昆·斯蒂摩的“城市多样性地图”方法及其在高密度校园规划设计中的运用

邓巧明，刘宇波/DENG Qiaoming，LIU Yubo

昆·斯蒂摩的“城市多样性地图”方法及其在高密度校园规划设计中的运用

邓巧明，刘宇波/DENG Qiaoming，LIU Yubo

英国剑桥大学昆·斯蒂摩教授是可持续设计研究的代表人物之一。本文简要介绍了昆·斯蒂摩提出的“城市多样性地图”的研究方法，它为研究室外环境局部区域的微气候条件提供了较为简化的方法。笔者运用该方法分析了新加坡共和理工学院的校园环境，并结合功能布局对校园空间形态进行了与气候条件相适应的优化与改进。

昆·斯蒂摩，城市多样性地图，高密度，校园规划Keywords: Koen Steemers，mapping urban diversity，high density，campus planning

1　昆·斯蒂摩

昆·斯蒂摩（Koen Steemers，下文简称昆）教授曾担任英国剑桥大学建筑系主任（2008-2014）、建筑与城市研究所马丁中心的负责人（2003-2008）、英国皇家建筑师学会（RIBA）会员。昆在担任马丁中心主任期间，通过积极协调各系的研究力量，使该中心被评为英国该领域的顶级研究中心。

昆教授长期关注建筑和城市的环境绩效以及人的认知和行为等方面的问题，是有关城市环境可持续设计方面的专家，并于2012年被Building Design评为“英国可持续发展前50名最具影响力人物”。他的研究领域包括建筑与城市环境能源的使用、可持续城市设计、低碳城市设计、行为与建筑性能等方面。多年来已有200多项研究成果，其中包括10本著作，如《可持续城市和建筑设计》（Sustainable Urban and Architectural Design，2006） ，《环境多样性架构》（Environmental Diversity in Architecture，2004，图1）和《日光设计的建筑》（Daylight Design of Buildings，2002）等多部可持续设计领域的重要著作。

1 Environmental Diversity in Architecture（图片来源：参考书目1）

2 Designing High-Density Cities（2-4图片来源：参考书目2）

2　城市多样性地图

3 剑桥某地区开阔度、阴影情况和风影区分析

4 对开阔度、阴影情况和风影区分析的简化判断图

2004年昆教授出版的专著《环境多样性架构》（Environmental Diversity in Architecture）第六章“城市多样性”（Urban diversity）中介绍了一种研究城市空间环境多样性与空间舒适度之间相互关系的分析方法，即“城市多样性地图”（Mapping Urban Diversity）的方法。近年来，由香港中文大学吴恩融教授编著出版的《设计高密度城市：有关社会与环境的可持续发展》（Design High -Density Cities for Social and Environmental Sustainability，2010，图2）汇集了来自不同国家的专家学者对高密度城市可持续设计的各方面因素展开探讨，书中第九章由昆教授撰写的关于“城市环境多样性和人体舒适度”论文也对该方法进行了较为详细的介绍。

“城市多样性地图”是一种通过分析城市局部区域的多种环境影响因素，来探索不同城市空间形态对环境舒适度影响的简化分析方法。室外环境因素主要选择空气温度、阳光照射情况和风速三个因素作为参数指标，因为它们即是影响室外热舒适度的重要指标，又比较容易由空间形态所界定。例如，某个特定地区的温度峰值可以由太阳辐射的情况决定，而太阳辐射的情况则可以用该地点的天空视域因子SYF（Sky View Factors），也就是开阔度所定义，某一地区中任意一点的开阔度又是由周围建筑的高、宽等形态因素决定的。同样，阳光由于建筑物的遮挡，而依照建筑形态投射出来的阴影情况也可以用简单的几何学来确定。最后，风在建筑中的情况也可以根据盛行风的条件，运用软件进行模拟。因此，只要我们掌握了某一地区的建筑空间形态，我们就可以确定上述三项环境参数。在对三项环境参数进行软件模拟的基础上，选取各指标的临界值进行定性判断，来形成对室外环境各种影响因素的简化判断，最后运用一张图形化的地图的方式叠加表现局部区域室外空间多种环境因素指标的情况，进而简化了对多种因素共同影响下的室外微气候条件进行判断的复杂问题。

研究者选取了英国剑桥的某个200m×200m区域为例进行分析，3张图分别展示了该区域的开阔度、每小时的阴影变化和每小时的风影情况（图3），每张图都显示了一年时间里的参数变化情况。

在定量模拟3种环境因素指标之后，研究者为每个因素指标选取临界值进行定性判断，以此将3种因素模拟结果简化的区分为“开阔、闭塞的天空”“阳光或阴影”“有风或无风”的简单情况（图4）。例如，阴影情况的临界值依照参数范围的平均值选取，将6个小时以上的阳光照射区定义为“阳光区”，将低于6个小时的区域定义为“阴影区”，这样就可以将“阳光照射量的多少”简化为“阳光的有、无”。风速临界值的选择结合人体对风的感知情况，将风速高于0.2m/s的区域定义为“有风区”，而低于0.2m/s的区域定义为“无风区”。通过这种对量化指标简化判断的方式可以更简单直观地看出一个地区最为显著的微气候条件，也方便进一步将三种环境因素情况叠加。

