街区式商业综合体外部空间热舒适性研究

■ 王 一 WANG Yi 王溯凡 WANG Sufan

1 街区式商业综合体外部空间热舒适性研究背景与意义

街区式商业综合体，是一种具有街道形态特征的综合体建筑。其外部空间是该类建筑最大的特色，也是区别于一般单体综合体建筑的一大特征。良好的街区式商业综合体外部空间，既是商业建筑空间的向外延伸，又属于城市公共空间的拓展，具有很高的商业与社会价值。

目前，有关街区式商业综合体的研究与实践主要集中在建筑空间形态、空间联系、可达性及空间品质等方面[1][2]，鲜有从热舒适性的角度整体考虑街区式商业综合体外部空间设计的研究。国内外学者就公共空间微气候的相关研究表明，外部空间的物理性环境对于空间的使用、人的停留有明显的影响。良好的热舒适性是外部空间必不可少的考虑因素，会影响使用者的生理和心理感受，影响街区式商业综合体外部空间的活力。

2 人体热舒适性的概念、指标及研究工具

人体对热环境有两方面的反应：主观感受反应和客观生理反应。通常所说的人体热舒适性就是指人体对热环境的主观感受反应。美国暖通工程协会制定的ASHRAE Standard 55标准将其定义为：在主观感觉反应和客观生理反应的共同作用下，人对热环境感到满意的意识状态[3]。

对于人体热舒适性评价指标的研究，丹麦工业大学Fanger等在《室内热环境P MV与P P D指标的确定及热舒适条件的确定》中提出的P MV（即预测平均热反应，是室内人员对室内环境的预期反映）指标，已经得到了国际标准组织的认可（I S O 7 7 3 0标准），并且成为世界上使用最多的热环境评价指标，是公认的室内热舒适性评价指标。借助计算机科技的发展，该指标已经获得完善并且推广到了室外。在该评价体系中，P MV值越接近0，其热舒适性越好（表1）。

同时，Hoffma n等人的研究已经表明，空气温度这一因素不能单独表征夏季人体的热舒适性[4]。夏季强烈的太阳辐射对人体热舒适性所带来的不适远大于平均空气温度，也就是说夏季的平均辐射温度更能表征人体的热舒适性温度。因此，可以借助P MV及平均辐射温度（MR T）[5]，共同表征室外热舒适性温度。《绿色建筑热湿环境及保障技术》对MR T的定义为“指一个假想的等温围合面的表面温度，它与人体间的辐射热交换量等于人体周围实际的非等温围合面与人体检的辐射热交换量”。

在评价空间热舒适性的研究方法中，计算机模拟技术已经得到广泛应用，并在传统实测与计算机模拟技术的结果比对研究中，得到了较好的评价与较高的准确性。由德国科学家Michael Bruse教授及其团队所开发的微气候模型软件Envi-met，可以直接导出相关的热舒适性评价指标数据，具有较高的精度与准确性。一些学者还对其有效性进行了研究，验证其计算机模拟的准确性[6][7]。目前，Envi-me t已经成为国内外众多研究者的选择，借助Envi-met展开空间热舒适性研究的对象遍布世界，如重庆商业步行街[8]、美国步行街[9]等。

表1 美国国家暖通工程师协会七点标度与P MV七级标准之间的关系

3 街区式商业综合体外部空间形态特征

街区式商业综合体外部空间，类似于城市街道空间，但由街区内建筑外表面限定。这种外部空间在尺度、功能以及形态等方面与街道空间类似，但与街道线性空间特征不同的是，街区式商业综合体往往由若干条“街道”构成，更加具有“街区”的城市肌理空间形态特征。从建筑学的视角来看，主要的城市外部空间公共空间可以提取为两类城市形态要素：城市肌理与城市街峡空间。其中，道路或街道网络成为了城市肌理的空间骨格，其密度、布局和方位在很大程度上决定了城市肌理的空间形态（图1）。

代尔夫特理工大学的Meta，Haupt对城市街区的形态类型进行研究，以地块中单位面积所含路径长度为计量标准，进行网络密度的计算，得到的网络密度被作为主要量化参数对城市形态进行描述，并可以结合容积率、建筑密度等参数来描述街道形态[10]。与此同时，在城乡规划中还会使用到街道面积率这一指标来描述街道或者道路的地面交通承载力。街道面积率即指单位面积内街道或者道路面积所占比率。已有学者通过研究上述两个指标，分别提出了“线密度”（即网络密度）和“面密度”（即街道面积率）两个概念，共同来表征街道的网络密度[11]。

