淺析城市規(guī)劃建設(shè)受氣候條件影響

張旺平

摘要：氣候條件對(duì)城市規(guī)劃與建設(shè)有諸多方面的影響，尤其在為城市居民創(chuàng)造一個(gè)舒適的生活環(huán)境，防止城市環(huán)境的污染等方面，關(guān)系更為密切。建設(shè)生態(tài)城市，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展，正成為新世界各國(guó)城市共同追求的發(fā)展目標(biāo)，要保持城市生態(tài)平衡和城市居住環(huán)境優(yōu)美，氣候條件是很重要的因素之一，本文以影響城市規(guī)劃與建設(shè)的風(fēng)象、氣溫、太陽(yáng)輻射、降水與濕度等自然氣象因素進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：氣象因素；風(fēng)象；氣溫；太陽(yáng)輻射；降水與濕度

一、風(fēng)象

風(fēng)象對(duì)城市布局尤其是工業(yè)區(qū)與居住區(qū)的布局有重大影響，同時(shí)也影響城市通風(fēng)、防風(fēng)、抗風(fēng)等工程的設(shè)計(jì)與安排。風(fēng)象的主要內(nèi)容包括風(fēng)向、風(fēng)速以及其他風(fēng)象（如靜風(fēng)、山谷風(fēng)、海陸風(fēng)等的頻次與特征），風(fēng)是地面大氣的水平移動(dòng)，由風(fēng)向與風(fēng)速兩個(gè)量表示。根據(jù)城市多年風(fēng)向觀測(cè)記錄匯總所繪制的風(fēng)向頻率圖和平均風(fēng)速圖又稱風(fēng)玫瑰圖。在傳統(tǒng)的城市規(guī)劃中，對(duì)工業(yè)區(qū)和居住區(qū)的布局主要依據(jù)風(fēng)玫瑰圖，上世紀(jì)50年代至80年代的城市規(guī)劃實(shí)踐中，所遵循的一條重要原則是考慮把工業(yè)布局于城市的下風(fēng)和下水方向，上風(fēng)方向建居民區(qū)。隨著科學(xué)的進(jìn)步，人們對(duì)風(fēng)象的研究不斷深入，在進(jìn)行城市用地規(guī)劃布局時(shí)，同時(shí)還考慮最小風(fēng)頻風(fēng)向，靜風(fēng)頻率，各盛行風(fēng)向的季節(jié)變換及風(fēng)速關(guān)系。此外，城市總體布局在綠地安排和道路系統(tǒng)規(guī)劃中也應(yīng)考慮自然通風(fēng)的要求，如大面積綠地安排成楔狀插入城市，以導(dǎo)引風(fēng)向；道路系統(tǒng)的走向可與冬季盛行風(fēng)向成一定角度，以減輕寒風(fēng)對(duì)城市的侵襲。對(duì)城市局部地段在溫差熱力作用下產(chǎn)生的小范圍空氣環(huán)流也應(yīng)考慮，處理得當(dāng)有利于該地段的自然通風(fēng)。如在山地背風(fēng)面，由于會(huì)產(chǎn)生機(jī)械性渦流，布置于此的建筑有利于通風(fēng)，但其上風(fēng)向若為污染源時(shí)，則也會(huì)因之而加劇污染。

民間所說(shuō)的“風(fēng)水”也蘊(yùn)含著一定的氣象、水文和環(huán)境科學(xué)道理，只不過(guò)是“風(fēng)水先生”人為地加進(jìn)一些神秘的色彩而已。我國(guó)位于北半球，太陽(yáng)從東邊升起，從西邊落下，冬季太陽(yáng)高度角較小，朝南的門、窗可接受更多的太陽(yáng)光，提高室內(nèi)溫度。夏季，太陽(yáng)高度增大，朝南的房子陽(yáng)光從門、窗射入屋內(nèi)的機(jī)會(huì)較少，故有利于夏天室內(nèi)保持涼爽。另外，我國(guó)位于東亞季風(fēng)區(qū)，夏季盛行南到西南風(fēng)，冬季盛行西北風(fēng)，所以，房屋“坐北向南”是最佳選擇，炎夏時(shí)有涼爽的南風(fēng)，冬季又避開寒冷的北風(fēng)，確保了室內(nèi)的冬暖夏涼。

古代的寺院和道觀均建在深山密林之中是有一定的道理的。背靠青山，冬季可擋住凜冽寒風(fēng)，夏季可迎來(lái)清涼南風(fēng)，潺潺溪流則是提供生活必要的水源，深山密林又提供了清新的空氣，而堅(jiān)實(shí)的巖層地基又使建筑物歷經(jīng)數(shù)百年而不倒。

