基于ArcGIS平台的热舒适性与行为耦合研究——以上海中心城区三个街区式商业综合体为例

■ 王 一WANG Yi 李丽莎 LI Lisha

1 背景

公共空间的热舒适性是影响公共空间品质的重要因素。在当前的城市环境中，公共空间的热环境呈现恶化趋势，究其原因主要与温室效应和全球变暖问题密切相关。宏观上来看，城市的快速发展加剧了城市气候的变化。从微观尺度来看，高密度城市环境中物质形态要素相对集中，热环境恶化会降低人们对城市公共空间热舒适性的评价，导致对城市公共空间品质总体评价的下降。在对公共空间进行设计改善时，将热舒适性作为重要改善因素，能够有效提高室外环境的使用效能。

有研究表明，人们对于公共空间的使用情况与热舒适性有关联，对人在空间中的停留会有影响，停留的时间和区域也会因此产生变化。公共空间的空间形态也对人们在空间中穿行、停留、交往、聚集产生影响，界面形态对人群行为产生影响,例如建筑首层的架空空间、街道转角处等空间能导致更多的人群集聚现象。从文献研究及实地观察中发现，人们的行为与城市公共空间的热舒适性在空间上存在耦合或者背离的情况。

而适宜的空间环境设计促使行为与热舒适在空间上耦合，引导使用者对空间品质产生积极的评价。所以，行为与热舒适性的耦合问题对研究提升公共空间品质是有价值的。

2 对象

随着时代的发展，公共空间的外延产生了变化，当代城市公共空间实质性的内容出现了转变。街区式商业综合体的外部空间虽然从产权、管理权上来说是私人的，但随着当代公共空间领域的扩展，此类“私人拥有的公共空间”已成了城市公共空间体系的一部分。随着城市的大规模建设，街区式商业综合体在中心城区存量巨大。所以，其作为研究对象对城市公共空间的研究具有普遍性意义。

处于中心城区高密度城市环境中的街区式商业综合体又具有其特殊性。其人工要素高度集聚为特征的空间形态,对于城市微环境影响巨大，并对空间热舒适性产生显著的影响。研究中心城区的街区式商业综合体，能够对其空间形态特征以及物质影响要素进行行之有效的分析，对城市高密度区域的城市外部空间热舒适性研究具有十分重要的意义。

街区式商业综合体的空间组合是多方面因素共同作用的结果，不同因素的交织使其演化出不同类型的街区形态。从已建成的商业综合体来看，该类型商业综合体开发强度大体相同，容积率接近，功能以商业、办公为主，娱乐、教育、居住等功能为辅。此类业态综合、功能复合的群体建筑的外部空间结构特征可以归纳为以下三种类型（图1）。

2.1 线性串联

空间结构以街道系统为主，局部放大空间成为广场。街道系统分主次关系，主街为串联功能区块、建筑单元的关键要素；次街起辅助作用，提供小尺度的外部空间，主次街道交织形成路径的差异性。街区内建筑单元形态差异较大，功能各异。

2.2 网格排布

外部空间由网格状道路体系进行组织，格局统一，街道等级分别不明显，街道交叉处易产生节点空间，其中一部分被放大成为核心广场空间，强化空间识别性，形成节点之间的差异。同时，街区层次丰富，大型建筑体量一般布置于街区外围部分，零售店铺在街区内占主导地位，建筑形态均质。

2.3 塔式组合

不同功能的建筑单体通过分区、分组的方式进行组织，各区域拥有相对独立的功能分区，但又通过街道、广场相互连通、共同使用。建筑形态差别大，办公、居住功能的建筑多以高层、超高层形式出现，商业、休闲部分为多层单体建筑组群。

位于五角场商业中心的五角场万达商业广场、大宁商业中心的大宁国际广场、四川北路商业中心的中信广场分别为上述三种不同的布局类型的典型代表。

3 方法与工具

街区式商业综合体外部空间在文中定义为：以城市道路围合，能够创造出类似城市街道、广场，且集合多种功能的商业综合体建筑的外部空间（图2）。实地调研的过程中发现，商业综合体街区外围空间中的活动多为通行、等车和停车等非驻留行为，而街区内外部空间的活动则更为多元，故本调研范围不包括外围空间。

3.1 研究数据准备

在众多的城市微气候环境研究中，模型模拟研究成为主要方法。基于真实城市气象数据的前提，结合气象模型和公式，可以较准确地实现对室外微气候环境的模拟，得到人体热舒适评价所需的客观气候条件，从而推导出人体热舒适评价指数。

