基于熱舒適性模擬評價的城市廣場改造研究
——以長沙五一廣場為例

向艷芬，鄭伯紅

(中南大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410075)

城市廣場是居民密集開展戶外活動的城市公共空間，作為城市公共服務(wù)設(shè)施的重要組成部分，城市廣場不僅為居民提供休憩與交往的場所，還能改善周邊環(huán)境的微氣候，其品質(zhì)優(yōu)劣與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)。在我國南方濕熱地區(qū)，改善城市廣場熱舒適性，引導(dǎo)居民更多地參與戶外活動，對建設(shè)健康家居的城市生活環(huán)境具有重要作用。隨著我國城市建設(shè)由數(shù)量擴(kuò)張轉(zhuǎn)向存量式提升發(fā)展，越來越多的城市廣場被納入更新改造。五一廣場作為長沙城市坐標(biāo)原點，是古城長沙建城2000多年以來的地理幾何中心，作為長沙歷史人文匯集點而成為廣大市民的城市記憶場所。廣場周邊是傳統(tǒng)商業(yè)步行區(qū)，大型商業(yè)設(shè)施鱗次櫛比，加之近年建成的城市軌道交通地鐵1號線和2號線在此換乘，該廣場日均人流量約4萬人次，節(jié)假日高峰期超8萬人次。本文選取長沙市五一廣場作為研究樣本，探討高密度中心區(qū)樞紐型城市廣場空間熱舒適性的評估指標(biāo)及參量，可為規(guī)劃設(shè)計師提供決策判斷依據(jù)。熱舒適的概念最早來源于對室內(nèi)環(huán)境的評價，并逐漸發(fā)展到室外環(huán)境，美國采暖制冷空調(diào)工程師學(xué)會(ASHRAE 55-1992)定義為人類個體對熱環(huán)境是否滿意的意識狀態(tài)。隨著人們對熱舒適深入的研究發(fā)現(xiàn)，單從生理上的熱平衡來衡量室外環(huán)境的熱舒適狀態(tài)不全面，故提出相應(yīng)的室外熱舒適評價指標(biāo)進(jìn)行評價。

1 室外熱舒適性評價

在2001年至2020年之間，外文期刊上發(fā)表的室外熱舒適性研究數(shù)量約2 900篇，中文論文約320篇，見圖1。在熱舒適指標(biāo)方面，不再局限于簡單的氣象指標(biāo)評價(如風(fēng)速、溫度等)，而是選擇了一些人與自然之間熱交換流形成的復(fù)雜生物氣象指標(biāo)。在研究室外熱舒適性文獻(xiàn)中，最常用的指標(biāo)是生理等效溫度，然后是預(yù)測平均熱貢獻(xiàn)和通用熱舒適指標(biāo)；近年熱舒適指標(biāo)有所增加，標(biāo)準(zhǔn)有效溫度、濕黑球溫度等被廣泛運用。

圖1 國內(nèi)外室外熱舒適性指標(biāo)文獻(xiàn)研究Fig.1 Domestic and international literature studies on the topic of outdoor thermal comfort indices

2 城市廣場熱舒性評價指標(biāo)

根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)的研究，針對城市廣場熱舒適性評價進(jìn)行聚類分析，對常用的熱舒適性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，見表1。從中選取了常用的、可通過軟件模擬得到的6項指標(biāo)，分別是經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭蠾BGT，THΙ和熱平衡模型中PET，SET*，PMV，UTCΙ，其6項指標(biāo)與熱感覺的關(guān)系如表2[14]。

表1 城市廣場熱舒適性評價中常用的熱舒適性指標(biāo)Table 1 Thermal comfort indices commonly used in outdoor thermal comfort of urban squares

表2 熱舒適指標(biāo)與熱感覺的關(guān)系Table 2 Thermal comfort indicators and thermal sensation

3 研究方法

在方案階段，通過模擬對比研究各方案的優(yōu)劣勢，從而對方案進(jìn)行優(yōu)化并為后續(xù)的空間設(shè)計、評價體系構(gòu)建提供策略與進(jìn)一步的論證。本文的研究分5個階段，先是對研究對象現(xiàn)狀及周邊環(huán)境進(jìn)行分析，通過文獻(xiàn)分析篩選熱舒適度指標(biāo)及模擬軟件，再對城市廣場3個方案進(jìn)行模擬分析，利用GΙS等軟件對各方案熱舒適度情況可視化處理與分析，構(gòu)建綜合評價體系比選3個方案的優(yōu)劣并提出優(yōu)化策略，并進(jìn)一步模擬驗證優(yōu)化策略的可行性，總結(jié)適應(yīng)城市廣場更新改造的相關(guān)策略與熱舒適評價體系。

