北京城市街道空間幾何形態(tài)與熱環(huán)境研究

潘劍彬，王若晨，翟 瑩，李佳妮

(1.北京建筑大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，北京 100044；2.北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；3.北京市富通環(huán)境工程有限公司，北京 100083)

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，以北京、上海等為代表的中國特大城市逐步向國際化大都市邁進(jìn)，但與此同時，城市的發(fā)展也改變著城市近地表氣溫等微氣候要素，從而造成城市熱島效應(yīng)等生態(tài)問題[1]。研究城市街道的熱環(huán)境與其形態(tài)特征的相互關(guān)系，有助于科學(xué)規(guī)劃城市道路，緩解建成區(qū)日益嚴(yán)重的城市熱島效應(yīng)，改善城市居民室外熱舒適度，增加室外公共活動時長及范圍。

城市熱島效應(yīng)是指由于城市建成區(qū)中建筑密度大導(dǎo)致空氣流通速度緩慢，溫度較高，而城市周邊郊區(qū)空氣流速較快，使得城市周邊郊區(qū)的溫度低于城區(qū)，形成低溫郊區(qū)包圍高溫城區(qū)的現(xiàn)象[2]。已有研究表明，城市街道能夠在熱島效應(yīng)最顯著的夏季高溫氣候條件下，通過優(yōu)化街道形態(tài)特征[3]、增加城市的藍(lán)綠空間[4]等方法，影響城市尺度或局地微觀尺度下的地表能量平衡[5]，改變城市室外公共空間的熱環(huán)境，從而緩解城市熱島效應(yīng)[6]。

近年來，城市街道的熱環(huán)境效應(yīng)受到了較多關(guān)注：李京津等[7]對南京市3條步行街道進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明街道的朝向、尺度和界面均對街道內(nèi)部微環(huán)境產(chǎn)生影響；應(yīng)小宇等[8]以杭州為例研究了街道貼線率、街道界面密度、街道高寬比等空間結(jié)構(gòu)與城市街道微氣候風(fēng)環(huán)境要素的數(shù)量變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)街道高寬比與風(fēng)速成反比，與貼線率成拋物線趨勢變化；鄧寄豫等[9]分別對不同幾何形態(tài)的16條街道進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)街道高寬比與開敞度、天空可視系數(shù)對室外熱環(huán)境起到一定的影響作用；勞釗明等[10]對比分析了中山市同一街道在有綠化和無綠化兩種條件下的熱環(huán)境，發(fā)現(xiàn)綠化可有效改善街道內(nèi)熱舒適度，且綠陰和建筑陰影均可降低環(huán)境氣溫2.60～3.00 ℃。已有研究多以建筑外界面、下墊面等因素為主，但街道的熱環(huán)境由多種要素共同影響，在研究中不僅要考慮多種影響因素的綜合效果，也應(yīng)就單一變量街道形態(tài)進(jìn)行研究，使建成街道的原始狀態(tài)達(dá)到較為理想的環(huán)境，再通過改變下墊面性質(zhì)等手段進(jìn)一步改善提升街道空間的熱環(huán)境。

定點實測和數(shù)值模擬是目前微尺度下城市熱環(huán)境研究的兩種主要方法。一些學(xué)者利用現(xiàn)場實測分析城市熱環(huán)境，但這種方法易受到財力、物力、時間等限制，難以全面揭示熱環(huán)境狀況。與實測分析方法相比，數(shù)值模擬具有快速簡便、準(zhǔn)確有效等特點，能夠展現(xiàn)街道熱環(huán)境的差異，其結(jié)果能夠直觀反映并量化評價城市街道的熱環(huán)境，已成為目前城市熱環(huán)境研究的重要手段。ENVI-met是目前國內(nèi)外氣象、建筑規(guī)劃領(lǐng)域?qū)W者用得最多的模擬軟件之一。

