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

城市空间微气候营造的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究--以武汉市城市空间设计为例 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 色 学校代码 学 武多簧理歹大署 论 学 位 文 城市空间微气候营造的设计研究 目 丛武沤直城直窒闻遮让敖倒 :文 目 也星堑曼曼旦曼巡坌坌坠旦迈亟也曼堑?堑 荆灿 究生姓名 导教师 姓名???勤互复一职称?数授一学位??檀量二 单位名称 艺本皇遮土堂院 邮编 垒. 姓名 职称 曙导教师单位名称 青学位级别 亟? 学科专业名称 遮土艺丕堂 艾提交日期笙鱼目目论文答辩日期 笙且 武汉理工太堂 立授予单位 学位授予日期?? 锌委员会主席 逍匡毙 评阅人 芏塑丝兰 圭芝些薹年月一一一 独创性声明 本人声明,所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果.尽我所知,除了文中特别加以标注和致 谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果, 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料.与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意. 研究生签名:麴幽 日期:塑墼旦兰多 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定, 即:学校有权保留、送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅; 学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文. 保密的论文在解密后应遵守此规定 研究生签名: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 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 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 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 ,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 ,,.毛 . ,’ ,... . . ,, , . .功 ;.. , , . , .、而 】. : ,, 武汉理工大学硕士学位论文 目 录 摘 要?.??. 第章:绪论??二.研究的缘起:区域城市化过程中的环境和资源问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ??。 .研究目的和意义??. .国内外研究概况??.. ..国内研究概况?. ..国外研究概况? .研究方法和研究定位.. ..研究方法与技术路线?. ..研究定位 .论文框架??. 第章:城市热环境及其微气候影响下的城市空间 .城市热环境与人体热舒适度.. ..城市热环境??. ..人体热感觉与热舒适度 .微气候. ..微气候概念?.. ..影响微气候的四要素.. 第章:武汉市城市空间特点??. .城市公共空间分类?. .武汉自然环境特征?。 ..地理条件??.. ..气候条件 ..自然资源??.. .武汉市城市空间特点 第章:武汉市街道空间微气候实测研究. .城市街区层峡??.... .街道空间实测说明? 武汉理工大学硕士学位论文 ..实测意义??.. ..实测对象和实测方法.. ..实验测试点布置??.. .实验成果总结 ..实验成果:..成果分析??。 第章:武汉市广场空间微气候实测研究. .城市广场??. .武汉市广场空间微气候实测说明? ..实测意义??.. ..实测对象和实测方法。 ..实验设备和实验测试点布置一 ..夏季实验成果总结?.. 第章:城市空间微气候营造方法分析?. .通风、防风设计??. .日照、遮阳设计.水体设计??. .绿化设计.铺装设计.案例分析..案例概述 ..场地分析 ..设计阻碍 ..