同时，相同街道网络密度条件下，街道交叉口数量虽然对街道的网络密度没有产生影响，但是其对城市肌理中街区大小，街区地块的离散分布，街道的界面密度、贴线率等产生影响（图2），进而影响太阳辐射、风向风速的变化，造成街区内街道空间微气候环境的变化[12]。

国内外众多学者研究还发现，街道方向与街道空间的热舒适性有着密切的联系[13]。街道方向与太阳辐射、风向风速等影响人体热舒适性的影响因素也存在密切的联系。

基于上述研究成果，通过街道密度、街道交叉口数量以及街道方向这三个形态控制指标，即可表征街区式商业综合体的肌理。通过这三个指标，探求街区式商业综合体空间肌理与人体热舒适性的关联性。

4 街区式商业综合体空间肌理原型

通过对城市若干街区式商业综合体的实际调研与总结，结合街区式商业综合体外部空间形态特征，简化和类型化街区式商业综合体外部空间，作为计算机数值模拟的空间肌理原型。

图1 街区形态图底关系图

图2 相同街道网络密度条件下不同街道交叉口示意图

根据现行规划管理条例中有关道路间距的规定，以及实际调研案例中的经验数值，空间肌理原型地块尺度确定为2 5 0 m×2 5 0 m。由于相同线密度外部空间覆盖率相同，街道密度可以仅用线密度，即单位面积内街道长度进行表征（单位为m/h a）。空间原型选取了1 0 0、2 0 0、3 0 0以及4 0 0的街道密度，外部空间覆盖率取2 0%（调研发现街区式商业综合体一般建筑密度为7 0%，周边道路及绿化一般占据1 0%，外部空间一般为2 0%左右），同时，在相同街道密度下选取3～8个街道交叉口来设计不同的空间原型，并在街道密度与交叉口数量的研究基础上，展开其方向的讨论，选取0°、4 5°、9 0°三种街区布局方向的整体热舒适性进行对比研究（图3）。

通过调研众多城市街区式商业综合体容积率指标，容积率为3最为常见，并选之作为空间原型的容积率。建筑类型主要为多层建筑，高度一般不超过2 4 m。

为方便研究，对空间肌理原型进行了编号，选取街道密度分别为1 0 0、2 0 0、3 0 0、4 0 0 m/h a原 型 在E n v i-me t中建模，其对应编号分别为1 0 1、1 0 2、1 0 3与1 0 4（图4）；对相同街道密度（4 0 0 m/h a）不同街道交叉口（3～8个）的空间肌理原型进行编号，其对应的模型编号分别 为 2 0 1、2 0 2、2 0 3、2 0 4、2 0 5与2 0 6（图5）。

5 空间肌理原型模拟

5.1 模拟时间的确立

街区式商业综合体其外部空间使用频率具有一定的时效性。工作日期间，大多数街区式商业综合体集中在1 0:0 0开业，营业至2 2:0 0；部分商店在休息日期间营业时间可以延长至2 2:3 0或者2 3:0 0。根据实际调研观察，结合基于手机信令数据的城市热力图发现，街区式商业综合体的人流高峰集中在中午1 2:0 0～1 3:0 0、下午1 4:0 0～1 7:0 0以及晚上1 9:0 0～2 1:0 0。同时，为更好地探究空间肌理形态与人体热舒适性之间的关联，选取上海市2 0 1 5年8月5日一个晴朗高温日气象数据为基础，对所选取的空间肌理原型通过E n v ime t模拟，并选取下午1 6:0 0或者1 7:0 0两个时间点作为模拟时段，模拟外部空间空气温度、风速、湿度、平均辐射温度（MR T）以及P MV空间布局。并通过对比研究获得相关数据。

5.2 街道密度与人体热舒适性的关联

图3 空间肌理原型设定

表2 空间肌理原型基础指标

图4 街道密度分别为1 0 0、2 0 0、3 0 0、4 0 0 m/h a的空间肌理原型在E n v i-me t中建模平面示意图

图5 街道交叉口分别为3、4、5、6、7、8的空间肌理原型在E n v i-me t中建模平面示意图

图6 不同街道密度空间肌理模型的空气温度、风速以及相对湿度模拟结果（1 6:0 0，地上1.2 m处）

通过E n v i-me t模拟不同街道密度的空间原型外部空间的热舒适性指标（空气温度，风速，相对湿度，MR T以及P MV），通过测算与数据分析可以发现，街道密度与原型模型外部空间的热舒适性有着显著的关联（图6、7）：随着街道密度的增加，原型外部空间的平均空气温度在白天会降低，在夜晚则四个类型模型间没有显著的差异；四个原型外部空间的平均风速会显著降低，且差值较大，该差值没有出现显著的时段差异；四个原型外部空间的平均相对湿度在白天没有显著差异，但在夜间则呈现出一定的反比关系，即平均相对湿度会下降得慢一些（图8、9）。

