微气候响应的高密度城区立体步行系统设计——上海陆家嘴实证研究

■杨 峰 Yang Feng 钱 锋 Qian Feng

0 引言

高架人行步道是连接市中心毗邻建筑物的有效方式，在增强各建筑间可达性的同时，可激活高层商业空间。在高密度城市地区，精心设计的人行天桥系统可使人们免受车辆污染和噪音干扰，创造出良好的步行环境。因此，高架人行步道系统可能在拥堵的城市中心为社会交往活动创造安全舒适的公共空间。目前，大部分关于高架人行步道的研究基本都是从交通规划、结构安全、城市形态和视觉的角度出发[1-3]，而关注高架人行步道上的热环境和人体舒适问题的研究较少。认为高架人行步道的通风情况比地面人行道更好是合理的[4]，但如果遮阳不当，高架人行步道会接收更多太阳辐射量，从而提高辐射温度。因此，在空间形态复杂的高密度城市中心区中的立体步行环境，其人体热舒适性需要研究确证。

高架人行步道(Elevated Walkway以下简称EW)系统属于城市立体步行系统中的一种，可以定义为“在地面标高以上，连接常闭的室内空调建筑，以及连接建筑物二层内部通道，从而联通公共建筑内部公共空间的走廊网络”[5]。还有其他类似称谓如人行天桥、架空通道等，通常指代相同的对象。在中心城区，EW系统可以为步行者的活动提供便利，提高各独立城市建筑物的可达性，保护行人免受车辆污染和噪音的干扰，并在不利的气候条件下为行人提供遮蔽。这些优点使城市环境对步行者更加友好。在西方城市，关于EW系统是否会破坏城市街道生活存在一些争论[4]。而在人口密度更高的亚洲城市，EW系统可以大大降低地面人流的拥挤程度。在这些超级大都市，以车辆交通为导向的城市规划往往造成人行路网的缺失，如上海陆家嘴CBD，而EW系统可以在一定程度上改善这种情况。

著名的EW系统案例包括美国明尼苏达州的明尼阿波利斯(Minneapolis, Minnesota)和加拿大卡尔加里(Calgary)的立体步道系统，以封闭“管状”空中连廊在当地漫长的严冬时节庇护街道行人[2]。而处于炎热潮湿的亚热带气候的香港中环[6]和广州珠江新区[7]EW系统，会采用栏杆和顶棚出挑的形式确保安全，使行人在享受自然通风的同时，避免夏季强烈的日照和雨水。在某些极端气候(如热带气候)条件下的EW系统可能是全封闭的，并采用全空调系统进行环境控制[8]。本文讨论范围限于亚热带亚洲城市中，采用自然通风的EW系统。

现有室外热舒适的研究基本集中在街道高度，包括风环境安全和舒适性[9,10]、热舒适度及气候响应性城市设计[11,12]等。然而，对高架人行步道热舒适度的研究则非常有限。人体热舒适度受多种环境因素的影响，包括空气温度和湿度、空气流速、辐射温度，以及衣着水平和新陈代谢率[13]。在微观尺度上，城市形态、肌理和表面材料可以通过影响上述参数进而影响热舒适度。例如，一项关于荷兰街道绿化对热舒适度影响的研究表明，街道上10%的树木覆盖率可使平均辐射温度降低1 K[14]。巴西Curitiba的实地研究发现，天空可视因子(SVF)是表征城市形态和街区层峡朝向的参数，它与日间热岛强度和辐射温度之间存在显著的相关性[15]。一项对希腊城市开放空间微气候的研究表明，地表材料对温度和热舒适度有重大影响[16]。与地面人行道相比，EW系统也许能够获得更好的通风，但也可能接收更多太阳热辐射，其热舒适性受周围城市形态、肌理和材料的综合影响。研究各种人工环境因素与热舒适度指标之间的关系，有利于为EW系统的设计提供更舒适的人行环境。本文以上海湿热的亚热带气候为背景，对陆家嘴CBD人行天桥(Lujiazui Elevated Walkway, 以下简称LEW)的微气候及人体热舒适度展开研究。