体现? 致 谢.. 参考文献??~武汉理工大学硕士学位论文 第章:绪论 .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:年月初,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 时间就有人感染病毒,一个月之后,淘大花园的感染人数竟达到人。 香港政府出动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。年月,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。 .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。 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 万人,占总人口的.%,同年人口普查相比,城镇人口比重上升.武汉理工大学硕士学位论文 个百分点。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。 .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 的年时间里,人类的生态意识在不断的提高和完善,从世纪初为满足人 得欲望对自然的疯狂掠夺,到世纪中期提出可持续发展理念,对自然的极度 关怀,再到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。 ..国内研究概况 早在世纪年代,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 . 数据来源:://.../// 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.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。 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。 ..国外研究概况 世纪年代,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。世纪 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。 ? 世纪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。 : ? 年 在 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。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。 ?:年在 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 社年月,武汉理工大学硕士学位论文 》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。 ? 年美国著名景观设计和规划设计师,理论学家麦克哈格.. 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。 ? 年 一书中较早对全 在 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。 ? 世纪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。 ? 年间, 年一 : , 在 《 》和《 : : 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。 ? 年 在所著的 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。 ? : 年 在 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。? ? 年. 在《: 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。 武汉理工大学硕士学位论文 .研究方法和研究定位 ..研究方法与技术路线 从技术的角度来说,微气候营造研究是一门综合性的大课题,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~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 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ,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。 ..研究定位 这篇文章很容易被理解成~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,也起到调节气温的作用。在自然条件方面, 根据实际情况加以改造,武汉理工大学硕士学位论文 .论文框架 武汉理工大学硕士学位论文 第章:城市热环境及其微气候影响下的城市空间 .城市热环境与人体热舒适度 ? ..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。图?城市热环境与微气候关系图片来源:自绘 ..人体热感觉与热舒适度 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和行为性体温调节 武汉理工大学硕士学位论文 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。 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。 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。 和?水的水盆中,五分钟后再将两手同时放在盛有?水的 裂/节? 帑 ~/二一通风散热 热量传导 图人体热平衡与热舒适图片来源:自绘 水盆中,左手感到水是?的,右手感到水是暖的。这个实验说明人体的热感 觉是一种相对感受,不是客观环境的真实状态。热感觉除了受温度本身的冷 热 杨柳,建筑气候学,中国建筑工业出版社,, 武汉理工大学硕士学位论文 刺激影响之外,还与人体原有的热状态和刺激延续时间有关。 人体热舒适度 当人从一个极端寒冷或炎热的环境进入相对中性的环境后,人体通过一小段 时间的生理体温调节得到新的热平衡,缓解了在极端环境中得热紧张,达到 一 种相对舒适的状态,这时候我们就说人体达到了热舒适状态。在一般情况下, 人体通过调节自身产热量和散热量,都能保持体温平衡,但是要达到热舒适状 态,就必须把散热比控制在一个狭窄的范围内:‘对流散热约%.%,辐射散 热约%.%,蒸发散热约%.%,也就是说空气温度保持在??左 右时人体感觉最舒适。丹麦热环境研究专家房格尔教授指出人体必须 满足三个条件才能达到热舒适状态:首先人体产热量和散热量处于平衡状态, 其次保持一定要求的皮肤表面温度,再次满足一定的排汗率。目前世界各国的 城市公共空间基本上都采用自然通风除了少数西方发达国家尝试通过收集太 阳能进行室外空气调节,但都处于不成熟阶段,所以景观规划设计中仍然要把 调节太阳辐射量和自然通风量作为创造热舒适环境的主要措施。 影响人体热舒适的自然因素有三点: 平均辐射温度:虽然大部分热辐射在人体能感知的范围之外,但是在理想 状态下,宇宙中凡是温度在绝对零度以上的一切物质都会有热辐射产生。例如 处于一个广场空间中得人体体温会受太阳辐射的影响,同时也会受广场铺装热 辐射和水景热辐射的影响。 气流速度:气流速度通过影响空气的蒸发力从而影响人体排汗的散热效率, 这就是为什么人在出汗后站在风中会感到?爽。 空气湿度:空气中的湿度比对人体热感觉的影响作用主要体现在调节人体皮 肤水分蒸发方面。空气湿度如果处于一个特定的范围内,氧气很容易通过肺 泡传输到血液中。所以一般人在.%的相对湿度下感觉最舒适,当空气相 对湿度保持在%.%之间时,人体可以保证蒸发过程的顺利和稳定,当空气 相对湿度高于%时,身体会因皮肤表面汗液蒸发受到阻碍而导致不舒服。 .微气候 ..微气候概念 气候是指地球上某一地区多年的天气和大气活动综合状况,是某个时段月 份、季节或年天气的平均统计特征,由太阳辐射、大气环流、地面性质等相 武汉理工大学硕士学位论文 互作用决定。目前使用的最简单的气候带划分方式是以回归线和极圈作为气候 带的界线,把全球划分为个气候带:热带、南温带、北温带、南寒带和北寒 带。