基于物理環境模擬優化的多尺度城市設計方法探索
——以錢塘江濱水區為例

朱 驍 楊俊宴 石 邢 閔鶴群

在生態文明空間治理背景下，需要對城市空間進行全域全要素的科學引導與管控[1]。中國城市正進入城鎮化快速發展中后期，城市人口擴張和城市用地蔓延引發城市空間形態劇烈變化，隨之帶來城市熱島、霧霾、噪聲污染、生態環境破壞等問題，直接導致城市人居環境品質降低。在高強度的城市建設和公共活動影響下，如何通過城市設計技術手段[2]，在不同層次與尺度下通過不同空間治理方式[3]，合理創建高品質的城市物理環境，也隨之成為城市發展的核心議題。

城市空間形態是城市實體環境及各類城市活動的空間結構與形式，城市物理環境則與城市空間形態關系密切[4]。國際上對城市物理環境與城市空間關系的耦合研究可以追溯到19世紀初Luke Howard的《倫敦氣候》[5]，通過對倫敦10年(1807—1816年)氣候變化的分析，觀測到熱島現象等城市所特有的物理環境問題，從此開始了系統化的城市物理環境研究。國際上應對氣候變化健康風險的適應性設計經驗包括制定政策與計劃、提供技術支持和實施信息監測等[6]。有關城市物理環境的研究方法經歷了從實地監測、實驗室仿真到計算機模擬的演進過程，其中，針對熱、風、聲等單一要素特征規律的研究較多。在熱環境要素研究中，Hamoodi結合實地測量和遙感數據研究城市土地利用類型與土地覆蓋面間的熱環境關系[7]；Areti等結合2 313份調查問卷和雅典城市小氣候數據，研究了基本氣象因素與季節性熱舒適度對市民的影響[8]。在風環境要素研究中，劉濱誼等提出風環境自適應的住區綠地布局優化策略[9-10]；甘月朗等針對板式住區空間形態與風環境相關性分析，提出將“孔隙率”與“有效皺褶率”等作為板式住區空間形態控制指標[11]。在聲環境要素研究中，佟歡等針對城市噪聲污染區，利用GIS技術統計分析，總結出不同尺度下城市空間形態與聲環境的耦合關系[12]。

相較于城市空間形態和單一城市物理環境要素的量化研究，當前風熱等城市物理環境與城市空間形態耦合的研究主要集中在城市街區等中小尺度層面。劉濱誼等[13]以城市街道為研究對象，建立街道空間與風熱等要素的舒適度作用關系；洪波等[14]基于冬季風熱物理環境實測模擬，提出改善住區室外環境的植被優化設計方法；李辰琦等[15]則通過微氣候模擬分析改善住區風光熱環境的舒適度，避免高層風及永久日影等不利影響。

隨著計算機技術和數據分析技術的進步，物理環境分析技術迅速發展起來，以其突出的計算、模擬和數據處理能力[16]，以及更為科學縝密和靈活高效的特點，被廣泛應用于城市設計領域，實現了由“生態化”向“數字化”的轉型[17]。本文在既有物理環境與城市形態耦合研究的基礎上，重點探討了城市物理環境模擬分析與多尺度城市設計方法的結合過程，對基于物理環境模擬優化的城市設計方法進行探索。

1 基于物理環境模擬優化的多尺度城市設計框架

1.1 多尺度城市設計的整體性特征

具體包括以下3個層面。1)整體的設計思維。將“三境三場”(熱環境、風環境、聲環境、天空可視場、大氣污染物擴散場、生態效應場)的理念融入設計全過程。2)整體的技術手段。結合空間形態與物理環境數字化耦合分析技術，搭建城市空間形態與“三境三場”等物理環境的關系模型，形成物理環境綜合分析技術簇群。3)整體的優化層次。通過城市物理環境數據綜合分析，對不同尺度城市設計中的不同空間要素進行優化。

