基于热舒适性模拟评价的城市广场改造研究——以长沙五一广场为例

向艳芬，郑伯红

(中南大学 建筑与艺术学院，湖南 长沙 410075)

城市广场是居民密集开展户外活动的城市公共空间，作为城市公共服务设施的重要组成部分，城市广场不仅为居民提供休憩与交往的场所，还能改善周边环境的微气候，其品质优劣与人们日常生活密切相关。在我国南方湿热地区，改善城市广场热舒适性，引导居民更多地参与户外活动，对建设健康家居的城市生活环境具有重要作用。随着我国城市建设由数量扩张转向存量式提升发展，越来越多的城市广场被纳入更新改造。五一广场作为长沙城市坐标原点，是古城长沙建城2000多年以来的地理几何中心，作为长沙历史人文汇集点而成为广大市民的城市记忆场所。广场周边是传统商业步行区，大型商业设施鳞次栉比，加之近年建成的城市轨道交通地铁1号线和2号线在此换乘，该广场日均人流量约4万人次，节假日高峰期超8万人次。本文选取长沙市五一广场作为研究样本，探讨高密度中心区枢纽型城市广场空间热舒适性的评估指标及参量，可为规划设计师提供决策判断依据。热舒适的概念最早来源于对室内环境的评价，并逐渐发展到室外环境，美国采暖制冷空调工程师学会(ASHRAE 55-1992)定义为人类个体对热环境是否满意的意识状态。随着人们对热舒适深入的研究发现，单从生理上的热平衡来衡量室外环境的热舒适状态不全面，故提出相应的室外热舒适评价指标进行评价。

1 室外热舒适性评价

在2001年至2020年之间，外文期刊上发表的室外热舒适性研究数量约2 900篇，中文论文约320篇，见图1。在热舒适指标方面，不再局限于简单的气象指标评价(如风速、温度等)，而是选择了一些人与自然之间热交换流形成的复杂生物气象指标。在研究室外热舒适性文献中，最常用的指标是生理等效温度，然后是预测平均热贡献和通用热舒适指标；近年热舒适指标有所增加，标准有效温度、湿黑球温度等被广泛运用。

图1 国内外室外热舒适性指标文献研究Fig.1 Domestic and international literature studies on the topic of outdoor thermal comfort indices

2 城市广场热舒性评价指标

根据国内外文献的研究，针对城市广场热舒适性评价进行聚类分析，对常用的热舒适性指标进行统计，见表1。从中选取了常用的、可通过软件模拟得到的6项指标，分别是经验模型中WBGT，THΙ和热平衡模型中PET，SET*，PMV，UTCΙ，其6项指标与热感觉的关系如表2[14]。

表1 城市广场热舒适性评价中常用的热舒适性指标Table 1 Thermal comfort indices commonly used in outdoor thermal comfort of urban squares

表2 热舒适指标与热感觉的关系Table 2 Thermal comfort indicators and thermal sensation

3 研究方法

在方案阶段，通过模拟对比研究各方案的优劣势，从而对方案进行优化并为后续的空间设计、评价体系构建提供策略与进一步的论证。本文的研究分5个阶段，先是对研究对象现状及周边环境进行分析，通过文献分析筛选热舒适度指标及模拟软件，再对城市广场3个方案进行模拟分析，利用GΙS等软件对各方案热舒适度情况可视化处理与分析，构建综合评价体系比选3个方案的优劣并提出优化策略，并进一步模拟验证优化策略的可行性，总结适应城市广场更新改造的相关策略与热舒适评价体系。

3.1 热点分析

微气候研究评价不再局限于简单的气象指标评价(如风速、温度等)，而是选择了一些人与自然之间热交换流形成的复杂生物气象指标。由于热舒适度是通过数值大小反映热感觉等级，无法在二维平面直观反映，故利用软件ArcGΙS进行量化处理。本次评价将研究范围划分为2 m×2 m(共36 000 m2)的9 000个网格，将每个网格作为一个评价单元，参照热舒适度阈值(表2)，将得到的热舒适度指标值用Arc GΙS空间统治工具箱中的热点分析(Getis-Ord Gi*)进行聚类分析，最后根据综合分值评价3个方案的热舒适性。热点分析可用于识别现有的和潜在的空间集聚，其具体计算公式如下：

