基于热舒适度模拟的自行车专用路优化策略

苏 毅， 李峥峥

(北京建筑大学 建筑与城市规划学院， 北京 100044)

自行车专用路对缓解大城市病，建设步行和自行车友好城市具有重要意义。北京市首条自行车专用路东起昌平回龙观文华路，西至海淀后厂村路，全长6.5 km。自行车专用路连接回龙观和上地软件园，这两地之间具有大量集中定向的通勤出行需求，但是由于城市被铁路和高速割裂，且出行人数多、时间集中，造成高峰期地铁拥挤，道路交通拥堵，通勤时间被拉长，自行车出行可以有效缓解回龙观至上地的交通拥堵问题。2020年新冠疫情激活了公众对自行车的需求，越来越多的人开始选择自行车出行、锻炼，自行车专用路成为城市内重要的公共空间。除保障自行车路权之外，优化骑行空间的品质，提高骑行的舒适度，也成为骑行者关注的重点问题[1]。

我国在自行车专用路及其舒适度方面研究较少，杨永平等[2]通过分析国内外自行车专用路发展及趋势，以北京市首条自行车专用路为例，确定了自行车专用路的设计要点和设计标准。廖新龙[3]在对广州现状交通情况进行充分梳理的基础上，结合国内外自行车高架建设经验，选定广州自行车高架专用道示范线，提出了侧挂式、底挂式、改造原道路、改建现有高架、新建高架、路侧式6种设计方案，为广州发展自行车出行方式的先行探索。LI等[4]对南京骑行舒适度进行研究，发现骑行者在自行车道上的舒适度受到自行车道的宽度、路肩的宽度、坡度、公共汽车站点布局、土地利用、电动自行车以及自行车的流量等物理环境因素的影响。田凯等[5]通过主观评价法和行为研究法分析自行车专用路，研究发现人们偏好使用具有隔离设施的自行车专用路，这样的自行车专用路使用率有所提高。朱彤等[6]建立城市道路环境自行车出行者满意度模型，针对通勤交通选取23项指标，设计调查问卷并展开调查，得出影响自行车出行者满意度最主要的外界因素是通畅性与环境舒适性，环境舒适性包括道路绿化条件和隔离设施对出行者舒适性的影响、路侧建筑的距离和高度对出行者舒适性的影响。目前关于自行车专用路及舒适度的大部分研究是从道路几何设计、环境条件和交通因素等方面进行评价，少有对改善自行车专用路热环境和骑者人体热舒适度的研究。良好的热环境条件可以吸引公众，提高自行车专用路的使用效率，激活空间活力，因此本文引入热环境和热舒适度的相关理论，完善自行车专用路的相关研究，从热环境角度改善骑行舒适度。

城市微气候是城市中小尺度内的气候环境，是室外活动人们感受最直接的环境因素，构成因素主要是太阳辐射、风、温度、湿度、降水等，受到城市下垫面、植被、建筑空间形态以及人的行为活动影响[7]。评价城市环境舒适的主要评价标准是人体热舒适度。人体热舒适度在美国采暖、制冷与空调工程师学会中定义为：人在心理状态上感到满意的热环境。人体舒适度是人们通过自身的热平衡条件和环境状况综合起来的是否舒适的感觉，是人心理和生理的双重反映[8]。常见的热舒适度评价指标有通用热气候指数(Universal Thermal Climate Index,UTCI)、预计平均热感觉指数(Predicted Mean Vote,PMV)、预计不满意者的百分数(Predicted Percentage of Dissatisfied, PPD)、标准有效温度(Standard Effective Temperature,SET)等，常用软件有ENVI-met、RayMan等。本文针对北京自行车专用路龙泽地铁站路段进行数值模拟，分析城市自行车专用路的影响因素，并提出优化策略，为今后的自行车专用路热舒适度提升提供支撑。

1 研究案例及模拟软件

1.1 气象条件与研究范围

北京是典型的暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，春秋环境温和舒适，冬季寒冷干燥，夏季天气炎热，太阳辐射强(图1)，湿度对人体热舒适度的影响较小，较差的热环境则可能会伴随强风出现在冬季(图2)、伴随高温天气出现在夏季。本次研究区域为自行车专用路龙泽地铁站周边的路段，北沿同成街，南侧是地铁13号线和京包铁路，京藏高速下穿京包铁路，与同城街相交，四周分布有住宅小区和城中村，整体研究面积为0.8 km2，其中自行车专用路长度为1 km，将研究集中在夏季和冬季，分析骑行者的热舒适度以及影响热环境的主要气象因素风速、温度、平均辐射温度(Mean radiant temperature，MRT)，并提出优化改善策略。

