基于风热环境的吐鲁番城市设计要素评价

■ 冶建明

王 玉

朱梦梦

0 引言

进入21 世纪以来，各地城市化发展迅猛，环境问题也日益突出，特别是干旱地区，形势严峻。为提升城市空间品质，“十三五”规划纲要把建设和谐宜居城市作为重要内容，提出“统筹生产、生活、生态三大布局，提高城市发展的宜居性”；“十四五”规划中又进一步明确“以人为核心的新型城镇化”，提出优化国土空间布局，推动绿色发展，促进人与自然和谐共生。至此，构建生态宜居城市空间成为城市建设和发展的重要目标。城市设计作为城市建设的先导性工作，起到前瞻性、决策性作用，是宜居城市空间创建过程中的重要保障[1]。因此，探讨具有科学价值、宜居导向、生态环保的城市设计评价方法尤为必要。

从20 世纪末开始，国内学者以生态宜居、绿色科学的城市设计理论为导向，开展低碳环保的城市空间实践研究。以吴良镛[2]、齐康[3]、王建国[4]等为代表的大量学者，分别从人居环境科学、生态城市理论、绿色城市设计等方面，对城市空间设计方法展开讨论；邬尚霖等[5]重视城市设计要素在功能导向方面，针对城市物理空间舒适度的评价，聚焦中小尺度街区层面空间要素与城市空间形态之间的关联；牛强等[6]认为定量分析有助于提高城市设计对象的科学性和可实施性，遂基于文献研究法，梳理定量指标和常用方法，以促进该领域的研究。

当前，城市空间设计结合城市气候学的人居环境研究已成为热点，且呈现数字化技术转型趋势，有利于城市空间向更安全、更生态、更健康的方向发展[7]。但由于我国大多数城市空间形态在城市规划[8]管理体系下快速形成，缺乏对干旱地区的城市风热环境问题的系统关注。吐鲁番市作为我国干旱地区形态学和气候学的特色城市，对其风热环境的形态学研究具有重要标本价值。本文即以吐鲁番为例，以风热环境下的干旱地区城市设计评价为切入点进行探讨，以期缓解干旱地区由于自然生态环境对城市空间建设所带来的限制性，为城市设计发展提供可靠参考依据。

1 研究区域概况

新疆吐鲁番市拥有独特的地理自然环境，城市空间发展受到地域资源和自然环境的制约，是当前城市发展、人口密度增长较为缓慢的地区之一。该市夏季干热、多风沙，气温年较差和日较差均大，年均降水量常低于20 mm，年均蒸发量则高达3 000 mm 以上，土地荒漠化严重，属于典型的大陆性暖温带荒漠气候。全市由北向南划分为3 个区域：北部是海拔高度在1 000～5 445 m 之间的山区地貌；中部为高昌区主要的土地利用区域；南部主要用于矿产资源开发，可通往库鲁塔格山，大部分区域是棕色荒漠土为未利用地[9]。

建国至今，吐鲁番市在建设过程中不断尝试着城市空间形态的拓展和转变，本文选取其中3 个时期的城市空间设计方案进行评价研究。

（1）1975 年吐鲁番城市空间设计方案（方案Ⅰ）：新城区和老城区形成双组团[10]。以老城区为重要发展区域，新城区则作为城市发展的辅助功能区域，同时以高昌路和团结路为城市主要道路，形成两点区域聚集（图1）。

（2）1997 年吐鲁番城市空间设计方案（方案Ⅱ）：以老城区、新城区、新站区形成三组团。老城区依旧作为城市的核心区块，以居住、文旅及服务业用地为主；建设用地以高昌路为中心不断向南、北方向拓展，在新城区和老城区之间形成衔接（图2）。

图2 风速模拟

（3）2020 年吐鲁番城市空间设计方案（方案Ⅲ）：形成老城区、新城区、新站区、生态产业区等4 个城市组团。在1997 年方案基础上，向东、西方向拓展，主要集中在吐鲁番中部地区（图3）。