風(fēng)對(duì)建筑施工也有很大影響，主要表現(xiàn)在風(fēng)力較大時(shí)，高空塔吊不能轉(zhuǎn)動(dòng)自如，甚至可能發(fā)生塔吊出軌，翻倒事故。如果地面風(fēng)在4級(jí)以上，則高空風(fēng)力會(huì)更大，既不利于施工進(jìn)展，也影響作業(yè)安全。

二、氣溫

氣溫對(duì)于城市規(guī)劃與建設(shè)也有影響。如城市所在地區(qū)的日溫差或年溫差較大時(shí)，會(huì)給建筑工程的設(shè)施與施工帶來(lái)影響，在工業(yè)配置時(shí)，需根據(jù)氣溫條件，考慮工業(yè)工藝的適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，在生活居住方面，則應(yīng)根據(jù)氣溫狀況考慮生活居住區(qū)的降溫或采暖設(shè)備的設(shè)置等問(wèn)題。冬季的嚴(yán)寒和夏季的酷熱，對(duì)人們的生活和生產(chǎn)帶來(lái)了不舒適的感覺(jué)。因此，在房屋設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮當(dāng)?shù)氐臍夂蚯闆r。按照人體的生理要求制定采暖和空調(diào)的溫度指標(biāo)值，達(dá)到這些指標(biāo)值，就可以裝置采暖或空調(diào)。

我國(guó)規(guī)定以累年日平均氣溫低于或等于5℃的天數(shù)大于90天者為集中采暖區(qū)（冬季采暖溫度指標(biāo)）。在建筑工程設(shè)計(jì)中，空調(diào)的設(shè)計(jì)負(fù)荷主要由夏季室外空氣狀態(tài)決定。當(dāng)利用蒸發(fā)冷卻已不滿足降溫的需要，而必須采用冷源來(lái)冷卻時(shí)，要使空氣溫度降低1℃所需的成本，比起使空氣溫度升高1℃要貴幾十倍，所以空調(diào)的室外計(jì)算溫度和濕度的確定是至關(guān)重要的。冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度是由冬季（12-2月）平均每年不保證1天的日平均溫度來(lái)確定，夏季空調(diào)室外計(jì)算溫度是由夏季（6-8月）平均每年不保證5天的日平均溫度來(lái)確定。按照計(jì)算出的各城市室外計(jì)算溫度設(shè)計(jì)冬夏空調(diào)的荷載，就平均而言，冬季每年有1天的日平均溫度低于此計(jì)算值，在這種低溫日子里不保證空調(diào)防寒，而夏季每年有5天的日平均溫度高于此計(jì)算值，在這種高溫日子里不保證空調(diào)能達(dá)到將室內(nèi)氣溫調(diào)節(jié)到適當(dāng)值。我國(guó)空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定對(duì)于無(wú)特殊要求的民用建筑、空調(diào)室內(nèi)溫度為26℃-30℃之間。

在日溫差較大的地區(qū)（尤其在冬天），常常因?yàn)橐归g城市地面散熱冷卻來(lái)得快，大氣層中下冷上熱，而在城市上空出現(xiàn)逆溫層現(xiàn)象，在靜風(fēng)或谷地地區(qū)，加上山坡氣流下沉，更加劇這一現(xiàn)象。這時(shí)城市上空大氣比較穩(wěn)定，有害工業(yè)煙氣滯留或擴(kuò)散緩慢，進(jìn)而加劇了城市環(huán)境的污染。