3.1 熱點分析

微氣候研究評價不再局限于簡單的氣象指標(biāo)評價(如風(fēng)速、溫度等)，而是選擇了一些人與自然之間熱交換流形成的復(fù)雜生物氣象指標(biāo)。由于熱舒適度是通過數(shù)值大小反映熱感覺等級，無法在二維平面直觀反映，故利用軟件ArcGΙS進(jìn)行量化處理。本次評價將研究范圍劃分為2 m×2 m(共36 000 m2)的9 000個網(wǎng)格，將每個網(wǎng)格作為一個評價單元，參照熱舒適度閾值(表2)，將得到的熱舒適度指標(biāo)值用Arc GΙS空間統(tǒng)治工具箱中的熱點分析(Getis-Ord Gi*)進(jìn)行聚類分析，最后根據(jù)綜合分值評價3個方案的熱舒適性。熱點分析可用于識別現(xiàn)有的和潛在的空間集聚，其具體計算公式如下：

其中：Xj代表j要素的屬性值；Wi,j(d)代表要素i和要素j間的空間權(quán)重；n為要素的總個數(shù)。

3.2 層次分析法(AHP法)

本次研究擬構(gòu)建一個多指標(biāo)的綜合評價體系，通過對本專業(yè)教授、副教授、博士、碩士研究生等100人的征詢打分的方式，構(gòu)建評價因子的權(quán)重值對方案進(jìn)行全域評價。針對任何劃定的空間單元，將各因子標(biāo)準(zhǔn)化評分取值與權(quán)重相乘，并且進(jìn)行累加，即可得到相應(yīng)的綜合評價值，其具體計算公式如下：

其中：K代表每個評價單元的綜合得分；i代表第i個評價因子；xi代表第i個因子的取值；ai代表第i個因子的文獻(xiàn)權(quán)重。

圖2 技術(shù)框架圖Fig.2 Technical framework diagram

3.3 綜合評價指標(biāo)

由于研究選用的6項熱舒適性指標(biāo)評價單位并不相同，而無法同時進(jìn)行權(quán)重計算，因此選用綜合評價法對6項指標(biāo)進(jìn)行處理。根據(jù)評價指標(biāo)的不同等級賦予不同的分值，以此作為基礎(chǔ)構(gòu)建綜合評價指標(biāo)。依據(jù)表2的熱感覺劃分等級，每個級別以1分遞增，將指標(biāo)按照劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分，再基于AHP法的指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)行線性加權(quán)求和得到綜合得分，即綜合評價指標(biāo)數(shù)值。

4 研究對象

4.1 廣場概況

五一廣場位于長沙市繁華的中心城區(qū)，自春秋戰(zhàn)國時期就處于城區(qū)中心，南北長約230 m，東西寬約170 m，總占地面積約為3.2×105m2。交通條件良好，四邊皆為城市道路。西、南邊是城市主干道黃興路與五一大道，寬度有32 m和40 m；東、北兩側(cè)是寬12 m的城市支路—南陽街和長治路。公園周圍建成環(huán)境復(fù)雜，最高的華聯(lián)商住樓高度約100 m，東南角現(xiàn)存一棟18層建筑，西北與東北向是密集型的低層老建筑，其余方向皆為商住類型的高層建筑。

4.2 廣場方案分析

由前文分析可知，地鐵的修建與地標(biāo)的建設(shè)，原有廣場的設(shè)計已無法滿足人們的需求，因此提出改造方案。本次更新研究與傳統(tǒng)方法不同，更側(cè)重環(huán)境的微氣候營造，改善環(huán)境熱舒適度，而3個設(shè)計方案(長沙市自然資源規(guī)劃局公示)設(shè)計初衷皆基于形態(tài)與美學(xué)，缺少了對環(huán)境的熱舒適性的考量與人體戶外熱舒適感知，因此選擇該城市廣場作為研究對象。

3個設(shè)計方案存在一定共性與差異，共性在于3個方案皆有通行、休憩、集散的功能，廣場主次入口方位一致，且西側(cè)作為集中的通行空間；主體建筑皆位于中心呈弧狀布局，景觀方面由水體、喬灌草、鋪磚構(gòu)成，綠地率較高。