1.2 城市設計中的物理環境數據分析系統

1)城市物理環境數據的空間化轉譯與分層建構。將物理環境數據轉譯成能直觀反映城市物理環境狀況的數字地圖，包含“空間形態-熱環境-風環境-聲環境-污染物污染場-天空可視場-生態效應場”多個數據維度，以及“基礎數據層、耦合分析層、規劃決策支持層”。2)疊合關聯性識別建構物理環境數字地圖，進而分析耦合邏輯關系。不同維度的數據進行交叉耦合分析構成耦合分析層，并結合分析結論運用到規劃實踐中，構成規劃決策層，如建筑形體布局和空間形態優化的決策，以及公共開敞空間的整合等。3)物理環境數字地圖的即時監測與動態評估。依托城市物理環境數字地圖對城市進行即時監測和動態評估：即時監測城市物理環境；對于新設計項目進行定時定點的環境影響評估(圖1)。

圖1 城市物理環境數據分析系統建構框架

1.3 物理環境模擬分析與多尺度城市設計逐級優化

明確物理環境在多尺度城市設計過程中的模擬分析要點，并結合城市形態耦合研究，建立宏觀-中觀-微觀尺度的城市設計逐級優化框架(圖2)。1)宏觀尺度城市設計優化：結合現狀物理環境模擬，較精確地識別出城市片區范圍內的通風廊道及城市熱島點，從而優化山水骨架、水綠廊道和路網形態等，并充分利用舒適宜居的區域布置公共空間或居住用地，從而實現城市虛實骨架的整體形態結構優化。2)中觀尺度城市設計優化：在宏觀尺度優化的基礎上，通過對優化街區設計前后的物理環境模擬分析對比，提出街區尺度容積率、三維形態控制高度、路網布局、水綠空間布局和噪聲敏感用地布局等優化建議。3)微觀尺度城市設計優化：針對建筑群落及其外部空間，物理環境的模擬往往會結合實測，更加關注建筑形態與建筑布局方式，從而提出實施性較強的建筑景觀布局、建筑圍合及朝向方式、植物配置等建議。

圖2 物理環境模擬分析與城市設計多尺度交互逐級優化過程

2 錢塘江濱水區物理環境現狀模擬

2.1 錢塘江案例選擇與數據分析

選取杭州市錢塘江濱水區作為研究對象(圖3)。研究范圍包括錢塘江及其兩側的縱深地帶，上游起于富陽區與桐廬交界的新桐區塊(淥渚江富春江口)，下游止于下沙及蕭山大江東東界，全長約135km(圖4)。將周邊市域范圍熱、風等物理環境進行整體模擬，從而更好地得出濱水片區現狀問題與設計優化策略。

圖3 杭州市域研究范圍

圖4 杭州錢塘江濱水區研究范圍

通過對研究區熱、風、聲環境與城市空間疊合分析，研究宏觀尺度下城市物理環境中的矛盾沖突區域，例如城市熱島冷島、城市靜風區渦流區、城市聲污染區等，從而在后續設計中進行形態控制與優化。進一步在中微觀尺度對現狀已有的潛力風廊道與聲景觀資源及風熱舒適區等進行深化設計，以營造舒適宜居的城市環境。

2.2 錢塘江濱水區物理環境現狀模擬方法

1)熱環境現狀模擬方法。針對多尺度熱環境影響要素的復雜特征，采用大氣校正法及Landsat 8反演地表溫度，以GIS為數據處理平臺，先后獲取了1984、1991、2003、2015年的杭州市衛星遙感數據并導入ENVI 5.1分析平臺，分別計算出亮度溫度和地表比輻射率(ε)，最終反演得到研究區域內的地表溫度。

2)風環境現狀模擬方法。基于杭州夏季風向、風速和風頻數據，得出其主導風向為西南風，最大風速為7.2m/s，平均風速為2.6m/s，最小風速為0.9m/s[18]。運用PHOENICS流體計算軟件模擬錢塘江濱水區的風環境，宏觀層面運用三維簡化后的街區體塊導入FLAIR模塊，并依據錢塘江街區體塊模型劃分計算網格，從而模擬得到各季節風速圖，并劃分城市強風、弱風和靜風區域。