1.2 模拟软件及参数设置

本文研究基于城市微气候模拟软件ENVI-met。目前ENVI-met软件被国内外许多研究学者广泛利用于中小尺度空间的研究，如城市街峡[9]、传统历史街区[10]、城市中心区[11]等，其模拟结果具有一定的可靠性。根据研究范围内的实际建成情况，在软件中建立建筑、绿化、道路模型，采用ENVI-met 4.4版本进行模拟。

学者布蕾兹等人将UTCI与多个经验型热舒适度指数和机理型热舒适度指数进行对比，结果证明UTCI评价体制对国家区域、气候分区、季节时间等不同环境的普适性较强，评价结果也更为贴近人体热舒适的真实状况[12]，所以使用UTCI作为热舒适度评价指标。表1为热中性温度与热舒适模型对应范围[13]。

表1 UTCI等级标度

选取夏季和冬季的典型日——夏至日和冬至日，模拟时段为早高峰8：00—9:00，高度为在自行车专用路上骑行者的人脑高度，自行车专用路高架段距地面7 m，骑行者的人脑高度为1.5 m，所以研究高度为8.5 m，夏季和冬季服装热阻分别设定为0.36 clo和2.0 clo。ENVI-met设置具体参数见表2。

表2 ENVI-met参数设置

2 模拟结果分析

2.1 研究区域现状模拟分析

从冬季和夏季的风速模拟结果(表3)可以看出，建筑对风速的影响较大，最大风速出现在大体量建筑两侧，最小风速出现在建筑的背风面和迎风面，小体量建筑比大体量建筑形成的风环境更稳定。自行车专用路的风速受到附近建筑的影响，而空间开敞的地方，风速分布比较均匀。西侧城中村低层建筑距离自行车专用路10 m，风穿过街巷加速吹向自行车专用路，东侧住宅小区内多层建筑距离自行车专用路50 m，建筑周围风速变化大，但是距离自行车专用路较远，对自行车专用路无影响，可见建筑退让距离与自行车专用路微气候有关。

表3 8点研究区域现状模型UTCI、风速、空气温度、MRT模拟结果Tab.3 Simulation results of UTCI, wind speed, air temperature, MRT of the study area at 8 o’clock

从空气温度模拟结果来看，冬季室外气温整体寒冷，在建筑的背风处会形成局部升温，但效果不大。夏季高温区出现在建筑背风面和城市道路处，低温区出现在绿地和住宅小区建筑形成的通风廊道处。建筑背风面是建筑阳面，风速过低，不利于散热，产生区域高温。由于汽车排放大量热，在炎热且风速小的夏季不易扩散，也产生区域高温。植物具有蒸腾吸热、遮阴降温的作用，在绿地的作用下，该段自行车专用路温度低于受到区域高温影响的路段，住宅建筑之间通风良好且在阴影作用下温度降低，但是降温范围有限，对自行车专用路的影响较小，可见建筑间距、绿地会影响自行车道的微气候。

冬季和夏季的热舒适度指数UTCI的最高值，均出现在风速最小处，即建筑迎风面和背风面，夏季的热舒适度还与阴影分布有关，最低值出现在大体量建筑的阴影和高风速叠加的区域。但是由于大体量建筑距离自行车专用路远，对自行车专用路不构成影响，地铁龙泽站站房虽然距离近，但是没有形成阴影，并且对风的阻挡作用明显，恶化了该段的热舒适度。

综合模拟结果分析可以看出，在研究区域内，建筑退让距离、建筑间距、绿地对自行车专用路周围的微气候具有一定的影响作用，并影响骑行者的热舒适度变化。

2.2 影响因素分析

基于模拟结果的比较分析，对影响自行车专用路热环境的空间要素设立对照组，进行模拟试验，探索适合北京自行车专用路的空间布局形态及影响规律。在研究范围内，城中村、多层住宅、高层住宅分别退自行车专用路10 m、20 m、50 m，依据现状设置3个建筑退让距离对照组(图3)。在建筑防火要求的基础上，以小区内住宅间距为参考，分别设置9 m、15 m、30 m 3个建筑间距对照组(图4)，绿地布局对照组以城市中常见的带状公园以及小区公园为基础，分别模拟0 m、8 m、20 m 3种宽度的绿地(图5)，3组绿地均布置在自行车专用路北侧，再以对照组2为基础，分别改变绿地布局在自行车专用路南侧(对照组4)、两侧(对照组5)，在对照组中设置2处固定测点，观察热环境的变化。为了便于计算和研究，将研究区域内常见的多层建筑作为标准建筑模型，标准单体建筑模型20 m×60 m，高24 m，建筑间距为15 m，分别改变单一空间形态参数，模拟并对比分析结果见表4。