创造出一张可以同时表现一个地区中多种环境条件的“城市多样性地图”（图5）。不同的色块颜色分别代表了8种微气候环境类型，分别是“开阔-闭塞”“阳光-阴影”“有风-无风”相互之间的各种排列组合情况。研究者进一步将不同环境特征区域在整个环境中所占的面积比例绘制成图表，可以看出“闭塞-阴影-无风”的环境特征所占的比例最大，可以判断该地区是典型的密集城市中心区域，同时根据其他环境特征所占比例，结合当地气候条件可以评估整个地区的微气候环境特点与舒适程度。

5 剑桥某区域的城市多样性地图与不同环境特征地区所占比例柱状统计图（图片来源：参考书目2）

6 开阔度模拟图（6.7图片来源：作者自绘）

7 简化后“开阔-闭塞”区域分布图

3　高密度校园环境的城市多样性地图分析

由建筑师桢文彦设计的新加坡共和理工学院（Republic Polytechnic）于2007年建成使用，是比较有代表性的高密度校园设计案例。校园内建筑布局特点鲜明，空间结构简洁。

所有的功能都围绕中间的学习中心展开，并在其周围布置教务管理楼、文化中心、能源中心、家属楼等辅助设施。主体的学习中心采用集中式体量，通过12栋点状单元的相互错落布置形成两个广场空间，以此创造一个促进信息交流、鼓励跨学科互动的学习单元与公共空间。

设计师采用紧凑的建筑布局形成共和理工学院疏密有致的校园环境，一方面尊重、保留了原有校园用地的地形与绿化景观，形成大面积的开放空间，另一方面也为学校适应未来的持续发展预留余地。那么，这种较为紧凑的布局在节约用地的同时，是否也提供了与气候条件相适应的外部空间环境，与之相对应的空间形态又有哪些可以改进的空间呢？接下来运用城市多样性地图的方法量化研究该校园室外空间的开阔度、太阳阴影和风速三种环境因素情况，综合判断整个校园空间的微气候环境特点，并尝试对其中微气候不利区域进行空间形态的优化。

3.1 开阔度分析

开阔度（SYF），是表示周围建筑对于地表单元遮蔽影响的指标，可以反映某区域内不同部分的温度以及温差情况。计算高度取人视点1.5m高，并按10m×10m建立计算开阔度的网格。运用SketchUp中的LSS插件计算共和理工学院的开阔度，将生成的SVF数据输入excel整理成矩阵，再导入Matlab计算生成可视化的三维曲面，最终获得开阔度的平面图（图6），其中颜色越接近蓝色，表示该区域被周围建筑遮挡的越严重，开阔度就越低，而颜色越接近红色，表示该区域较少被周围建筑遮挡，开阔度就越高。近年来有香港学者研究认为，当开阔度大于0.5产生热岛效应几率较小，考虑到新加坡气候条件与香港接近，因此本文选取0.5作为开阔度指标临界值，将开阔度模拟图简化为“开阔-闭塞”区域分布图（图7）。

3.2 太阳阴影环境分析

太阳辐射被建筑物遮挡而形成的阴影情况对于室外环境的微气候有着重要的影响，不同气候条件对阴影环境会有不同的需求。运用SketchUp计算模拟该地区一年内每小时的阴影变化情况。首先将模拟条件设置为测试每个月1号，从早上7点到下午17点，每隔0.5小时计算一次太阳阴影情况，并将其叠加为每个月的太阳阴影图，再将12个月的阴影图进行叠加，可以得到一整年的太阳阴影情况模拟图（图8）。不同的深浅颜色表示这个区域阴影时间的长短。按照阴影参数指标的平均值为临界值，进一步将全年阴影模拟图简化为“有影-无影”区域分布图（图9）。

8 全年太阳阴影叠加图（8-12图片来源：作者自绘）

9 简化后“有影-无影”区域分布图

10 全年风环境模拟图

11 简化后“有风-无风”区域分布图

12 新加坡共和理工学院城市多样性地图

3.3 风环境分析

在高密度的环境中，建筑群体布局和体量形态都会显著改变近地面的风速和风向，使得在建筑群体中各个区域的风速相差很大，而风速的多少对舒适度和空气质量都有较大影响，会形成不同舒适程度的室外环境空间。新加坡平均风速为3m/s，全年有两个主导风向，夏季的东南风和冬季的东北风。本文运用ecotect软件分别对新加坡共和理工学院的风环境进行了夏、冬两个季节的模拟分析，叠加后可以得到共和理工学院一年的风环境情况（图10）。其中颜色越趋近于黄色代表该区域的风速越高，对于热带雨林气候条件使用者会有更舒适的感受，而颜色越趋近于蓝色则代表风速越低，舒适程度也较低。然后以人体可以感知的最低风速0.2m/s作为区分“有风区”与“无风区”的指标临界值，将风环境模拟图简化为一张“有风-无风”区域的分布图（图11、15）。从简化后的风环境分布图可以看出，被建筑遮挡和围合的区域，以及建筑的周围都形成了较多的无风区面积。

