昆·斯蒂摩的“城市多樣性地圖”方法及其在高密度校園規劃設計中的運用

鄧巧明，劉宇波/DENG Qiaoming，LIU Yubo

昆·斯蒂摩的“城市多樣性地圖”方法及其在高密度校園規劃設計中的運用

鄧巧明，劉宇波/DENG Qiaoming，LIU Yubo

英國劍橋大學昆·斯蒂摩教授是可持續設計研究的代表人物之一。本文簡要介紹了昆·斯蒂摩提出的“城市多樣性地圖”的研究方法，它為研究室外環境局部區域的微氣候條件提供了較為簡化的方法。筆者運用該方法分析了新加坡共和理工學院的校園環境，并結合功能布局對校園空間形態進行了與氣候條件相適應的優化與改進。

昆·斯蒂摩，城市多樣性地圖，高密度，校園規劃Keywords: Koen Steemers，mapping urban diversity，high density，campus planning

1　昆·斯蒂摩

昆·斯蒂摩（Koen Steemers，下文簡稱昆）教授曾擔任英國劍橋大學建筑系主任（2008-2014）、建筑與城市研究所馬丁中心的負責人（2003-2008）、英國皇家建筑師學會（RIBA）會員。昆在擔任馬丁中心主任期間，通過積極協調各系的研究力量，使該中心被評為英國該領域的頂級研究中心。

昆教授長期關注建筑和城市的環境績效以及人的認知和行為等方面的問題，是有關城市環境可持續設計方面的專家，并于2012年被Building Design評為“英國可持續發展前50名最具影響力人物”。他的研究領域包括建筑與城市環境能源的使用、可持續城市設計、低碳城市設計、行為與建筑性能等方面。多年來已有200多項研究成果，其中包括10本著作，如《可持續城市和建筑設計》（Sustainable Urban and Architectural Design，2006） ，《環境多樣性架構》（Environmental Diversity in Architecture，2004，圖1）和《日光設計的建筑》（Daylight Design of Buildings，2002）等多部可持續設計領域的重要著作。

1 Environmental Diversity in Architecture（圖片來源：參考書目1）

2 Designing High-Density Cities（2-4圖片來源：參考書目2）

2　城市多樣性地圖

3 劍橋某地區開闊度、陰影情況和風影區分析

4 對開闊度、陰影情況和風影區分析的簡化判斷圖

2004年昆教授出版的專著《環境多樣性架構》（Environmental Diversity in Architecture）第六章“城市多樣性”（Urban diversity）中介紹了一種研究城市空間環境多樣性與空間舒適度之間相互關系的分析方法，即“城市多樣性地圖”（Mapping Urban Diversity）的方法。近年來，由香港中文大學吳恩融教授編著出版的《設計高密度城市：有關社會與環境的可持續發展》（Design High -Density Cities for Social and Environmental Sustainability，2010，圖2）匯集了來自不同國家的專家學者對高密度城市可持續設計的各方面因素展開探討，書中第九章由昆教授撰寫的關于“城市環境多樣性和人體舒適度”論文也對該方法進行了較為詳細的介紹。

“城市多樣性地圖”是一種通過分析城市局部區域的多種環境影響因素，來探索不同城市空間形態對環境舒適度影響的簡化分析方法。室外環境因素主要選擇空氣溫度、陽光照射情況和風速三個因素作為參數指標，因為它們即是影響室外熱舒適度的重要指標，又比較容易由空間形態所界定。例如，某個特定地區的溫度峰值可以由太陽輻射的情況決定，而太陽輻射的情況則可以用該地點的天空視域因子SYF（Sky View Factors），也就是開闊度所定義，某一地區中任意一點的開闊度又是由周圍建筑的高、寬等形態因素決定的。同樣，陽光由于建筑物的遮擋，而依照建筑形態投射出來的陰影情況也可以用簡單的幾何學來確定。最后，風在建筑中的情況也可以根據盛行風的條件，運用軟件進行模擬。因此，只要我們掌握了某一地區的建筑空間形態，我們就可以確定上述三項環境參數。在對三項環境參數進行軟件模擬的基礎上，選取各指標的臨界值進行定性判斷，來形成對室外環境各種影響因素的簡化判斷，最后運用一張圖形化的地圖的方式疊加表現局部區域室外空間多種環境因素指標的情況，進而簡化了對多種因素共同影響下的室外微氣候條件進行判斷的復雜問題。

研究者選取了英國劍橋的某個200m×200m區域為例進行分析，3張圖分別展示了該區域的開闊度、每小時的陰影變化和每小時的風影情況（圖3），每張圖都顯示了一年時間里的參數變化情況。

