基于ArcGIS平臺的熱舒適性與行為耦合研究
——以上海中心城區三個街區式商業綜合體為例

■ 王 一WANG Yi 李麗莎 LI Lisha

1 背景

公共空間的熱舒適性是影響公共空間品質的重要因素。在當前的城市環境中，公共空間的熱環境呈現惡化趨勢，究其原因主要與溫室效應和全球變暖問題密切相關。宏觀上來看，城市的快速發展加劇了城市氣候的變化。從微觀尺度來看，高密度城市環境中物質形態要素相對集中，熱環境惡化會降低人們對城市公共空間熱舒適性的評價，導致對城市公共空間品質總體評價的下降。在對公共空間進行設計改善時，將熱舒適性作為重要改善因素，能夠有效提高室外環境的使用效能。

有研究表明，人們對于公共空間的使用情況與熱舒適性有關聯，對人在空間中的停留會有影響，停留的時間和區域也會因此產生變化。公共空間的空間形態也對人們在空間中穿行、停留、交往、聚集產生影響，界面形態對人群行為產生影響,例如建筑首層的架空空間、街道轉角處等空間能導致更多的人群集聚現象。從文獻研究及實地觀察中發現，人們的行為與城市公共空間的熱舒適性在空間上存在耦合或者背離的情況。

而適宜的空間環境設計促使行為與熱舒適在空間上耦合，引導使用者對空間品質產生積極的評價。所以，行為與熱舒適性的耦合問題對研究提升公共空間品質是有價值的。

2 對象

隨著時代的發展，公共空間的外延產生了變化，當代城市公共空間實質性的內容出現了轉變。街區式商業綜合體的外部空間雖然從產權、管理權上來說是私人的，但隨著當代公共空間領域的擴展，此類“私人擁有的公共空間”已成了城市公共空間體系的一部分。隨著城市的大規模建設，街區式商業綜合體在中心城區存量巨大。所以，其作為研究對象對城市公共空間的研究具有普遍性意義。

處于中心城區高密度城市環境中的街區式商業綜合體又具有其特殊性。其人工要素高度集聚為特征的空間形態,對于城市微環境影響巨大，并對空間熱舒適性產生顯著的影響。研究中心城區的街區式商業綜合體，能夠對其空間形態特征以及物質影響要素進行行之有效的分析，對城市高密度區域的城市外部空間熱舒適性研究具有十分重要的意義。

街區式商業綜合體的空間組合是多方面因素共同作用的結果，不同因素的交織使其演化出不同類型的街區形態。從已建成的商業綜合體來看，該類型商業綜合體開發強度大體相同，容積率接近，功能以商業、辦公為主，娛樂、教育、居住等功能為輔。此類業態綜合、功能復合的群體建筑的外部空間結構特征可以歸納為以下三種類型（圖1）。

2.1 線性串聯

空間結構以街道系統為主，局部放大空間成為廣場。街道系統分主次關系，主街為串聯功能區塊、建筑單元的關鍵要素；次街起輔助作用，提供小尺度的外部空間，主次街道交織形成路徑的差異性。街區內建筑單元形態差異較大，功能各異。

2.2 網格排布

外部空間由網格狀道路體系進行組織，格局統一，街道等級分別不明顯，街道交叉處易產生節點空間，其中一部分被放大成為核心廣場空間，強化空間識別性，形成節點之間的差異。同時，街區層次豐富，大型建筑體量一般布置于街區外圍部分，零售店鋪在街區內占主導地位，建筑形態均質。

2.3 塔式組合

不同功能的建筑單體通過分區、分組的方式進行組織，各區域擁有相對獨立的功能分區，但又通過街道、廣場相互連通、共同使用。建筑形態差別大，辦公、居住功能的建筑多以高層、超高層形式出現，商業、休閑部分為多層單體建筑組群。

位于五角場商業中心的五角場萬達商業廣場、大寧商業中心的大寧國際廣場、四川北路商業中心的中信廣場分別為上述三種不同的布局類型的典型代表。

3 方法與工具

街區式商業綜合體外部空間在文中定義為：以城市道路圍合，能夠創造出類似城市街道、廣場，且集合多種功能的商業綜合體建筑的外部空間（圖2）。實地調研的過程中發現，商業綜合體街區外圍空間中的活動多為通行、等車和停車等非駐留行為，而街區內外部空間的活動則更為多元，故本調研范圍不包括外圍空間。

3.1 研究數據準備

在眾多的城市微氣候環境研究中，模型模擬研究成為主要方法。基于真實城市氣象數據的前提，結合氣象模型和公式，可以較準確地實現對室外微氣候環境的模擬，得到人體熱舒適評價所需的客觀氣候條件，從而推導出人體熱舒適評價指數。