3)聲環境現狀模擬方法。基于噪聲模擬軟件CADNA/A對城市噪聲環境進行模擬，通過模型構建設置模擬參數并進行模擬分析，計算并生成平面等聲線，進而可顯示街區及建筑3D噪聲地圖。本方法適用于工業設施、公路、鐵路和區域等多種噪聲源的預測、評價、設計與控制。

2.3 錢塘江濱水區物理環境現狀模擬結果

1)熱環境現狀模擬結果分析。熱環境模擬主要用于識別城市范圍內的熱島與冷島。城市熱島是指城市中的氣溫明顯高于外圍郊區的現象，冬季城市冷島則可能抑制對流邊界層的發展，加劇城市污染。模擬發現，錢塘江沿江范圍內現有兩大城市熱島區(杭州主城區、濱江城區)、一大外圍熱島區(蕭山城區)、3處熱島顯現區(富陽城區、下沙鎮、南陽鎮)和4個城市冷島集聚區(圖5)。

圖5 錢塘江兩岸熱環境模擬分析

綜合考慮不同溫度下熱舒適度評價，針對中微觀街區層面總結熱環境特征(表1)。濱江新城區為錢塘江沿線熱島集中區，其中浦沿街道周邊為熱環境舒適度較低區域，在濱江新城建設中應采取熱環境優化措施。富陽城區為富春江段的小型熱集中區，熱集中區沿城市主要道路向北延伸擴展，已出現城市熱島現象，北部區域可規劃設計為中強度街區形態[19](圖6)。

表1 城市熱舒適度特征分區

圖6 錢塘江濱水區熱環境現狀模擬分析

2)風環境現狀模擬結果分析。錢塘江范圍夏季邊界來風為西南風，模擬發現市區高風速區主要存在于距離錢塘江較遠的西北方高山處，可自西北引入城市風廊道緩解南岸濱江新城熱島效應。此外，模擬發現錢塘江沿江區域風速集中在2～5m/s，風舒適性呈現分段變化特征。通過風環境現狀模擬分析識別出3個弱風段：富春江段、錢塘江南岸濱江段、錢塘江下游段；1個強風段：錢塘江中游北岸；1個靜風段：錢塘江中下游段；1個漩渦風區：之江、雙浦漩渦風區。針對沿江風環境分段特征，未來可打通垂江水系與灣頭相連的山水江灣，強調各城市簇群與水綠空間充分融合，營造舒適的城市風熱環境(圖7)。

圖7 錢塘江兩岸風環境模擬分析

綜合考慮風速、揚塵、空氣污染擴散等問題，針對中微觀街區層面行人高度處風環境舒適性特征進行評價[20](表2)，發現江干區風速較為低緩，可滿足人體舒適性要求；余杭區部分地區出現靜風區，不利于通風散熱；雙鋪鎮地區形成高風速漩渦區，需要在街區尺度控制街道的寬度比，避免因峽管效應形成街道風暴(圖8)。

表2 城市風舒適度特征分區

圖8 錢塘江濱水區風環境現狀模擬分析

3)聲環境現狀模擬結果分析。遴選出市域范圍內主要噪聲源，包含鐵路干線、高速公路、快速路等，在此基礎上進行噪聲等級空間分布分析，得到錢塘江濱水區噪聲分布情況。錢塘江兩岸按照主要橋梁的劃分，存在4段噪聲重度污染區、3段噪聲中度污染區及5段寧靜區(圖9)。通過城市聲舒適度特征分區，對濱江噪聲污染區域進行優化設計。