此外，城市由于建筑密集，生產(chǎn)與生活活動(dòng)過(guò)程散發(fā)大量熱量，往往出現(xiàn)市區(qū)氣溫比郊外高的現(xiàn)象，即所謂“熱島效應(yīng)”，尤其在大城市中更為突出。廣東省氣象局熱帶所吳兌教授的研究顯示，廣州近年來(lái)出現(xiàn)連日高溫酷熱天氣總結(jié)起來(lái)取決于八個(gè)因素，其中竟有三個(gè)因素與城市規(guī)劃有關(guān)。第一，玻璃幕墻多，增加熱輻射?？茖W(xué)數(shù)據(jù)顯示，在夏天，如果玻璃幕墻將陽(yáng)光直接反射至對(duì)面居民家中，可導(dǎo)致室內(nèi)溫度上升4℃-6℃，現(xiàn)在，廣州大型建筑采用的玻璃幕墻，釉面磚墻，鋁合金板建材，不但容易造成光污染、白亮污染等，還能形成增溫效果。這些建筑材料反射系數(shù)達(dá)70%至90%（森林草地的反射系數(shù)為10%-20%）。第二，建筑有高低，散熱功能弱。據(jù)吳兌教授的研究，廣州建筑密度不斷增大，城市粗糙度（建設(shè)高低不平）變大，導(dǎo)致城市散熱條件變差，散熱功能弱化。因此出現(xiàn)的類似熱島效應(yīng)，在廣州市老城市如東山區(qū)和荔灣區(qū)比較明顯，廣州原來(lái)的氣候優(yōu)勢(shì)在于城區(qū)風(fēng)速較大，一般年平均風(fēng)速可達(dá)2米/秒以上，而近幾年在一些老城區(qū)年平均風(fēng)速不足1米/秒。第三，石材建筑多，建筑密度大。據(jù)介紹，泥石材的熱容量（單位體積內(nèi)容納的熱量）很小，在接受熱源輻射時(shí)加熱快，導(dǎo)致氣溫快速升高。這種因素所導(dǎo)致的熱島效應(yīng)在廣州并不明顯，但由于珠三角的城市圈、城市群較為緊湊，所以珠三角地區(qū)整體城市熱島現(xiàn)象十分明顯，局部地區(qū)可以形成1℃-2℃增溫。對(duì)此，廣州市有關(guān)專家建議，為了讓廣州回復(fù)涼爽，“氣象論證”應(yīng)逐步納入城市規(guī)劃?？梢砸虻刂埔说赝ㄟ^(guò)對(duì)山谷、河流、巷道、走廊的走向及建筑高度進(jìn)行論證，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)、確保夏季主導(dǎo)風(fēng)向通暢，形成城市“穿堂風(fēng)”。將大大緩和老區(qū)的“熱島效應(yīng)”。在建筑施工方面，最適宜的氣溫為5-25度，所以有經(jīng)驗(yàn)的建筑行家，總是在氣象部門的密切配合下，趨利避害，既確保施工的質(zhì)量和安全，又加快了作業(yè)進(jìn)度，從而獲得更明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

三、太陽(yáng)輻射

太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度和日照率與城市規(guī)劃有密切的關(guān)系，城市所在地區(qū)的太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律和輻射強(qiáng)度，對(duì)于建筑日照標(biāo)準(zhǔn)、建筑朝向、建筑間距的確定，以及建筑的遮陽(yáng)設(shè)施和各項(xiàng)工程的采暖設(shè)施的設(shè)置，提供了規(guī)劃設(shè)計(jì)的依據(jù)。其中某些因素的考慮將進(jìn)一步影響到城市建筑密度、城市用地指標(biāo)與用地規(guī)模以及建筑群體布置等。

日照是城市總體布局的重要參數(shù)。建筑物的日照條件不僅影響著人體健康，而且通過(guò)周圍環(huán)境對(duì)人體產(chǎn)生間接的影響。因此在建筑規(guī)劃中，應(yīng)充分考慮到在冬至日獲取充沛的陽(yáng)光，延長(zhǎng)日照時(shí)間，以改善室內(nèi)的小氣候條件。建筑物的日照間距是由日照標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥取⒔ㄖ锍?、建筑物的高度及長(zhǎng)度和建筑用地的地形等因素決定的，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合節(jié)約用地的原則，綜合考慮各種因素來(lái)確定建筑間距。

四、降水與濕度

降水與濕度對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)有直接的關(guān)系，降水量的大小和降水強(qiáng)度對(duì)城市較為突出的影響是排水設(shè)施。此外，山洪的形成，江河汛期的威脅等也給城市用地的選擇及城市防洪工程帶來(lái)直接的影響。濕度的高低與降水的多少有著密切的聯(lián)系。相對(duì)濕度又隨地區(qū)或季節(jié)的不同而異，一般城市因大量人工建筑物與構(gòu)筑物覆蓋，相對(duì)濕度比城市郊區(qū)要低。濕度的大小還對(duì)城市某些工業(yè)生產(chǎn)工藝有所影響，同時(shí)又與居住環(huán)境是否舒適有所聯(lián)系。在施工當(dāng)中，降水對(duì)水泥、沙漿、石灰等建筑材料有破壞作用，高層建筑施工，還應(yīng)避開雷電天氣，以防雷擊事故。降雪是降水的一種特殊形式，對(duì)施工也有影響，積雪易在混凝土表面形成水層，從而影響強(qiáng)度，降低質(zhì)量。積雪對(duì)建筑物產(chǎn)生的雪壓，增加了建筑物的垂直荷載，建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該按照我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定的雪壓荷載予以考慮。