差異性在于，方案1(F1)更加突出廣場的休憩功能，綠地率最高(約69%)，呈組團(tuán)式布局，斑塊面積較小且形狀不規(guī)則，結(jié)合彎曲多變的游步道，塑造出通而不暢的園林景觀。中心廣場由水體、噴泉與深色大理石構(gòu)成，喬木葉面積指數(shù)(LAΙ)為3，郁閉度為0.5。

方案2(F2)的設(shè)計側(cè)重通行功能，游步道呈放射狀設(shè)計，通過道路將廣場各方聯(lián)系起來，通達(dá)性較強(qiáng)。內(nèi)部綠地均質(zhì)化布局，利用喬木排列方式與弧形建筑形成圍合空間，綠地率約65%，喬木葉LAΙ為2.5，郁閉度為0.5。中心廣場形狀規(guī)整，采用淺色大理石材質(zhì)，無水體要素。

方案3(F3)強(qiáng)調(diào)廣場的集散功能，擴(kuò)大廣場出入口的空間面積，利用草坪、鋪地與水體在廣場中心形成較大的集散空間，西側(cè)擴(kuò)大集散空間，加強(qiáng)廣場內(nèi)外的聯(lián)系。廣場綠地率相對較低(56%)，喬木排列整齊，喬木LAΙ為3，郁閉度為0.6。鋪深色大理石，與草坪、水體結(jié)合布置，水體無噴泉。

4.3 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

由于夏季受西太平洋副熱帶高壓與青藏高壓相互作用，出現(xiàn)持續(xù)性高溫天氣，而夏季盛行的東南風(fēng)在南嶺山脈產(chǎn)生的焚風(fēng)效應(yīng)，又對炎熱高溫有加強(qiáng)作用，導(dǎo)致市中心城區(qū)內(nèi)熱浪逼人，素與南京、重慶、武漢并稱“四大火爐”。根據(jù)氣象局提供的資料，對長沙市近10 a的逐日氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計可知，7月份平均溫度最高。由氣象組織(WMO)和中國氣象局統(tǒng)計結(jié)果可知，2016年是全球年平均氣溫史上最熱的一年和夏季最高氣溫突破歷史極值。因此選定極端氣象日2016年7月26日為研究日期。

對比了不同的氣候數(shù)值模擬軟件后，本次研究選定ENVΙ-met作為研究模擬軟件，氣象參數(shù)為：2016年7月26日上午4:00，模擬時長20 h，主導(dǎo)風(fēng)向180°(南風(fēng))，10 m高空的風(fēng)速為3 m/s，初始溫度為300.95 K，2 m高空的相對濕度為89%，2 500 m高空的濕度比11.2 g/kg，太陽能輸入調(diào)整系數(shù)1。其中氣象數(shù)據(jù)來源于長沙市火車站氣象觀測站，通過數(shù)值模擬驗證，誤差(RMSE=1.93℃)在允許范圍內(nèi)。

5 改造方案模擬分析

圖4 展示了3個方案的風(fēng)速和空氣溫度變化，通過色彩的變化判斷廣場不同空間下的風(fēng)速與溫度變化。從廣場整體變化可知，廣場邊緣的風(fēng)速與溫度受西邊、南邊城市道路的影響，內(nèi)部則受建筑與下墊面設(shè)計的影響，針對具體的影響要素選擇了5個點進(jìn)行詳細(xì)分析。

A點位于基地西側(cè)，判斷周邊道路對廣場的影響。由圖4所示，該點的風(fēng)速與溫度受城市道路的影響，數(shù)值皆高于廣場內(nèi)部，但因3個方案植被排列方式、下墊面材質(zhì)不同，數(shù)值也不相同。14點平均風(fēng)速值F1-A(1.57 m/s)＞F2-A(1.49 m/s)＞F3-A(1.52 m/s)，即下墊面為草坪的F1風(fēng)速值＞以單排喬木與草坪結(jié)合的F2＞以雙排喬木與草坪的F3。溫度值方面，14點受太陽輻射與路面輻射升溫，溫度值全時段最高，F(xiàn)1-C(33.18℃)＞F2-C(33.1℃)＞F3-C(33.08℃)，即下墊面是混凝土的F1溫度值＞大理石硬質(zhì)鋪磚F2＞喬木樹下的大理石鋪磚F3。

圖4 1.5 m高度風(fēng)速、溫度分析圖Fig.4 Wind speed and temperature analysis chart at 1.5 m height

