夏熱地區“常全影”空間設計時空分析體系

龔兆先, 魯 進, 李怡楠

(廣州大學 建筑與城市規劃學院， 廣東 廣州 510006)

0 引 言

夏熱地區夏季晴日，人們在室外公共空間中的活動通常飽受烈日暴曬，光熱舒適性差，人們期待較為蔭涼的陰影空間。特別是較長時段的人群室外活動，更希望能在整個活動時段內始終處于陰影之中，而且陰影的平面大小和形態適應活動規模和方式的空間。然而，這種愿望一般難以很好地實現，因為找到自然形成的、可完全符合這種時空需求的陰影空間并不容易。因此，通常的結局是，要么提前結束活動，要么頻繁移動位置，另尋它處而得以繼續。

不過，在室外建成環境中，可以發現，在日照條件下，由建筑物、植物和構筑物等構影體可形成在一定時段內始終具有陰影的區域，眾所周知的就是“終日陰影區”。它是以日出和日落時間為起止時刻，存在于整個白晝期間的陰影區。但問題是，相對于一般至多數小時的室外活動，整個白晝這個時長明顯超出需求；而更為關鍵的是，時長越長，其面積和尺度就越小，從而削弱了用于室外活動的功能。然而，從中也可以獲得啟發，即如果改變起止時刻，以較短時長適應活動時長需要并去除冗余時段，則可獲得平面尺度更大、形態更適應室外活動所需且始終有陰影的空間。因此，改變起止時刻并限定數小時時長的時段，可望獲得更利于室外活動所需的“終時段陰影區”(圖1)。

圖1 改變起止時刻并縮短時長可獲更為有利的陰影

在此，如果將在一定起止時刻所限定的時段內始終有陰影的影定義為“常影”，那么，上述“終時段陰影區”就是該時段常有陰影的“常影”區；同時，如果該時段內日光光線完全未穿透建筑物等構影體而形成“全影”，則該“終時段陰影區”可稱之為“常全影”空間。

室外 “常全影”是一種日照條件下在三維空間中客觀存在的自然現象，其所形成的“常全影”空間，可保障對應時段和空間中人群活動的全程和充分遮陽需求，理應在夏熱地區室外公共空間的規劃和設計時，作為重要的設計目標之一進行積極構建。但因“常全影”所固有的時空動態性和復雜性等，難以單憑經驗直觀可察、可控，如果不在設計中予以及時的過程關注和檢驗評判，不可保證最終設計形成的“常全影”空間一定適應人群活動的時空需求。因此，需要探索建立一種能適應通常由城市設計、修建性詳細規劃、建筑和景觀設計等相關規劃和設計構成的多階段過程、設計調整頻繁的工作要求和方式特點，并可及時掌握設計進程中所形成“常全影”空間的狀態的分析和評判辦法，以便引導最終“常全影”空間的設計結果契合設計目標。

當前，學界在日照陰影的影響、作用、夏季陰影利用及其相關方法等方面，已有相應的有價值的研究。通常，除關注陰影的建筑美學作用外，主要將陰影作為一種消極的對象[1]，如為保證冬季室內日照要求，力求其它建筑物陰影盡量少地遮擋室內空間[2-4]。但也有部分學者重視夏季陰影的積極作用[5-7]，提出建筑陰影用于室外活動空間并進行設計核實的初步方法[5]，或強調在建筑設計初期進行陰影相關節能模擬優化算法[8]，或基于有效陰影區概念并探索步行街的陰影利用[9]，利用建筑布局便于陰影控制[3-4]。也有學者關注植物陰影的特征[10]，認為植物的葉片密度與其遮蔭效應密切關聯[11]，合理的植物分布是關鍵[12]。而對于陰影的模擬和識別分析，Ecotect等相關軟件提供了便捷和可靠的技術手段[13-14]。但總體而言，目前尚未發現基于“常全影”的復雜時空相關性和設計進程掌控要求，形成有效的“常全影”空間過程的察驗方法。因此，關注在“常全影”空間設計中的“常全影”及其空間的時空變化特征，并進行相應時空分析的體系研究，是十分必要的。