表4 对照试验模拟ENVI-met参数设置

2.3 影响因素模拟结果分析

2.3.1 建筑退让距离

从模拟结果可以看出，建筑退让距离会对自行车专用路热环境产生积极或消极的影响。随着建筑退让距离增加，夏季UTCI先减小再增大，风速先减小再增大，MRT逐渐增大，热舒适度、空气温度先减小再增大，见表5和表6。而在冬季，随着退让距离增加，UTCI逐渐减小，风速逐渐增大，空气温度、MRT逐渐降低，热舒适度与退让距离呈负相关，见表7和表8。综合比较之下，退让距离为20 m时，夏季和冬季的热舒适度最优.

表5 夏季不同建筑退让距离UTCI、风速、空气温度、MRT模拟结果Tab.5 Simulation results of UTCI, wind speed, air temperature, MRT of buildings with different concession distance in summer

表6 夏季不同建筑退让距离微气候模拟数据

表7 冬季不同建筑退让距离UTCI、风速、空气温度、MRT模拟结果Tab.7 Simulation results of UTCI, wind speed, air temperature, MRT of buildings with different concession distance in winter

表8 冬季不同建筑退让距离微气候模拟数据

2.3.2 建筑间距

在研究建筑退让距离的基础上，对比研究建筑间距的变化对热舒适度的影响。适当增加建筑间距，有助于改善热舒适度。当建筑间距从9 m增加到30 m，测点1和测点2的热舒适度数值均呈现逐渐下降趋势，夏季的热舒适度提升，冬季的热舒适度则相反，夏季的微气候变化情况见表9和表10，冬季的微气候变化见表11和表12。同一模型中，夏季测点1的温度、MRT高于测点2，冬季则相反，因为测点1在建筑角流风的作用下，风速大于测点2。增大建筑间距，可以缓解风速，应注意在冬季强风天气下，建筑间距过大而造成局部风速过大会对骑行产生影响，综合来看建筑间距15 m时的微气候更为舒适。

表9 夏季不同建筑间距UTCI、风速、空气温度、MRT模拟结果Tab.9 Simulation results of UTCI, wind speed, air temperature, MRT of different buildings space in summer

表10 夏季不同建筑间距微气候模拟结果

表11 冬季不同建筑间距UTCI、风速、空气温度、MRT模拟结果Tab.11 Simulation results of UTCI, wind speed, air temperature, MRT of different buildings space in winter

表12 冬季不同建筑间距微气候模拟结果

2.3.3 绿地布局

通过对比对照组1、2、3中绿地面积对热舒适度的影响，对照组2和4对比绿地在上风向和下风向对热舒适度的影响，对照组2和5对比单侧和双侧绿地布局下热舒适度的变化情况，微气候变化情况见表13和表14。可以看出UTCI绝对值明显降低，可见绿地有优化热舒适度的作用，但是对比对照组2和3，UTCI数值变化不大，说明绿地的改善作用有限。对比夏季2组对照组2和4，对照组2要比4更舒适，因为对照组4中的绿地位于下风向，且未能对自行车专用路形成有效的遮阴，MRT升高，降低了热舒适度。对比2组冬季的数值，对照组4的MRT更高，但是风速大，所以热舒适度更差。对比对照组2和5夏季的数值，对照组2更舒适，虽然对照组5的MRT均优于对照组2，但是对照组5的风速较低，因为双侧绿地削弱了风速，在冬季是有利条件，但在夏季，加强通风对热舒适度的改善更为有效，可见增加过多绿地，易产生反作用。所以绿地布局在上风向、南侧，乔木种植留有通风间隙，形成良好的小气候循环，对热舒适度的改善更为有效。

