城市空间微气候营造的设计研究--以武汉市城市空间设计为例

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武汉理工大学硕士学位论文城市空间微气候营造的设计研究--以武汉市城市空间设计为例姓名：荆灿申请学位级别：硕士专业：设计艺术学指导教师：易西多20120525 武汉理工大学硕士学位论文摘要‘文章对城市空间和微气候理论进行了介绍，探讨了城市空间中的建筑、水体和植物等不同下垫面形式对城市微气候的影响；同时对武汉市的地理气候特点进行分析，指出在夏热冬冷气候环境下应采取的营造良好微气候的措施；最后总结出了科学规划设计策略，以期为全国的城市空间微气候营造提供参考与借鉴。随着城市发展节奏的加快，人们生活和工作的压力大大增加，急需寻找宜人的户外场所以求身心放松。接触自然、亲近自然，创造与享受高质量的开敞空间环境，已成为不同社会经济阶层的普遍愿望，这就对城市公共空间的建设提出了更高的要求。城市公共空间是当今城市规划与建设中最重要的一种空间类型，是目前我国各级政府部门可以统筹规划的为数不多的公共资源，是一个城市内协调区域人口与环境的空间前提。公共空间的合理规划与设计能够改善城市生态环境质量，促进人们外出进行户外活动，有益于居民的身心健康。本文研究城市空间微气候营造的主要目的是在可持续发展的基础上提高城市人的生活质量，提高城市空间环境的舒适度。实现城市可持续发展的方法主要是减缓，即通过不同手段减少资源损耗，提高资源利用率；而微气候研究的重心是适应，即通过研究不同因素对微气候的影响，制定科学的方法去改善微气候环境，从而帮助人类适应环境。传统的城市规划把空间形态规划和空间布局作为规划的目的，把所有精力都用在空间组合上，但是空间组合应该是城市设计者进行资源分配和利益均衡的手段，而非目的。城市空间良性微气候的营造是一项精细而复杂的系统工程，需要设计师跳出传统思维的框架，从空间组合，植物配置和材料使用等多方面出发，对空间环境进行整合和重组。笔者希望通过对城市空间微气候营造的研究，让人们更关注城市空间的生态性和舒适性，同时从好的项目中获取成功经验，把公共空间环境设计推向一个新的台阶。关键词：城市空间，微气候，设计 武汉理工大学硕士学位论文AbstractThroughintroducingurbanspaceandmicroclimate，theessayshowsthatunderlyingsurfacesuchasarchitectures，waterandplantshavegreatinfluenceontheurbanmicroclimate．TheessayalsopointsOUthowtoimprove‰aIlmicroclimateenvironmentbasedonthespecialclimaticconditionsofWuhan．Wjtlldevelopmentofcities，people’Slivingpressuregreatlyincreased，theyneedtofindpleasantoutdoorfieldtorelaxthemselves．Contactingwiththenaturehasbecomethecommonaspirationsoftheallcitizens．theywanttoconstructbettercitypublicspace．Citypublicspaceisoneofthemostimportanttypesofspaceinthecurrentcityplanningandconstruction．Italsotobethelastpublicresourceswitchourgovernmentcanuse．ThescientificdesigntocitypublicspaceCallimprovethequalityofenvironment，atthesametime，ItalsopromotethepeoplegoOUtforoUtdooractivities，witchisbeneficialtothehealthofresidents．T11isessayisaimedatimprovingthequalityofciviclifeandthecomfortofurbanenvironmentbasedonsustainabledevelopment．nlemainmethodofrealizethesustainabledevelopmentistoslowdownthewasteofresourcesandraiseresourceutilizationrate；Butthecruxofmicroclimateresearchishelpingpeopletoadapttotheenvironmentthroughexcogitatingscientificwaystoimproveenvironment．