气候是大气和大气的物理要素在时间与空间上的分布与变化,各地区区域 性气候甚至局地气候主要由当地的气候带决定,但在同一个地区,由于地形、 地势、方位和自然特性以及地面植被种植情况等条件的差异,在地球近地面大 气层中,一个城市的个别空间有可能具有与本城市区域性气候带有所不同的气 候特点。所以为了区别地球大气候与城市空间区域性小气候,气候学的概念 被 引入城市设计中。微气候学是研究与地球表面直接接触的 近地面空气层即城市下垫面的区域微气候差异。这一层空气层从地表向上延伸 ,临城市表 或,被称为大气边界层 面的的气流运动对大气边界层以上的空气的影响较小,而地球上大尺度大气运 动过程对大气边界层上空气的影响较直接。城市空间的微气候营造是对地域气 候产生深刻修正作用的典型例子,其中从地面延伸到建筑屋顶高度的部分通常 被称为城市冠层 。大气边界层内的大气直接通过摩 擦,加热和冷却等物理运动影响城市冠层。近些年来,科学家们注意到室外污 染传输过程的一些现象在室内亦有发生,考虑到室内外的某种相似性,科技工 作者将室外微气候领域的相关概念和原理引入室内,因此室内微气候评价理论 也有很大的发展。 城市公共空间作为典型的人工环境,全面体现了特定时间在相同地点自然 环境与人工环境之间的相互影响。首先,城市中的街道空间、广场空间和公 园 空间等面积较大的开放空间元素对城市区域性微气候产生宏观的和基础性的影 响;其次,城市微气候影响居民对这城市公共空间的舒适度评价和使用次数。 因此,在考虑到一定城市区域空间气候特点的同时,把城市开放空间建成一个 利于同时利于人工调节与气候自然调节的结构性人工环境体系是城市景观规划 设计的重要目标。 城市下垫面从宏观上来说可以看成是不匀称和高低不平的地球界面,这个 特点加剧了城市空间局部气流运动过程,这就使得有关气象的数据无论是在空 间上还是在时间上都在不断的变化着,因此城市空间中各种微气候变化过程其 实并不是发生在无限的范围内的。在气候学理论中,大气层的下垫面是指与大 气层接触的水陆表面。影响城市微气候环境的主要因素是地形和城市下垫面。 钟杰,《皖南民居室内热环境研究》,《舍肥工业大学》, 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,东南大学出版社年月,武汉理工大学硕士学位论文 随着人类城市化的发展,一个城市的自然地形已经被高度人工化。从气候学 和 城市设计的角度来看,现代的城市空间已经成为形成综合型下垫面的主要因素, 也是影响城市空间良性微气候营造的主要因素,是自然环境与人工环境相结合 所构成一个整体的建筑外部空间复合界面系统。随着城市中建筑密度和建筑高 度的不断增加,城市空间的大气成分、空气环流和湿热环境发生了明显变化, 从而导致了城市部分地区的微气候出现热岛效应等影响城市空间正常气候变化 的现象,这些现象使得城市空间环境的舒适度大打折扣。因而规划设计师与景 观设计师在进行提高城市空间舒适度的相关研究时应该把城市空间环境与城市 微气候之间的相互影响和相互作用作为重点考虑因素。 ..影响微气候的四要素 影响微气候的四要素有风环境、热环境、湿环境和日射环境,这四个因素 主要表现在对空间环境的舒适度影响上。 风环境 气流在大气中相对地面作水平运动,我们称之为风。地理学中的风主要有 三个属性:风向、风速、和温度,通俗的说就是我们日常生活中所说的风有冷 风和热风之分。但是随着所经下垫面状况的变化,气流的冷热属性会在流动 过 程中产生变化。比如夏季风在吹过面积较大的水面后会因水的蒸发而降温,在 吹过有花岗岩等面积较大的硬质铺装的广场时温度又会明显升高。风的形成是 集合太阳辐射,地球自转和地球下垫面三大作用的结果。 .太阳辐射 太阳辐射是来自太阳的电磁波辐射。太阳辐射能是地球表面气流运动的主 要动力来源,对城市下垫面空气温度的升高和降低起着决定性的作用,也是引 起城市区域内几乎所有气候变化的主导。太阳辐射强度随地球纬度的升高而降 低,因此各维度大气热量收支是不平衡的。 是大气热量净得区,在 这个范围内大气不断升温;向北和 向南是热量净失区,大气不断冷 却。赤道地区大气因温度高而膨胀上升,南北极地区大气因冷却而收缩下沉, 从而引起赤道大气在高空聚集后流向两极,两极大气在低空流向赤道的全球“热 力环流圈”。 .地球自转 地球自转使大气环流受到“地转偏向力”影响而变得更加复杂。“地转偏向 力”的本质是物理学中著名的“科氏力,全称是“科里奥利力”。在北半球, 武汉理工大学硕士学位论文 从赤道上升到高空再向北流动的空气,因科氏力的作用向右偏,大约到。上 空就偏转为与纬度圈平行的西风。