為此，本文將在解析“常全影”空間的形態、大小、位置和影深品質等時空屬性的動態性及其與一般規劃與設計過程相關性的基礎上，闡述在設計過程中進行“常全影”空間時空分析的必要性和可行性，闡明分析的對象、內容及標準等特征，以期為進一步探索具體的時空分析方法，并促進相關規劃和設計有效構建“常全影”空間提供指引。

1 “常全影”空間時空特征及其設計分析要求

1.1 “常全影”空間的時空多樣、復雜性

作為自然現象，室外“常全影”首先是一種由建(構)筑物和植物等構影體在地面等承影面上所形成的日光投影，其與特定地理位置、日期和太陽動態運行軌跡密切相關；同時，“常全影”具有時段限定性，某個日期及明確起、止時刻限定的“常全影”，是該時段內由所有連續時刻的陰影所構成的時空四維動態影序列，被時段限定在一定三維空間范圍之內的那部分，具有三維空間屬性，并反映形態、大小和位置等方面的空間幾何屬性，且因對應構影體相對于全時段所有日光的通透性，反映其影深品質屬性。

綜合而言，“常全影”與地理位置、時間、構影體和承影面等密切相關，并服從日照成影規律。但當時段確定后，就是一種可以明確界定且人能置身其中的三維空間對象。雖然“常全影”空間在理論上應該是一種三維空間，不過，由于人群在室外空間外場地上的活動依賴趨近水平的地面等承影面，故通常用“常全影”空間的水平投影表達“常全影”空間基于人群活動相關的空間特征(圖2)。

圖2 “常全影”及其空間的界定方式Fig.2 The Constant-holistic Shadow and its spatial definition

緣自室外人群活動時段的多樣性和太陽運行的動態性等因素，“常全影”空間的時空屬性呈現多樣化的時空差異性。如在地理位置和日期確定，構影體和地形(如平地)等構影條件不變的情形下，相同時長但不同起、止時刻的“常全影”空間，其形態、大小等空間幾何屬性具有顯著的差別；不同時長的“常全影”空間更是變化多樣，即使起始時刻或終止時刻相同，也同樣如此(圖3)。

“常全影”空間同時也反映復雜性。雖然有一定的特征性規律可循，但具體的形態、尺度和位置等時空信息，并非可由人們的經驗直接獲知和把握。不同的構影體體形和尺度，建筑構影體朝向的構影體組合，以及承影面的地形坡度等，都會引起“常全影”空間的多方面復雜變化。如以承影面為水平平地為例，不同形體和尺度的建筑構影體在同時段所形成的“常全影”空間的形態和尺度明顯不同(圖4)；同等建筑構影體因不同朝向，同時段所產生的“常全影”空間的形態、大小也有明顯變化(圖5)；此外，在較低太陽高度角的時段，即使較小的構影體尺度的改變，也能引起顯著的“常全影”空間形態和大小等改變，表明“常全影”空間對構影體具有較大的敏感性。而地形在坡向和坡度上的改變，也同樣引起其空間屬性的差異。

圖3 在同等構影條件下起止時刻相關的“常全影”空間多樣差異性表現

圖4 不同建筑形態、尺度等引起的“常全影”空間變化

圖5 相同體量、不同朝向建筑構影體對“常全影”空間形態和尺度的影響

1.2 設計過程中的時空分析要求

在相關規劃和設計過程中，雖然在確定設計目標時，通常可根據場地空間的人群活動規律需求等先行明確一個或多個時段的“常全影”空間進行設計，但由于對構影體和地形進行分階段設計處理的修改和調整則是一種常態，而且頻度很高。因此，隨著構影體和地形隨設計階段和階段內修改過程不斷深化、細化和優化調整，設計形成的“常全影”空間，其時空和品質屬性也隨時發生改變，設計結果與設計進程呈現一種復雜的聯動關系，須隨時進行分析和適宜性確認。

