物理环境控制在城市设计中的应用初探

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【摘要】 本文以厦门市科技创新园低碳生态规划项目为例，介绍了物理环境控制在城市设计中的应用。通过计算机模拟技术手段，分析评价城市设计方案在物理环境方面的问题与症结，并针对性地提出量化控制的城市设计指引，为营造自然、舒适、人性化的城市环境提供规划指导。

【关键词】物理环境、城市设计、模拟技术、量化控制

1 规划背景

中国快速城市化进程掀起的建设浪潮，在促进社会经济发展的同时，也必然导致诸多城市环境问题。首先，由于城市建筑物密集，高低大小不等，增加了自然风阻，更由于规划设计不当，导致城市风速偏小甚至形成无风区或涡旋区，使得市内空气污染无法排除，危害居民健康。其次，建设用地侵占大量农田、山林、河湖等调节微气候的生态基质，而城市建设又增加了人工热源，钢筋水泥的不透水下垫面越来越多，加上城市通风不畅，热岛效应加剧。第三，随着道路网扩展与机动车密度加大，交通噪声的声级和影响范围都在不断扩大，同时城市建设产生超标施工噪声，而人口密度的增加和人们社会活动的频繁，也导致了生活及商业性噪声的影响日渐严重。

由于城市物理环境与人的生理、心理健康休戚相关，是最能体现舒适度、人性化等感官特点的环境要素。而城市规划与物理环境又有着极为紧密的关系，良好的规划设计能通过对城市形态的控制和空间资源的优化配置，在设计之初即可以最小的代价实现物理环境质量的改善，不仅提高城市环境的舒适与健康程度，还为微观建设单元的节能减排提供有利条件。但目前传统的城市规划设计过程对其涉及极少，亟需将对城市物理环境的控制要素纳入规划考虑范畴。

2 研究思路

在厦门科技创新园项目中，为营造健康、舒适、可持续的城市环境，围绕建设低碳生态园区的规划目标，我们将城市风环境、热环境、声环境作为物理环境研究的三个重点领域，从城区整体、道路交通、街区、地块四个层面，以科技创新园既有规划和城市设计、典型片区和道路等为研究对象，引入物理环境模拟仿真技术，对城市设计方案进行分析，并根据分析结果，针对性提出可量化控制的城市设计指引，以期通过规划设计手段对园区物理环境进行控制与引导，避免常规城市建设带来的环境问题，并将其作为园区低碳生态规划的重要内容之一。

3 风环境控制

3.1通风模拟分析

采用基于CFD原理的计算软件对园区风环境进行模拟分析。根据夏季典型气象条件下风速出现频率最高的风向与平均风速，采用梯度风设置分析边界条件，通过园区风速、压力分布结果分析评判园区风场和自然通风状况。

夏季园区大部分室外区域风速处于人体舒适性要求范围内，整体规划布局能基本形成数条顺应主导风向的明显通风廊道，利于园区内自然通风；仅南、北两端片区（图3.2白框所示）由于建筑布局、朝向、高度等原因，对夏季主导风进入园区造成阻碍，未能形成主风廊，不利于城市排热。（图3.1）

3.1.2 冬季主导风向下的风场

冬季园区内人员活动高度（距地面1.5m处）的大部分区域风速小于5.0m/s，对室外活动不造成影响；仅中、南部局部片区由于建筑间距、缺乏合理的景观挡风设计，风速稍微超标，对人员活动造成一定的不利影响。

3.2 城市设计指引

针对上述问题，在园区总体规划结构已确定的情况下，主要可通过城市设计手段优化园区风环境。

3.2.1道路朝向

（1）园区东西向主要道路均宜与夏季主导风向成0-30°夹角；

（2）宽度尺寸超过100m的地块内部主要道路也宜与夏季主导风向成约30°夹角，并使地块长边与此方向平行。

3.2.2风廊控制

（1）在园区南北两端片区，结合主要道路开辟主要通风廊道，风廊宽度不小于30m，且宜与夏季主导风向成0-30°夹角；

（2）园区城市次干路级别以上的十字交叉路口不宜建设高大建筑，严格控制通风廊道沿线不设置高密度、高层建筑与连续、高大的立柱式广告等构筑物。

3.2.3建筑布置

（1）在主导风向下，建筑物周围人行及活动区域距地1.5m高处，风速放大系数不应大于2，园区80%人行区域的风速不宜小于0.5m/s，且不宜大于5m/s。（建议地块或单个项目进行微观通风模拟分析）

