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摘要：城市气候恶化的客观现实与国家新型城镇化转型战略为城市住区建设提出应对城市气候问题、优化室外热环境的艰巨任务。以厦门市高层住区为例，通过数值模拟与统计分析方法，探讨住区布局与室外热环境之间的作用机理，为住区设计形态生成提供必要依据。结果表明，通过布局优化改善室外热环境的思路具可行性;多指标均值综合得分评价体系可作为室外热环境分析的有效工具;建设用地方位、组团规模、建筑排布、绿地布局等均可对室外热环境产生重要影响。
关键词：室外热环境;布局;作用机理;高层住区;厦门
中图分类号：F293.31 文献标识码：B
文章编号：1001-9138-（2019）06-0034-38 收稿日期：2019-05-08
快速城市化进程致使我国当前多地城市气候问题突显。在新型城镇化背景下，以低碳节能、生态宜居城市建设为目标，针对城市气候优化的城市与住区设计研究成为学界热点。如何营造良好的室外热环境不仅是绿色住区设计需要着重考虑的问题，而且也为低碳生态城市设计理论的研究提供必要切入点。我国幅员辽阔、气候条件多样，故具指导意义的研究成果必然紧密结合各地气候条件与地域特征。本研究以厦门市为例，深入探讨闽东南沿海城市高层住区布局对室外热环境的作用规律，助力绿色住区与低碳生态城市建设。
1研究思路
我国学者陆续针对不同气候条件下的建筑布局与微气候作用机理展开探讨，推进相关事业发展。而，鉴于设计实践工作特点，气候优化常非设计实践首要任务，这在很大程度上影响了研究成果转化。各地不同类型建筑群形态与微气候环境控制问题仍待深入探讨。面对闽东南沿海地区气候条件与其他夏热冬暖地区的显著差异（即，夏季高温、高湿、高辐射、时空分布不均等），本研究以形态设计实际工作需求为导向，基于对住区设计步骤的分解，引入参数化思维，采用定量和定性相补充的方法，在高层住区设计与室外热环境控制之间建立桥梁。
2研究内容
2.1框架条件获取
课题组通过对住区用地规模、住宅建筑物尺寸统计，界定典型地块尺寸（即，384m*258m的横向地块、258m*384m的纵向地块）与典型建筑物平面尺寸（即，60m*15m的板式建筑、30m*22m的点式建筑）;基于厦门市土地利用强度相关规定设定住宅建筑层数（18层）。鉴于容积率对土地开发经济利益的决定性影响，基于设计实践实际条件，将容积率定为上限2.3，并在此条件下获得相应板式建筑和点式建筑的建筑物数量。
据此开展布局方案设计，在排除难以不实际的、部分对称的布局之后，获得272种布局，通过基于PHOENICS软件的数值模拟，获得上述布局近地面1.5m高处的热环境分布情况。
2.2评价体系构建
通过对既有评价方法及评价指标的梳理，基于对问题阐述全面性、表达方式直观性的考虑，本研究构建了含空气温度（TAIR）、体感温度（TAPR）、湿球黑球温度（WBGT）、预测平均投票数（PMV）、风速（Velocity）等指标的“多指标均值综合得分评价体系”，以综合评价各布局的室外热环境优劣。在表达方面，整体上通过汇总分值获得综合评分，以便开展整体性量化分析;细节上，通过雷达图示法直观反映布局在各分项上的优劣。
2.3建模与数值模拟
首先，进行时段选取论证、软件校准与参数调试。针对厦门市思明区海韵园二期高层住区开展的室外热环境实测成果证实，该地区夏季最不利热环境状况出现在下午14点前后。故，数值模拟时段被设定为下午14点。
根据相关研究经验与本研究具体需要，选择PHOENICS软件中的能量方程TEMPERATURE、湍流方程KEMODL、辐射方程IMMERSOL开展数值模拟。环境参数方面，温度、湿度、太阳辐射、风等基本气象框架条件的设定以厦门市气象资料为准（见表1）。为增强仿真效果，本研究在模型中加入恒温土壤层（土壤层温度设为30℃）。
