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(专栏编辑:肖扬,同济大学建筑与城市规划学院副教授)
高密度城市中城市规划影响气候的模型:以新加坡商业区为例
来源:HIEN W N, JUSUF S K, SAMSUDIN R, et al. A climatic responsive urban planning model for high density city: Singapore's commercial district[J].International Journal of Sustainable Building Technology and Urban Development, 2011 (2): 4, 323-330, DOI:10.5390/SUSB.2011.2.4.323
当代城市正朝着超大城市发展,城市规划的密度更高,城市廊道更窄,城市有更多高层建筑。这种城市转型导致日间和夜间城市热岛效应,引发了城市环境质量下降。早期研究表明城市形态与城市中心气温升高之间存在密切关系。城市在白天吸收太阳热量并在夜间释放。城市建筑物会产生热量并释放到城市环境中,与周围的农村地区相比,城市气温会升高并导致热岛效应。城市热岛影响街道的热舒适度,健康,环境质量,并可能导致城市能源需求的增加。
本研究选取了新加坡的商业区地段,目的是了解如何在高密度城区内开发区块时探索不同的设计方案,以及它们对城市温度等条件的影响。采取在相同的容积率控制下,改变相应的建筑体量和建筑物理尺寸展开。
从地理位置来看,新加坡位于炎热潮湿的气候区域,全年均具有高温,湿度和降雨均匀的特点。新加坡作为东南亚地区最发达的国家,经历了快速的城市发展。商业区是高度发达的地区之一,以促进强劲的经济增长。目前新加坡商业区的城市规划政策允许高层开发,容积率从5 到11.2 不等,这代表了25 至50多层高的建筑高度。
本文应用了用于房地产环境评估的筛选工具(STEVE TOOL),这是基于气温预测模型开发的。这些预测模型基于近3年期间收集的经验数据,作为评估房地产开发影响的评估方法的一部分。在经验模型的开发中,先前研究中收集的气温数据与最新数据相结合。测量点涵盖各种类型的土地用途,包括住宅,商业,商业园区,教育,工业,公园,开放空间和体育设施。在模型开发之前,半径50m被认为是合适的半径。然后通过检查变量回归系数值及其与因变量的相关性来开发温度模型。计算每个测量点的每日最小(Tmin),平均(Tavg) 和最大(Tmax)温度作为空气温度预测模型的因变量。模型的自变量可以分为:
(1) 气候预测因子:参考点的每日最小值(Ref Tmin),平均值(Ref Tavg) 和最大值(Ref Tmax);每日太阳辐射平均值(SOLAR)。对于SOLAR预测器,在Tavg 模型中使用每日太阳辐射总量的平均值(SOLARtotal),而在Tmax模型中使用当天的太阳辐射最大值(SOLARmax) 的平均值。SOLAR预测器不适用于Tmin模型。这些数据来自气象站。
(2) 城市形态预测指标:半径为50m的路面面积百分比(PAVE),平均高度与建筑面积(HBDG),总壁面积(WALL),绿地比(GnPR),天空因子(SVF) 和平均地表反照率(ALB)。这些数据由政府机构提供,并通过实地调查进行交叉核对。
在模型开发的第一阶段,通过检查变量的回归系数值及其与因变量的相关性,进行趋势分析以识别和讨论模型变量的行为(基于现场测量收集的数据)。并非所有的自变量都很重要。但是,分析这些变量在确定气温时的行为方式非常重要。下一阶段是开发仅使用重要变量的气温预测模型。
本研究中新加坡商业区的温度图是通过叠加城市形态参数层并使用GIS 平台预测Tmax,Tavg 和Tmin 来开发的。Tmax 表示白天之间的最高温度,Tmin表示夜间的最低温度。通过插入从当地气象站获得的温度和太阳辐射的历史气候参数以及建筑物高度,暴露表面积,平均反照率和天空视图因子(SVF)的城市形态预测值来计算预测温度。本研究将现有的城市形态条件与基于当前新加坡商业区城市规划的可能情景进行了比较。
6个类型的体量模型由1个体块,2个体块,3个体块,5个体块,10个体块和16个体块组成,在商业区的7个街区内,要求容积率相同,通过配置不同的体量配置,可以实现各种建筑物的数量和建筑物高度的改变。在商业区内,在50m半径缓冲区内分配的其他测量点中的总共9个测量点分布在所选块周围,并且预测的Tmax,Tavg和Tmin由用于房地产环境评估的筛选工具(STEVE Tools)计算。本研究主要关注城市结构对城市气温的影响,因此绿化变量不包括在预测的温度计算中。建筑物块之间的开放区域被假定为路面区域。
所有情景的预测Tmax,Tavg和Tmin的温度图表明,通过改变建筑物的配置和密度,相应地改变了气温。
类似类型的建筑物配置被建模以计算平均温度。稀疏规划的城市结构允许从建筑物表面释放的热量去向上和离开城市冠层。相反,较高密度的建筑物配置似乎将热量捕获在城市冠层中并导致较高的空气温度,这证实了潜在的热岛效应的存在。
因此,除了当地气候条件外,城市形态因素还会影响城市冠层内的气温,后者会对热岛效应的强度产生影响。建筑密度和建筑高度是本研究中使用到的一些城市形态预测变量。具有较低建筑密度的城市配置允许更多的开放空间,由于太阳辐射进入城市冠层,因此在白天可能会增加空气温度。但是,规划稀疏的建筑有助于从城市地表释放到城市区域的热量上升并离开城市冠层。相反,密集规划的城区提供更多的遮阳并减少吸收的太阳能热量,从而可能在白天降低空气温度,但它会在夜间释放的热量,并导致与周围较低密度区域相比更高的空气温度。
低密度城市配置与较高建筑高度的结合导致了夜间降低空气温度,因为它允许更多的开放空间,并允许释放到城市区域的热量上升并离开城市冠层。按比例规划的建筑物高度和城市走廊宽度会影响最小化SVF值和进入城市冠层的太阳热辐射,这有助于降低白天的气温。
研究汇总了新加坡商业区7个街区现有状况与T型,Tavg 和Tmin 的差异,提出了6 种不同的建筑配置。它表明存在可能应用于这些区块的最佳密度阈值。通常,所有建筑物配置类型都会降低现有的空气温度。可以得出结论,在本研究中使用的区块中,具有1至5体块的建筑物的城市配置在降低城市热岛效应方面是有效的。然而,取决于地面面积和允许的容积率,该阈值可能不适用于其他区块,因此需要对其他区块进行进一步的详细研究以便观察特定的最佳阈值。
该参数研究证实,对城市规划影响气候的理解和应用有助于提高城市地区的热性能,进一步影响户外热舒适度,健康,空气质量和城市能源使用。该研究的局限在于不包括植被变量和城市风通风,因此可以进行更详细的研究,以获得更全面的发现和分析。
(供稿:姜思伟,同济大学建筑与城市规划学院硕士研究生)
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