其中：Xj代表j要素的属性值；Wi,j(d)代表要素i和要素j间的空间权重；n为要素的总个数。

3.2 层次分析法(AHP法)

本次研究拟构建一个多指标的综合评价体系，通过对本专业教授、副教授、博士、硕士研究生等100人的征询打分的方式，构建评价因子的权重值对方案进行全域评价。针对任何划定的空间单元，将各因子标准化评分取值与权重相乘，并且进行累加，即可得到相应的综合评价值，其具体计算公式如下：

其中：K代表每个评价单元的综合得分；i代表第i个评价因子；xi代表第i个因子的取值；ai代表第i个因子的文献权重。

图2 技术框架图Fig.2 Technical framework diagram

3.3 综合评价指标

由于研究选用的6项热舒适性指标评价单位并不相同，而无法同时进行权重计算，因此选用综合评价法对6项指标进行处理。根据评价指标的不同等级赋予不同的分值，以此作为基础构建综合评价指标。依据表2的热感觉划分等级，每个级别以1分递增，将指标按照划分标准进行打分，再基于AHP法的指标权重，进行线性加权求和得到综合得分，即综合评价指标数值。

4 研究对象

4.1 广场概况

五一广场位于长沙市繁华的中心城区，自春秋战国时期就处于城区中心，南北长约230 m，东西宽约170 m，总占地面积约为3.2×105m2。交通条件良好，四边皆为城市道路。西、南边是城市主干道黄兴路与五一大道，宽度有32 m和40 m；东、北两侧是宽12 m的城市支路—南阳街和长治路。公园周围建成环境复杂，最高的华联商住楼高度约100 m，东南角现存一栋18层建筑，西北与东北向是密集型的低层老建筑，其余方向皆为商住类型的高层建筑。

4.2 广场方案分析

由前文分析可知，地铁的修建与地标的建设，原有广场的设计已无法满足人们的需求，因此提出改造方案。本次更新研究与传统方法不同，更侧重环境的微气候营造，改善环境热舒适度，而3个设计方案(长沙市自然资源规划局公示)设计初衷皆基于形态与美学，缺少了对环境的热舒适性的考量与人体户外热舒适感知，因此选择该城市广场作为研究对象。

3个设计方案存在一定共性与差异，共性在于3个方案皆有通行、休憩、集散的功能，广场主次入口方位一致，且西侧作为集中的通行空间；主体建筑皆位于中心呈弧状布局，景观方面由水体、乔灌草、铺砖构成，绿地率较高。

差异性在于，方案1(F1)更加突出广场的休憩功能，绿地率最高(约69%)，呈组团式布局，斑块面积较小且形状不规则，结合弯曲多变的游步道，塑造出通而不畅的园林景观。中心广场由水体、喷泉与深色大理石构成，乔木叶面积指数(LAΙ)为3，郁闭度为0.5。

方案2(F2)的设计侧重通行功能，游步道呈放射状设计，通过道路将广场各方联系起来，通达性较强。内部绿地均质化布局，利用乔木排列方式与弧形建筑形成围合空间，绿地率约65%，乔木叶LAΙ为2.5，郁闭度为0.5。中心广场形状规整，采用浅色大理石材质，无水体要素。

方案3(F3)强调广场的集散功能，扩大广场出入口的空间面积，利用草坪、铺地与水体在广场中心形成较大的集散空间，西侧扩大集散空间，加强广场内外的联系。广场绿地率相对较低(56%)，乔木排列整齐，乔木LAΙ为3，郁闭度为0.6。铺深色大理石，与草坪、水体结合布置，水体无喷泉。

4.3 数值模拟参数设置

由于夏季受西太平洋副热带高压与青藏高压相互作用，出现持续性高温天气，而夏季盛行的东南风在南岭山脉产生的焚风效应，又对炎热高温有加强作用，导致市中心城区内热浪逼人，素与南京、重庆、武汉并称“四大火炉”。根据气象局提供的资料，对长沙市近10 a的逐日气象数据进行统计可知，7月份平均温度最高。由气象组织(WMO)和中国气象局统计结果可知，2016年是全球年平均气温史上最热的一年和夏季最高气温突破历史极值。因此选定极端气象日2016年7月26日为研究日期。