另外，一個特定的空間設計對象，相關規劃和設計過程是以漸進式推進的，由粗到細、由淺入深、由簡單到復雜。在此進程中，如果前序設計階段的構影體缺失或布局不適，將直接影響后續設計階段“常全影”構影的不足，甚至是顛覆性的缺陷。如果不在前序設計階段進行必要的、尤其是全局性、結構性的布局，可能導致后續設計階段無能為力或額外附加原本不必要的構影體。

因此，“常全影”空間的設計，不能僅以最終設計結果來核實其針對人群活動陰影時空需求的合理性和有效性，而須在相關設計的全程，對各設計階段的“常全影”空間結果予以充分關注，逐步深化、細化和調適，漸序達成精確符合所需的“常全影”空間。

2 “常全影”空間設計中的時空分析方式

“常全影”空間的設計，除了遵循通行的相關規劃和設計的常規原理和方法等之外，還需以適當、可行的方式，對過程中的設計“常全影”空間狀態進行可行的時空分析與判斷。

2.1 全程性的時空分析

在設計過程的全程加入“常全影”空間設計結果的時空分析環節。即針對“常全影”空間的最終設計目標和各設計階段的可行實現程度，結合常規設計階段的成果，每個階段都進行相應的“常全影”空間模擬和時空分析。只有如此，才能準確掌握相關規劃和設計進程中所形成的“常全影”空間，在其形態、大小、位置和影深以及時長等時空和品質屬性方面，是否已符合或不妨礙后續階段符合人群活動所需。據此各階段的分析和判斷，為后續階段通過及時調整和優化，逐步趨近，最終全面符合設計目標提供依據和指引。

2.2 適宜性的時空分析

人們夏季室外活動方式越來越具有多樣性和選擇性，也引起陰影利用方式和程度的多樣性。室外活動因人、因活動類型不同而存在許多差異，并反映到對場地中的陰影空間需求是全部還是部分，所需部分應該是哪些部分并且是多大；不同類型的活動適宜開展的時段也有差別，“常全影”空間的營造須對此予以時間尺度上的匹配。否則，將導致在活動所需時段內仍會面臨暴曬。這些人群活動相關的多樣性反映在時空上的匹配要求，也表明設計過程中應對“常全影”空間進行適宜性的時空分析。

2.3 模擬驗證性的時空分析

運用相對于規劃和設計而言的適用和可靠的技術手段，有助于設計全程實行時空分析的可行性和可靠性。對于“常全影”空間的時空分析，當前Ecotect和Grasshopper等日照模擬分析相關軟件，為在設計過程中的驗證性時空分析，提供可行和可靠的技術工具，并且具有便利的數據基礎。借助于各設計階段中可便利獲得、加工的構影體及地形環境的數字模型，便可進行有效的日照成影模擬，獲得各階段設計“常全影”空間的精確狀態，進而對其滿足設計目標時空需求的充分性和尚存問題進行驗證分析，并給出后續可能的進一步優化調整方向和可行措施等。

3 “常全影”空間設計的時空分析體系框架

3.1 分析對象

“常全影”空間的時空分析，是基于人群活動的相應時空需求，分析各階段設計“常全影”空間在形態、大小、方位、時段和品質等時空和品質屬性方面的相符性。因此，各階段的設計“常全影”空間，是時空分析的直接對象。但同時，設計“常全影”空間的時空和品質屬性的狀態與構影體和地形的空間處理之間的關聯性，也同樣是重要的分析對象，以便當設計結果與目標未能完全相符時，可據此關聯，獲知不相符部分“常全影”在構影體和地形中的對應部位并探尋調整方向和程度。

3.2 分析體系

綜合前述“常全影”空間的特征和設計要求，時空分析主要應包括人群活動對“常全影”空間目標時空需求分析，設計“常全影”空間相對于目標需求時空的形態、尺度符合度分析，時空分布符合度分析，補影符合度分析和影深品質分析，共5項。