图3 温度模拟

图5 PMV 模拟

2 研究方法

2.1 指标体系构建

城市空间环境舒适度是城市自然环境条件与后台建成环境共同作用的结果[11]，此类评价大多针对城市或街区尺度展开，且主要关注城市容积率、建筑密度、建筑高度等物理环境指标[12]。城市空间形态的构成要素可归纳为自然要素、城市要素、生态要素三类，这也是城市设计要素的主要内容，是城市设计工作中最基础的指标[13]，对城市空气流动、热岛效应等具有直接影响。

本研究聚焦中小尺度[14]的城市空间形态要素组合，提取与城市物质空间形态密切相关的要素[8]，按照地形特征、建筑组团形式、植物密度等层面分类归纳，制定基于自然、城市和生态三要素评价的干旱地区隔热、保湿空间环境设计目标（表1）。

表1 物理环境的相关城市设计要素

2.1.1 自然要素

自然要素包括地形特征和地面高程两方面。城市自然资源环境的合理利用，是影响城市微气候的基础条件[15]。本研究利用吐鲁番市的地形地貌特征，结合城市特色与自然风貌要素进行融合设计。干旱地区的自然空间形态包括水源、绿洲、山地、丘陵等，对调节城市空间微气候具有显著作用，有利于缓解城市热岛效应，应对其予以最大程度的保留并系统利用[15]；同时，在满足城市功能需求的前提下，最大化利用地形优势来增加地区风力，达到降温效果。

自然要素评价即通过分析城市选址坡度等利于隔热保湿的原则，判断城市选址的海拔高低，根据两者之间的相关性进行分类定性打分评价。

2.1.2 城市要素

城市要素层面可划分为建筑组团形式、开放空间绿地及下垫面材质布置、遮阴程度等指标，其中包括城市干道布置、建筑密度等形态细化指标。建筑组团形式是主要的城市空间影响要素，街区组团空间形态与城市空间所形成的“风廊”，对通风隔热有显著效果[16]。开放空间绿地布置也是城市设计的重要组成部分，对于干旱地区来说，开放空间绿地作为人类活动空间的载体，应注意夏季植物遮阴与公共开放空间的联系，将公共开放空间与水土保湿进行联合组织。开放绿地空间下垫面也是决定人体舒适度的重要指标之一，当绿地、水体的占比增高，会对周边环境起到显著的隔热、保湿作用。此外，街区建筑、树木的遮阴程度也是干旱地区重要的关联风热环境要素。

城市要素评价就是根据建筑组团形式和风向，以及道路交通布置的稀疏程度，评价其对于城市街道层峡的影响，从而判断城市风向的流畅度；根据对干旱地区开放空间的绿地布置、建筑朝向、下垫面的处理方式以及建筑和植物的遮阴程度，分别判定开放空间所形成的绿地范围是否有利于城市隔热保湿，并进行定性评价打分。

2.1.3 生态要素

生态要素反馈人类活动和自然环境所产生的影响，其中与风热环境相关联的要素包括两个方面，即：绿地水体分布和植物密度。绿地水体分布可最大化呈现该地区的蓄水保湿能力；植物及河流分布则对热舒适度具有显著影响[17]，且植物密度可形成郁闭度最大化，是街区设计的关键要素。

生态要素评价便是根据绿地水体分布比例以及植物种类的密度，对城市绿地生态进行定性评价打分。

2.2 评价权重

采用国内外常用的城市设计方案主观定性评估法[18]，先根据评价对象的具体要求选定若干个评价项目，再制定评价标准，对城市设计的各类物理要素进行权重分配。同时，根据城巿设计不同阶段评价的目的，进行权重设定（表2）。