3成果分析
3.1规律探讨
3.1.1建设用地方位
在集中式布局中，随着建设用地自西向东移动，室外热环境逐渐变差，但变化趋势不明显（见表2）。原因在于，当建筑群居于地块西侧时，被风带走的辐射热量位于建筑群背风面，并未被统计在计算范围内。
对板式建筑群而言，随着建设用地自北向南变化，室外热环境变好。原因在于，板式建筑群风阻大，来风的热量驱散能力弱;热环境主要影响因素为太阳辐射。当建设用地置于绿地北部时，南面绿地受到太阳辐射加温作用聚集大规模热量;当建设用地置于绿地南部时，北面绿地在建筑物阴影中，同时建筑群热量较少被风带出。
对点式建筑群而言，随着建筑群由北往南移动，整体室外热环境先变坏后变好，总体以布局于北部为佳。原因在于，点式建筑面宽较窄，风能从南面吹入建筑群，虽能带走南侧部分热量，但无法在建筑物背风面形成优良风场，导致北面热量淤积。故，将点式建筑群置于北部时，建筑群辐射热量易被风带出地块（见图1）。
3.1.2组团规模
当建筑物过于集中（即建筑组团数量为1）或过于分散（即建筑组团数量大于6）时，室外热环境均不佳;而当建筑组团数量适中（3-4个）时，室外热环境较好（见图2）。即，由中等规模建筑组团（3-4栋板式建筑物或4-6栋点式建筑物）组成住区的室外热环境表现最好。原因在于，建筑物过于集中易形成大规模辐射热源，同时热量不易被风带走;建筑物过于分散布置则易阻碍来风，扰乱风环境，导致排热不利。
3.1.3建筑排布
组团内建筑排布对室外热环境的影响与建筑物平面形态相关。即，对板式建筑群而言，东西向条状排布的热环境较好;对点式建筑群而言，块状排布的热环境较好（见表3）。
板式建筑群东西向条状排布时的室外热环境最优，原因如下。其一，东西向条状排布时，建筑物南北立面距离被拉大，南北墙面的长波辐射吸收较少，建筑间热辐射热量易于扩散;其二，建筑群排布整齐，易形成具光滑边界的风廊，促使更多热量被风带走。
点式建筑群块状排布时的室外热环境最优，原因如下。其一，南北向存在辐射影响的墙面较少，导致长波辐射吸收热量较少;其二，绿地破碎化程度较低，通风条件较好，地块中热量残留更少。
3.1.4绿地布局
绿地布局对室外热环境影响规律如下。
第一，以整体室外热环境优化为目标，集中布局优于分散布局（见图3）。其一，绿地集中布局常加大组团间距，辐射热易于散去;其二，分散布局常导致建筑物分散，难以形成良好风场、导致气流紊乱，使辐射热难于散去。
第二，以住区自身室外热环境优化为目标，穿越式集中绿地方向不宜顺应来风方向。结果显示，集中绿地不顺应来风方向布局的热环境得分明显高于集中绿地顺应来风方向的布局。原有在于，集中绿地顺应来风方向时，气流沿开放空间顺畅流经场地，未能深入组团带走热量;集中绿地不顺应来风方向时，气流被迫流经建筑群，易于带走辐射热（见表4）。
3.2实证研究
本研究尝试基于研究成果对前文实测高层住区展开实证研究，以检验成果的合理性与有效性。出于经济利益、可行性等考虑，以容积率保持不变、住宅建筑位置不变为前提，布局调整主要包括适当移动裙房、缩小裙房占地面积、减小道路面积与整合绿地等。布局优化前后的模拟结果显示，基于所获规律的布局调整在很大程度上改善了整体室外热环境（见表5）。
4结语
本研究既验证了住区布局對室外热环境的显著影响，又论证了通过布局优化改善室外热环境思路的可行性。
鉴于室外热环境与风环境的非稳态特性，室外环境质量评价方法必然与室内研究存在差别。囊括多个环境性能指标的“多指标均值综合得分评价体系”可为室外热环境分析提供可能。该体系既能提供便捷反映对象环境质量的整体评分水平，又能直观反映各性能之优劣。