1 研究对象和方法

本文以陆家嘴人行天桥(LEW)作为实证研究对象(图1)。LEW位于小陆家嘴CBD区，是改善该区域办公人员通勤和游客步行环境的一项重大举措。LEW包括环形天桥、世纪浮庭、世纪天桥和世纪连廊四部分。人行天桥总长1 373m，宽度为9.1～10.1m(不包括靠近地铁入口处的广场)，距街道地面标高8m，为钢筋混凝土和钢结构，连接上海地铁2号线陆家嘴站的所有出口，以及5个主要建筑：正大广场(零售娱乐)、世纪浮庭(零售餐饮)、上海国际金融中心(零售及办公)、金茂大厦(零售及办公)、上海环球金融中心(SWFC)(零售及办公)。

微气候观测时间为2014年7月17日、18日和22日。在天桥上和地面上各选取7个观测点，分别代表不同城市形态、地面铺装、空间围合度、绿色覆盖率和天空遮蔽程度。其中选取4对观测点，以比较各种遮阳装置对热舒适的影响。每对观测点水平距离接近，以减少非相关因素的影响。前缀为“A-”的测点位于人行天桥上，前缀为“B-”的测点位于人行天桥下。这4对观测点包括A2(人行天桥中部的无遮盖区域)与A2'(钢结构玻璃顶棚下方)；A3(靠近地铁入口处的高架广场中心)与A3'(广场周围钢结构玻璃顶棚下方的座椅休息区)；B2(树冠阴影下)与B2'(人行天桥正下方)；B3(地铁入口附近无遮盖区域)与B3'(人行天桥下方行人休息区)(图2(1))。 两条人行路线分别在人行天桥标高和地面标高连接各观测点(图2(2))。

图1 陆家嘴人行天桥

观测时间为8∶00～9∶30、10∶00～11∶30、14∶30～16∶00 、16∶30～18∶00。每天对各观测点进行4次测量。使用便携式微气象观测站记录4次测得的气温、相对湿度、风速和黑球温度。同时,在陆家嘴中心绿地设置固定的气象观测站，在每天8∶00～18∶00，连续记录上述各项参数及太阳辐射和风向（表1）。

平均辐射温度(MRT)由空气温度、相对湿度、风速和黑球温度计算得出[17]。黑球温度由置于40mm直径涂亚光黑的乒乓球中心的温度传感器测量得出[18]。 见式（1）：

生理等效温度(PET)是衡量人体室外热舒适度的生物气象指标[19]。该指标考虑了所有相关环境因素(空气温度、空气流速、湿度和平均辐射温度)，同时假设人体衣着和代谢水平保持不变。可以通过Matzarakis等人给出的方法进行计算[20]。

根据对人行天桥使用者的指导性访谈，通过问卷调查收集受访者对地面、人行天桥和参照环境舒适度的主观评价和感知。

图2 陆家嘴人行天桥（LEW）实地测量图

表1 测量设备参数

在实地测量的同时，进行了指导性访谈和问卷调查。首先，提前15min记录受访者的年龄、性别、居住状况、衣着水平、身体活动水平等基本信息。然后，让受访者主观评估3个气象参数（空气温度ta、相对湿度rh和风速wv），并根据七级热感觉指标（tsv）和四级风感觉指标，分别对热环境和风环境的个人接受度进行主观评价。热舒适度的评价分为五级（0：舒适；-1：略不舒适; -2：不舒适; -3：非常不舒适；-4：难以忍受）。收到共计111份调查问卷，其中45份来自人行天桥上，49份来自地面，17份来自陆家嘴中心绿地（LCG）（参照站）。

2 研究结果

参照点即陆家嘴中心绿地（Central Green Station，CGS）的微气象条件观测结果如下：从表2和图3可以看出，在测量期间，陆家嘴地区的盛行风向为东南风(90～180°)；每小时平均风速为0.7～1.0m/s；即使在早上(8∶30左右)，平均气温也超过了30℃；下午3∶00～3∶30，温度高达34℃。