在定量模擬3種環境因素指標之后，研究者為每個因素指標選取臨界值進行定性判斷，以此將3種因素模擬結果簡化的區分為“開闊、閉塞的天空”“陽光或陰影”“有風或無風”的簡單情況（圖4）。例如，陰影情況的臨界值依照參數范圍的平均值選取，將6個小時以上的陽光照射區定義為“陽光區”，將低于6個小時的區域定義為“陰影區”，這樣就可以將“陽光照射量的多少”簡化為“陽光的有、無”。風速臨界值的選擇結合人體對風的感知情況，將風速高于0.2m/s的區域定義為“有風區”，而低于0.2m/s的區域定義為“無風區”。通過這種對量化指標簡化判斷的方式可以更簡單直觀地看出一個地區最為顯著的微氣候條件，也方便進一步將三種環境因素情況疊加。

創造出一張可以同時表現一個地區中多種環境條件的“城市多樣性地圖”（圖5）。不同的色塊顏色分別代表了8種微氣候環境類型，分別是“開闊-閉塞”“陽光-陰影”“有風-無風”相互之間的各種排列組合情況。研究者進一步將不同環境特征區域在整個環境中所占的面積比例繪制成圖表，可以看出“閉塞-陰影-無風”的環境特征所占的比例最大，可以判斷該地區是典型的密集城市中心區域，同時根據其他環境特征所占比例，結合當地氣候條件可以評估整個地區的微氣候環境特點與舒適程度。

5 劍橋某區域的城市多樣性地圖與不同環境特征地區所占比例柱狀統計圖（圖片來源：參考書目2）

6 開闊度模擬圖（6.7圖片來源：作者自繪）

7 簡化后“開闊-閉塞”區域分布圖

3　高密度校園環境的城市多樣性地圖分析

由建筑師楨文彥設計的新加坡共和理工學院（Republic Polytechnic）于2007年建成使用，是比較有代表性的高密度校園設計案例。校園內建筑布局特點鮮明，空間結構簡潔。

所有的功能都圍繞中間的學習中心展開，并在其周圍布置教務管理樓、文化中心、能源中心、家屬樓等輔助設施。主體的學習中心采用集中式體量，通過12棟點狀單元的相互錯落布置形成兩個廣場空間，以此創造一個促進信息交流、鼓勵跨學科互動的學習單元與公共空間。

設計師采用緊湊的建筑布局形成共和理工學院疏密有致的校園環境，一方面尊重、保留了原有校園用地的地形與綠化景觀，形成大面積的開放空間，另一方面也為學校適應未來的持續發展預留余地。那么，這種較為緊湊的布局在節約用地的同時，是否也提供了與氣候條件相適應的外部空間環境，與之相對應的空間形態又有哪些可以改進的空間呢？接下來運用城市多樣性地圖的方法量化研究該校園室外空間的開闊度、太陽陰影和風速三種環境因素情況，綜合判斷整個校園空間的微氣候環境特點，并嘗試對其中微氣候不利區域進行空間形態的優化。

3.1 開闊度分析

開闊度（SYF），是表示周圍建筑對于地表單元遮蔽影響的指標，可以反映某區域內不同部分的溫度以及溫差情況。計算高度取人視點1.5m高，并按10m×10m建立計算開闊度的網格。運用SketchUp中的LSS插件計算共和理工學院的開闊度，將生成的SVF數據輸入excel整理成矩陣，再導入Matlab計算生成可視化的三維曲面，最終獲得開闊度的平面圖（圖6），其中顏色越接近藍色，表示該區域被周圍建筑遮擋的越嚴重，開闊度就越低，而顏色越接近紅色，表示該區域較少被周圍建筑遮擋，開闊度就越高。近年來有香港學者研究認為，當開闊度大于0.5產生熱島效應幾率較小，考慮到新加坡氣候條件與香港接近，因此本文選取0.5作為開闊度指標臨界值，將開闊度模擬圖簡化為“開闊-閉塞”區域分布圖（圖7）。

3.2 太陽陰影環境分析

太陽輻射被建筑物遮擋而形成的陰影情況對于室外環境的微氣候有著重要的影響，不同氣候條件對陰影環境會有不同的需求。運用SketchUp計算模擬該地區一年內每小時的陰影變化情況。首先將模擬條件設置為測試每個月1號，從早上7點到下午17點，每隔0.5小時計算一次太陽陰影情況，并將其疊加為每個月的太陽陰影圖，再將12個月的陰影圖進行疊加，可以得到一整年的太陽陰影情況模擬圖（圖8）。不同的深淺顏色表示這個區域陰影時間的長短。按照陰影參數指標的平均值為臨界值，進一步將全年陰影模擬圖簡化為“有影-無影”區域分布圖（圖9）。