B點位于廣場中心，比較水體、鋪地材質(zhì)對風(fēng)速與溫度值的影響。風(fēng)速值比F1＜F2＜F3，即中心處風(fēng)速值受風(fēng)廊影響，內(nèi)部水體、鋪地材質(zhì)的變化對風(fēng)速值影響較小。F1和F3為深色大理石鋪裝，F(xiàn)2為淺色大理石鋪磚，F(xiàn)1溫度值受水體吸熱蒸發(fā)影響，故F3＞F2＞F1，即淺色鋪地溫度值略低于深色鋪地，但由于測量高度選定為1.5 m，鋪磚材質(zhì)的影響也相對減小。

C點比較不同步道布局形式對廣場內(nèi)部的影響，14點的平均風(fēng)速值為F1＞F2＞F3，即風(fēng)速值受步道形式影響且與步道的角度相關(guān)。

E點選至受城市道路影響較小的區(qū)域，比較不同鋪地材質(zhì)的溫度變化，與D點布置相同。在不受外界影響下，大理石鋪地溫度高于混凝土(0.2℃)。

5.1 改造方案熱舒適性評價分析

通過實地調(diào)查，該廣場在早上6～8點形成第1個人流高峰，中午12～15點人流最少，19～21點出現(xiàn)第2個人流高峰。因此選擇分析人流量最少的14點和人流量最多的20點廣場情況。利用Arc GΙS對各熱舒適指標(biāo)值進(jìn)行可視化處理，并依據(jù)表2對各指標(biāo)按等級劃分，以此比較各空間集聚的顏色判斷熱舒適性(圖5)。

圖5 指標(biāo)可視化評價圖Fig.5 Ιndicator visualization evaluation chart

根據(jù)劃分的9 000個網(wǎng)格計算各指標(biāo)的平均值，得到表3的數(shù)據(jù)，繼而算出3個方案的綜合評價指標(biāo)值。通過比較各指標(biāo)值可知，選用單一指標(biāo)評價方案、單一的時間點或是單一的空間類型來評價方案的熱舒適性都過于片面，因此綜合評價指標(biāo)的提出能較為全面評價廣場的室外熱舒適性。

5.2 優(yōu)化方案模擬分析

從表3的評分可知，3個方案中方案1相對更優(yōu)，但對比單一指標(biāo)或某一時間內(nèi)的數(shù)值時，方案1略差于其他方案。針對3個方案的微氣候模擬情況，結(jié)合學(xué)者們對設(shè)計中單一因素的研究及方案2和3中的優(yōu)點，從自然環(huán)境要素和人工環(huán)境要素2個方面對方案1進(jìn)行優(yōu)化，并擴(kuò)大方案1的休憩空間比例，由原來的46%提升至63%。

表3 優(yōu)化方案模擬結(jié)果量化對比一覽表Table 3 List of quantitative comparisons of simulation results of optimization schemes

5.2.1 優(yōu)化要素調(diào)控

1)水體要素，水體的形態(tài)與面積，擴(kuò)大水體面積，提高水體蒸發(fā)面積能有效降溫[16]；水體形態(tài)更緊湊，能降低白天的水體及周邊溫度，提高相對濕度，降低PMV值。水體類型，通過對不同水體類型的氣候效應(yīng)可知，淺水池噴泉對邊界的氣候調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)，人工湖在垂直高度上調(diào)節(jié)能力更優(yōu)[17]，所以將優(yōu)化方案中的人工湖水深呈梯度變化，在淺水處設(shè)置噴泉。水體的日照效應(yīng)，增大水體面積會增加水體表面溫度和反射引起的眩光，因此在水中種植一些浮游植物或在水邊種植樹冠較大的植物[17]，優(yōu)化方案可在水池東西兩側(cè)種植喬木，南北兩側(cè)留出風(fēng)道。

2)鋪地要素。鋪地材質(zhì)，夏季的地面鋪磚受到的太陽輻射約為建筑表層的2倍，而其中約50%會被反射到外部環(huán)境，因此地面鋪磚選用淺色高反射率的地面鋪裝，可以降低太陽輻射熱的影響[18]；將瀝青材質(zhì)改為透水瀝青材質(zhì)，多使用植草磚，增大草地等植被面積。

3)植被要素。擴(kuò)大綠地面積和改變喬木排列方式，擴(kuò)大植被面積、增加喬灌木的數(shù)量，綠化率增大至72%。在公園北側(cè)、西側(cè)邊緣種植大量集中式、平行錯位均質(zhì)式的喬木防風(fēng)[19]，在夏季上風(fēng)向與風(fēng)向平行，其余方向的喬木排列呈傾斜角度引風(fēng)深入。喬木選擇冠層直徑較大的種類，葉面積指數(shù)(LAΙ)≥3，郁閉度≥0.6。增加立面綠化。相關(guān)文獻(xiàn)通過模擬驗證增加屋頂綠化與墻體綠化能降低空氣溫度，有效改善熱環(huán)境[20]。