西风的形成阻碍了低纬度高空大气继续北流, 便在北纬上空堆积后冷却下沉,这股冷却的下沉气流抬高了近地面气压, 这就是副热带高压带的成因。下沉的空气在低层分别向南北流动。向南流的气 流又在科氏力作用下向右,转变为低纬度近地层的东北“信风”,流回赤道;同 样地一支流向赤道的东南信风也会出现在南半球低纬度近地层。两支气流在赤 道汇合后上升,至高空再分别流向高纬。从而使得南北半球低纬度区各形成一 个“信风环流圈”。 另一方面,从下沉向北流的气流在科氏力作用下向右偏,转变为中纬 度近地层的偏西风。在北极冷却收缩下沉的空气向南流动过程中右偏转变为东 北风,与中纬度偏西风在汇合,暖湿的偏西气流爬升到干冷的东北气流之 上,使近地面气压降低,形成副极地低压带。爬升到高空后分别向南北流去, 向北的流向极地,受到极地空气冷却变冷下沉,从而补偿了极地向南流去的空 气,最终在极地高纬度区域形成“极地环流圈”。 中纬度地区~。上下层都盛行西风,下层的西风具有南风分速, 上层的西风具有北风分速。上层西北风与低纬度向北流的空气相遇后下沉,到 达临近地面层又各自向南北流去。这样在中纬度地区形成“中纬环流圈”,其方 向与上述“信风环流圈”与“极地环流圈”相反。前者称为“逆环流圈”,后者 称为“正环流圈。’ .下垫面状况 口 .谷风与山风图片来源:气象学与气候学》 山谷风:在山区,由于山坡和山谷受热不均,白天风从山谷吹上山坡,夜 晚风从山坡吹下山谷,这种以一天为周期而转换风向的风系称山谷风。山谷风武汉理工大学硕士学位论文 是由向阳坡面的气温与谷地上方登高处的气温差造成的,白天,靠近山坡表面 的空气较同等高度的自由大气所受的热量多,山坡表面温度上升快而出现气流 上升,山风沿斜坡向上吹,傍晚以后,由于地表转?而使气温下降,气流沿着 山坡向下运动,山谷风就形成了。从宏观上讲,山谷风对局部风环境的影响往 往不如海陆风那样明显,但在小范围内也足以改变一个地区某一季节的主导风 ? 向。 .巷口节点图片来源:自绘 街巷风:自有人类聚居后,从村落,乡镇,再到大型城市,都是人们适应 自然环境和改造自然环境的产物。人们生活在城市中,要解决与自然联系,与 社会联系的交通问题,于是大街小巷产生了。街巷风是指大小街道与巷道之间 的空气流动。 街巷风不是一种纯自然现象,而是经人工化的自然现象。例如,现取一街巷口 节点研究如图...,因大型马路比街巷宽阔,白天吸收的太阳辐射量就高 于相对狭窄的街巷,马路热空气上升,街巷的街风进入马路补充,而小巷的巷 风又进入大街补充,同时小巷上部较?空气下沉补充下部流走的空气。晚上, 马路一大街一小巷三者间的空气热力循环方向相反。如果把人类活动考虑在内, 这种微热力循环就更加明显:白天马路上穿行的行人和车辆较多,人为热量散 发大,增加马路温度;晚上人们回家,开电做饭,生活余热增多,又提高了街 巷温度。 水陆风:水陆风是水体表面与临水的陆地表面之间热力引起的空气流动。 “水指河、涌、溪、湖、池、塘等水体,“陆指泥土、沙土、石头、混凝土 地面、砖铺地面的陆地。引起水陆风的对象即水和陆的空间尺度相差不大,也 就是说水面面积深度与临水陆地面积基本接近,都是向天空开放的系统。 武汉理工大学硕士学位论文 陆风 水风 .水陆风热物理环境图片来源:自绘 白天水陆接受太阳辐射后,温度上升,但因水体蒸发吸热,水面温度上升 不大,另一方面,水的导热系数小于地面,水体表面向深层传热量不多,因而 吸热速度比陆地慢;陆地导热系数大,受太阳辐射后温度上升较快,陆地附近 的空气温度也较高,因此陆地上空空气体积增大,气压降低。水面空气向陆地 流动,形成“水风”。晚上太阳辐射量剧减,水陆开始降温。陆地降温速度快于 水面,空气体积收缩,气压增大,因此晚上陆地空气流向水面,形成“陆风。 庭院风:我们通常所说的庭院是指建筑物四周或中间配置绿化、水和山石的露 天空间。庭院一般有矮墙、篱笆或水沟围合,城市空间中的庭院形式多见于别 墅小区、小型公园和商业建筑中。 庭院风:庭院风的主要作用是作为与建筑物辐射换热和对流换热的冷源。 庭院风的来源是由于庭院内的植物和水体不停的蒸腾吸热作用使庭院空气温度 总低于建筑室内温度。根据热压通风原理,庭院的较冷空气既庭院风会从 靠近庭院的外门窗进入室内,从远离庭院的外门窗排走室内热气,这就是庭 院 对建筑物的对流散热作用。 海陆风:“海陆风’’属水平空间尺度几十千米、时间尺度一天左右的“中尺 度系统”。海陆风形成的原因主要是由于海陆分布而使海陆之间形成气温差、周 期变化在一天之内的气流。