对比了不同的气候数值模拟软件后，本次研究选定ENVΙ-met作为研究模拟软件，气象参数为：2016年7月26日上午4:00，模拟时长20 h，主导风向180°(南风)，10 m高空的风速为3 m/s，初始温度为300.95 K，2 m高空的相对湿度为89%，2 500 m高空的湿度比11.2 g/kg，太阳能输入调整系数1。其中气象数据来源于长沙市火车站气象观测站，通过数值模拟验证，误差(RMSE=1.93℃)在允许范围内。

5 改造方案模拟分析

图4 展示了3个方案的风速和空气温度变化，通过色彩的变化判断广场不同空间下的风速与温度变化。从广场整体变化可知，广场边缘的风速与温度受西边、南边城市道路的影响，内部则受建筑与下垫面设计的影响，针对具体的影响要素选择了5个点进行详细分析。

A点位于基地西侧，判断周边道路对广场的影响。由图4所示，该点的风速与温度受城市道路的影响，数值皆高于广场内部，但因3个方案植被排列方式、下垫面材质不同，数值也不相同。14点平均风速值F1-A(1.57 m/s)＞F2-A(1.49 m/s)＞F3-A(1.52 m/s)，即下垫面为草坪的F1风速值＞以单排乔木与草坪结合的F2＞以双排乔木与草坪的F3。温度值方面，14点受太阳辐射与路面辐射升温，温度值全时段最高，F1-C(33.18℃)＞F2-C(33.1℃)＞F3-C(33.08℃)，即下垫面是混凝土的F1温度值＞大理石硬质铺砖F2＞乔木树下的大理石铺砖F3。

图4 1.5 m高度风速、温度分析图Fig.4 Wind speed and temperature analysis chart at 1.5 m height

B点位于广场中心，比较水体、铺地材质对风速与温度值的影响。风速值比F1＜F2＜F3，即中心处风速值受风廊影响，内部水体、铺地材质的变化对风速值影响较小。F1和F3为深色大理石铺装，F2为浅色大理石铺砖，F1温度值受水体吸热蒸发影响，故F3＞F2＞F1，即浅色铺地温度值略低于深色铺地，但由于测量高度选定为1.5 m，铺砖材质的影响也相对减小。

C点比较不同步道布局形式对广场内部的影响，14点的平均风速值为F1＞F2＞F3，即风速值受步道形式影响且与步道的角度相关。

E点选至受城市道路影响较小的区域，比较不同铺地材质的温度变化，与D点布置相同。在不受外界影响下，大理石铺地温度高于混凝土(0.2℃)。

5.1 改造方案热舒适性评价分析

通过实地调查，该广场在早上6～8点形成第1个人流高峰，中午12～15点人流最少，19～21点出现第2个人流高峰。因此选择分析人流量最少的14点和人流量最多的20点广场情况。利用Arc GΙS对各热舒适指标值进行可视化处理，并依据表2对各指标按等级划分，以此比较各空间集聚的颜色判断热舒适性(图5)。

图5 指标可视化评价图Fig.5 Ιndicator visualization evaluation chart

根据划分的9 000个网格计算各指标的平均值，得到表3的数据，继而算出3个方案的综合评价指标值。通过比较各指标值可知，选用单一指标评价方案、单一的时间点或是单一的空间类型来评价方案的热舒适性都过于片面，因此综合评价指标的提出能较为全面评价广场的室外热舒适性。

5.2 优化方案模拟分析

从表3的评分可知，3个方案中方案1相对更优，但对比单一指标或某一时间内的数值时，方案1略差于其他方案。针对3个方案的微气候模拟情况，结合学者们对设计中单一因素的研究及方案2和3中的优点，从自然环境要素和人工环境要素2个方面对方案1进行优化，并扩大方案1的休憩空间比例，由原来的46%提升至63%。

表3 优化方案模拟结果量化对比一览表Table 3 List of quantitative comparisons of simulation results of optimization schemes

5.2.1 优化要素调控

1)水体要素，水体的形态与面积，扩大水体面积，提高水体蒸发面积能有效降温[16]；水体形态更紧凑，能降低白天的水体及周边温度，提高相对湿度，降低PMV值。水体类型，通过对不同水体类型的气候效应可知，浅水池喷泉对边界的气候调节能力最强，人工湖在垂直高度上调节能力更优[17]，所以将优化方案中的人工湖水深呈梯度变化，在浅水处设置喷泉。水体的日照效应，增大水体面积会增加水体表面温度和反射引起的眩光，因此在水中种植一些浮游植物或在水边种植树冠较大的植物[17]，优化方案可在水池东西两侧种植乔木，南北两侧留出风道。