表13 夏季不同绿地布局微气候模拟结果

表14 冬季不同绿地布局微气候模拟结果

3 优化策略及验证

3.1 优化策略

结合建筑退让距离、建筑间距、绿地布局3种影响因素对热舒适度的影响，针对区域现状提出优化改善建议。根据现状模拟结果，自行车专用路两侧建筑退让距离过大、建筑阴影和风环境，未能对自行车专用路的热舒适度形成有效的改善，自行车专用路周围区域空间开敞，风速均匀，车道受太阳直射，导致夏季自行车专用路暴晒严重，冬季风大且寒冷，恶化了骑行舒适度。针对以上问题，提出优化策略。

1)随着建筑退让距离增大，夏季自行车专用路的热舒适度呈现先降低再增长的趋势，冬季热舒适度与退让距离呈负相关，综合来看，最合适的建筑退让距离为20 m。但是在城市已建成的环境中，建筑退让距离难以改变，可以将研究结果作为设计依据，应用于城市设计方案阶段。

2)合理的建筑间距可以优化热舒适度，夏季建筑间距增大，通风效果好，热舒适度指数降低，但冬季相反，应注意建筑间距过大而加剧建筑角流风，对骑行产生影响，因此建筑间距15 m时的微气候更为舒适。西北侧城中村内的街道空间被部分临时搭建的建筑占据，可将其进行拆除以疏通街道，从而增大建筑间距，改善通风的状况，从而进一步改善热舒适度。

3)绿地通过遮阴和蒸发作用改善热舒适度，乔木对风有阻挡作用，盲目扩大绿地的规模，可能会起到反作用。绿地应当布置在自行车专用路的上风向和南侧，乔木种植要保持一定的距离，从而对风起到引导作用，加强通风，增强对热舒适度的改善作用。在自行车专用路两侧没有布局绿地的条件下，可在专用路上方加设植物廊架，起到夏季遮阳降温、冬季挡风的作用。

3.2 改进方案效果验证

验证提出优化策略后的改进方案的有效性，依据增加乔木、加设廊架、疏通街巷3种改善策略修改模型，选定与现状模拟相同的时段和气象边界条件，选取3个测点观察热舒适度的改善情况。

图6和图7为优化策略实施后的夏、冬季节模拟结果，表15为冬夏两季对比模拟结果，测点1的风速变化不大，改进方案测点2和测点3的风速低于现状模拟，因为测点2处的乔木和测点3上方的廊架对风起到阻挡作用，所以3个固定测点的空气温度变化不大，从MRT来看，改进方案3个测点的数值较现状分别下降了35.8%、11.3%、38.3%，绿地遮阳作用有效改善了自行车专用路的热舒适度，热舒适度数值降低，在舒适的范围内，向更凉爽的趋势变化，热舒适度得到优化提升。对比冬季的模拟结果，测点的风速均有所下降，其中测点2下降18%，空气温度、MRT提升，热舒适度数值虽然变大，但由于室外整体气温低，热舒适度依然在寒冷的范围内。经过改进，自行车专用路的热舒适度有所改善。

表15 改进方案与现状模拟微气候模拟对比

4 结论

通过ENVI-met模拟研究自行车专用路龙泽地铁站路段的热舒适度，设置对照组，改变建筑退让距离、建筑间距、绿地布局3个影响因素，对模拟结果进行分析得到结论如下：

1)建筑退让距离影响自行车专用路的热舒适度，表现在夏季呈现先降低再增长的趋势，冬季热舒适度则呈负相关，综合来看，当建筑退让距离为20 m时，夏季和冬季的热环境最优，可以运用在城市设计中。

2)建筑间距对自行车专用路热环境的改善存在相关性，随着建筑间距增大，热舒适度指数UTCI减小，夏季更凉爽舒适，但是冬季易恶化热环境，所以，当建筑间距为15 m时，热舒适度指数UTCI最优，可兼顾冬夏两季热环境，疏通街巷，适当增大建筑间距，有利于改善城市热环境。

3)绿地主要通过风速和MRT影响热环境的改善效果，将绿地布置在上风向、自行车道专用路的南侧，架设绿廊，适当增大植物的种植间隙，形成阴影和良好的通风，对热环境的改善更为有效。

本文针对北京自行车专用路龙泽地铁站路段冬夏两季的热舒适度进行模拟分析，以一种新的设计视角为后续的自行车专用路的设计提供指导和借鉴，设计应关注到环境的实际“变化”对户外人体舒适度的影响，为公众骑行提供更好的舒适度体验。本文分析仅考虑了相同建筑高度下微气候对自行车专用路的影响，不同的建筑高度组合对微气候也会产生影响，后续工作将会扩大对照试验，研究在不同建筑高度组合下自行车专用路的热舒适度变化情况。