（1）设计前期阶段：根据城市自然选址的优劣，加大自然要素的权重比例。

（2）构思中期阶段：偏向于城市要素权重设定，侧重城市空间设计方案对干旱地区隔热保湿的引导。

（3）决策后期阶段：平均分配各类要素权重，重点在于校验不同要素对干旱地区形成风热环境优化的共同作用。

3 实证研究

3.1 自然要素评价

在自然要素方面，重点判断吐鲁番市不同时期的地形特征与艾丁湖的呼应程度，即：判断方案中是否利用地形地势对城市的隔热进行合理规划；在地面高程方面是否选取较为平缓的地区作为城市建设用地（表3）。

表3 自然要素评价过程

3.2 城市要素评价

在城市要素方面：①以吐鲁番夏季盛行西北风为基础，判断建筑组团形式与风向的耦合关系；②按照吐鲁番市常见组团的隔热保湿优劣顺序，分别对绿地、点式高层建筑、大体量公共建筑、围合式中高层、生土民居等分类型判定评分；③根据吐鲁番城市主要街道布置，判断其城市干道是否具有散热和保湿的合理性，进行定性评分；④对开放绿地的面积与物种丰富程度、下垫面处理方式、建筑密度与风向耦合的一致性、以及乔木和灌木在街道、居住区的设置方式等，进行打分评价（表4）。

表4 城市要素评价过程

3.3 生态要素评价

在生态要素方面，将生态分为绿地和水体两部分。首先，根据城市绿地水体分布及占比对城市选址布局的合理性，判断城市绿地的保水效果；其次，判断公共绿地对原有植物品种的留存及植物种植密度是否合理，并在控制详细规划中计算绿地、水体的大致占比；最后，进行定性打分评价（表5）。

表5 生态要素评价过程

3.4 评价结果分析

参照不同阶段权重设定表（表2），对城市空间设计各类组成部分的权重赋值并均衡分布，将三要素取值占比设定为1/3，着重探讨城市空间要素设定与风热环境模拟结果之间的规律。从表6 可以看出，折算得分最高的是为方案Ⅲ（3.988 分），其次为方案Ⅱ（3.053 分），得分最低的是方案Ⅰ（2.612 分）；则3 个时期关于风热环境应对的优劣程度依次为：方案Ⅲ、方案Ⅱ、方案Ⅰ。其中，方案Ⅲ的优势较为明显，从时间发展历程来看，吐鲁番的城市空间建设在社会发展中逐渐进步。

表6 要素内容评价结果

在方案Ⅰ时期，吐鲁番的城市建设以适应自然生态环境为主，居住用地大多为生土建筑聚集地，城市公共建筑以文物古迹为主。城市内部交通干道简单，主要以高昌路和团结路为主，主要道路呈现“T”字形。城市绿化以城市外围防风林、城市农林地为主，内部绿化仅为聚落庭院中的绿化。因此，这一时期的城市空间设计要素评分最低。

在方案Ⅱ时期，吐鲁番市向较好的自然生态环境地区扩展，居住用地出现多种形式，以砖混结构和低层建筑为主。城市内部交通向南北方向拓展，以3 条主干道向外分散，形成方格网状道路。城市绿化除原有防风林、城市农林地外，内部以道路绿化为主，并新建公园、广场等不同类型绿地，绿化覆盖率相较方案Ⅰ时期显著提高。因此，方案Ⅱ时期的城市空间设计要素评分升高。

在方案Ⅲ时期，吐鲁番城市建设规模进一步扩大，更加注重自然生态与城市的融合发展，构建了农田融合城市发展框架。城市远离白杨河风口带，开始向水源充足地靠近，并向东西走向拓展。城市内部交通体系基本构建形成，道路交叉布局合理。城市绿化除防风林、农林地以外，城市道路绿化形成景观廊道，公园绿地与广场绿地形成绿地斑块。

3.5 微气候模拟

3.5.1 模型构建及气象数据获取

针对干旱地区特点，选用ENVImet 软件进行微气候环境模拟实验，便于实现风环境和热环境的比较。通过对比风环境、热环境及人体舒适模型的方法，对城市空间环境进行综合性评价，以便更好地进行要素系统评价指标的科学校验。