图1 街区式商业综合体分类

3.1.1 热舒适模拟范围

高密度城市环境中，街区内的物质影响要素对其微环境产生重要影响，对临近街区的建成环境进行模拟，有助于提高模型模拟的准确性。但是，模拟时需考虑模型计算的时间成本，因此，有必要对模型模拟的范围进行界定。过去的研究中，气象学家Oke从城市气候层级和城市形态的角度解释了城市气候的影响范围[1]。高密度建成环境由相似的物理环境特征构成，属于分类中的“邻里街区单元”，研究时应包含环绕其周围的街区。与“邻里街区单元”所对应的城市气候区为“邻里气候区”，其气候影响范围将街区层面的环境影响考虑在内，所以本文中，模型模拟的范围选为500m× 500m（图3）。

3.1.2 热舒适评价指标及工具

热舒适评价指标一直是热舒适性研究工作中的重点。在过去的多年研究中，共有超过100个热舒适指标被发展，并用于描述人体与周围环境的热交换过程。其中的一部分被用于评估室外稳态热环境的热舒适性，例如:平均热反应（PMV）, 生理等效温度（PET）； 而另一部分则是针对室外非稳态热环境建立的评估指标，例如：全球热气候指标（UTCI）[2]。本研究选用生理等效温度（PET）作为评价指标。这是在慕尼黑人体热量平衡模型基础之上推导出的热指标,定义为给定环境下的生理平衡温度,其值等于典型室内环境下达到室外同等热状态所对应的气温。由于其综合考量了各种热舒适度影响因子，成为研究室外热舒适性常用指标，并被德国工程师导则（VDI 3787）推荐使用[3]。

图2 街区式商业综合体调研范围界定

ENVI_MET作为城市热环境模拟研究工具，经过不断优化，被研究者使用的频率非常高。该模拟软件是在流体力学及热力学模型的辅助下，对热环境各项指标进行模拟预测，例如风速、温度、湿度等，并计算出热舒适评价指标的数值（图4）。 其附带模块Biomet，通过内置的热平衡方程输出预测平均热反应（PMV）、生理等效温度（PET）、全球热气候指标（UTCI）[4]，本文采用PET作为评价指标。

3.1.3 样本日期选择标准

图3 ENVI_MET模型模拟范围及模型界面图

图4 热环境模拟风速、温度、平均辐射温度

研究选取真实气象数据作为样本，均为适宜进行室外活动的过渡性季节的晴朗天气，最高气温高于15℃。折线图中数据为实测当日最高气温、最低气温记录，从上海地区2016年11月～2017年1月的历史气象数据折线图，可以看出温度呈现线性下降趋势，至1月末，上海地区气温在0℃上下徘徊，逐渐不再适合进行户外活动（图5）。折线图中，以红色线框标记的日期为本文选择的模拟日期。

3.1.4 环境行为研究方法

公共空间中的活动方式多种多样，不同类型行为持续的时间也不同。通行并不会停留，所以此类人群对环境并不敏感。消费、驻留、娱乐相关的活动使人停留，这些停留行为与活动方式的延伸与外部空间环境关系更为密切，受到外部空间微气候的影响更大，它们对公共空间的品质、热舒适性也更为敏感。重点区分行为以及与停留行为有关系的空间要素和特征，有助于理解街区式商业综合体外部空间的行为集聚现象。

研究采用行为注记法[5]对街区式商业综合体的建成环境与空间行为进行客观观察。通过记录人们的空间定位和活动类别来形成基础数据，直观的呈现行为在空间中的分布情况（图6）。同时，外部空间环境要素对人的行为产生支持和阻碍作用，所以，结合环境行为观察，有助于了解建成环境特征与行为活动之间的关联。

3.2 耦合评价

3.2.1 耦合评价指标

热舒适性和行为聚集之间的耦合关系可以由行为集聚与热舒适区域在空间上的分布来呈现。但是，不同学科的数据之间，由于数据格式、呈现方式、操作平台的差异，无法进行对比。利用空间叠图的方式，将测试范围均匀地划分为若干个相同的空间单元，并将数据落实到空间上，有助于提高研究的可操作性、精确性与有效性。

集聚行为与人和人之间的空间距离相关，霍尔提出的社交距离认为，人与人之间的空间距离不会超过3.6m，超出以后人与人之间的个人空间就不再重合。若空间单元内人数大于等于2人，即认为该单元发生社交活动，产生行为集聚。而热舒适性模拟的过程中，4m×4m的模拟单元对于模拟速度与精度来说都较为适合。故研究将一个4m×4m的平面空间定义为一个空间单元，对其同时赋予热舒适性与行为的数据。有研究表明，在上海地区，适宜冬季户外活动的中性生理等效温度PET的范围为15～29℃[6]，所以，当PET值如果介于此范围内时，则该单元被认为处于热舒适单元。本文定义了两项指标，满足行为集聚定义的单元集合被称为“行为集聚斑块”，符合热舒适范围的空间单元集合被称为“热舒适区域”（图7）。