海陆风的成风原理与之前所分析的水陆风相似,只 是空间尺度不同。白天,在太阳辐射下,陆地吸热增温比海洋快,陆上空气温 度比海洋高,体积膨胀上升,高空中气压增大,等压面向海洋倾斜,空气向海 洋流动。同时,陆地下层空气气压降低,海面下层空气气压升高,等压面向陆武汉理工大学硕士学位论文 庭院风图片来源:自绘 地倾斜,形成“海风’’。太阳辐射量在晚上快速下降。陆地温度冷却速度比海面 快,气温比海面低,空气冷却收缩下降,上层气压降低,下层气压增高,等压 面向陆地倾斜,下层风由陆地吹响海洋,形成“陆风”。 高楼风:在高楼林立的大都市街区间或高层建筑附近常会出现风速和风向 与城市主导风截然不同的风,这种风在不同楼群布局中会突然变强或者突然变 弱,忽然上升或者忽然下降,让人无法理解他的变化。人们从间距较小的高层 建筑之间穿过时,常会受到一股莫名其妙的强烈阵风的袭击,忽然间就被吹得 左右乱晃。这样的无法捉摸的气流就是著名的“高楼风”。高楼风形成的根本原因 是空气流动时突然遇到高楼阻挡而从高楼间的空隙处猛烈灌出,形成湍流。高 楼风的风速随着建筑高度的增加以及街道宽度的减小而增大。目前城市建筑越 建越高,建筑密度不断增加,高楼风的现象也越来越多。 高楼风种类的划分主要是根据楼群的布局形式,可以分为以下几种: 分流风:风迎面吹向建筑物后沿着墙面继续流动,当遇到建筑拐角就被分 流离去。这时分流离去的风的流动速度大大高于周围的其他气流。 下冲风:气流在建筑物高度的%~%时与建筑相迎,会被建筑阻挡,分 成多股分别向上下左右运动。在冬季,由于建筑表面温度低于空气温度,形成 低压区,被分流到左右方向的风受到它的吸引,变成从上往下冲的劲风,这股 劲风的风速也高于周围其他气流。 逆风:冲向建筑物的风沿着墙面下降,一旦落到地面便向上方反向流动, 特别是在高层建筑前有低层建筑的情况下,更易助长这种逆流现象,使之变成 快速流动的强气流。 峡谷风:在楼层较高的建筑林立的建筑群中,吹过建筑物之间间隔的风受 到分流风和下冲风同时影响,速度剧增,从而变成了强劲风。 武汉理工大学硕士学位论文 穿堂风: 在市区,风沿着两侧有高楼排列的马路或胡同穿扫而过。建筑物排列的越 整齐,穿堂风越容易形成。 热环境 人体的热舒适感直接受到空气温度的影响,也是设计师在采取城市公共空间 保温和隔热、采暖和降温设计措旖的依据。地面下垫面状况、风和太阳辐射是 影响空气温度主要因素,而太阳辐射有是这些因素中最重要的一个。太阳辐射 穿过空气就如穿过透明物体,对空气的影响只是间接的。太阳辐射使地球表面 升温,被地表反射后转化成长波辐射向天空发出。与地面相临地空气因为吸收 了地球表面向天空反射的长波辐射后温度上升,同时与高温地表相接触的空气 层在导热作用下温度上升,最后大气的对流作用又把这些热量传送到高层大气。 在冬季或夜间,地表温度下降,临近地表的空气也随之冷却。所以我们以此可 知,决定临地大气温度的要素是地球表面的温度,决定空气温度的主要途径又 是通过热量在地表与空气之间的交换。地球上方不同区域的空气压力是不一样 的,这种空气压力差能够引起气团移动,从而使不同温度之间的空气团相互 影 响,相互中和。因此在不同空间,不同时间的空气实际温度是在不同的变化着 的。 对地球而言,不同地理位置的空气温度变化是很明显的,从地球两极到赤道、 从大陆高原到沿海区域,气温的分布会有规律的发生变化。经多年研究发现, 大气环流、地球纬度、海陆分布、洋流和下垫面状况等自然要素是影响空气温 度在空间上的分布规律的主要因素,而这些因素中纬度起到了最主要的作用。 在水平方向上,空气温度随纬度变化,向高纬度地区每移动~,年 平均温度降低?。在垂直方向上,空气温度随高度变化而改变。与地表接触的 空气通过导热吸收热量,并通过对流向上层传递。当气团上升的时候,由高压 区到达低压区,气团扩散变冷。反之,当气团下降时,因压缩而增温,形成绝 热冷却和绝热加热。白天空气的最高温度是在地面与空气交接面处,距离地面 越远,温度就越低。在通常情况下,高度每增加,气温平均下降?“ ?。在一些特殊条件下,会出现空气逆温现象,即空气温度随高度升高而增加。 由于形成原因的差异,逆温现象有多种形式,如下沉逆温、辐射逆温、湍流逆 温、平流逆温等。在晴朗的夜晚,由于地表迅速冷却,靠近地表的空气层也随 之迅速降温,而位于高处的空气层则降温较慢,于是形成辐射逆温。辐射逆温 层的厚度最高能够增至数千米,以冬季最强。另一种常见的逆温现象是平流逆 武汉理工大学硕士学位论文 温,海滨城市经常会呗来自海洋的冷空气笼罩,相对较冷的空气沉聚在地表周 围,形成平流逆温层。