低碳导向下的街区空间形态设计研究*

晁 军 马子茹

(北京建筑大学建筑与城市规划学院，北京 100044)

化石能源的利用给人类的经济和生活带来了较大的便利，但与此同时，也导致了温室效应。我国的二氧化碳排放量更是久居不下。目前城市方面的相关研究多为宏观的城市层面的低碳目标管理性指标研究和微观单体建筑层面的低碳技术研究。缺乏中观层面的低碳街区设计研究。城市街区尺度是建设低碳城市的关键层面，是微观层面建筑低碳技术研究的综合和提升,也是宏观层面城市低碳战略的具体实施,起着承上启下的关键作用[1]。

1 街区尺度和空间形态对碳排放的影响

1.1 街区尺度的限定

城市街区作为城市建设的关键层面，是落实城市建设目标的基本单元。对于街区的解释，未有明确的定义，维基百科将其定义为是城市规划的一个重要元素，一个街区是四周由街道所围绕的最小区块，其内涵盖建地、建筑物等。也有学者通过道路交叉口和街区边长对其进行定义。本文所指的街区为城市街区，是指由城市街道(或者道路)围合而成的城市用地集合，内部包含建筑、绿化、设施等。城市道路包括城市主干道、次干道、支路，以及一切城市级别的能够构成网络系统的道路。

不同的城市尺度关注的能耗问题不同，大的城市层面更注重理论和整体把控，社区街区层面更注重一些规划指标的把控来从设计层面影响能耗。具体的建筑单体层面更注重通过建筑节能技术和设备来达到降低能耗的目的。

1.2 街区空间形态对碳排放的影响

街区空间形态通过气候对街区能耗产生影响包含直接和间接两个过程，直接影响过程，主要是建筑表面可达的日照情况，城市区域高耸的建筑物相互遮挡，使建筑被一定程度剥夺了获得太阳得热的权利；另外作为障碍物，建筑对风的渗透产生了直接影响。即考虑太阳辐射和风对建筑采暖和制冷负荷的直接影响。街区微气候对能耗产生影响是间接影响过程。主要考虑城市表面通过太阳辐射被加热，表面温度发生变化加热空气，引起的微气候环境中的流体变化，以及空气温度的改变的过程，需要考虑这些综合变化对建筑采暖和制冷负荷的影响[2]。

我们可以利用形状因子描绘城市形态并建立其与气候和能耗相互作用的模型。主要从城市气候资源进入到街区的可能性和街区对气候资源接收的可能性两个方面进行描述。城市气候资源进入到街区的可能性可以用街区建筑密度、容积率来表示。

街区对气候资源的接收能力可以用体形系数和被动空间这两个形状因子来描述。

1.3 提取相关形态因子

与建筑相关的两个形态因子为体形系数和被动空间。热能工程师经常用到体积系数这个参数。建筑物越紧凑，通过其围护结构散失的热量越少。描述了建筑物围护结构的表面积与其体积之间的关系。该比率说明了通过自然通风和阳光与外界环境相互作用的潜力。被动空间是指距离围护结构6 m以内可以利用自然通风和采光的区域。这是描绘建筑物被动系统利用(自然采光和通风，被动获取太阳能)潜力的一个重要参数。

与街区对太阳辐射和风的接收潜能相关的形态因子为街区建筑密度和街区容积率。街区建筑密度描绘了街区建筑的疏密程度。提供了风和太阳能获得的潜力。街区容积率描绘了在不同的建筑面积指标下，街区的三维疏密程度。

2 建立空间形态基本型

2.1 典型街区形态示例

为了理解形态与环境及节能效果上的影响，首先确定街区基本形态。我们对北京地区的典型街区形态进行了调研，最后总结为行列式、庭院式和点群式三种街区基本型(如图1所示)。

2.2 建立街区形态基本型

不同类型的城市建筑及其组合模式，具有不同的空间形态结构特征，相应带来不同的阳光遮蔽效果以及对风的“引导”或“挤压”作用。一般为了便于比较，通常是以同样大小的研究区域和总建筑面积等为前提，并通过对城市各种建筑组合方式进行抽象简化，形成若干个基本类型(如图2所示)，并将其用几何参数表示出来。这种简化处理，可以使计算分析与建立模型更加简洁，利于形成模式化的参考资料，并且容易实现在进入对复杂的真实城市形态研究之前，便捷的建立起形态参数与能耗特征之间的关系。借助建筑组合模型的类型划分并结合一些先进的模拟分析工具，可以使我们对城市肌理气候作用的研究进入一个定量化的阶段。