Traditionally,designersaimedatorganizingtheurbanspacewitchshouldbeamediumofresourceallocationratherthantheultimatepurpose．Urbanmicroclimatedesignisadelicateandcomplicatedsystemprojects，thedesignersneedtojumpoutoftraditionalthinkingandimproveenvironmentfrommoreaspectssuchasplanting．materialandfordusing．rnleauthorhopestomakepeoplepaymoreanentiontothecomfortableofciviclifethroughresearchingtheurbanspace，atthesametimewecanlearnexperiencefromsuccessfulprojects．Itisexpectedthatenvironmentdesignofthepublicspace、衍l】runtOanewlevel．Keywords：UrbanSpace，Microclimate，DesignU 武汉理工大学硕士学位论文第1章：绪论1．1研究的缘起：区域城市化过程中的环境和资源问题城市是人类聚居活动的中心，几千年来，城市的发展扩大都被看成人类文明进步的标志，人们在城市中享受现代文明的美，享受高科技带来的便捷生活。正当世界各地城市建设呈现一片紧锣密鼓的景象时，一系列严重的资源和环境问题逐渐显现出来：2003年3月初，非典型性肺炎刚刚登陆香港没多久，就爆发了一场震惊世界的社区集体染病事故。牛头角淘大花园居民区在短短半个月时间就有213人感染病毒，一个月之后，淘大花园的感染人数竟达到321人。香港政府出动9个部门共同调查出病毒大规模扩散的原因：污水排放系统不完善，导致病毒通过水气传播；小区规划不合理，通风有限，清新空气无法进入。2011年10月，世界卫生组织公布了首份全球城市空气污染调查报告，其中中国上榜的城市32个，兰州城位列倒数第一，污染情况最严重。兰州的污染在上个世纪就已经家喻户晓，据海外媒体报道，每到冬季兰州城就会神秘的隐藏，连欧洲国家最顶尖级的观测卫星也无法找到。经环保专家研究，特殊的地理地形与气象条件是造成兰州城大气污染的主要原因。兰州市位于黄河河谷盆地，南北两山相夹，东有大山封口使其成了一个密闭的“盛灰器”，清新空气无法进入，污染空气无法排出。人们不得不开始思考问题的根源，尝试使用各种技术方法解决当前的环境问题。目前传统的城市规划设计和景观设计已难以应付今日所面临的环境问题，而这些领域中不科学的设计方法甚至更加恶化了城市空间的微气候环境，因此迫切需要展开城市微气候的相关科学研究，找到改善城市生活质量的有效途径。1．2研究目的和意义本课题研究的目的在于探索合理调节城市空间微气候的方法，营造生态、舒适和安全的城市空间环境。2010年第六次全国人口普查数据显示，目前我国居住在城镇的人口为66557万人，占总人口的49．68％，同2000年人口普查相比，城镇人口比重上升13．46 武汉理工大学硕士学位论文个百分点。1和世界上所有高速发展中得国家一样，中国的城市化发展带来了严重的资源和环境问题：地下水位下降，电力资源紧缺，空气组成成分结构性失调，城市热岛效应加剧：同时人们对城市下垫面的随意改动导致城市空间微观气候恶劣化，城市生活舒适性急剧下降，城市人面临的不仅仅是环境问题，还有严重的心理压力和体质下降等健康问题。随着我国经济发展和人们生活质量的提高，城市中人居环境的现有水平已经无法满足人们对环境舒适度的要求。在高楼林立的城市中如何营造宜人的微气候成为日益受关注和亟待解决的问题。另外，以武汉市为代表的夏热冬冷地区因夏季炎热，冬季寒冷，相对于国内其他气候区，对采暖与制冷有更长时间的要求，这种气候特点下的城市空间与气候的关系更加难以平衡。然而目前国内城市景观规划设计中针对夏热冬冷地区城市空间微气候营造的研究较少，因此深入研究城市空间小气候环境与城市生活舒适度之间的关系，对促进城市及周边区域人居环境的改善具有很大的意义。1．3国内外研究概况自从几千年前人类开始把城市作为生活和防御的聚集地一直到今日，自然、城市和人三者之间的关系不断地在面对各种提问和审视。不论是建立城市空间和形态发展框架的结构性城市设计，还是深入城市生活的详细城市设计，生态性空间和舒适性空间的统一始终是对和谐城市和空间的最完美的诠释。在过去的200年时间里，人类的生态意识在不断的提高和完善，从19世纪初为满足人得欲望对自然的疯狂掠夺，到20世纪中期提出可持续发展理念，对自然的极度关怀，再到21世纪初对环境舒适度的关注。人、城市和自然的和谐共处将不再是天方夜谭。1．3．1国内研究概况早在20世纪80年代，城市规划设计和建筑设计已经在国内成为热门领域，但是设计研究人员把研究重点放在基于视觉效果的城市空间形态、色彩、交通和城市景观等方面，而关于气候适应性和城市整体节能的研究很少，其中有较显著成就的研究课题有：●在中国，较早对南方热带地区城市环境高居住密度区域的空间热环境进行1数据来源：http：／／www．