建筑学的核心任务在于创造形态。为了获取布局形态与环境性能的关联性，本研究通过理想实验初步获取了建设用地方位、组团规模、建筑排布、绿地布局等形态要素与室外热环境间的作用规律。关于形态与环境性能之间更深入、更细致的作用机理及其原因分析则有待进一步深入探讨。
关键词：室外热环境;布局;作用机理;高层住区;厦门
中图分类号：F293.31 文献标识码：B
文章编号：1001-9138-（2019）06-0034-38 收稿日期：2019-05-08
快速城市化进程致使我国当前多地城市气候问题突显。在新型城镇化背景下，以低碳节能、生态宜居城市建设为目标，针对城市气候优化的城市与住区设计研究成为学界热点。如何营造良好的室外热环境不仅是绿色住区设计需要着重考虑的问题，而且也为低碳生态城市设计理论的研究提供必要切入点。我国幅员辽阔、气候条件多样，故具指导意义的研究成果必然紧密结合各地气候条件与地域特征。本研究以厦门市为例，深入探讨闽东南沿海城市高层住区布局对室外热环境的作用规律，助力绿色住区与低碳生态城市建设。
1研究思路
我国学者陆续针对不同气候条件下的建筑布局与微气候作用机理展开探讨，推进相关事业发展。而，鉴于设计实践工作特点，气候优化常非设计实践首要任务，这在很大程度上影响了研究成果转化。各地不同类型建筑群形态与微气候环境控制问题仍待深入探讨。面对闽东南沿海地区气候条件与其他夏热冬暖地区的显著差异（即，夏季高温、高湿、高辐射、时空分布不均等），本研究以形态设计实际工作需求为导向，基于对住区设计步骤的分解，引入参数化思维，采用定量和定性相补充的方法，在高层住区设计与室外热环境控制之间建立桥梁。
2研究内容
2.1框架条件获取
课题组通过对住区用地规模、住宅建筑物尺寸统计，界定典型地块尺寸（即，384m*258m的横向地块、258m*384m的纵向地块）与典型建筑物平面尺寸（即，60m*15m的板式建筑、30m*22m的点式建筑）;基于厦门市土地利用强度相关规定设定住宅建筑层数（18层）。鉴于容积率对土地开发经济利益的决定性影响，基于设计实践实际条件，将容积率定为上限2.3，并在此条件下获得相应板式建筑和点式建筑的建筑物数量。
据此开展布局方案设计，在排除难以不实际的、部分对称的布局之后，获得272种布局，通过基于PHOENICS软件的数值模拟，获得上述布局近地面1.5m高处的热环境分布情况。
2.2评价体系构建
通过对既有评价方法及评价指标的梳理，基于对问题阐述全面性、表达方式直观性的考虑，本研究构建了含空气温度（TAIR）、体感温度（TAPR）、湿球黑球温度（WBGT）、预测平均投票数（PMV）、风速（Velocity）等指标的“多指标均值综合得分评价体系”，以综合评价各布局的室外热环境优劣。在表达方面，整体上通过汇总分值获得综合评分，以便开展整体性量化分析;细节上，通过雷达图示法直观反映布局在各分项上的优劣。
2.3建模与数值模拟
首先，进行时段选取论证、软件校准与参数调试。针对厦门市思明区海韵园二期高层住区开展的室外热环境实测成果证实，该地区夏季最不利热环境状况出现在下午14点前后。故，数值模拟时段被设定为下午14点。
根据相关研究经验与本研究具体需要，选择PHOENICS软件中的能量方程TEMPERATURE、湍流方程KEMODL、辐射方程IMMERSOL开展数值模拟。环境参数方面，温度、湿度、太阳辐射、风等基本气象框架条件的设定以厦门市气象资料为准（见表1）。为增强仿真效果，本研究在模型中加入恒温土壤层（土壤层温度设为30℃）。
3成果分析
3.1规律探讨
3.1.1建设用地方位
在集中式布局中，随着建设用地自西向东移动，室外热环境逐渐变差，但变化趋势不明显（见表2）。原因在于，当建筑群居于地块西侧时，被风带走的辐射热量位于建筑群背风面，并未被统计在计算范围内。