逆温层的出现会阻碍大气中尘埃和污染物的扩散,是大 气能见度降低,加剧城市空气污染。 在时间方面,由于地球自转和公转所引起的周期性变化,以及大气环流所引 起的非周期性变化,同一地区的气温有明显的年变化和日变化。空气温度年较 差指一年内最冷月和最热月的月平均气温差,它随纬度、地表性质、海拔高度 的不同而不同。一般情况下年较差随着纬度的升高而增大,在纬度相同的条件 下,滨海地区的年较差小于内陆,多云多雨地区小于干旱地区,植被茂盛地区 小于土壤裸露的地区。此外,年较差还随海拔的升高而减小。一天之内最高气 温比最低气温高出来的部分成为日较差。日较差也随纬度、季节、地标性质、 海拔高度和天气状况的不同而不同。一般来说,随着纬度的升高,日较差逐渐 减小,内陆地区日较差大于滨海地区,山谷大于山脊,晴天大于阴天,夏季大 于冬季。 湿环境 用来表示空气的干湿状况和空气中水蒸气含量高低的比率称为空气湿度。水 蒸气主要来源于海面、小面积水体、潮湿表面和植物,通过蒸发进入大气,在 风的携带下漫步在空气中。下垫面状况、水份分布状况、植物分布状况,季节 和天气是调节空气干湿状况的主要因素。 空气湿度的空间分布。空气中得水蒸气容量主要决定于气温,随着气温增高 而逐渐增大,因此,水蒸气在地球上的分布是不均匀的,赤道区最高,向两极 逐渐变小,其变化与每年的太阳辐射及平均温度的变化是对应的。水蒸气压力 随地点不同而变化,沙漠及寒冷地区的水蒸气压力仅有几个毫米汞柱,而在湿 热地区可达毫米甚至超过毫米。垂直方向上,水蒸气压力的递减量较气 ’压的递减快,所以,水蒸气含量随着海拔高度而降低。 空气湿度一日之内的变化和一年之内的变化规律。空气的绝对湿度即水蒸气 压力随季节而变,通常夏季高于冬季。水蒸气压力的日变化一般较小,在每日 受海陆风交替影响的滨海地区,变化幅度仅有几个毫米汞柱。在水面上或在处 于雨季的陆地上,水蒸气压力的日变型和温度的日变型一致。对于内陆地区的 夏季,水蒸气分压力在一日之内有个最高值和最低值,最高值一般出现在上 午~时和晚上~时,清晨温度最低时一般会有一个最低值出现,而中午 以后的气流运动最强时也有可能出现。一年之内被季风影响的地区最容易引起 水蒸气的压力变化,湿润的热空气被季风从海洋上带到内陆,干燥的冷空气也武汉理工大学硕士学位论文 被季风从内陆引来。 就算水蒸气压力几乎保持在一个常数,相对湿度的高低变化范围也可能是很 大的,这是由于气温的日变化及年变化所引起的,一般在一天之内相对湿度最 低的时段发生在中午气温最高时,相对湿度增高的时段发生在气温降低时,在 气温日较差大的大陆上,中午以后气温达到最高值时,相对湿度很低,而到了 夜间,空气可能接近于饱和状态。 日射环境 太阳辐射是来自太阳的电磁波辐射。太阳辐射量的强弱决定了地球表面空气 温度的高低,几乎地球上所有的气候现象都是由太阳辐射的强弱主导的。太阳 辐射能是冬季保持室内温度的天然能源,但是在夏季又是造成城市热岛效应的 主要原因。城市空间与太阳辐射之间的相互影响可分为两种情况:当太阳辐射 射到一个特定的城市空间中时,部分能量被铺装、建筑等下垫面形式反射,部 分被吸收;当太阳辐射入水体、植物时,有想当大的~部分能量被反射到空气 中,部分被吸收,还有部分可以透过。在城市空间规划设计中,太阳辐射 是设计师在对植物布置,铺装材料和颜色选择以及建筑间距的考虑中均有非常 关键的因素。 太阳辐射能。地球每年从太阳获得的辐射能量是.×焦耳。在地球表 面上,太阳光谱的波长范围约在.~.之间,可大致划分为三个区段: 紫外线、可见光和红外线,可见光波长在.?.之间,紫外线是波长小 于.的波段,红外线是波长大于.的波段。虽然太阳辐射的最大强度 峰值位于可见光范围内,但半数以上的能量是以红外辐射发射出来的。 太阳常数。太阳常数是指高于地球大气层之外的,太阳与地球的平均距离的 地方,与太阳光线相垂直的表面上,单位面积、单位时间里所接收到的太阳辐 射能,理想状态下的太阳常数值通常取/。科学家把太阳看做一个表面 温度达的黑体,不断向外辐射能量,太阳的输出能量并不是恒定的。随 着季节的轮回变化,太阳与地球之间的距离以及太阳自身反应活动都在不停的 变化中,从而使得大气层上界的太阳辐射能并不是恒定的。当太阳辐射透过地 球的大气层时,其强度将减弱,而且光谱的分布也因大气层的吸收、反射与散 射而改变。实际照射到地球表面的太阳辐射强度取决于需穿透的大气层厚度和 大气透明度。大气层厚度又取决于地球自转、公转以及地轴与公转轨道平面 之 夹角等条件,这些条件是可以精确计算的。