2)铺地要素。铺地材质，夏季的地面铺砖受到的太阳辐射约为建筑表层的2倍，而其中约50%会被反射到外部环境，因此地面铺砖选用浅色高反射率的地面铺装，可以降低太阳辐射热的影响[18]；将沥青材质改为透水沥青材质，多使用植草砖，增大草地等植被面积。

3)植被要素。扩大绿地面积和改变乔木排列方式，扩大植被面积、增加乔灌木的数量，绿化率增大至72%。在公园北侧、西侧边缘种植大量集中式、平行错位均质式的乔木防风[19]，在夏季上风向与风向平行，其余方向的乔木排列呈倾斜角度引风深入。乔木选择冠层直径较大的种类，叶面积指数(LAΙ)≥3，郁闭度≥0.6。增加立面绿化。相关文献通过模拟验证增加屋顶绿化与墙体绿化能降低空气温度，有效改善热环境[20]。

5.2.2 优化方案效果验证

结合上述提出的要素对方案1进行优化(图3)，运用同样的技术手段进行模拟得到优化方案，并与方案1进行比较。选用2个方案14点、20点的数值差图比较，能快速从空间上判断优化后的数值变化(图6)。图中可知，变化多集中于地块西面，优化方案温度值降低，湿度值增加。由于铺地材质的变化，选择了浅色的铺地，14点数值变化最大，下降了0.71℃，夜晚温度变化较小，20点时降低最大值为0.19℃；而该区域相对湿度值14点普遍提高2%以上，夜晚变化较小。

图3 方案平面图Fig.3 Schematic plan

图6 1.5 m高度方案1与优化方案对比分析图Fig.6 1.5 m height analysis diagram of option 1 vs.optimized plan

5.2.3 优化方案热舒适性优化分析

基于优化方案的模拟结果，运用同样的处理手法将优化方案的热舒适指标可视化(图7)。PET指标中，极热状态面积由56.24%(方案1)降至33.42%(优化方案)，整体的平均值由39.52℃降至37.17℃。SET*指标十分热状态面积比由57.56%降至34.42%，舒适状态面积比由23.8%升至34.81%优化方案不舒适的面积整体降低。UTCΙ指标的十分热状态面积53.63%降至35.02%，平均值由31.51℃下降至31.09℃。优化方案中的PMV指标有所降低，极热状态面积比由65.29%降至50.45%，20点的温暖状态面积比由70.46%升至80.18%；舒适状态由11.78%升至13.51%。

图7 热舒适性指标对比分析图Fig.7 Comparative analysis of thermal comfort index

对比分析优化方案与3个方案的数值差异(表3)，优化后的14点舒适度有显著提升，20点的舒适度变化较小，但整体皆处于适宜的舒适度内。综合来看，在方案1基础上进行的优化设计，有效地提高了公园整体的热舒适。

6 结论

1)利用热舒适指标比选广场的3个设计方案，通过对比各方案的热舒适值发现，运用单一的指标评价方案的热舒适性过于片面，方案中不同的时间、不同的空间用不同的热舒适指标评价，热感觉状态也会不一样。因此综合选用经验模型与热平衡模型中的指标构建综合评价指标，更具可行性，且证明了PET和SET*等指标适用于评价长沙的广场热舒适性。

2)优化方案的模拟结果证明了优化水体、铺地、植被等要素能有效改善广场的热舒适性，提高休憩功能区面积、扩大水体面积、增加水体类型、改变铺装材质、选择植被的种类以及相关要素之间的组合配置等措施都有效地降低了温度(0.76℃)、提高了湿度(3%)，14点舒适性指标PET降低2.4℃，SET*降低2.1℃，PMV降低0.21，UTCΙ降低0.42℃，THΙ降低0.14，WBGT降低0.25℃。

3)作为长沙市人流量最大的五一广场，其3个方案在设计上各有特点，无法从美学角度评选各方案，本研究通过数值模拟判断各方案的热舒适，为高密度中心区城市广场方案设计的评选提供了一种可行的方法，并在优化过程中总结了提高热舒适性的措施，建立了综合评价指标，为城市空间更新改造提供优化策略与评价方法，减少了城市建设中的不确定性，优化人居环境。