綜上，目前國內(nèi)外針對城市街道熱環(huán)境的變化機(jī)制與調(diào)節(jié)方法已開展了許多系統(tǒng)化的研究，一定程度地揭示了數(shù)量化的變化規(guī)律。但已開展的研究多局限于南方城市，氣候特征為夏熱冬冷，多圍繞大尺度的熱環(huán)境改善機(jī)制進(jìn)行研究。而北方寒冷地區(qū)小尺度范圍內(nèi)，街道形態(tài)特征與熱環(huán)境的關(guān)系、熱環(huán)境數(shù)值變化規(guī)律及水平分布情況等一系列的影響機(jī)制研究較少。因此，筆者選取北京城市街道進(jìn)行模擬研究，分析街道布局形式(高寬比、朝向)與熱環(huán)境間的關(guān)系，研究街道布局形式與平均輻射溫度、空氣溫度等熱環(huán)境因子的影響機(jī)制，旨在為城市設(shè)計中合理規(guī)劃城市街道以及既有城市街道改造設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

一、街道熱環(huán)境研究對象與研究方法

1.研究區(qū)概況

北京位于華北地區(qū)，屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，每年的6—8月為空氣溫度最高的時間段，這一時間段也是北京的雨季，呈現(xiàn)高溫多雨的氣象特征。中心城區(qū)夏季平均氣溫為26.73 ℃，平均最高溫度為32.00 ℃，高出周邊地區(qū)6.00 ℃，呈現(xiàn)出典型的熱島效應(yīng)氣候分布特征。

2.模擬街道選擇

為保證模擬街道的代表性，選擇主干道、次干道及支路3個等級的城市街道作為調(diào)研對象。據(jù)不完全統(tǒng)計，中心城區(qū)的街道共447條，其中，主干道22條，次干道67條，支路358條，按照主干道和次干道總數(shù)的20%、支路的10%進(jìn)行調(diào)研。本次研究對象為現(xiàn)代街道，研究目的是為今后的城市設(shè)計提供建議，因此在調(diào)研時排除老城歷史街區(qū)街道及沿街建筑為低層建筑的街道。利用谷歌地圖配合街景視圖，初步選擇了北京的西直門外南路、車公莊北里中路、車公莊大街、展覽館路、車公莊北街等52條街道，并于2019年11月初進(jìn)行樣地勘測。同時參考其他相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)北京中心城區(qū)具有以下特征：

①北京中心城區(qū)的街道布局延續(xù)明清時期棋盤式的布局形式，主要的街道朝向為東西、南北朝向。受建筑限高的影響，中心城區(qū)建筑物高度較低，未出現(xiàn)超高層建筑，高寬比多控制在1.2以下，主要分布在0.3～1.2。

②街道等級分為主干道、次干道和支路，其中支路最多，約占街道總數(shù)的80.1%。

③沿街建筑多為中層和多層建筑，高層和低層建筑較少。

④街道以一板兩帶式的道路綠化形式為主，部分主干道會出現(xiàn)一板兩帶式和兩板三帶式交叉出現(xiàn)的道路綠化形式。

最終根據(jù)北京中心城區(qū)街道的總體特點選定車公莊大街、展覽館路、東單北大街、百萬莊大街、三里河北街、什坊小街、王府井大街和西直門外南路等8條街道作為本研究的模擬街道。8條街道的詳細(xì)情況如表1所示。

表1 街道情況

3.ENVI-met熱環(huán)境模擬

(1)軟件介紹

本研究采用的數(shù)值模擬軟件為ENVI-met。該軟件的工作機(jī)制是計算流體力學(xué)和熱力學(xué)，軟件可模擬中小尺度下微氣候要素的數(shù)值變化規(guī)律、空間分布情況以及各測試點的微氣候要素數(shù)值變化?；谖夂蛞啬M結(jié)果，也可通過熱舒適度數(shù)值關(guān)系計算模擬區(qū)域內(nèi)熱舒適度的數(shù)值變化規(guī)律及空間分布情況，為分析城市街道形態(tài)特征與熱環(huán)境的關(guān)系提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)值分析。ENVI-met開發(fā)至今，已應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，對于以北京為代表的寒冷地區(qū)，其模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較好吻合，且模擬精度已被證實達(dá)到一般研究要求。