大气透明度取决于天空中云块的间 隙及空气中尘埃、二氧化碳和水蒸汽的含量,这些因素是无法精确计算的。 武汉理工大学硕士学位论文 太阳辐射照度。太阳的辐射能量穿过大气层射向地面的过程中又受到大气层 的吸收和反射而减弱,直射辐射是指太阳辐射中穿过大气层直接辐射到地面上 的那部分辐射,散射辐射是指一部分太阳辐射被大气层吸收,再由大气层反射 到地面部分,太阳辐射总量是直射辐射与散射之间的和。辐射照度是指物体表 面在单位面积、单位时间内所接受到的太阳辐射能,由于地理纬度、大气透明 度和季节的不同,不同地区在不同时间内所接受到的太阳辐射照度是不一样的。 太阳辐射的方向性。在某一个城市空间内,建筑外墙面所吸收的太阳辐射能 因季度的变迁而产生规律性的变化。基于各学科专家对北纬。区域建筑各朝 向在不同月份总辐射照度的对比研究,总结出太阳辐射的规律:夏季,平屋顶 水平面建筑表面的太阳辐射得热最多,也就是说吸收到的太阳辐射能量最 大,而竖向墙面的太阳辐射照度比平面的照度要小。相对于不朝南的墙面来说, 朝南的垂直墙面在冬季一天之内接受的太阳辐射最多,夏季一天之内接受的太 阳辐射通常会比其他朝向的向少。在建筑规划设计中,太阳辐射的方向性直接 决定建筑的朝向和定位,以及窗户和遮阳设计。 太阳辐射在一天之内的变化规律与一年之内的变化规律。由于太阳和地球之 间的相对运动的规律性,在地球表面上,~定区域上接受的太阳辐射能量随着 一年的季节变化和~天中得时间变化而变化,并且受到太阳辐射持续时间和辐 射强若的重要影响。太阳辐射的日较差和年较差影响建筑围护结构厚度、材料 选择和蓄热设计。武汉理工大学硕士学位论文 第章:武汉市城市空间特点 .城市公共空间分类 ? 城市中的开放空间 或称城市公共空间,可以理解成所有建 筑外部空间组成的空间系统。开放空间包括自然状态的旷地、广场、街道、公 共绿地和城市中的大小休憩空间。构成城市空间最主要的三个元素是广场空间、 街道空间和城市绿化系统。公共空间的舒适性一直是国外公共空间研究的一个 热点领域。公共空间的舒适度是指公共空间所提供的生态、经济、社会文化等 功能对城市居民的满足程度。然而公共空间的舒适度是隐性的,从经济学的角 度来看,它提供的服务或功能是没有市场价格的公共商品 ,无法直接量度。目前经济学使用的最多的核算此类 , 环境资产货币价值的方法是抽样调查评价法 / 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,是在一 个城市空间中确保人与环境和谐相存的环境基础,是改优化城市空间环境结构 体系和城市功能的环境控制机制,同时也是促进城市发展进入可持续发展的科 学状态的重要载体。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。 九十年代初,从沿海城市到内陆城市,中国大地掀起了一股广场热,各种 主题广场特别是源于法国的模纹花坛广场铺遍大江南北。但是当人们对广场的 新鲜感退去后才发现,大片的草地和完美修剪的模纹绿篱并不能给市民带来舒 适感,广场热相继冷却下来;进入二十一世纪后,又一个新的公共空间形式一 中央商务区从美国传入中国,同样掀起了一场以改善城市公共活 动空间为目的的城市建设运动。年的武汉天地和年的武汉汉街就是在 这样的背景下诞生的。这些城市改善项目不仅在美化城市方面发挥了很大作用, 更重要的是满足了现代社会中人们走向人群相互交流的需要,满足了人们对高 武汉理工大学硕士学位论文 质量城市生活的需要。然而现代城市由于预期之外的重建,扩张,规模过大而 难于把握和完美体现市民的真正需要,同时也失去了中国传统城市通常具有的 较好的整体性。另一方面,急于追求速度的城市领导人和设计者忽略了城市发 展对生态环境的影响以及气候和地形等因素对城市空间舒适度的影响。 在科技发展这个强大的推动力作用下,城市在空间面积上快速扩张,在建 筑高度上不停的刷新纪录,城市形象每天都在发生变化中。从系统学得角度来 说,城市是一个复杂的整体。一方面城市发展是其各子系统发展的结果,另一 方面又促进了子系统的进一步发展。此理论同样适用子城市规划和景观设计领 域。城市空间环境质量的提高促进了城市整体品质的提升,而当城市发展到一 定水平后,也要求其空间环境质量相应的提高,这样才能使城市从总体上稳定 前进。因此,对城市环境与景观的完善也就是提高城市公共空间环境质量将成 为下一阶段城市建设的主要任务之一。 .武汉自然环境特征 ..地理条件 地理位