（2）在冬季风速超标的局部区域，宜结合景观设施设计引导活动空间的空气流动，防止人行活动区风速过高。

（3）园区不宜采用全围合建筑布局，宜采用底层架空的建筑形式，主导风向上风位区域避免采用垂直于主导风向的大面宽板式建筑。

4 热环境控制

4.1 热岛模拟分析

考虑到厦门在一年中以夏季（最热月为7月）热环境最为恶劣，本研究仅对厦门科技创新园的夏季室外热环境进行模拟评价，以厦门夏季典型气象日作为气象分析参数，并采用相关模拟软件对室外热环境进行数值模拟和优化分析。

从8:00～18:00间热岛强度平均值来看，科技创新园63个解析子区域的热岛强度均值基本均小于1.5℃。只有园区中、南部的5个子区域在评价时段内的平均热岛强度不满足《绿色建筑评价标准》GB/T 50378的要求，需要对其热环境进行优化设计。（图4.1）

4.2 城市设计指引

针对上述热岛强度超标的子区域，可通过增加改善下垫面方面的城市设计指引，进行园区热岛控制和热环境优化。

4.2.1提高绿地率

（1）新建综合商住用地绿地率不低于30%；

（2）工业、商业、办公用地的绿地率不低于25%。

（注：满足植被绿化覆土要求的绿化面积均可折算为绿地面积参与绿地率指标计算。）

4.2.2增加生态指标

（1）渗透硬地面积占室外硬质地面的比例不低于60%；

（2）新建综合商住建筑屋面绿化面积占可绿化屋面的比例不低于30%，商业、办公建筑屋顶绿化面积占可绿化屋面的比例不低于50%；

（3）新建综合商住用地硬质地面遮荫率不小于30%，商业、办公用地硬质地面遮荫率不小于25%，工业用地硬质地面遮荫率不小于35%。

5 声环境控制

5.1 噪声模拟分析

园区主要噪声源为交通噪声，在园区已建成道路选取一定数量的测点，进行道路噪声和交通量检测，结合样本点的检测数据，根据交通规模预测各条道路交通噪声量作为边界条件，并通过计算机模拟分析交通噪声对各功能区的声环境影响。

经现场检测可知，园区交通噪声主要由同集路、滨海西路和学院路三条主干道产生。通过模拟分析，主干道沿线地块受交通噪声影响较大，其中教育科研地块沿街噪声白天超标平均约14~25分贝，夜间超标约10~20分贝，噪声影响严重；行政办公地块沿街噪声白天超标平均约10~22分贝，夜间超标约8~16分贝，噪声影响严重；商业金融及商住地块沿街噪声白天超标平均约8~14分贝，夜间超标约6~15分贝，噪声影响较严重。

5.2 城市设计指引

根据模拟分析图可见，随着建筑退线距离的增加，交通噪声由道路向地块内部逐渐衰减至达标分贝。另外，还可采取防噪设计手段进一步降低交通噪声影响。

5.2.1建筑退线

（1）相邻城市干道沿线地块临路一侧的建筑退让道路红线距离不小于12m。

（2）考虑到远期沿同集路将设置轨道交通线，需增大沿线商住、科研等高噪声敏感性用地的防噪距离，临路一侧建筑退让道路红线距离不小于15m。

5.2.2防噪设计

（1）对于道路交通量大的同集路和滨海西路沿线的高噪声敏感度地块，可采用降低道路相对高度、增设道路与建筑之间的阻隔物、调整交通道路布局位置、采用吸声降噪路面、利用防噪绿化带等措施作为补充，限制道路交通噪声向路外扩散。

（2）沿同集路的轨道交通线沿线应严格参照国家相关标准预留距离并设置隔音屏、吸音装置等措施减少噪声影响。

（3）在园区居住单元周边的道路交叉口处宜采用增设物理设施、缩小交叉口转弯半径等交通宁静化技术，减低行驶车辆车速，降低交通噪声。

6 结语

物理环境控制直接影响城市环境的优劣，是城市规划设计中不可或缺的组成部分。在设计之初，借助计算机模拟技术，找出问题，对症下药。通过选择良好朝向、预留主要风廊等优化园区风环境，保持空气清洁，调节城市温度；通过改善城市下垫面基质优化园区热环境，减少热岛效应，提高环境质量；通过控制建筑退线与增加防噪设计等优化园区声环境，降低噪声影响，营造宁静氛围。这些低成本的城市设计手段，却是创造健康、适宜、人性化城市物理环境的有效方法，也是厦门科技创新园实现低碳生态目标的重要内容。

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