2.1 人行天桥上及人行天桥下的数据对比分析

2.1.1 ITD和WVR对比分析

城区内部温差（ITD）是观测点与陆家嘴中心绿地参照点（CGS）之间的空气温差。风速比（WVR）是观测点与CGS的风速比。

由于天桥上遮挡较少，太阳辐射量增加，因此，天桥上观测点的ITD高于地面观测点。 然而与直观感受相反，天桥上的WVR基本低于地面WVR（图4）。

2.1.2 MRT和PET对比分析

表2 中心绿地参照点气象数据

图3 陆家嘴中心绿地气象数据

图4 ITD和WVR对比分析图

天桥上观测点的MRT值均高于天桥下的对照观测点，差值约为2～6 K，PET值也与之相符，差值约为1～3 K（图5）。在测量期间，所有测点热舒适水平均为“热”（35～41℃），但是天桥下的热舒适度明显高于天桥上[17]。

2.2 有遮阳与无遮阳的数据对比分析

2.2.1 ITD和WVR对比分析

如图6所示，所有有遮阳观测点的ITD值均低于无遮阳对照观测点，差值在0.2～0.5 K 之间。地面标高的2个有遮阳观测点（B2'和B3'）的温度明显低于中心绿地参照点。玻璃遮阳对ta降低（A2'和A3'）有显著影响，气温下降约0.1～0.3 K；人行天桥的降温效果更高（B2'和B3'），约为0.3～0.5 K；天桥下的观测点（B2'）明显比树冠下观测点（B2）更为凉爽。这是因为与人行天桥的不透明结构相比，树冠由于其形态和叶片密度，只能拦截一部分太阳辐射。WVR测试结果与ITD相似，除了A2 / A2'之外，有遮阳的观测点，WVR均比无遮阳对照观测点更高。如前所述，这可能是由于不同水平标高上的太阳辐射程度不同，因此产生垂直热压和水平向气流。

图5 MRT和PET对比分析图

2.2.2 MRT和PET对比分析

如图7所示，不同遮阳装置的降温功效在MRT的对比中更为明显：钢结构玻璃钢顶棚的MRT降低幅度有限，约为0.5～1.5 K；而不透明遮阳装置（本例中为人行天桥）与树冠遮阳（B2）相比，MRT约下降3 K，与无遮阳观测点（B3）相比，MRT约下降6 K。PET对比结果与MRT结果相符。天桥下的两点（B2'和B3'）热舒适水平为“暖”（PET为29～35°C），而其他所有观测点的热舒适水平均为“热”（PET为35～41°C），包括树冠下的观测点（B2）和半透明顶棚下的两点（A2'和A3'）。

2.3 回归分析

图6 ITD和WVR对比分析图

应用双变量多元线性回归分析来确定与温度和热舒适指数相关的因素，显著性水平为5%。通过SPSS软件（版本20，IBM Corporation，Armonk，NY，USA）对测量数据进行统计分析。包括所有参照的观测点（图2）在内，总样本大小为42。因变量是空气温度（ta）、平均辐射温度（MRT）和生理等效温度（PET）。自变量包括天空可视因子（SVF）和绿容率（GPR）[21]，以及作为控制变量的在CGS测量的环境气温（ta_cg）。

图7 MRT和PET对比分析图

线性拟合统计表明ta与SVF成正相关，R方=0.14，显着性水平为0.05。 ta和ta_cg之间存在显著的相关性（R方= 0.53; 显着性水平：0.01）（图8）。空气温度变化受许多因素的影响[21]，SVF单独一个因素无法完全解释空气温度的变化[22]。尽管天空可视因子SVF作为关键的微尺度参数，具有显著的统计学影响，但其影响力远小于局地尺度的参考温度，即ta_cg。ta随SVF的增加和环境温度的增加而升高。结合SVF和ta_cg的多元回归产生方程（2），该模型能够解释ta中2/3的变化特性：

ta=0.68×ta_cg+1.08×SVF+10.03(R2=0.65, F=35.5) (2)

