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寒冷地区平原典型城市中心区街区形态与微气候的耦合机理与优化调控

花匠小妙招
2024-11-08 22:13

随着城市化进程的推进,城市中心区人口高度聚集,城市空间布局高度密集,导致了室外通风不良、热舒适度低等城市微气候问题。城市微气候的形成除了受到宏观气候因素的影响,还与城市形态特征有着密切的关系。街区是城市构成的基本单元,不同形态及界面的街区,其内部空间的热传递特征必然不同,进而表现出不同的微气候特征。街区尺度的微气候是整个城市微气候的有机组成,从改善城市微气候的角度出发,良好的街区形态设计能够改善通风状况、调节室外气温,缓解城市微气候问题。近年来,由于城市化进程的加快,平原城市中心区街区空间表现出高度密集,且复杂多样的街区形态特征,街区空间的这些变化使得城市微气候问题日趋突显。即使是寒冷地区的平原城市,其中心区在夏季也出现了严重的高温化问题。因此,本论文针对夏季微气候问题将研究内容聚焦于寒冷地区平原典型城市中心区街区形态与微气候的耦合机理与优化调控方法。本论文从以下三个方面展开研究:首先,作者采用定性的类型描述与定量的指标描述相结合的方法,力求对寒冷地区平原城市中心区街区形态进行全面概括与精准描述。在定性的类型描述研究中,作者参照形态学、类型学的研究方法,采取街区建筑功能与建筑容量相结合的主题分类方式,依据石家庄、郑州和西安三个典型案例城市中心区1000MX1000M的街区切片研究单元众样本,将寒冷地区平原城市中心区的街区形态进行分类和梳理,共归纳出三个大类(十三个小类)的街区形态类型(Block Morphology Type)。在定量的指标描述研究中,作者基于街区尺度城市微气候的形成因素,依据指标描述的适用性、指标计算的便捷性和纳入规范的可操作性原则,共筛选出建筑功能混合度、建筑密度、容积率、平均天空开阔度、平均迎风面积比、平均建筑高度、平均街道高宽比和绿地率八个与街区形态相关的量化指标,以此对寒冷地区平原城市中心区街区形态进行量化指标描述。然后,作者采用现场实测与数值模拟相结合的方法分析寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候的耦合机理。在依据郑州市夏季典型日现场实测数据,验证和校准了城市微气候模拟软件ENVI-met数值模拟结果的可靠性后,作者以寒冷地区平原城市中心区十三种街区形态类型的典型模型为样本,利用ENVI-met软件分析街区空间内部水平对流传热和下垫面释放的显热与潜热通量对街区空间气温升高的影响机理,发现了寒冷地区平原城市中心区1KM~2街区尺度的微气候指标与街区形态量化指标之间的一系列相关关系。依据这些街区形态与微气候的数值关系,作者从街区形态对微气候的影响机理与构建舒适微气候的街区形态设计策略两个方面揭示了寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候的耦合机理。研究证明:造成寒冷地区平原城市中心区街区空间夏季高温化的主要原因来自街区空间形态及其空间界面属性的综合影响,以构建舒适微气候的角度进行街区形态设计需从空间形态及其界面属性两方面入手。最后,作者基于寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候的耦合机理分析,依据控制“得热”和加速“散热”的原则,归纳出改善夏季高温的街区形态调控方法,并利用ENVI-met软件模拟比较各种调控方法对降低夏季室外气温的贡献率,综合考虑街区形态调控方法对微气候改善的贡献率、适用性和可操作性等因素,获得有助于改善夏季微气候的寒冷地区平原城市中心区街区形态优化调控方法:(1)采取街区建筑东西向错位布局的调控方法,在商务型街区中降温效果良好,在商住型和居住型街区中降温效果较差;(2)采取降低夏季主导风向上街区建筑迎风面积大小的调控方法,在商住型与居住型街区中降温效果良好,在商务型街区中降温效果较差;(3)采取适度提高道路围合地块最北一排建筑高度的调控方法,在商住型与居住型街区中降温效果中等,在商务型街区中降温效果较差;(4)采取适度提高街区平均街道高宽比的调控方法,在商住型与居住型街区中降温效果优秀,在商务型街区中降温效果较差;(5)采取增加街区空间绿地面积与树木数量的调控方法,在所有街区类型中降温效果优秀;(6)采取提高街区地表面以及建筑外表面反照率的调控方法,在容积率3.5或建筑密度30%的街区中降温效果优秀;(7)采取只提高街区地表面反照率的调控方法,在容积率≤3.5的街区中降温效果优秀。本论文系统地探究了寒冷地区平原城市中心区街区形态与微气候的耦合机理与优化调控方法,研究结论希望为规划师、建筑师和管理者提供有益参考,有助于寒冷地区平原城市中心区的街区设计与建筑设计。