对板式建筑群而言，随着建设用地自北向南变化，室外热环境变好。原因在于，板式建筑群风阻大，来风的热量驱散能力弱;热环境主要影响因素为太阳辐射。当建设用地置于绿地北部时，南面绿地受到太阳辐射加温作用聚集大规模热量;当建设用地置于绿地南部时，北面绿地在建筑物阴影中，同时建筑群热量较少被风带出。
对点式建筑群而言，随着建筑群由北往南移动，整体室外热环境先变坏后变好，总体以布局于北部为佳。原因在于，点式建筑面宽较窄，风能从南面吹入建筑群，虽能带走南侧部分热量，但无法在建筑物背风面形成优良风场，导致北面热量淤积。故，将点式建筑群置于北部时，建筑群辐射热量易被风带出地块（见图1）。
3.1.2组团规模
当建筑物过于集中（即建筑组团数量为1）或过于分散（即建筑组团数量大于6）时，室外热环境均不佳;而当建筑组团数量适中（3-4个）时，室外热环境较好（见图2）。即，由中等规模建筑组团（3-4栋板式建筑物或4-6栋点式建筑物）组成住区的室外热环境表现最好。原因在于，建筑物过于集中易形成大规模辐射热源，同时热量不易被风带走;建筑物过于分散布置则易阻碍来风，扰乱风环境，导致排热不利。
3.1.3建筑排布
组团内建筑排布对室外热环境的影响与建筑物平面形态相关。即，对板式建筑群而言，东西向条状排布的热环境较好;对点式建筑群而言，块状排布的热环境较好（见表3）。
板式建筑群东西向条状排布时的室外热环境最优，原因如下。其一，东西向条状排布时，建筑物南北立面距离被拉大，南北墙面的长波辐射吸收较少，建筑间热辐射热量易于扩散;其二，建筑群排布整齐，易形成具光滑边界的风廊，促使更多热量被风带走。
点式建筑群块状排布时的室外热环境最优，原因如下。其一，南北向存在辐射影响的墙面较少，导致长波辐射吸收热量较少;其二，绿地破碎化程度较低，通风条件较好，地块中热量残留更少。
3.1.4绿地布局
绿地布局对室外热环境影响规律如下。
第一，以整体室外热环境优化为目标，集中布局优于分散布局（见图3）。其一，绿地集中布局常加大组团间距，辐射热易于散去;其二，分散布局常导致建筑物分散，难以形成良好风场、导致气流紊乱，使辐射热难于散去。
第二，以住区自身室外热环境优化为目标，穿越式集中绿地方向不宜顺应来风方向。结果显示，集中绿地不顺应来风方向布局的热环境得分明显高于集中绿地顺应来风方向的布局。原有在于，集中绿地顺应来风方向时，气流沿开放空间顺畅流经场地，未能深入组团带走热量;集中绿地不顺应来风方向时，气流被迫流经建筑群，易于带走辐射热（见表4）。
3.2实证研究
本研究尝试基于研究成果对前文实测高层住区展开实证研究，以检验成果的合理性与有效性。出于经济利益、可行性等考虑，以容积率保持不变、住宅建筑位置不变为前提，布局调整主要包括适当移动裙房、缩小裙房占地面积、减小道路面积与整合绿地等。布局优化前后的模拟结果显示，基于所获规律的布局调整在很大程度上改善了整体室外热环境（见表5）。
4结语
本研究既验证了住区布局對室外热环境的显著影响，又论证了通过布局优化改善室外热环境思路的可行性。
鉴于室外热环境与风环境的非稳态特性，室外环境质量评价方法必然与室内研究存在差别。囊括多个环境性能指标的“多指标均值综合得分评价体系”可为室外热环境分析提供可能。该体系既能提供便捷反映对象环境质量的整体评分水平，又能直观反映各性能之优劣。
建筑学的核心任务在于创造形态。为了获取布局形态与环境性能的关联性，本研究通过理想实验初步获取了建设用地方位、组团规模、建筑排布、绿地布局等形态要素与室外热环境间的作用规律。关于形态与环境性能之间更深入、更细致的作用机理及其原因分析则有待进一步深入探讨。