3.2.2 耦合评价工具与方法

图5 案例模拟日期及当日气温折线图（采用上海市国家基本气象发布的数据，宝山站，站号58362）

图6 大宁国际环境行为调研原始数据图

耦合过程中，ArcGIS作为耦合工具解决了不同工作平台间的数据交互，以及大量数据统计、筛选问题。通过叠图研究，不仅确保结果的精确性，并且能对数据进行进一步的筛选及统计分析（图8）。ArcGIS能够将两种不同类型的数据，通过相同的坐标点位置以及空间对位，在界面中实现空间叠合。同时，其统计计算功能可以对被赋予行为、热舒适数据的空间单元进行关联性分析，例如OLS（Ordinary Least Squares）工具包等。

具体来说，矢量数据结构将带有空间信息的行为调研数据（CAD）、热舒适模拟数据（Execl）转化为相同研究范围、研究精度，可供对比、叠加的数据集。数据集中包含了无数个由栅格数据结构（Raster）来表示的空间单元，所有的数据以规则的阵列在空间中分布，分别代表了室外空间热舒适区域与人的行为空间分布图。并且，矢量数据结构可以针对精确的研究范围对研究对象进行选取，例如，本研究仅针对街区内的外部空间。图形与数据的转化能力，不仅实现了数据在空间上的可视化、平面图形转化为数据的可能性，也实现了耦合结果的可读性、可视化及可操作性。

图7 热舒适区域、行为聚集斑块示意图

图8 耦合研究方法解析图

通过统计功能，可以快速了解每一时段的人流和空间中的热舒适变化情况。通过精确的筛选功能，最终得到行为集聚斑块和热舒适区域并进行叠加分析。耦合过程中，为了解街区式商业综合体外部空间的集聚行为和热舒适区域在时间、空间上的分布情况，需分别绘制调研时段每时刻的“行为聚集斑块”图，以及导出模拟时段每时刻的“热舒适区域”图。“耦合区域”由每一时刻“热舒适区域”与“行为聚集斑块”空间重叠的部分表示。

每一时刻行为与热舒适区域的耦合程度是变化的，所以，通过统计每一时刻“耦合区域”在“行为积聚斑块”内的比例，可以了解耦合度的变化规律。在调研观察中，针对行为与热舒适背离的现象，根据数据统计情况，挑选出人群活动较频繁的时刻，筛选出这些时段内“行为集聚斑块”内未与“热舒适区域”叠合的部分，研究建成环境的特征对行为集聚所产生的影响，以理解环境因素对街区式商业综合体外部空间中的行为集聚情况产生的影响。

3.2.3 耦合评价实例

从三个街区式商业综合体在ENVI_MET中模拟的生理等效温度结果来看，总体热舒适情况相似，但由于空间形态的差异，街区边缘处的街道、广场情况变化更剧烈，但无法进行具体分析（图9）。

通过ArcGIS 对以上热舒适数据进行筛选，对街区内的外部空间进行进一步分析，发现中心区域出现热舒适区域的次数最多，且中心区域北侧的热舒适区域出现频率最高，广场类型的热舒适区域常出现于街道转角处（图10）。

图9 生理等效温度模拟结果图

图10 利用ArcGIS提取的街区内外部空间生理等效温度变化情况图

在原始的行为调研图中，人群的聚集特征根据实际情况标示在建筑平面上，但为了在行为分析中可以发现行为积聚特征，研究利用了ArcGIS的统计功能，将落在每一个空间单元中的数量进行统计，并通过可视化的方法，通过圆形的面积大小在建筑平面中直观地体现出来，同时，通过后台Attribute table的统计，可以准确获取每一个单元的数值并对比（图11）。分析结果显示，人群集聚的峰值通常出现在14:00～15:00的时段，人群停留的地点多为转角处空间、建筑与外部空间的界面处（图12）。

