建筑群体三维空间格局对城市热环境影响模式与机制研究

In the context of global warming, improving urban thermal environment is a major domestic need in China. This study aims to decode the complex underlying surface in urban areas and to figure out the impacts of three-dimensional spatial layout of building groups on urban thermal environment by adopting a multidisciplinary approach, including surveying and mapping, urban meteorology, urban ecology, landscape ecology, fluid mechanics, and environmental thermal physics. In order to implement the aims of the study, the following steps need to be completed. First, correlated indicators that present the geometric shape of the space and influence the urban thermal environment need to be filtrated and a method that is used to classify built areas in urban areas based on the different indicators mentioned above needs to be created. Second, an atmosphere-vegetation-soil-building energy flows system theoretical framework and numerical model need to be established to research the influencing pattern of three-dimensional spatial layout of building groups on urban thermal environment quantitatively and are also used to uncover the energetics mechanism of the response of urban thermal environment to three-dimensional spatial layout of building groups. Third, the theoretical framework and numerical model are utilized to figure out the optimal three-dimensional spatial layout of building groups for improving urban thermal environment. The implementation of the study is going to provide basic data for improving urban thermal environment and comfort, to offer theoretical guidance for urban planning and community building during the process ecological civilization construction, and to promote the development of urban thermal environment research, from “Scientific observation and simulation” to “Scientific prediction and regulation”.

在全球变暖背景下，针对我国改善城市热环境的重大需求，拟在过去相关研究与实践的基础上，以测绘学、城市气象学、城市生态学、景观生态学、流体力学、环境热物理学的前沿进展与技术方法为依托，采用多学科交叉的技术手段，将复杂的城市下垫面打开，研究建筑群体三维空间格局对城市热环境的影响。研究拟构建建筑群体三维空间格局数据库，筛选相关性指标，建立影响城市热环境的建筑群体三维空间格局指标体系与分类方法，对建筑群体三维空间格局进行量化分类；创建大气-植被-土壤-建筑能量流动体系与数值模型，定量研究建筑群体三维空间格局对城市热环境的胁迫与调节规律，揭示城市热环境对建筑群体三维空间格局响应的内在能量学机制；得出利于改善城市热环境的建筑群体三维格局模式。课题研究将为改善城市热环境质量提供基础数据，为生态文明建设中的城市规划和社区建设提供理论指导，助推城市热环境研究从“科学观测与模拟”向“科学预测与调控”的方向发展。

全球变暖和城市热岛效应的叠加作用恶化夏季城市热环境，威胁市民健康和生命，并且增加能源消耗和碳排放，与“双碳”目标背道而驰，阻碍生态文明进程。建筑群体是城市区别于自然的重要标志，其空间格局是城市热环境调控的关键切入点。系列研究从建筑群体三维空间格局入手，从多个空间尺度尝试进行三维空间形态参数与城市热环境参数的关联性研究，并试图将研究结果与控制性详细规划接轨，在以下4个方面取得相应研究进展。（1）搭建建筑群体三维空间格局数据库并构建适用于不同尺度的建筑三维空间格局指标体系。在居住区尺度上，建筑密度、容积率、天空可视因子和建筑外表面积与规划面积之比等，是基于测绘进行计算的数据，适用于数值模拟研究；基于绿视率开发的视觉指数体系包括天空视率、建筑视率、硬化地表视率、绿视率等适用于基于大范围快速的现场观测研究工作，同时也可作为评价街道品质的指标体系。（2）建筑群体三维空间格局对城市热环境具有重要的调控作用，在居住区尺度上，建筑群体形态的微小变化难以引起城市热环境较大变化，却可在一定程度上改变城市热环境的空间格局；另外，建筑遮阴和壁面热效应之间的协同作用较为复杂，对表层土壤温度具有重要的调控作用，且存在季节性变化，原因在于遮阴效应改变了地表能量收支过程。（3）在城市尺度上，城市地表构成（建筑和绿化）是影响城市热环境的关键要素，并且在白昼和夜晚的影响模式具有一定差异，原因在于能量收支过程发生变化。（4）在城市热环境优化策略上，研究引入效率阈值理念，计算了两个尺度上的效率阈值，并以此作为规划与设计策略用于高效调控城市热环境。本项目将数值模拟和现场观测相结合，探索并量化了建筑群体三维空间格局影响城市热环境的模式和关键因子，且基于非线性回归计算了各种建筑群体三维空间格局参数的效率阈值，进而基于城市热环境高效改善提出规划设计策略，为以城市更新为主的城市规划实践提供科学方法和数据支撑。