(2)參數(shù)設(shè)置

本研究選取模擬日期的標(biāo)準(zhǔn)是：以北京夏季氣象條件為背景，模擬選擇空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速等氣象要素數(shù)值均與《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中北京地區(qū)夏季熱環(huán)境氣象指標(biāo)相近。模擬選取夏季中天氣晴朗的一天2019年7月26日。熱環(huán)境模擬使用的氣象數(shù)據(jù)選取2019年7月26日北京氣象站的氣象數(shù)據(jù)。為保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確，需提前5 h進(jìn)行模擬，且將時間長度定為24 h，熱環(huán)境模擬主要輸入數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 主要輸入數(shù)據(jù)

二、街道熱環(huán)境模擬實驗結(jié)果

1.南北向街道

(1)平均輻射溫度

對比分析南北向街道不同高寬比情況下平均輻射溫度的逐時分布情況(見圖1)。在平均輻射溫度上升的時間段內(nèi)，4條街道呈現(xiàn)出高寬比與平均輻射溫度的變化規(guī)律為：隨著高寬比的逐漸增加，平均輻射溫度逐漸降低；14：00時4條街道的平均輻射溫度達(dá)到最大值，高寬比為0.3的展覽館路數(shù)值最大，高寬比為1.0的王府井大街?jǐn)?shù)值最小，高寬比為0.3的展覽館路和高寬比為0.5的東單北大街平均輻射溫度在8：00-14：00數(shù)值較為相近。對比分析4條街道在14：00時平均輻射溫度的分布情況(見表3)，隨著高寬比的增大，高溫區(qū)面積不斷減少。將臨近高寬比的兩條街道高溫區(qū)面積進(jìn)行相位差對比，高寬比為0.3的展覽館路和高寬比為0.5的東單北大街高溫區(qū)面積差值最小。這說明高寬比較大的街道可有效阻礙太陽直射，產(chǎn)生較大面積的陰影區(qū)，從而使街道內(nèi)平均輻射溫度的均值下降。當(dāng)高寬比較小時，增大沿街建筑高度無法快速達(dá)到減小高溫區(qū)面積的效果。

圖1 不同高寬比下街道平均輻射溫度比較

表3 14：00南北向街道平均輻射溫度分布統(tǒng)計

(2)空氣溫度

對比分析南北向街道不同高寬比情況下空氣溫度的逐時分布情況(見圖2)。4條街道空氣溫度上升的規(guī)律均為在16：00達(dá)到空氣溫度最大值，14：00-16：00溫度變化較小，相差均小于1.00 ℃；4條街道的空氣溫度相似，差值為0.02 ℃～0.48 ℃，14：00時展覽館路與其他3條街道的溫差最大，相差為0.48 ℃；16：00時4條街道的溫度差明顯，差值為0.18 ℃～0.29 ℃。對比分析4條街道14：00時空氣溫度的水平分布情況(見表4)，高溫區(qū)面積并未呈現(xiàn)一定規(guī)律，但高寬比為0.3的展覽館路高溫區(qū)面積明顯大于另外3條街道，而東單北大街的高溫區(qū)面積最少，可能是與建筑的間距有關(guān)，此條街道東側(cè)建筑的間距小于其他3條街道，減少了外部高溫空氣的流入，導(dǎo)致街道內(nèi)高溫區(qū)面積降低。綜上，街道高寬比對街道空間內(nèi)空氣溫度的影響較弱，高寬比小于0.5時，高寬比的減小會使高溫區(qū)的面積劇烈增大。

圖2 不同高寬比下街道空氣溫度比較

表4 14：00南北向街道空氣溫度分布統(tǒng)計

(3)熱舒適度

對比分析南北向街道不同高寬比情況下熱舒適度PMV的逐時分布情況(見圖3)。在熱舒適度數(shù)值上升的時間段內(nèi)，4條街道呈現(xiàn)出高寬比與熱舒適度的變化規(guī)律為：隨著高寬比的逐漸增加，熱舒適度隨之降低；14：00時4條街道的熱舒適度達(dá)到最大值，高寬比為0.3的展覽館路數(shù)值最大，高寬比為1.0的王府井大街?jǐn)?shù)值最小，高寬比為0.3的展覽館路和高寬比為0.5的東單北大街的熱舒適度在8：00-14：00數(shù)值較為相近。對比分析4條街道在14：00時熱舒適度的分布情況(見表5)，隨著高寬比的增大，高溫區(qū)面積不斷減少。將臨近高寬比的兩條街道高溫區(qū)面積進(jìn)行相位差對比，高寬比為0.3的展覽館路和高寬比為0.5的東單北大街高溫區(qū)面積差值最小。