圖9 錢塘江濱水區聲環境現狀模擬分析

3 錢塘江濱水區物理環境耦合優化

3.1 錢塘江熱環境與空間形態耦合優化

采用城市熱島效應強度，即主城區平均氣溫和郊區平均氣溫的氣溫差，對不同區域進行熱環境整體優化[21]。杭州主城一級熱島控制區，包括上城區、下城區及江干區西部區域，熱島強度控制在3.5℃以下，為熱環境可接受區域。義橋鎮等冷島區域能夠緩解城市的熱島效應，城市冷島強度控制在-1℃以下，部分冷島區域可以適度開發利用(圖10)。針對濱江新城區、富陽城區等不同城市熱島區域，可通過城市建筑布局構建風道，提高片區綠化覆蓋率。

圖10 宏觀尺度下錢塘江熱環境與空間形態耦合優化

中微觀尺度細化設計中，針對溫度較高的區域，在功能布局上結合學校、醫院等低密度公共設施引入城市開敞型空間；空間形態上鼓勵迎風處設置綠地，楔入城市，以利于冷空氣進入城市內部；此外，順應主導風向布局水綠復合廊道，在高密度城區均勻布局點狀綠地(圖11)。

圖11 中微觀尺度下街區層面風-熱環境耦合優化策略

3.2 錢塘江風環境與空間形態耦合優化

宏觀尺度城市設計重點構建城市多層級通風廊道，以大型空曠區域連接而成，如城市主要道路、連續的休憩用地和美化城市的景觀綠地等。針對沿江靜風及弱風區域，通過規劃主次三級通風廊道劃分不同風速控制區，塑造提升沿錢塘江優質空間的物理環境，并提出中微觀尺度廊道形態控制要求。

城市設計中微觀尺度層面構建：1)5條主要通風廊道——順應杭州夏季西南向主導風向構建主通風廊道，寬度控制在150m左右，與夏季主導風向夾角小于30°，主要街道走向與夏季主導風向平行或夾角小于30°；2)19條次要通風廊道——次要通風廊道主要由城市主干路、城市綠帶等構成，利用開敞空間與城市空間形成的風壓差和不同下墊面在太陽輻射下產生的熱壓差形成局部通風廊道，寬度為50～80m。其中，次通風廊道包含3條二級廊道和16條三級廊道，其余16條較窄廊道多依街區道路格局而建，寬度不宜小于50m(圖12)。

圖12 中微觀尺度下錢塘江風環境與空間形態耦合優化

3.3 錢塘江聲環境與空間形態耦合優化

針對研究區噪聲污染較為嚴重的分段，充分利用錢塘江“聽潮基因”下的自然聲景資源，塑造多層次沿江聲景觀。對錢塘江兩岸的公園聲景觀、廣場聲景觀、山體聲景觀、水體聲景觀、地方戲劇聲景觀和竹林聲景觀等聲環境現狀進行梳理，識別出聲景觀集聚點。最終合理劃分錢塘江兩側的聲景觀區，包含校園聲景觀區、水體聲景觀區、公園聲景觀區、廣場聲景觀區和山體聲景觀區，并對其進行聲景觀引導(圖13)。

圖13 宏觀尺度下錢塘江聲環境與空間形態耦合優化

中微觀尺度細化設計中，須合理設置建筑布局，并對工業園區等會產生較強噪聲污染的建筑群落進行噪聲消解改造，在江灣口等地點結合自然資源進行聲景設計，掩蔽外界噪聲，沿江可布置大型公共建筑，利用公共建筑遮擋噪聲。

4 物理環境現狀模擬與耦合優化下的多尺度城市設計策略

4.1 城市骨架廊道策略：構建沿江通風廊道，消解城市熱島

在物理環境綜合模擬優化的基礎上，錢塘江沿線濱水區打造5條主通風廊道、3條二級廊道及16條三級廊道以優化沿江兩岸的城市風環境。減弱當前存在的無風區及渦流區的風場負面影響，合理消解城市熱島效應(圖14)。