氣象專家研究表明，局地暴雨和大風(fēng)都與城市小氣候有著密切的聯(lián)系。夏季，水泥和柏油路面的溫度能達(dá)到80℃左右，而相同地段的綠地中僅為40℃上下。因?yàn)闇囟鹊母叩妥兓瘜?duì)降雨水汽的影響，常常會(huì)出現(xiàn)路東暴雨如注，路西地皮未濕的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為極端天氣，氣象專家認(rèn)為，這種極端天氣與城市規(guī)劃和建設(shè)有關(guān)，建議在城市規(guī)劃和建設(shè)中應(yīng)更多地考慮消除局部極端天氣現(xiàn)象的方法。如大面積植樹種草，盡量減少硬化地面，在城市較大區(qū)域范圍內(nèi)應(yīng)該規(guī)劃出“城市風(fēng)道”。

五、城市建設(shè)與氣候評(píng)估

要實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理城市，合理進(jìn)行城市規(guī)劃設(shè)計(jì)，使城市居民健康地工作和生活，必須要有良好的城市氣候環(huán)境。以北京為例，整個(gè)舊城區(qū)由二環(huán)路內(nèi)的故宮、中南海等皇家宮殿和園林及周圍低矮建筑為主的居民區(qū)、商業(yè)區(qū)等組成。為了保護(hù)古都風(fēng)貌，在現(xiàn)有規(guī)劃中規(guī)定舊城范圍內(nèi)不發(fā)展高樓建筑，高層建筑都向二環(huán)以外的四周發(fā)展，如此就形成了一處被不斷增高的城郊高層建筑環(huán)繞包圍的低洼盆地，于是導(dǎo)致了通風(fēng)能力降低、風(fēng)速和濕度減小等一系列“城市熱島”的氣候效應(yīng)。最近，北京市規(guī)劃、氣象等十幾家單位的科技工作者密切合作，建立了“城市規(guī)劃建設(shè)對(duì)大氣環(huán)境影響評(píng)估系統(tǒng)”，以此來(lái)定量實(shí)現(xiàn)對(duì)城市整體到小區(qū)以及單體建筑等3類尺度的氣候環(huán)境條件估算；在城市規(guī)劃實(shí)施之前預(yù)測(cè)出設(shè)施建成后的氣候環(huán)境狀況，指導(dǎo)城市規(guī)劃；從提高城市自凈能力角度提出規(guī)劃適應(yīng)對(duì)策，為優(yōu)化整體或局部建設(shè)規(guī)劃優(yōu)選方案提供依據(jù)，避免決策失誤。

近年來(lái)，首都?xì)庀蠊ぷ髡咴趯?duì)城市規(guī)劃進(jìn)行的大氣環(huán)境影響評(píng)估中用上了先進(jìn)的地理信息數(shù)據(jù)。氣象工作者主要應(yīng)用3項(xiàng)手段來(lái)解決難題：一是使用氣象要素實(shí)際觀測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，采集城市、小區(qū)、單體建筑的溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等氣象資料，掌握氣象條件的水平與垂直分布變化情況。二是開展流體力學(xué)試驗(yàn)，以環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法對(duì)城市局部實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行示范比較研究。三是以計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與立體可視化技術(shù)，運(yùn)用高分辨率計(jì)算模式進(jìn)行科學(xué)計(jì)算、分析。這三項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，無(wú)論對(duì)幾十公里內(nèi)的城市范疇、幾公里內(nèi)的社區(qū)范圍及幾十米的單體建筑規(guī)劃建設(shè)方案都可以定量評(píng)估氣候環(huán)境條件。

在奧運(yùn)場(chǎng)館建筑方案如北京五棵松文化體育中心、京城北部的奧林匹克公園等建設(shè)項(xiàng)目中，氣候環(huán)境評(píng)估模式都發(fā)揮了重要的作用。對(duì)于已建成的或擬建城市小區(qū)內(nèi)建筑物密集地區(qū)的氣溫及風(fēng)分布變化規(guī)律，該系統(tǒng)也能模擬計(jì)算出來(lái)。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，建筑物不同的布局方式對(duì)于氣流和污染物擴(kuò)散的差別也很大，在規(guī)劃設(shè)計(jì)中也必須考慮單體建筑物形狀、方向、高度以及各建筑物之間的風(fēng)“狹管現(xiàn)象”等影響。在該系統(tǒng)中，單體建筑或復(fù)雜形體建筑的迎風(fēng)區(qū)、背風(fēng)區(qū)也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法觀察到氣流通過(guò)時(shí)上升、下沉及大小變化，以掌握氣候和污染物的分布情況。