图11 利用ArcGIS提取的街区内外部空间行为集聚随时间变化情况图

图12 利用ArcGIS转化的街区内外部空间停留人群空间、时间分布变化情况图

同时，从现场调研结果可以发现，个性化的建筑界面对人群集聚产生影响，多层立面、大尺度招牌、不同材质的铺地以及媒体立面对人群产生视觉上的吸引。餐饮业态从空间布局上存在量的优势，此类业态主要包括中餐厅、咖啡厅、冰淇淋店、连锁快餐以及零食商铺等，并且在与室外座椅相互作用下可以产生更多的停留活动。室外座椅作为街道家具为人们提供停留的介质，配合大树冠的树木、花池、垃圾桶等构筑物，形成可供停留的区域。

最后，通过对上述数据进一步整理及空间叠图以后，从三个案例的耦合结果对比发现，热舒适区域在空间分布情况的变化越小时，行为积聚与热舒适性的耦合度就会越高。也就是说，该街区外部空间中产生行为与微气候的热舒适性背离的可能性就越小。以大宁国际商业广场为例，可以发现其耦合度是三个案例中最高的（图13）。

以五角场万达商业广场为例，对其空间热舒适与行为耦合的结果进行分析可以发现，耦合度最高值发生在13:00，达到0.87，随后热舒适区域面积急剧减少（图14）。红色斑点为耦合区域，主要发生在南北向街道与L形转角处。从热舒适区域的空间分布图来看，首先，不同时刻的分布情况变化很大，但是人的行为斑块变化并不剧烈，所以导致空间耦合度情况变化较明显，也就是说，虽然热舒适情况有变化，但是因为环境因素的影响，例如业态，街道交叉口、转角处、广场北面的餐饮类业态使人们仍然愿意停留。其次，对比空间单元中的停留人数，其中座椅数量以及立面个性化程度对行为集聚影响更大（图15）。

图13 街区内外部空间行为与热舒适的空间叠图

4 基于热舒适与行为耦合的公共空间改善策略

不同的总体形态分别作用于热环境和行为，从而对两者的耦合度产生影响。在既定建成环境中，业态布局、景观配置、建筑界面等因素作用于行为，从而产生耦合度的变化。从热舒适性的角度来说，本文提出以下公共空间设计、改善策略。

图14 街区内的外部空间的行为与热舒适的耦合度情况

图15 建成环境特征

（1）环境设计引导使用者向舒适区域集聚。室外热舒适常见区域为街道交叉口、广场的西北角和街区中心区域。在这些地方设置街道家具并配合景观绿化、雕塑小品、垃圾桶、灯柱、标识牌等空间构筑物，能够有效引导人们在热舒适好的区域活动。

（2）利用室外空间的业态结合舒适区域布置。街区式商业综合体外部空间中最受消费者欢迎的业态是与餐饮相关的零售、连锁店。所以，通过将此类型业态设置在热舒适区域，势必可以提高行为与热舒适的耦合度。

（3）提升热舒适区域空间界面的吸引力。建筑立面的个性化程度能够决定商铺对消费者的吸引力，通过在热舒适好的区域对店铺立面进行改造，能大大提高人们前往的可能性及行为与热舒适的耦合度。

（4）优化局部热舒适性。在进行局部改造的时候，也可以通过设置一些街区中的小品建筑，帮助提供空间的围合度，不仅丰富了建筑界面，还同时降低了风速等气象因素的影响。

5 结语

本文的基础是建立在研究对象已经建成的前提之下，讨论如何改善人们使用公共空间的方式。通过探讨建筑界面、街道家具、景观配置等空间形态要素及业态布局，来引导人们的行为活动在热舒适好的区域发生，从而提高行为与热舒适的耦合度。然而，对于新建的街区式商业综合体来说，如果热舒适与行为的耦合在设计开始阶段就被考虑在内，那么通过对街道的密度、街道朝向、空间围合度等总体布局影响因素的控制，就更能够有助于耦合度的提升。并且，即使受到用地条件、日照间距、消防要求、退界要求等各方面条件的限制，在新建的街区式商业综合体总体布局不能修改的情况下,通过对业态布局的调整和景观配置、建筑界面的设计，同样可以起到改善行为与热舒适耦合的作用，从而提高公共空间热舒适性评价，进而提升使用者对公共空间品质的总体评价，改善公共空间使用效能。

随着研究范围的不断扩展，这种基于ArcGIS平台的评价方法，不仅适用于街区尺度上的研究，在未来也可应用于城市尺度之上。当然，在城市层面研究空间行为，就不能仅仅依靠环境行为调研的方法。那么，在基础数据收集方面则可以考虑使用城市热力图等实时数据信息，甚至可以通过空间句法等行为预测工具来得知人群变化的情况。总的来说，在对公共空间进行设计改善时，将热舒适性作为重要改善因素，能够有效提高室外环境的使用效能。