stats．gov．cn／tjfx／jdfx／t20110428402722253．htm2 武汉理工大学硕士学位论文相关测量和研究的学者是香港大学的R．Giridharan等教授。●重庆建筑大学的唐鸣放教授通过现场实测，重点对植物与微气候关系进行了分析，在此基础上初步建立了室外热舒适度评价模型。●香港中文大学建筑学院吴恩融教授利用CFD技术以及日照物理模型模拟分析高密度城市中不同天际线方模式对全天日照和自然通风之间的作用和影响以及高密度城市中建筑相互尺度关系对空气质量的影响。2自二十世纪八十年代兴起“空间舒适度"理念以来，创造更多丰富多彩的公共空间，建设“舒适空间”、“生态空间"已成为国内外城市开发和城市更新中提高城市环境质量的重要途径。然而，我国微气候研究起步晚，研究内容还很不系统，导致政府与规划界在营造公共空间微气候时缺乏科学的理论指导。二十世纪末控制性详细规划的产生和发展，对我国城市规划体系的完善起到了历史性的作用，特别是政府规划部门于1991年颁布《城市规划编制办法》后，全国各地城市掀起控制性详细规划研究和实践热潮。但是在城市公共空间方面，仅停留于满足数量和美观上等一部分环境品质的要求，离真正的舒适体验还有一段距离。1．3．2国外研究概况20世纪50年代，对城市气候的观测开始从对关键点得静态测试转向对城市温度场作动态测量，也开始对影响城市热环境的多个因素进行同时研究，对建筑密度、人口密度、下垫面粗糙度、街道设计等因子作相关性讨论。20世纪70年代，研究人员普遍把计算机技术应用到城市热环境的研究，从而使城市气候研究走向定量化，把研究重点从城市整体环境改换为城市局部微气候环境，研究方法也有了较大改变。●19世纪20年代建筑理性主义思潮兴起，温度、湿度和气流等物理因素对室内外环境和人的影响逐渐受到建筑设计师和规划设计师的重视。●1963年VictorOlgyay在((DesignwithClimate：BioclimaticApproachtoArchitecturalRegionalism))一书中首次提出“生物气候地方主义"的设计理论，把满足人体生理方面的舒适感作为建筑设计出发点。Victor认为现代建筑设计应遵循从气候到生物，到技术再到建筑的过程，他的理论对研究城市空间的微气候环境具有启发意义。●1964年Rodolfski在((ArchitecturewithoutArchitects：AShortintroductionto2王振，绿色街区层峡一基于城市微气候的街区层峡设计研究，东南大学出版社2010年6月，P14 武汉理工大学硕士学位论文●Non．PedigreeArchitecture》一书中通过对大量事实的总结和分析揭示了地域气候与城市形态的关系，他指出人类建造住所和城市的最初目的并不是形式，而是为应对大自然气候条件和地理条件给人类提出的挑战。1969年美国著名景观设计和规划设计师，理论学家麦克哈格(I．L．McHarg)通过多年的理论和实践研究，从宏观和微观两方面对大自然与人的关系作了透彻的分析，并在著作《设计结合自然》中提出人类应该在尊重自然的基础上充分发挥能动性，创造更舒适和更生态的生存环境。同时创造性的将生态学、热力学等物理学方面的理论引入建筑领域，为微气候理论的成熟奠定了坚实的基础。1980年AllanKonya在({DesignPrimerforHotClimates))一书中较早对全球热气候环境下不同气候分区进行了气候、区域和热舒适方面的研究，对研究城市空间中宏观气候与城市空间关系有重要的借鉴意义。20世纪80年代各国建筑师开始深入研究建筑室内外空间与气候和生态的关系，提出建筑规划设计应该在对场地现状和气候条件等深入了解的基础上，从人们的舒适感出发研究微观气候变化对人们生活的影响。1992年一1999年间，CliffMoughtin在{UrbanDesign：StreetandSquare))，《UrbanDesign：GreenDimensions》和《UrbanDesign：MethodandTechniques))等一系列著作中从技术方面对可持续性城市的设计做了系统总结，其中对街道和城市环境的论述对本文有直接指导作用。．1998年BaruchGivoni在所著的{(ClimateConsiderationsinBuildingandUrbanDesign))一书中研究了城市中心地区的建筑密度、街区层峡尺度和方位对城市空间微气候的影响，以及其对城市中建筑密度、风能和太阳能利用等方面的研究对城市空间微气候的课题具有非常重要的作用。2002年HolgerKochNielsen在<{StayCool：ADesignGuidefortheBuiltEnvironmentalinHotClimates))一书中研究了不同气候区的热气候特点与建筑室外环境的关系，对本文研究的课题有指导作用。2005年M．