3 街区空间形态对碳排放影响的模拟分析

3.1 形态布局对街区能耗的影响模拟

利用控制变量法，保持非形态因素和其他形态因素的不变(如表1所示)，进行不同布局之间的横向对比。首先是三种布局的碳排放对比模拟分析：庭院式、行列式、点群式。

从图3中可以看出三种布局中，点群式的街区能耗总负荷最低，相对应其被动空间和体形系数也是最低的。三种布局的被动空间和体形系数大致变化趋势是一致的；因设定的地区为北京，从图4中可以看出，其街区能耗冷负荷的变化不大，主要是热负荷的变化引起的街区能耗总负荷的变化。

表1 街区类型对能耗影响模拟的数值限定

3.2 街区容积率对街区能耗的影响模拟

为了分析街区容积率对能耗的影响，采用控制变量法，以点群式理想模型为对象进行模拟分析。街区的非形态指标：墙体材料、室内人数、设备、温度需求等保持不变；还需控制相关的形态指标也保持不变，例如街区面积、街区建筑密度，建筑基底面积等等。取容积率在0.5～4.5之间的10个值分别进行模拟(见表2)。模拟其街区能耗负荷的变化，得出形态因子容积率的变化对街区能耗的影响趋势，最终得出低碳导向的街区容积率取值。

表2 街区容积率对能耗影响模拟的数值限定

通过以上分析可以发现(如图5,图6所示)，当容积率发生变化时，被动空间与容积率成正比变化。而体形系数随着容积率的增长先呈现较快的下降，后趋于平稳。其他相关形态因子保持不变。

分析容积率和体形系数与街区能耗负荷的关系发现，街区容积率和体形系数的变化对街区冷负荷的影响不大，街区能耗总负荷与街区热负荷的变化趋势保持一致。因为相关模拟为寒冷地区，气候设定为北京，寒冷地区采暖能耗占比较高，而且与容积率、体形系数关系密切。从图6中可以看出，随着容积率的增加，街区能耗总负荷先是变化平稳；当容积率达到1.89接近于2时，街区能耗负荷发生滑坡式下降；当容积率上升到3时，能耗负荷增长，但是仍低于容积率为1.89时，且街区能耗负荷后来保持平稳。且当容积率大于1.5时，体形系数变化也比较平稳。

3.3 街区建筑密度对街区能耗的影响模拟

通过控制变量法，保证其街区非形态因素和主要的形态因素保持不变，变化的只有街区建筑密度及其体形系数(如表3所示)。通过模拟当街区建筑密度分别为27%，22.5%，18%时的街区能耗总负荷及其冷热负荷的变化，分析其变化趋势。

表3 街区建筑密度对能耗影响模拟的数值限定

通过图7～图9可以看出，随着建筑密度的减小，体形系数也逐渐减小，但体形系数的变化趋势较慢，同时引起街区能耗总负荷的增加，但相对整体街区能耗总负荷的数值而言，变化的范围较小。且随着街区建筑密度的增加，冷负荷增加速度超过热负荷。

4 结语

通过以上的对比分析可以看出，不同形态布局对街区能耗产生的影响较大，且以点群式的能耗最低，其次为行列式，这种影响其实是不同的体形系数和被动空间的变化引起的，所以其街区总能耗与被动空间和体形系数成正比的变化趋势；容积率对街区能耗产生的影响也相对明显，尤其是在容积率为1.89～3之间明显能耗较低；街区建筑密度的变化对街区能耗负荷总的影响不大，但呈现微弱的负相关关系。

通过以上的总结，我们在今后的街区规划中应利用好街区容积率和被动空间、体形系数对街区能耗负荷的影响。且在北京寒冷地区应着重考虑降低其街区能耗热负荷。若其他变化条件许可，应着重利用容积率在1.89～3之间，且在一般的规划设计中，这个范围的容积率也较为经济。若要降低其街区能耗热负荷应尽量保证较小的被动空间和体形系数。街区建筑密度对街区能耗的影响不大，可相对灵活布置。希望通过以上的分析，可以为低碳街区设计提出一些参考建议。