圖1 街區式商業綜合體分類

3.1.1 熱舒適模擬范圍

高密度城市環境中，街區內的物質影響要素對其微環境產生重要影響，對臨近街區的建成環境進行模擬，有助于提高模型模擬的準確性。但是，模擬時需考慮模型計算的時間成本，因此，有必要對模型模擬的范圍進行界定。過去的研究中，氣象學家Oke從城市氣候層級和城市形態的角度解釋了城市氣候的影響范圍[1]。高密度建成環境由相似的物理環境特征構成，屬于分類中的“鄰里街區單元”，研究時應包含環繞其周圍的街區。與“鄰里街區單元”所對應的城市氣候區為“鄰里氣候區”，其氣候影響范圍將街區層面的環境影響考慮在內，所以本文中，模型模擬的范圍選為500m× 500m（圖3）。

3.1.2 熱舒適評價指標及工具

熱舒適評價指標一直是熱舒適性研究工作中的重點。在過去的多年研究中，共有超過100個熱舒適指標被發展，并用于描述人體與周圍環境的熱交換過程。其中的一部分被用于評估室外穩態熱環境的熱舒適性，例如:平均熱反應（PMV）, 生理等效溫度（PET）； 而另一部分則是針對室外非穩態熱環境建立的評估指標，例如：全球熱氣候指標（UTCI）[2]。本研究選用生理等效溫度（PET）作為評價指標。這是在慕尼黑人體熱量平衡模型基礎之上推導出的熱指標,定義為給定環境下的生理平衡溫度,其值等于典型室內環境下達到室外同等熱狀態所對應的氣溫。由于其綜合考量了各種熱舒適度影響因子，成為研究室外熱舒適性常用指標，并被德國工程師導則（VDI 3787）推薦使用[3]。

圖2 街區式商業綜合體調研范圍界定

ENVI_MET作為城市熱環境模擬研究工具，經過不斷優化，被研究者使用的頻率非常高。該模擬軟件是在流體力學及熱力學模型的輔助下，對熱環境各項指標進行模擬預測，例如風速、溫度、濕度等，并計算出熱舒適評價指標的數值（圖4）。 其附帶模塊Biomet，通過內置的熱平衡方程輸出預測平均熱反應（PMV）、生理等效溫度（PET）、全球熱氣候指標（UTCI）[4]，本文采用PET作為評價指標。

3.1.3 樣本日期選擇標準

圖3 ENVI_MET模型模擬范圍及模型界面圖

圖4 熱環境模擬風速、溫度、平均輻射溫度

研究選取真實氣象數據作為樣本，均為適宜進行室外活動的過渡性季節的晴朗天氣，最高氣溫高于15℃。折線圖中數據為實測當日最高氣溫、最低氣溫記錄，從上海地區2016年11月～2017年1月的歷史氣象數據折線圖，可以看出溫度呈現線性下降趨勢，至1月末，上海地區氣溫在0℃上下徘徊，逐漸不再適合進行戶外活動（圖5）。折線圖中，以紅色線框標記的日期為本文選擇的模擬日期。

3.1.4 環境行為研究方法

公共空間中的活動方式多種多樣，不同類型行為持續的時間也不同。通行并不會停留，所以此類人群對環境并不敏感。消費、駐留、娛樂相關的活動使人停留，這些停留行為與活動方式的延伸與外部空間環境關系更為密切，受到外部空間微氣候的影響更大，它們對公共空間的品質、熱舒適性也更為敏感。重點區分行為以及與停留行為有關系的空間要素和特征，有助于理解街區式商業綜合體外部空間的行為集聚現象。

研究采用行為注記法[5]對街區式商業綜合體的建成環境與空間行為進行客觀觀察。通過記錄人們的空間定位和活動類別來形成基礎數據，直觀的呈現行為在空間中的分布情況（圖6）。同時，外部空間環境要素對人的行為產生支持和阻礙作用，所以，結合環境行為觀察，有助于了解建成環境特征與行為活動之間的關聯。

3.2 耦合評價

3.2.1 耦合評價指標

熱舒適性和行為聚集之間的耦合關系可以由行為集聚與熱舒適區域在空間上的分布來呈現。但是，不同學科的數據之間，由于數據格式、呈現方式、操作平臺的差異，無法進行對比。利用空間疊圖的方式，將測試范圍均勻地劃分為若干個相同的空間單元，并將數據落實到空間上，有助于提高研究的可操作性、精確性與有效性。