上述5項分析各有側重，即①“常全影”空間目標時空需求分析，旨在結合目標活動類型相關的人群規模、活動方式和時段等要求特征，分析確定目標活動空間場所上所需“常全影”的時段、形態、大小、位置和影深，確立一個或多個時段的目標“常全影”需求空間；②“常全影”空間形態、尺度符合度分析，檢驗現階段設計結果所形成“常全影”空間，在形態和尺度大小方面對每個需求時段的目標“常全影”空間的包容程度；③“常全影”空間時空分布符合度分析，探查現階段設計結果在每個需求時段內所形成的“常全影”空間，其空間分布與相對應時段目標“常全影”需求空間的一致性程度；④“常全影”空間補影符合度分析，復查現階段設計調整后形成的“常全影”空間補全原缺影“常全影”空間局部的有效性和程度；⑤“常全影”空間影深品質分析，確認構影體局部非不透明材質所致“常全影”空間中部分影深降低之處的形態、大小、位置及其可接受度以及必要時的改善導向。

在上述各項時空分析中，人群活動對“常全影”空間的時空需求分析是首要、前置性和目標性的，以此分析結果作為其它分析的對照標桿；在相關規劃設計、建筑設計和景觀設計階段，可采用與設計階段工作方式和成果特征相適應的一種或多種分析。上述目標性或驗證性的5項分析，共同構成“常全影”空間構建中必需的、相對完整的分析體系(圖6)。

圖6 “常全影”空間設計的時空分析體系框架

3.3 評判標準

“常全影”空間時空分析在各設計階段的分析評判標準，與常規規劃與設計各階段的設計深度要求密切相關，但更注重“常全影”空間的時空和品質結果與本階段所應適應人群活動時空需求的相符程度。在尚未最終完成設計的中間階段時，表現為階段性的評判標準，而最終設計階段時，則為終極標準；階段性標準可能相對粗略，但應保證后續的可行優化和深化。終極標準則須全面反映目標需求。各階段的評判標準應組成一種由粗到細、由宏觀到微觀的的序列標準。

3.4 體系特征

“常全影”空間構建中的時空分析體系，具有多方面的特征：①在總體上貫穿相關各規劃和設計階段，具有顯著的全程性特征；②相關分析基于首位的“常全影”目標時空需求分析，但必要時須同時兼顧冬季日照標準等其它要求，從“常全影”空間全面適應目標需求的多個視角進行分析，具有多視角特征。而且，在同一視角下也兼顧多個必須關注的設計階段；③由于“常全影”空間的設計構建，在規劃和設計過程中是逐步明確、細化和優化的，因而具有在分析深度上的漸進式特征；④為了適應相關規劃設計、建筑設計和景觀設計各階段設計的工作對象、方式和設計深度等差異，各階段的分析目標、標準和精確程度等有所不同，依托的手段和方式也有差異，呈現同一項分析在不同階段的差異化特征；⑤除了目標時空需求分析，其它4種都是驗證性分析，用以確認該階段設計是否實現理應達到的程度。若未達到而存在問題，則提示后續調整、優化的方向。

4 結 論

在“常全影”空間的設計中，基于“常全影”時空多樣性、復雜性和分階段規劃設計工作方式與要求特點，對各設計階段的設計“常全影”空間結果，進行基于人群活動“常全影”空間目標時空需求的符合度分析，是必要的和可行的；這些分析以 “常全影”空間的目標時空需求在各階段的漸序、可行實現程度為標準，同時兼顧冬季日照標準等其它要求；通常“常全影”空間設計中的時空分析，主要由“常全影”空間目標時空需求分析，以及“常全影”空間的形態尺度符合度、時空分布符合度、補影符合度及影深品質符合度5項分析，構成時空分析體系，可滿足大多數情形下室外公共空間“常全影”空間設計的分析要求。但在特殊設計條件和要求時，應另有補充。本文基于平地地面條件，明確了“常全影”空間設計中適宜時空分析的方式、對象和標準，并建立了時空分析體系框架，為實施時空分析奠定了良好的基礎。更為具體的分析方法及其在設計實踐中的應用方法，以及基于更為綜合、大規模和地形復雜變化等場景的時空分析方法體系擴展，還有待于今后進一步探索。