圖3 不同高寬比下街道熱舒適度比較

表5 14：00南北向街道熱舒適度分布統(tǒng)計

綜合來看，4條街道熱舒適度呈現(xiàn)的規(guī)律與平均輻射溫度幾乎一致，這說明熱舒適度受到太陽輻射的直接影響。高寬比較大的街道可通過遮擋太陽直射，形成相對舒適區(qū)。

2.東西向街道

(1)平均輻射溫度

對比分析東西向街道不同高寬比情況下平均輻射溫度的逐時分布情況(見圖4)。在8：00-14：00時間段，4條街道呈現(xiàn)出高寬比與平均輻射溫度的變化規(guī)律為：隨著高寬比的逐漸增加，平均輻射溫度隨之降低；高寬比為1.0的西直門外南路平均輻射溫度在這段時間內(nèi)變化不穩(wěn)定，相對而言，高寬比為0.7的什坊小街平均輻射溫度更低。14：00-16：00時間段內(nèi)，高寬比為0.5的百萬莊大街和高寬比為0.7的什坊小街平均輻射溫度仍然逐漸上升，而高寬比為0.3的車公莊大街和高寬比為1.0的西直門外南路平均輻射溫度則逐漸下降。對比分析4條街道在14：00時平均輻射溫度的分布情況(見表6)，隨著高寬比的增大，高溫區(qū)面積不斷減少，但高寬比為1.0的西直門外南路的高溫區(qū)面積開始上升。因此，東西向街道的高寬比與平均輻射溫度的變化規(guī)律為：在高寬比0.3～0.7范圍內(nèi)，隨著高寬比的增大，溫度降低；在高寬比0.7～1.0范圍內(nèi)，隨著高寬比的增大，溫度升高。

圖4 不同高寬比下街道平均輻射溫度比較

表6 14：00東西向街道平均輻射溫度分布統(tǒng)計

(2)空氣溫度

對比分析東西向街道不同高寬比情況下空氣溫度的逐時分布情況(見圖5)。4條街道空氣溫度上升的規(guī)律與南北向街道變化規(guī)律相似，均為在16：00時達(dá)到空氣溫度的最高值，且4條街道的溫差較小。對比分析4條街道空氣溫度的分布情況(見表7)，與南北向街道相差較大。東西向街道的高溫區(qū)面積較大，4條街道的高溫區(qū)面積占比均大于60.00%，百萬莊大街的高溫區(qū)面積最大，超過90.00%，車公莊大街高溫區(qū)面積最小，為62.10%。

圖5 不同高寬比下街道空氣溫度比較

表7 14：00東西向街道空氣溫度分布統(tǒng)計

(3)熱舒適度

對比分析東西向街道不同高寬比情況下熱舒適度PMV的逐時分布情況(見圖6)。在熱舒適度上升的時間段內(nèi)，4條街道高寬比與熱舒適度的變化規(guī)律同南北向街道變化規(guī)律相似，均隨著高寬比的逐漸增加，熱舒適度逐漸降低。但不同的是，高寬比為0.7的什坊小街和高寬比為1.0的西直門外南路熱舒適度數(shù)值相近。對比分析4條街道在14：00時熱舒適度的分布情況(見表8)，高寬比為0.3～0.7，隨著高寬比的增大，高溫區(qū)面積不斷減少；高寬比為0.7～1.0，隨著高寬比的增大，高溫區(qū)面積不斷增大。

圖6 不同高寬比下街道熱舒適度比較

表8 14：00東西向街道熱舒適度分布統(tǒng)計

三、街道熱環(huán)境提升策略

綜上，街道形態(tài)特征中的高寬比和朝向可影響其內(nèi)部熱環(huán)境的變化，太陽輻射是影響城市街道空間內(nèi)熱環(huán)境變化的主要因素。