选定模拟区域空间范围为7 500 m×7 500 m×100 m， 以 方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ的不同城市空间布局，构建吐鲁番城市空间模型，并以中尺度模拟分析其人体热舒适性模型。考虑到研究尺度较大，自然组成部分与生态组成部分基本重合，因此统一进行模拟。为了更好研究风热环境下的干旱地区城市空间模拟，选取吐鲁番最热时期（8 月）的天气数据，以全天最热时间段16:00—18:00进行模拟。

3.5.2 模拟结果分析

根据上述研究条件设定，对风速、温度、湿度、人体热舒适性（PMV）进行模拟分布实验，结果如图2～5 所示。

（1）风速模拟分析。模拟环境初始风速根据吐鲁番市区当日平均风速设定为2.0 m/s。方案I 在生土建筑集中分布区域平均风速为1.70 m/ s，在中高层建筑密集区平均风速为0.60 m/s；其风速最小值为0.40 m/s、最大值为1.90 m/s。方案Ⅱ在低矮建筑集中分布区域的平均风速为1.70 m/s，在高层围合建筑密集区域的平均风速为0.29 m/ s，在植物与高层建筑穿插的街道平均风速为0.86 m/s；其风速最小值为0 m/s、最大值为1.93 m/s。方案Ⅲ在低矮建筑密集区域的平均风速为1.71 m/ s，在高层建筑密集区域的平均风速为0.59 m/s，在植物与高层建筑穿插的街道平均风速为1.06 m/s；其风速最小值为0.35 m/s、最大值为1.96 m/ s。3 个方案在城市建设空间密集区域中，风速由高至低排序为：方案Ⅰ＞方案Ⅲ＞方案Ⅱ。

（2）温度模拟分析。模拟环境大气温度根据吐鲁番市区当日最高温度设定为43 ℃。方案Ⅰ在低矮建筑和农田聚集区域的平均气温为39.75 ℃，其余荒土区域均温为39.70℃；其温度最小值为39.53℃，最大值达到41.14 ℃。方案Ⅱ在水源区域的平均温度为39.20 ℃，在周边农田种植区域的平均温度为39.65℃，在低矮建筑和公共建筑周边区域的平均气温为39.40℃；其温度最小值为38.91 ℃，最大值达到41.15℃。方案Ⅲ在水源区域平均温度较低为39.15℃，在农田种植区域平均气温为39.62℃，在建筑密集和植物密集区域平均气温为39.39℃；其温度最小值为38.93℃，最大值达到41.13℃。3 个方案在城市建设空间密集区域中，温度由低至高排序为：方案Ⅲ＜方案Ⅱ＜方案Ⅰ。

（3）湿度模拟分析。模拟环境相对湿度根据吐鲁番市区当日最高温时的湿度设定为10%。方案Ⅰ在农田周边相对湿度平均值为12.7%，其余荒土区域相对湿度平均值为12.13%；其相对湿度最小值为11.02%，最大值达到12.26%。方案Ⅱ在农田和植被聚集区域相对湿度平均值为12.28%，在水域相对湿度平均值较高，为14.14%；其相对湿度最小值为11.18%，最大值达到14.46%。方案Ⅲ在农田种植密集区域相对湿度平均值为12.27%，在景观廊道和公园绿化区域相对湿度平均值为13.50%，街道绿化相对湿度平均值为12.60%，在水域相对湿度平均值较高，为14.87%；其相对湿度最小值为11.04%，最大值达到15.30%。3 个方案在城市建设空间密集区域中，相对湿度由高至低排序为：方案Ⅲ＞方案Ⅱ＞方案Ⅰ。