集聚行為與人和人之間的空間距離相關，霍爾提出的社交距離認為，人與人之間的空間距離不會超過3.6m，超出以后人與人之間的個人空間就不再重合。若空間單元內人數大于等于2人，即認為該單元發生社交活動，產生行為集聚。而熱舒適性模擬的過程中，4m×4m的模擬單元對于模擬速度與精度來說都較為適合。故研究將一個4m×4m的平面空間定義為一個空間單元，對其同時賦予熱舒適性與行為的數據。有研究表明，在上海地區，適宜冬季戶外活動的中性生理等效溫度PET的范圍為15～29℃[6]，所以，當PET值如果介于此范圍內時，則該單元被認為處于熱舒適單元。本文定義了兩項指標，滿足行為集聚定義的單元集合被稱為“行為集聚斑塊”，符合熱舒適范圍的空間單元集合被稱為“熱舒適區域”（圖7）。

3.2.2 耦合評價工具與方法

圖5 案例模擬日期及當日氣溫折線圖（采用上海市國家基本氣象發布的數據，寶山站，站號58362）

圖6 大寧國際環境行為調研原始數據圖

耦合過程中，ArcGIS作為耦合工具解決了不同工作平臺間的數據交互，以及大量數據統計、篩選問題。通過疊圖研究，不僅確保結果的精確性，并且能對數據進行進一步的篩選及統計分析（圖8）。ArcGIS能夠將兩種不同類型的數據，通過相同的坐標點位置以及空間對位，在界面中實現空間疊合。同時，其統計計算功能可以對被賦予行為、熱舒適數據的空間單元進行關聯性分析，例如OLS（Ordinary Least Squares）工具包等。

具體來說，矢量數據結構將帶有空間信息的行為調研數據（CAD）、熱舒適模擬數據（Execl）轉化為相同研究范圍、研究精度，可供對比、疊加的數據集。數據集中包含了無數個由柵格數據結構（Raster）來表示的空間單元，所有的數據以規則的陣列在空間中分布，分別代表了室外空間熱舒適區域與人的行為空間分布圖。并且，矢量數據結構可以針對精確的研究范圍對研究對象進行選取，例如，本研究僅針對街區內的外部空間。圖形與數據的轉化能力，不僅實現了數據在空間上的可視化、平面圖形轉化為數據的可能性，也實現了耦合結果的可讀性、可視化及可操作性。

圖7 熱舒適區域、行為聚集斑塊示意圖

圖8 耦合研究方法解析圖

通過統計功能，可以快速了解每一時段的人流和空間中的熱舒適變化情況。通過精確的篩選功能，最終得到行為集聚斑塊和熱舒適區域并進行疊加分析。耦合過程中，為了解街區式商業綜合體外部空間的集聚行為和熱舒適區域在時間、空間上的分布情況，需分別繪制調研時段每時刻的“行為聚集斑塊”圖，以及導出模擬時段每時刻的“熱舒適區域”圖。“耦合區域”由每一時刻“熱舒適區域”與“行為聚集斑塊”空間重疊的部分表示。

每一時刻行為與熱舒適區域的耦合程度是變化的，所以，通過統計每一時刻“耦合區域”在“行為積聚斑塊”內的比例，可以了解耦合度的變化規律。在調研觀察中，針對行為與熱舒適背離的現象，根據數據統計情況，挑選出人群活動較頻繁的時刻，篩選出這些時段內“行為集聚斑塊”內未與“熱舒適區域”疊合的部分，研究建成環境的特征對行為集聚所產生的影響，以理解環境因素對街區式商業綜合體外部空間中的行為集聚情況產生的影響。

3.2.3 耦合評價實例

從三個街區式商業綜合體在ENVI_MET中模擬的生理等效溫度結果來看，總體熱舒適情況相似，但由于空間形態的差異，街區邊緣處的街道、廣場情況變化更劇烈，但無法進行具體分析（圖9）。

通過ArcGIS 對以上熱舒適數據進行篩選，對街區內的外部空間進行進一步分析，發現中心區域出現熱舒適區域的次數最多，且中心區域北側的熱舒適區域出現頻率最高，廣場類型的熱舒適區域常出現于街道轉角處（圖10）。

圖9 生理等效溫度模擬結果圖

圖10 利用ArcGIS提取的街區內外部空間生理等效溫度變化情況圖

在原始的行為調研圖中，人群的聚集特征根據實際情況標示在建筑平面上，但為了在行為分析中可以發現行為積聚特征，研究利用了ArcGIS的統計功能，將落在每一個空間單元中的數量進行統計，并通過可視化的方法，通過圓形的面積大小在建筑平面中直觀地體現出來，同時，通過后臺Attribute table的統計，可以準確獲取每一個單元的數值并對比（圖11）。分析結果顯示，人群集聚的峰值通常出現在14:00～15:00的時段，人群停留的地點多為轉角處空間、建筑與外部空間的界面處（圖12）。