8 全年太陽陰影疊加圖（8-12圖片來源：作者自繪）

9 簡化后“有影-無影”區域分布圖

10 全年風環境模擬圖

11 簡化后“有風-無風”區域分布圖

12 新加坡共和理工學院城市多樣性地圖

3.3 風環境分析

在高密度的環境中，建筑群體布局和體量形態都會顯著改變近地面的風速和風向，使得在建筑群體中各個區域的風速相差很大，而風速的多少對舒適度和空氣質量都有較大影響，會形成不同舒適程度的室外環境空間。新加坡平均風速為3m/s，全年有兩個主導風向，夏季的東南風和冬季的東北風。本文運用ecotect軟件分別對新加坡共和理工學院的風環境進行了夏、冬兩個季節的模擬分析，疊加后可以得到共和理工學院一年的風環境情況（圖10）。其中顏色越趨近于黃色代表該區域的風速越高，對于熱帶雨林氣候條件使用者會有更舒適的感受，而顏色越趨近于藍色則代表風速越低，舒適程度也較低。然后以人體可以感知的最低風速0.2m/s作為區分“有風區”與“無風區”的指標臨界值，將風環境模擬圖簡化為一張“有風-無風”區域的分布圖（圖11、15）。從簡化后的風環境分布圖可以看出，被建筑遮擋和圍合的區域，以及建筑的周圍都形成了較多的無風區面積。

3.4 城市多樣性地圖分析

進一步將新加坡共和理工學院表示開闊度的“開闊-閉塞”分布圖、表示太陽陰影情況的“有影-無影”分布圖以及表示風環境的“有風-無風”分布圖進行疊加，合成一張可以同時反映該校園三種室外微氣候環境特點的城市多樣性地圖（圖12）。不同填充色塊代表“開闊”“閉塞”“有影”“無影”“有風”“無風”6種環境因素的相互疊加組合而成的8種環境特征分布情況。接下來統計每一種環境特征覆蓋的面積，得出8種環境特征在整個區域所占的面積比例，并用柱狀圖表示，更直觀地表現出該校園室外環境微氣候條件的多樣性分布特點（圖13）。

從新加坡共和理工學院的室外空間環境特征分布情況可以看出，8種環境特征中，所占比例最大的是“開闊、有風、無影”區，這與學校采用了較為緊湊的建設模式有關，為校園保留了大片開闊綠地空間，而處于第三位的“閉塞、無風、有影”區也表示了該校園建筑布局較為密集的特點。然而，對于夏季酷熱潮濕的新加坡共和理工學院來說，“開闊、有風、無影”區會直暴露在太陽照射下而使人感覺不舒適，在這片區域中應適當增加遮陽措施，提高“開闊、有風、有影”區的面積比例，會更有利于師生對開放空間的使用。與此同時我們發現，“開闊、無風、無影”區所占的比例與也很高，這些區域沒有風或風速很低，也沒有可以遮陰的地方，溫度隨著天氣狀況變化，是一種較為不利的氣候環境，同時這種環境特征的區域廣泛地分布在主體建筑周圍一定距離內，以及建筑的兩個核心內院中，如能有針對性的進行優化和改進，則可以結合周圍的建筑功能布局成為師生更愿意利用的戶外交往空間。

3.5 校園空間形態改進

將共和理工學院的“開闊、無風、無影”區的分布圖與校園建筑功能分區圖、人流分析圖和人流聚集區示意圖相疊加，從而找出人流密集且環境氣候條件不利的區域。如圖14中A、B兩個區域均是四周被建筑圍合而成的天井式內院，空間尺度相似，周圍布置有圖書館、展廳等公共性用房，人流較為集中。然而該區域部分被“開闊、無風、無影”區覆蓋，在炎熱的夏季，沒有遮陰且風速也很低的情況下使人感受很不舒適，空間利用率較低。因此，對空間形態的改進主要圍繞改善該區域的環境條件來進行。