5.2.2 優(yōu)化方案效果驗證

結(jié)合上述提出的要素對方案1進(jìn)行優(yōu)化(圖3)，運用同樣的技術(shù)手段進(jìn)行模擬得到優(yōu)化方案，并與方案1進(jìn)行比較。選用2個方案14點、20點的數(shù)值差圖比較，能快速從空間上判斷優(yōu)化后的數(shù)值變化(圖6)。圖中可知，變化多集中于地塊西面，優(yōu)化方案溫度值降低，濕度值增加。由于鋪地材質(zhì)的變化，選擇了淺色的鋪地，14點數(shù)值變化最大，下降了0.71℃，夜晚溫度變化較小，20點時降低最大值為0.19℃；而該區(qū)域相對濕度值14點普遍提高2%以上，夜晚變化較小。

圖3 方案平面圖Fig.3 Schematic plan

圖6 1.5 m高度方案1與優(yōu)化方案對比分析圖Fig.6 1.5 m height analysis diagram of option 1 vs.optimized plan

5.2.3 優(yōu)化方案熱舒適性優(yōu)化分析

基于優(yōu)化方案的模擬結(jié)果，運用同樣的處理手法將優(yōu)化方案的熱舒適指標(biāo)可視化(圖7)。PET指標(biāo)中，極熱狀態(tài)面積由56.24%(方案1)降至33.42%(優(yōu)化方案)，整體的平均值由39.52℃降至37.17℃。SET*指標(biāo)十分熱狀態(tài)面積比由57.56%降至34.42%，舒適狀態(tài)面積比由23.8%升至34.81%優(yōu)化方案不舒適的面積整體降低。UTCΙ指標(biāo)的十分熱狀態(tài)面積53.63%降至35.02%，平均值由31.51℃下降至31.09℃。優(yōu)化方案中的PMV指標(biāo)有所降低，極熱狀態(tài)面積比由65.29%降至50.45%，20點的溫暖狀態(tài)面積比由70.46%升至80.18%；舒適狀態(tài)由11.78%升至13.51%。

圖7 熱舒適性指標(biāo)對比分析圖Fig.7 Comparative analysis of thermal comfort index

對比分析優(yōu)化方案與3個方案的數(shù)值差異(表3)，優(yōu)化后的14點舒適度有顯著提升，20點的舒適度變化較小，但整體皆處于適宜的舒適度內(nèi)。綜合來看，在方案1基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計，有效地提高了公園整體的熱舒適。

6 結(jié)論

1)利用熱舒適指標(biāo)比選廣場的3個設(shè)計方案，通過對比各方案的熱舒適值發(fā)現(xiàn)，運用單一的指標(biāo)評價方案的熱舒適性過于片面，方案中不同的時間、不同的空間用不同的熱舒適指標(biāo)評價，熱感覺狀態(tài)也會不一樣。因此綜合選用經(jīng)驗?zāi)Ｐ团c熱平衡模型中的指標(biāo)構(gòu)建綜合評價指標(biāo)，更具可行性，且證明了PET和SET*等指標(biāo)適用于評價長沙的廣場熱舒適性。

2)優(yōu)化方案的模擬結(jié)果證明了優(yōu)化水體、鋪地、植被等要素能有效改善廣場的熱舒適性，提高休憩功能區(qū)面積、擴(kuò)大水體面積、增加水體類型、改變鋪裝材質(zhì)、選擇植被的種類以及相關(guān)要素之間的組合配置等措施都有效地降低了溫度(0.76℃)、提高了濕度(3%)，14點舒適性指標(biāo)PET降低2.4℃，SET*降低2.1℃，PMV降低0.21，UTCΙ降低0.42℃，THΙ降低0.14，WBGT降低0.25℃。

3)作為長沙市人流量最大的五一廣場，其3個方案在設(shè)計上各有特點，無法從美學(xué)角度評選各方案，本研究通過數(shù)值模擬判斷各方案的熱舒適，為高密度中心區(qū)城市廣場方案設(shè)計的評選提供了一種可行的方法，并在優(yōu)化過程中總結(jié)了提高熱舒適性的措施，建立了綜合評價指標(biāo)，為城市空間更新改造提供優(yōu)化策略與評價方法，減少了城市建設(shè)中的不確定性，優(yōu)化人居環(huán)境。