RohintonEmmanuel在《AnUrbanApproachtoClimate—SensitiveDesign：StrategiesfortheTropics))一书中将理论与实践相结合，全面探讨了具有气候适应性的城市设计的策略与方法，对研究气候适应性城市和生态城市有着理论上的借鉴意义。4 武汉理工大学硕士学位论文1．4研究方法和研究定位1．4．1研究方法与技术路线从技术的角度来说，微气候营造研究是--f-j综合性的大课题，涉及到气候学、地理学和社会学等多个领域。微气候调节是对物理环境的调节，需要设计师通过对气流、光和温度的调节满足人体对环境舒适度的要求。对一种物理现象进行研究，就先要把研究对象简化为物理模型，进行定性分析，再建立数学模型，求出物理公式，然后利用缩尺模型试验和实地测量，验证，修正物理公式，最终找出定量规律。本文的研究路线主要是基于前人研究成果的基础上，对特定地域(夏热冬冷地区)城市空间的特定区域(街道、公园、水域等)进行实测研究，通过对所得数据的整理和总结，得出微气候营造的定量规律。1．4．2研究定位这篇文章很容易被理解成一篇研究低碳环保的文章，实际上微气候研究是实现低碳环保的前提，但也是提高城市空间环境舒适度的手段。低碳环保研究的重心是减少城市消耗，促进可持续发展，而本文研究城市空间微气候营造的主要目的是在可持续发展的基础上提高城市人的生活质量，提高城市空间环境的舒适度：实现城市可持续发展的方法主要是减缓，即通过不同手段减少资源损耗，提高资源利用率，而微气候研究的重心是适应，即通过研究不同因素对微气候的影响，制定科学的方法去改善微气候环境，从而帮助人类适应环境。传统的城市规划把空间形态规划和空间布局作为规划的目的，把所有精力都用在空间组合上。但是空间组合应该是城市设计者进行资源分配和利益均衡的手段，而非目的。微气候概念的提出把节能减排，循环经济等理念带入城市规划和景观设计中。从设计角度来说，城市空间微气候的营造是一项精细而复杂的系统工程，需要设计师跳出传统思维的框架，不仅要考虑到空间的审美功能和使用功能，还要上升到一定高度考虑到空间的舒适度，从空间组合，植物配置和材料使用等多方面出发，对空间环境进行整合和重组。从景观规划设计入手，以城市生态学的方法，通过调节城市生态系统内生物群落和周围环境之间相互作用而平衡的方法，建立合理的热平衡系统结构。城市绿化之所以能起到夏季降温、冬季增温保湿的作用，是因为绿色植物把大部分太阳辐射能反射出去，而且因绿化覆盖的地面附近土壤含水量多，蒸发耗热多因此热容量大；同样水体由于热容量大，蒸发水分多，也起到调节气温的 武汉理工大学硕士学位论文作用。在自然条件方面，城市中得深林和湖泊多数是天然的，对其重点保护并根据实际情况加以改造，能够对调节整个城市热环境发挥有益作用。6 武汉理工大学硕士学位论文1．5论文框架7 武汉理工大学硕士学位论文第2章：城市热环境及其微气候影响下的城市空间2．1城市热环境与人体热舒适度●2．1．1城市热环境在城市气候的基础上，经过城市化后，人口高度密集，在城市特有的下垫面和城市居民活动的影响下，该地区原有的区域热环境状况被改变，形成一种与城市周围不同的局地热环境，称为城市热环境。城市热环境状况直接决定了人体在微气候环境中得舒适状况。城市热环境主要受到气候、太阳辐射、城市下垫面、城市绿地与水体、城市人工环境等因素的影响。通过对这些因素的控制调节，可以有效控制城市热岛效应，改善城市热环境，从而实现能源的高效利用和理想舒适环境的营造。，3000m300m200m1OOm图2一I城市热环境与微气候关系(图片来源：自绘)2．1．2人体热感觉与热舒适度(1)常体温与地球上所有的生命体一样，人体通过进行物质和能量交换来维持生命，只是人体的生命体系更加精细和复杂。人体通过体温调节系统使产热和散热达到动态平衡，从而保证了体温的相对稳定性，这是人体进行新陈代谢和正常生命活动的基本条件。人的体温调节系统根据其调节机制的不同分为生理性体温调节(physiologicaltemperatureregulation)和行为性体温调节(behaviortemperature8 武汉理工大学硕士学位论文regulation)两种。人类自身具有一套完整的生理调节系统，这个系统又叫生物控制系统，通过这种系统来完成自身的生理性调节。该系统通过分布于人体全身的冷热感受器将感受到的信号集中到体温调节中枢进行整合，然后驱动人体血管、汗腺及肌肉运动，产生生理体温调节反应，并将所有信号同步反馈至中枢系统，最终产生冷、热感觉及行为性调节的要求，建立人体热平衡，稳定体温。3行为性体温调节是通过体外调节以改变人体与周围环境的换热系数，例如人类通过增减衣物，创建人工气候环境达到体温调节的作用。行为性体温调节大大增加了人类对大自然的适应能力，是生理性调节的补充。(2)人体热感觉人类自身能对周围的环境产生冷或热的生理感受，这种生理感受就叫热感觉。每个人在学生时代几乎都做过这样的实验：把左手右手分别放在盛有50℃和4℃水的水盆中，五分钟后再将两手同时放在盛有25℃水的篥77鬻07