺地,減少硬質(zhì)鋪裝的使用;濱河無灌木(小喬木)阻擋的臺地可結(jié)合觀景平臺進行設(shè)計,為使用者提供一個感受河風的游憩空間。3上海小氣候要素與空間形態(tài)的關(guān)系研究3.1道路長度、分布實驗?zāi)康?初步了解各小氣候要素變化與街道空間形態(tài)間的關(guān)系。實測對象:上海市金陵東路及與之鄰接的廣西南路、浙江南路。金陵東路位于黃浦區(qū),為城市干道,東北—西南走向(東西走向偏北35°),寬度為15m,兩側(cè)建筑高度約為15~17m,基本無行道樹覆蓋;廣西南路、浙江南路與金陵東路正交,為城市次干道,東南—西北走向,寬度分別為9m,15m。研究區(qū)域內(nèi)道路長度金陵東路約為200m,廣西南路100m,浙江南路50m。實測過程:根據(jù)路段走向、街道兩側(cè)建筑形態(tài)和街道界面選取特征點布置測點(圖12,表7)。測試時間:8月26日、8月30日及8月31日,每日7:00—19:00。3.2試驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果3.2.1太陽輻射值分布由圖13可知,受兩側(cè)建筑陰影影響,9:00—14:00,測點(2)所在的街道西北界面太陽輻射值高于測點(1)所在的東南界面,并在12:30達到峰值;14:00—17:00,測點(1)太陽輻射值高于測點(2),并在15:30左右達到峰值。結(jié)果表明,建筑陰影對街道界面太陽輻射得熱具有較大影響。3.2.2金陵東南角風速帶金陵東路(1)(2)測點太陽輻射平均值與浙江南路(3)(4)測點比較可見(圖14),7:00—12:00,浙江南路高于金陵東路;14:00—16:00浙江南路低于金陵東路。比較(1)(2)測點與(3)(4)測點平均風速可見(圖15),平行于三日主導(dǎo)風向(東北向)的浙江南路高于垂直于主導(dǎo)風向的金陵東路,浙江南路最大風速達6km/h,金陵東路最大風速為3km/h。受太陽輻射及風速綜合影響,(1)(2)測點與(3)(4)測點平均空氣溫度(圖16)7:00—12:00間差異較小,12:00—19:00間(3)(4)測點小于(1)(2)測點。結(jié)果表明,街道走向決定街道界面太陽輻射得熱,通風口位置和街區(qū)層峽空氣氣流方向,三者綜合作用影響街道空氣溫度。3.2.3太陽輻射度、空氣溫度及風速對比金陵東路上騎樓架空層外測點(2)與架空層內(nèi)測點可見,測點太陽輻射度、空氣溫度及風速均小于測點(2),但測點濕度大于測點(2)。結(jié)果表明,街道建筑細部的設(shè)計,如騎樓、房檐和門斗等,能在夏季為街道提供降溫、避暑空間。3.3街道走向、建筑細部和小氣候街道走向?qū)值佬夂蛴酗@著影響,是街道小氣候適宜性規(guī)劃設(shè)計的關(guān)鍵。在新城規(guī)劃建設(shè)中,控制街道走向,改變街道周圍建筑的圍合關(guān)系與高寬比能有效增加建筑陰影面積,避免太陽直射;與主導(dǎo)風向平行的街道走向能有效引導(dǎo)風的流動,增大空氣流速及熱交換,達到夏季降溫的目的。2)增加建筑遮陰面積。實測發(fā)現(xiàn)建筑細部騎樓對街道的小氣候,特別是夏季降溫增濕有明顯作用。對于中國南方地區(qū),在街道兩側(cè)建筑物的設(shè)計中,建議結(jié)合地方特色,加入騎樓等建筑細部,可在夏季為街道提供避暑空間,有效降低局部空氣溫度。3)建立街道復(fù)合型綠化配置。適宜的街道綠化垂直結(jié)構(gòu)能對小氣候要素起到良好的控制和調(diào)節(jié)作用。采取復(fù)合型綠化配置形式,適當豐富群落垂直結(jié)構(gòu),對穩(wěn)定街道小氣候環(huán)境有較為顯著的效果,同時應(yīng)注意控制行道樹整體樹高和分支點高度,可對優(yōu)化垂直空間結(jié)構(gòu)直接起作用。4夏季風景園林小氣候改善作用1)廣場是城市最基本且最具代表性的空間類型之一。本次測試比較了廣場中4種空間單元(無覆蓋硬質(zhì)鋪裝空間、草坪空間、植物