线性拟合结果表明MRT与ta_cg（R方=0.29; 显着性水平：0.01）、SVF（R方=0.36; 显着性水平：0.01）和GPR（R方=0.28; 显着性水平：0.01）有显著相关性（图9）。 MRT随SVF和环境温度的提高而增加，随绿地密度的提高而降低。由于MRT与入射太阳辐射高度相关，所以SVF的R方值较低，并且由于SVF不考虑太阳方位的影响，所以不足以量化在特定位置处接收到的太阳辐射[22]。绿化（树木、灌木和草）可以通过提供树冠阴影（减少直接太阳辐射）和降低地面反射率（减少反射太阳辐射）来改变MRT[23]。 结合SVF、GPR和ta_cg的多元回归产生方程（3），该模型能够解释MRT中约70%的变化特性：

图8 线性拟合统计图

图9 线性拟合统计图

图10 线性拟合统计图

线性拟合显示PET与ta_cg（R方=0.29; 显着性水平：0.01）、 SVF（R方=0.42; 显着性水平：0.01）和GPR（R方=0.28; 显着性水平：0.01）有显著的相关性（图10）。 较高的SVF和环境温度会提高PET，而较高的绿化密度则会降低PET。

图11 热感觉比较

结合SVF、GPR和ta_cg的多元回归，产生方程（4），能够解释PET中72%的变化特性；方程（5）具有标准系数；方程（6）在笔者开展的另一项研究中由陆家嘴CBD地面标高的实地测量数据得出[24]。通过比较，可以看出方程（5）和（6）在变量组成和系数大小上是相似的。因此，回归结果的有效性得到验证：

2.4 问卷调查

图12 风速感知比较

总体来说，受访者表示人行天桥和中心绿地的热舒适水平均为“暖-热”（图11）。 在人行天桥上，认为热舒适水平为“暖-热”（+1～+3）的受访者为77%，而在天桥下的受访者中，这一比例大约降低了8%。人行天桥上的受访者约2/3认为热舒适水平为“热”（+3），与中心绿地参照点相似。相比之下，在人行天桥下，约61%的受访者认为热舒适水平为“热”。此外，在三个调查地点认为热舒适水平为“中性-微凉”的受访者比例均为20% ～ 25%。所有问卷均是在第四轮测量（16:30～18:00）收集的，气温和太阳辐射均比中午峰值时降低很多。

在三个测试地点均有超过80%的受访者表示可以感知到风（图12）。人行天桥上约为94%（+1～+3，微风到强风）；而天桥下约为84%，比人行天桥上降低10%。

无论是人行天桥上还是地面上，感到舒适的受访者均只占20%左右（图13）。 在地面上，感到舒适的人更多，但也只高出约5%。在中心绿地参照点，约30%的人感到舒适。

3 讨论

从气候上来说，大范围的城市绿化如陆家嘴中心绿地，可以对周边城市区域产生明显的同化作用，本研究表明，同化程度与距离成正比。研究发现，与距离LCG较远的观测点相比，接近LCG的观测点ta差更小，风速比更大（图4）。人行天桥上的观测点的MRT比地面观测点高2～6 K，ITD高0.2～0.8 K，WVR低0.1～0.3K。标高越高处的风速反而越低，这似乎与直观感觉不符。一个可能的原因是，由于有遮阳区域（人行天桥正下方）和无遮阳区域之间存在热压，地面标高上的水平对流增强，即热压导致被阳光照射的热空气上升，由来自周围阴影区域的冷空气补充（图14）。在炎热少风的天气条件下，热压可能是地面标高处引起空气流动的主要原因[25]。 然而，需要收集更多数据支持这一观察结论。

随着高度的增加，由于地面摩擦降低使风速提高，EW将处于更高的风速区。然而，高度必须增加一倍才能产生实际功效。这将大大增加结构成本，降低地面的可达性。总的来说，舒适度指标PET均为“热”（35～41℃）。然而，人行天桥上的PET比地面高1～3 K，表明与地面相比，人行天桥上的热环境更加不舒适。