圖14 物理環境優化下的錢塘江沿線城市-水綠骨架優化

結合多層次沿江通風廊道，營造城市水綠廊道體系。系統優化垂江水脈，連通沿江水系，打造“互通互導”的棋盤式水網體系。結合山水形態特點及風熱環境分區，將錢塘江沿江分成山岳汀州、山谷沚汊、山丘河匯、平原江灣、河口海灣5個觀賞區，每個觀賞區根據現有植被打造四季景觀。

結合水綠廊道控制，打造沿江交通寧靜區。通過種植降噪植被減少聲污染并增加聲景觀多樣性，形成高品質宜居環境。將錢塘江沿岸從上游至下游分為山居聲景觀片區、城市聲景觀片區和聽潮聲景觀片區3個部分。對于重要的水脈及風廊道交互的沿江灣頭地區，在城市設計中作為重點意圖區進行深化設計，以營造舒適的灣頭空間場景。

4.2 街區形態策略：布局風熱舒適街區，引導街區形態

合理優化城市下墊面，并利用街區容積率、街區圍合度、街區建筑密度、街區交通路網等耦合性因子[22]，對現狀街區的建筑進行綜合評價與整體形態引導(圖15)。研究發現沿江不同街區容積率及圍合度所呈現出的空間形態模式存在差異，圍合度由1增至3的過程中，空氣溫度下降明顯，超過3后溫度下降緩慢，因此將街區圍合度控制在2～3較為合理[23]。街區建筑群落迎風面應避免建筑圍合度過高，整體街區形態隆起以利于中心熱空氣上升。控制街道高寬比避免天空可視度過低，以利于夜晚散熱。

圖15 物理環境優化下的錢塘江沿線街區整體形態引導

充分權衡沿江高強度開發區與人文山水特色區的價值，可較高強度建設的街區定位為灣頭重點片區，結合風廊道消解高強度街區熱島效應，并在中微觀尺度城市設計意圖傳遞中，局部優化大體量建筑的形態關系以利于通風散熱。可設置地下停車場或立體停車樓減小地表溫度，地面停車場地鼓勵進行遮陽設計。

4.3 景觀植被策略：合理種植降噪植被，調節街區微氣候

在風廊道設計的基礎上，合理優化控制城市綠廊兩側的植被種植，形成城市生態綠廊空間。錢塘江沿岸共規劃11條特色景觀大道，均為杭州主要的交通要道，以香樟、桂花、懸鈴木和無患子等為特色植被，通過城市綠廊將習習涼風引入城區。

在中微觀尺度城市設計意圖傳遞中，點狀綠地能較好地形成建筑間的風巷，形成舒適度較高的街區微氣候空間[24]。因此，在城市設計中更多采取點狀綠化，特別是在穿流區和渦流區內合理優化綠地布局；對于冬季風速過快區域，通過增加植被形成風墻；對于夏季靜風區，通過植被間風巷引入涼爽微風，并增加植被蔭蔽效應。

5 結語

在城市快速建設發展的時代背景下，本文從數字化城市設計的理論發展與實踐訴求入手，將研究視野聚焦到城市物理環境的數據模擬、分析與優化，將多源物理環境要素進行整合，并與城市三維形態數據進行耦合分析，試圖探尋一種優化城市空間品質、提升人居環境品質的多尺度城市設計整體性方法。選取了杭州錢塘江沿線的城市濱水區為案例，基于物理環境數據綜合型分析方法，強調了城市建設與山水格局、城市形態與環境品質的疊加。在城市物理環境模擬優化的基礎上，結合錢塘江沿線的具體發展需求，提出城市骨架廊道、街區形態、景觀植被等空間設計與營造策略，試圖對當前廣大城市空間環境品質及舒適度的提升優化提供新的思路和方法。由于城市物理環境是一個復雜的巨系統，如何將空間優化的管控要素進一步落實，以及如何銜接不同尺度間的物理環境要素與城市形態控制要求，還有待進一步研究。

注：文中圖片均由作者繪制。