（4）PMV模 拟 分 析。 方 案Ⅰ在中高层建筑区域PMV值均为3.43，在生土建筑和砖混建筑密集区域PMV值均为3.49，农田种植区域PMV值均为3.59；其PMV值最小为3.27，最大为3.86。方案Ⅱ在公共建筑区域PMV值均为3.31，在建筑密集区域PMV值均为3.53，在街道绿化与公园绿地区域PMV值均为3.46；其PMV值最小为3.07，最大为3.87。方案Ⅲ在中高层建筑和水体区域PMV值均为3.39，在建筑和植物穿插街道处PMV值均为3.31，公园绿地和景观廊道PMV值均为3.43；其PMV值最小为3.25，最大为3.83。3 个方案在城市建设空间密集区域中，PMV值由低至高排序为：方案Ⅲ＜方案Ⅱ＜方案Ⅰ，即方案Ⅲ最舒适，方案Ⅱ次之，方案Ⅰ舒适性最差。

4 结论

吐鲁番是典型干旱地区具有荒漠气候形态学和气候学的特色城市，其3 个时期呈现的城市空间形态和自然环境适应机制，结合该地夏季热环境气候极具代表性，具有风热环境的典型特征。本研究基于吐鲁番市3 个不同时期的城市空间形态，结合要素评价法，对城市设计展开定量分析，得到以下评价结果。

自然要素方面，方案Ⅰ折算得分最高（1.237）。方案Ⅰ在靠近绿洲水源处布局，沿平缓地形顺势建设，整体区域海拔较低且地势平缓，有利于人的居住和自然风导向；方案Ⅱ在方案Ⅰ城市布局基础上向南北方向拓展，部分靠近山体的荒土对居住环境影响较大，建设用地密集；方案Ⅲ又在方案Ⅱ基础上向东西方向拓展，更靠近水源，但远离了风口带。在微气候模拟校验中，风速明显是方案Ⅰ最高。

城市要素方面，方案Ⅲ折算得分最高（1.348）。方案Ⅲ在建筑组团上多为零散分布的中高层建筑，有利于风廊形成；方案Ⅱ高层建筑多，因密集分布导致风廊无法形成，城市建设区域风速偏低；而方案Ⅰ由于建筑低矮且没有完善的防风沙措施，风速较高，低矮建筑的PMV值最大，给人造成不舒适感。在开放空间绿地和绿化所形成的下垫面中，方案Ⅲ占比最高，其PMV值在公共绿地空间、景观廊道上相对较低（3.43），人体感觉较为舒适；并在高层建筑与街道绿化交叉区域达到最小（3.25），舒适感更强。另外，方案Ⅱ因建筑密集产生遮阴效果，与部分街道绿化发生交叉，PMV值为3.46，较为舒适。由此可见，要素系统评价和微气候模拟结果一致，3 个时期的城市空间设计方案中，方案Ⅰ＜方案Ⅱ＜方案Ⅲ。

生态要素方面，方案Ⅲ折算得分最高（1.485）。方案Ⅲ增加城市道路绿化形成景观廊道，使公园绿地与广场绿地形成绿地斑块，更靠近水源地，城市绿化覆盖率达到41%；方案Ⅱ虽新建公园绿地等，但绿化范围不广泛，且未靠近水源地建设；而方案Ⅰ除农田绿地和庭院绿化外，均无绿化。在微气候模拟校验中：空气温度为方案Ⅲ＜方案Ⅱ＜方案Ⅰ；相对湿度为方案Ⅰ＜方案Ⅱ＜方案Ⅲ；且方案Ⅲ在绿化区域的PMV值最低，即舒适性最强。

总体来看，20 世纪70 年代的吐鲁番城市基础建设规模小，城市空间聚集较小且建筑组团形式少，无过多城市绿化；随着城市空间建设逐渐扩大，城市开始向水源地建设，增添城市绿化环境，城市的集中建设区为典型城市空间形态。在城市要素的细化指标中，建筑密度、建筑组团形式及开放绿地空间极大程度地影响着人体热舒适度，其中高层遮阴会造成人体舒适度的变化，应重视高层建筑与植物的遮阴效果，通过对城市设计要素的控制来达成对城市公共空间的优化。