1.南北向街道

南北向街道的平均輻射溫度和熱舒適度這兩個熱環(huán)境氣候要素受高寬比的影響最為明顯。由于南北向街道的朝向與太陽直射呈現(xiàn)垂直關(guān)系，可有效遮擋太陽直射，從而為街道提供更多的陰影面積。而高寬比大的街道，形成的陰影面積較多，也使街道內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)的數(shù)值降低?？傮w來說，隨著高寬比的不斷上升，熱環(huán)境氣候要素數(shù)值不斷降低，高溫區(qū)面積也不斷縮減。

(1)調(diào)整高寬比

在對南北向街道進(jìn)行改造時，可通過增加單側(cè)建筑的高度來增加陰影區(qū)面積。據(jù)對熱環(huán)境氣候要素數(shù)值的比較，高寬比為0.5～1.0的街道平均輻射溫度和熱舒適度變化明顯，因而增加西側(cè)建筑高度可有效增加陰影面積，從而提升熱環(huán)境質(zhì)量。

(2)增加灰色空間

南北向街道的西側(cè)由于建筑物的遮擋，可以降低平均輻射溫度，而東側(cè)完全暴露在太陽下，因此可在東側(cè)建筑底層增加天棚，起到改善熱環(huán)境的作用。

2.東西向街道

東西向街道受高寬比的影響較弱，但也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。高寬比在0.3～0.7范圍內(nèi)，街道的熱環(huán)境氣候要素數(shù)值隨著高寬比的增大而減小，高溫區(qū)面積也隨之縮減；而高寬比為0.7～1.0，變化規(guī)律則相反，隨著高寬比的增大，熱環(huán)境各參數(shù)數(shù)值和高溫區(qū)面積均增大。

(1)調(diào)整高寬比

對于東西向街道，由于受高寬比的影響較弱，熱環(huán)境氣候要素的數(shù)值相差不大，因而增加單側(cè)的建筑高度這一做法并不能如南北向街道一樣很好地起到改善熱環(huán)境的作用，但仍可增加南側(cè)建筑高度。

(2)增加灰色空間

街道北側(cè)建筑底層可以增設(shè)天棚，從而達(dá)到改善熱環(huán)境的效果。

(3)增加緩沖空間

根據(jù)高溫區(qū)的水平分布情況，東西向街道北側(cè)建筑受太陽直射時間長，高溫持續(xù)時間長，建筑物的散熱也降低了街道內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，因而可在北側(cè)建筑與人行道之間設(shè)置綠化等緩沖空間，減少行人使用以提升熱舒適度。

四、 結(jié) 語

以北京城市街道為研究對象，探究中心城區(qū)城市街道的室外熱環(huán)境和熱舒適度的變化規(guī)律，分析熱環(huán)境中的平均輻射溫度、空氣溫度與街道形態(tài)(高寬比、朝向)之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：

高寬比通過阻礙太陽直射，改變高溫區(qū)的面積占比，影響著街道內(nèi)部熱環(huán)境氣候各要素及熱舒適度的均值變化。高寬比越大，高溫區(qū)面積越小，熱環(huán)境氣候要素及熱舒適度的均值不斷減小。但街道內(nèi)熱環(huán)境氣候要素及熱舒適度的數(shù)值最大值不會隨高寬比發(fā)生改變。

朝向?qū)值罒岘h(huán)境起著決定作用，南北向街道受太陽直射的時間短于東西向街道。對于南北向街道，當(dāng)高寬比大于0.5時，城市街道熱環(huán)境質(zhì)量受高寬比影響明顯；當(dāng)高寬比為1.0左右時，街道內(nèi)受太陽直射區(qū)域最小，太陽直射時間最短，相應(yīng)的高溫區(qū)面積最小，熱環(huán)境質(zhì)量最良好。對于東西向街道，當(dāng)高寬比在0.3～0.7時，城市街道熱環(huán)境質(zhì)量受高寬比影響明顯；當(dāng)高寬比為0.7左右時，街道受太陽直射的面積最小，熱環(huán)境質(zhì)量最佳。經(jīng)過反復(fù)的實驗論證以及相關(guān)論文研究求證，發(fā)現(xiàn)東西向街道高寬比選擇0.7左右時熱環(huán)境最佳。