随着街道密度的增加，且在一定的范围内，四个原型外部空间的MR T值、P MV值，白天会明显降低，夜间则趋于一致。即随着街道密度增加，其空气温度、风速、MR T以及P MV会下降，人体热舒适性会提升。

5.3 街道交叉口与人体热舒适性关联

通过E n v i-me t模拟相同街道密度下不同交叉口数量的空间肌理原型热舒适性指标，经数据分析可知，街道交叉口数量与空间肌理原型外部空间的热舒适性有着显著的关联：随着街道交叉口数量的增加，空间肌理原型外部空间的平均空气温度在白天会降低，在夜晚则六个类型模型间没有显著的差异；六个原型外部空间的平均风速会显著降低，且差值较大，该差值没有出现显著的时段差异，然而我们也可以在这个大趋势中发现某个模型的数据有异，可能的原因也许与湿度、太阳辐射有关；2 0 1、2 0 2、2 0 3以及2 0 6四个空间肌理原型外部空间的平均相对湿度在白天没有显著差异，但是模型2 0 4以及2 0 5则分别位于较高湿度以及较低湿度，可

图7 不同街道密度空间肌理模型的MR T、P MV模拟结果（1 6:0 0，地上1.2 m处）

图8 不同街道密度空间肌理模型的空气温度、风速以及相对湿度平均值对比（1 0:0 0～2 3:0 0，地上1.2 m处）

图9 不同街道密度空间肌理模型的MR T、P MV平均值对比（1 0:0 0～2 3:0 0，地上1.2 m处）能的原因为太阳辐射与风速；交叉口较多的原型模型外部空间的MR T值在白天会明显降低，在夜间则趋于一致，但也存在原型模型2 0 5的P MV数据偏高的结果，不符合规律，可能的原因为较低的风速，降低了带走热量的能力；六个原型模型外部空间的P MV值在白天会明显降低，在夜间则趋于一致（图1 0、1 1）。即在一定范围内随着街道交叉口数量增加，人体热舒适性会提升，但也与太阳辐射量、风速有关联（图1 2、1 3）。

5.4 街道方向与人体热舒适性的关联

在街道方向的研究中，空间肌理模型命名由四位数字组成，其中第一位为3，第二位为0用以分割，三、四位数字代表空间肌理模型与东西向的夹角（顺时针为正，逆时针为负，将街道密度为1 0 0 m/h a的模型定义为原始模型3 0 0 0）。

图1 0 相同街道密度不同街道交叉口数量空间肌理模型的空气温度、风速以及相对湿度模拟结果（1 6：0 0，地上1.2 m处）

图1 2 相同街道密度不同街道交叉口数量空间肌理模型的空气温度、风速以及相对湿度平均值对比图（1 0:0 0～2 3:0 0，地上1.2 m处）

图1 3 相同街道密度不同街道交叉口数量空间肌理模型的MR T、P MV平均值对比图（1 0:0 0～2 3:0 0，地上1.2 m处）

通过E n v i-me t模拟相同街道密度与街道交叉口数量，不同街道方向的空间肌理原型热舒适性指标（图1 4、1 5），通过数据分析发现，街道方向与原型模型外部空间的热舒适性有着显著的关联：顺应夏季主导风向的原型模型外部空间，其空气温度、风速、MR T以及P MV相对会下降（图1 6、1 7）。

6 理想模型模拟与分析

以空间肌理原型模拟结果为依据，设计了基于空间肌理原型与热舒适性关联结论的空间理想模型，并与相同类型的空间肌理原型（空间肌理原型2 0 4）进行比对，以验证空间肌理原型模拟结果（图1 8）。

该理想模型命名为2 0 7，其形态控制指标依旧为街道密度、街道交叉口数量以及街道方向。根据空间原型的实验结论，对理想模型进行如下定义。

（1）街道密度值：4 0 0 m/h a。

（2）在确定外部空间街道密度的前提下，适当将街道空间错位，创造更多的街道交叉口数量，该理想模型街道交叉口数量为6个。

图1 4 相同街道密度与街道交叉口数量，不同方向空间肌理模型的空气温度、风速以及相对湿度模拟结果（1 6:0 0，地上1.2 m处）

图1 5 相同街道密度与街道交叉口数量，不同方向空间肌理模型的MR T、P MV度模拟结果（1 6:0 0，地上1.2 m处）

（3）主要街道空间南北向布置，一方面，可以较顺应上海市夏季主导图1 6 相同街道密度与街道交叉口数量，不同方向空间肌理模型的空气温度、风速以及相对湿度模拟结果对比图（1 0:0 0-2 3:0 0，地上1.2 m处）风向，增大平均风速，加快热量对流与扩散；另一方面，西侧建筑裙房可在下午太阳辐射较大时产生阴影区，总体上减少太阳直接辐射。