圖11 利用ArcGIS提取的街區內外部空間行為集聚隨時間變化情況圖

圖12 利用ArcGIS轉化的街區內外部空間停留人群空間、時間分布變化情況圖

同時，從現場調研結果可以發現，個性化的建筑界面對人群集聚產生影響，多層立面、大尺度招牌、不同材質的鋪地以及媒體立面對人群產生視覺上的吸引。餐飲業態從空間布局上存在量的優勢，此類業態主要包括中餐廳、咖啡廳、冰淇淋店、連鎖快餐以及零食商鋪等，并且在與室外座椅相互作用下可以產生更多的停留活動。室外座椅作為街道家具為人們提供停留的介質，配合大樹冠的樹木、花池、垃圾桶等構筑物，形成可供停留的區域。

最后，通過對上述數據進一步整理及空間疊圖以后，從三個案例的耦合結果對比發現，熱舒適區域在空間分布情況的變化越小時，行為積聚與熱舒適性的耦合度就會越高。也就是說，該街區外部空間中產生行為與微氣候的熱舒適性背離的可能性就越小。以大寧國際商業廣場為例，可以發現其耦合度是三個案例中最高的（圖13）。

以五角場萬達商業廣場為例，對其空間熱舒適與行為耦合的結果進行分析可以發現，耦合度最高值發生在13:00，達到0.87，隨后熱舒適區域面積急劇減少（圖14）。紅色斑點為耦合區域，主要發生在南北向街道與L形轉角處。從熱舒適區域的空間分布圖來看，首先，不同時刻的分布情況變化很大，但是人的行為斑塊變化并不劇烈，所以導致空間耦合度情況變化較明顯，也就是說，雖然熱舒適情況有變化，但是因為環境因素的影響，例如業態，街道交叉口、轉角處、廣場北面的餐飲類業態使人們仍然愿意停留。其次，對比空間單元中的停留人數，其中座椅數量以及立面個性化程度對行為集聚影響更大（圖15）。

圖13 街區內外部空間行為與熱舒適的空間疊圖

4 基于熱舒適與行為耦合的公共空間改善策略

不同的總體形態分別作用于熱環境和行為，從而對兩者的耦合度產生影響。在既定建成環境中，業態布局、景觀配置、建筑界面等因素作用于行為，從而產生耦合度的變化。從熱舒適性的角度來說，本文提出以下公共空間設計、改善策略。

圖14 街區內的外部空間的行為與熱舒適的耦合度情況

圖15 建成環境特征

（1）環境設計引導使用者向舒適區域集聚。室外熱舒適常見區域為街道交叉口、廣場的西北角和街區中心區域。在這些地方設置街道家具并配合景觀綠化、雕塑小品、垃圾桶、燈柱、標識牌等空間構筑物，能夠有效引導人們在熱舒適好的區域活動。

（2）利用室外空間的業態結合舒適區域布置。街區式商業綜合體外部空間中最受消費者歡迎的業態是與餐飲相關的零售、連鎖店。所以，通過將此類型業態設置在熱舒適區域，勢必可以提高行為與熱舒適的耦合度。

（3）提升熱舒適區域空間界面的吸引力。建筑立面的個性化程度能夠決定商鋪對消費者的吸引力，通過在熱舒適好的區域對店鋪立面進行改造，能大大提高人們前往的可能性及行為與熱舒適的耦合度。

（4）優化局部熱舒適性。在進行局部改造的時候，也可以通過設置一些街區中的小品建筑，幫助提供空間的圍合度，不僅豐富了建筑界面，還同時降低了風速等氣象因素的影響。

5 結語

本文的基礎是建立在研究對象已經建成的前提之下，討論如何改善人們使用公共空間的方式。通過探討建筑界面、街道家具、景觀配置等空間形態要素及業態布局，來引導人們的行為活動在熱舒適好的區域發生，從而提高行為與熱舒適的耦合度。然而，對于新建的街區式商業綜合體來說，如果熱舒適與行為的耦合在設計開始階段就被考慮在內，那么通過對街道的密度、街道朝向、空間圍合度等總體布局影響因素的控制，就更能夠有助于耦合度的提升。并且，即使受到用地條件、日照間距、消防要求、退界要求等各方面條件的限制，在新建的街區式商業綜合體總體布局不能修改的情況下,通過對業態布局的調整和景觀配置、建筑界面的設計，同樣可以起到改善行為與熱舒適耦合的作用，從而提高公共空間熱舒適性評價，進而提升使用者對公共空間品質的總體評價，改善公共空間使用效能。

隨著研究范圍的不斷擴展，這種基于ArcGIS平臺的評價方法，不僅適用于街區尺度上的研究，在未來也可應用于城市尺度之上。當然，在城市層面研究空間行為，就不能僅僅依靠環境行為調研的方法。那么，在基礎數據收集方面則可以考慮使用城市熱力圖等實時數據信息，甚至可以通過空間句法等行為預測工具來得知人群變化的情況?？偟膩碚f，在對公共空間進行設計改善時，將熱舒適性作為重要改善因素，能夠有效提高室外環境的使用效能。