遮阳可以有效降低MRT和PET，是提高热舒适度的基本措施。实地研究进一步表明，在各种材料中，高热容的不透明遮阳材料（在本研究中为混凝土人行天桥）降低辐射温度的效果最佳，约为3～6 K；其次是多孔绿色植物（行道树树冠），约1～3 K；半透明结构（钢框架支撑的有色玻璃），约0.5～1.5 K。由于混凝土热容高，除了拦截100%的直射太阳辐射外，其表面还能保持相对较低的温度。混凝土遮阳并不是新鲜事物，它应用于建筑立面可以追溯到勒柯布西耶（Le Corbusier）著名的“Brise-soleil”：案例包括印度的昌迪加尔市政厅和法国的单元居住区（Unité d′habitation）。 然而在美学上，它粗糙原始的“粗野主义”外观看起来似乎与现代CBD常见的玻璃-钢塔楼并不相容。比较起来，各种轻质不透明的遮阳装置，可能更适用于此设计。值得注意的是，植被密度与平均辐射温度和热舒适指数显著相关。从结构荷载和维护的角度考虑，在人行天桥上种植树木是不经济的。增加绿化的有效策略是利用攀爬植物遮蔽顶棚（图15、16）。

图13 热舒适感知比较

图14 人行天桥与周围建成环境的热压循环图示

在上海夏季气温达到峰值时，即使阴影充足，也不足以满足户外热舒适要求。有研究表明，当室外空气温度在30～32℃时，有阴影的街道风速约为2.2～3.6 m/s，才能达到舒适水平[25]。本次测得的风速比（WVR）和参照风速显示，在实地测量期间，基本未达到该风速范围。为了促进人行天桥上的空气流动，可以在遮阳顶棚上安装机械风扇。例如，在新加坡克拉码头（Clarke Quay）重建中，风道和机械风扇被置于步行区的顶棚结构中，用以在无风天气条件下促进空气流动[26]。结合水雾装置增加潜热，降低显热，白天可以使人行天桥也成为凉爽的走廊。虽然水雾装置的安装和维护费用较高，但是对于像陆家嘴人行天桥系统这样位于核心地段、使用密度很高的城市基础设施，应该是值得投资的。

图15 高架人行步道(EW)各种遮阳示意图

4 结语

本文以上海湿热的亚热带气候为背景，研究了陆家嘴人行天桥（LEW）的城市形态与城市微气候及热舒适度之间的关系。在夏季气温高峰期连续进行三天的微气象测量。在天桥和地面的人行步道上各选取7个观测点，分别代表不同城市形态、地面铺装、空间围合度、绿色覆盖率和遮蔽程度。两条人行路线分别在人行天桥标高和地面标高连接各观测点，使用便携式微气象观测站记录气温、相对湿度、风速和黑球温度。在陆家嘴中心绿地设置了参照站。除实地测量外，还进行了热感觉和风感觉的指导性访谈及问卷调查。 数据分析表明：①人行天桥上观测点的热舒适度低于人行天桥以下。天桥上空气温度较高，而与直观感受相反，天桥上的风速低于地面风速。由于有遮阳区与无遮阳区之间存在热压，地面的水平对流增强。②在测量期间，人行天桥上方和下方的热舒适指数（生理等效温度PET）均为“热”，天桥下的PET比天桥上低1～3K。此外，约80%天桥上的受访者表示不舒适，而天桥下表示不舒适的受访者人数减少5%。③有遮阳的观测点PET为“暖”，而无遮阳观测点为“热”。不透明的混凝土遮阳装置对降低平均太阳辐射温度（Tmrt）最为有效，其次是树冠和玻璃-钢结构顶棚。④在上海夏季，为了使人行天桥达到热舒适水平，被动降温系统如遮阳是必要的，但还不够。主动降温措施可以与遮阳装置相结合，通过系统整合设计来增加空气流动并降低显热。

图16 高架人行步道(EW)遮阳装置实例

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