图1 7 相同街道密度与街道交叉口数量，不同方向空间肌理模型的MR T、P MV模拟结果对比图（1 0:0 0-2 3:0 0，地上1.2 m处）

相较空间肌理原型2 0 4，理想模型2 0 7加宽了南北向街道空间的范围，增大了其在下午的阴影区。通过计算机数值模拟手段，将理想模型的热舒适性评价指标数据，与空间肌理原型模型的热舒适性评价指标数据进行比对后发现，理想模型的外部空间热舒适性在下午太阳辐射较强时，其热舒适性反而较好，热舒适性指标均低于空间肌理原型2 0 4，说明太阳辐射对人体热舒适性的影响作用显著，并验证了空间肌理原型模型模拟的相关结论（图1 9、2 0）。

7 上海街区式商业综合体外部空间实例微气候数值模拟

图1 8 经过优化后的理想模型2 0 7（左）以及空间肌理模型2 0 4（右）在E n v i-me t中建模示意图

图1 9 空间肌理原型2 0 4与理想模型2 0 7的MR T、P MV模拟结果（1 6:0 0，地上1.2 m处）

为进一步验证空间肌理原型与理想模型的模拟结果与结论在实际街区式商业综合体外部空间的正确性，本文选取上海市区内开发强度相似，但其外部空间具有差异的两个街区式商业综合体案例两例（五角场万达、大宁国际广场）进行比对研究，作为验证与补充（图2 1、2 2）。表3为五角场万达广场及大宁国际商业广场基本情况及模拟参数设定。

这两个街区式商业综合体占地面积相当，开发强度接近，且都处在上海市市区，具有相似的气候环境背景。两街区式商业综合体的街道密度、街道交叉数量不同，前者街道密度较小，且街道交叉口数量少；两个街区式商业综合体其街道方向接近。

通过模拟数据提取与分析（图2 3），不难发现大宁国际商业广场外部空间的热舒适性要优于五角场万达。且从空气温度、平均风速、相对湿度、MR T以及P MV值多方面进行了对比与分析，发现在街道密度与街道交叉口数量两个形态要素量化指标的作用下，大宁国际商业广场外部空间热舒适性要优于五角场万达。进而验证了空间肌理原型以及理想模型模拟所得结论（图2 4）。

图2 0 空间肌理原型2 0 4与理想模型2 0 7的MR T、P MV模拟结果对比图（1 0:0 0～2 3:0 0，地上1.2 m处）

图2 1 街区式商业综合体案例

8 结语

基于空间肌理原型、理想模型以及实际案例的计算机数值模拟与数据整理，结合街区式商业综合体其建筑设计特点，可以提出以下基于热舒适性提升的设计策略，供建筑师及城市设计师在设计先期决策阶段作为参考：①可以适度增加街区内部街道空间的街道空间长度，增加街道密度，以提升外部空间热舒适性。建议的街道密度值为4 0 0 m/h a，也就是说对一个2 5 0 m×2 5 0 m的街区地块而言，整体切四条街道，其外部空间热舒适性提升较为明显。同时从建筑学的角度考虑，即切四条街道形成类似于九宫格式的街区形态，其建筑面积及外部空间面积划分具有一定弹性，便于商业开发。②在确定街区式商业综合体外部空间街道密度的前提下，可以适当将街道空间错位，创造更多的街道交叉口数量，以提升外部空间热舒适性。建议的街道交叉口数量为6～8个。③街区式商业综合体其主要街道空间宜南北向布置。一方面，可以较顺应上海市夏季主导风向，增大平均风速，加快热量对流与扩散；另一方面，西侧建筑裙房可在下午太阳辐射较大与空气温度较高时产生阴影区，总体上减少太阳直接辐射，提升整个街区空间的人体热舒适性。

图2 3 五角场万达广场及大宁国际商业广场空气温度、风速以及相对湿度、MR T、P MV模拟结果（1 6:0 0，地上1.2 m处）

表3 五角场万达广场及大宁国际商业广场基本情况及模拟参数设定

图2 4 五角场万达及大宁国际商业广场MR T、P MV模拟结果对比图（1 0:0 0～2 3:0 0，地上1.2 m处）