改進方案既要延續設計師的理念，又要保證原有的建設強度。我們僅僅通過對群體建筑高度的調整，改變了剖面上的空間形態關系，增加了建筑之間的高度差，從而引導更多的風進入兩個內院，而建筑的群體布局關系沒有改變（圖15）。進一步模擬繪制兩個改進方案的城市多樣性地圖與柱狀統計表。如圖16所示，優化后的設計使原本處于“開闊、無風、無影區”的兩個建筑內院，現在大部分被“開闊、有風、無影區”和“閉塞、無風、有影區”所覆蓋，有影與有風區的面積都有顯著增加，使得該區域的室外熱環境有較多改善，在新加坡的氣候條件下舒適程度會有較大提升，可以吸引更多師生在這兩個庭院中交往、活動，提高人流聚集區域的空間積極度，也能更充分的利用校園的稀缺空間。未來仍然可以進一步針對校園開放空間進行實地調研，實測各項物理指標值并派發學生滿意度問卷，通過調查問卷了解使用者的真實需求與感受，并與多樣性地圖模擬結果進行對比分析，可以進一步修正三個指標臨界值，使未來相同氣候區的量化模擬結果更加準確合理。

13 8種環境特征區域所占面積比例柱狀統計圖表（13-16圖片來源：作者自繪）

14 人流聚集且微氣候不利的區域

15 兩種改進方案示意圖

16 改進方案的城市多樣性地圖與柱狀面積統計圖

4　結語

隨著中國土地問題的日益尖銳，緊湊集約的高校校園將是未來更多學校的選擇。然而，集約化校園的設計問題具有復雜性，并不是簡單的越集約越好，在節約土地資源、適應學生行為需求的同時，也有可能導致校園空間擁擠、整體環境質量下降等負面問題。集約化程度與空間形態之間有著復雜的關系，即使是在相同的用地面積與相同的開發建設強度條件要求下，也可能由于建筑層數、進深以及開放空間分布的不同，而呈現各不相同的空間形態，進而對室內外環境空間在景觀視線、自然通風、采光與遮陽等方面帶來截然不同的影響。因此，在高密度的環境中，需要設計師更加謹慎的考慮采光、通風與視野等問題，因為空間形態上的微小改進都會對整體空間品質帶來巨大的提升。

高校校園的室外空間環境質量是促進師生交往、激發校園活力的重要因素。然而，影響室外環境品質的因素相對較多，如空氣的溫度、濕度、風速等都對舒適度感受有重要影響。“城市多樣性地圖”為我們綜合評價多種環境因素影響下的室外空間品質提供了較為簡化、直觀的方法。相比單一物理指標而言，對多種環境因素指標進行模擬能夠使我們對室外環境質量有更為綜合的判斷，從而可以更好的改善環境舒適程度。當我們面對集約化程度要求較高的校園規劃設計時，該方法可以幫助我們結合特定氣候條件與功能布局找到設計中最不利的區域，在保持建設強度不變的條件下進行空間形態的優化和改進，在滿足較高容積率要求的同時也能追求較好的空間品質，實現校園綜合效益的最大化。需要特別指出的是，城市多樣性地圖運用過程中最為重要的三個環境因素指標臨界值的選取與特定地域氣候條件密切相關，臨界值的高低會直接影響疊加后的各種環境特征區域所占面積比例。因此，當城市多樣性地圖方法運用于不同的氣候區甚至不同的項目類型時，臨界值的選取是否需要調整？該如何調整？是否還可以綜合評價更多的環境因素？相關問題的研究還需要更多的探索。□

參考書目

1.Koen Steemers，Mary Ann Steane.Environmental Diversity and Architecture.Spon Press，London，2004.

2.Edward Ng.Designing High-Density Cities.Eearthscan in the UK and USA，2010.

3.昆·斯蒂摩.可持續城市設計：議題、研究和項目［J］.世界建筑，2004（8）: 34-37.

4.共和理工學院［J］.建筑創作，2013（Z1）: 142-153.

5.丁沃沃，胡友培，竇平平.城市形態與城市微氣候的關聯性研究［J］.建筑學報，2012（7）: 16-21.

Koen Steemers's "Mapping Urban Diversity" and Its Application in Planning and Design of High Density Campus

Professor Koen Steemers is in the University of Cambridge who is one of the representative figure's in the field of sustainable research.This paper introduces the research method of "mapping urban diversity" proposed by Professor Koen Steemers.It provides a simplified method to research on the micro climate conditions in part of the outdoor environment.The author has used this method to analyze the campus environment of Republic Polytechnic in Singapore and combined with the function layout to improve the campus space so as to adapt to the regional climate conditions.

國家自然科學基金資助

項目批準號：51508193，51478186

華南理工大學建筑學院，亞熱帶建筑科學國家重點實驗室

2015-11-05