3.4 城市多样性地图分析

进一步将新加坡共和理工学院表示开阔度的“开阔-闭塞”分布图、表示太阳阴影情况的“有影-无影”分布图以及表示风环境的“有风-无风”分布图进行叠加，合成一张可以同时反映该校园三种室外微气候环境特点的城市多样性地图（图12）。不同填充色块代表“开阔”“闭塞”“有影”“无影”“有风”“无风”6种环境因素的相互叠加组合而成的8种环境特征分布情况。接下来统计每一种环境特征覆盖的面积，得出8种环境特征在整个区域所占的面积比例，并用柱状图表示，更直观地表现出该校园室外环境微气候条件的多样性分布特点（图13）。

从新加坡共和理工学院的室外空间环境特征分布情况可以看出，8种环境特征中，所占比例最大的是“开阔、有风、无影”区，这与学校采用了较为紧凑的建设模式有关，为校园保留了大片开阔绿地空间，而处于第三位的“闭塞、无风、有影”区也表示了该校园建筑布局较为密集的特点。然而，对于夏季酷热潮湿的新加坡共和理工学院来说，“开阔、有风、无影”区会直暴露在太阳照射下而使人感觉不舒适，在这片区域中应适当增加遮阳措施，提高“开阔、有风、有影”区的面积比例，会更有利于师生对开放空间的使用。与此同时我们发现，“开阔、无风、无影”区所占的比例与也很高，这些区域没有风或风速很低，也没有可以遮阴的地方，温度随着天气状况变化，是一种较为不利的气候环境，同时这种环境特征的区域广泛地分布在主体建筑周围一定距离内，以及建筑的两个核心内院中，如能有针对性的进行优化和改进，则可以结合周围的建筑功能布局成为师生更愿意利用的户外交往空间。

3.5 校园空间形态改进

将共和理工学院的“开阔、无风、无影”区的分布图与校园建筑功能分区图、人流分析图和人流聚集区示意图相叠加，从而找出人流密集且环境气候条件不利的区域。如图14中A、B两个区域均是四周被建筑围合而成的天井式内院，空间尺度相似，周围布置有图书馆、展厅等公共性用房，人流较为集中。然而该区域部分被“开阔、无风、无影”区覆盖，在炎热的夏季，没有遮阴且风速也很低的情况下使人感受很不舒适，空间利用率较低。因此，对空间形态的改进主要围绕改善该区域的环境条件来进行。

改进方案既要延续设计师的理念，又要保证原有的建设强度。我们仅仅通过对群体建筑高度的调整，改变了剖面上的空间形态关系，增加了建筑之间的高度差，从而引导更多的风进入两个内院，而建筑的群体布局关系没有改变（图15）。进一步模拟绘制两个改进方案的城市多样性地图与柱状统计表。如图16所示，优化后的设计使原本处于“开阔、无风、无影区”的两个建筑内院，现在大部分被“开阔、有风、无影区”和“闭塞、无风、有影区”所覆盖，有影与有风区的面积都有显著增加，使得该区域的室外热环境有较多改善，在新加坡的气候条件下舒适程度会有较大提升，可以吸引更多师生在这两个庭院中交往、活动，提高人流聚集区域的空间积极度，也能更充分的利用校园的稀缺空间。未来仍然可以进一步针对校园开放空间进行实地调研，实测各项物理指标值并派发学生满意度问卷，通过调查问卷了解使用者的真实需求与感受，并与多样性地图模拟结果进行对比分析，可以进一步修正三个指标临界值，使未来相同气候区的量化模拟结果更加准确合理。

13 8种环境特征区域所占面积比例柱状统计图表（13-16图片来源：作者自绘）

14 人流聚集且微气候不利的区域

15 两种改进方案示意图

16 改进方案的城市多样性地图与柱状面积统计图

4　结语

随着中国土地问题的日益尖锐，紧凑集约的高校校园将是未来更多学校的选择。然而，集约化校园的设计问题具有复杂性，并不是简单的越集约越好，在节约土地资源、适应学生行为需求的同时，也有可能导致校园空间拥挤、整体环境质量下降等负面问题。集约化程度与空间形态之间有着复杂的关系，即使是在相同的用地面积与相同的开发建设强度条件要求下，也可能由于建筑层数、进深以及开放空间分布的不同，而呈现各不相同的空间形态，进而对室内外环境空间在景观视线、自然通风、采光与遮阳等方面带来截然不同的影响。因此，在高密度的环境中，需要设计师更加谨慎的考虑采光、通风与视野等问题，因为空间形态上的微小改进都会对整体空间品质带来巨大的提升。

高校校园的室外空间环境质量是促进师生交往、激发校园活力的重要因素。然而，影响室外环境品质的因素相对较多，如空气的温度、湿度、风速等都对舒适度感受有重要影响。“城市多样性地图”为我们综合评价多种环境因素影响下的室外空间品质提供了较为简化、直观的方法。相比单一物理指标而言，对多种环境因素指标进行模拟能够使我们对室外环境质量有更为综合的判断，从而可以更好的改善环境舒适程度。当我们面对集约化程度要求较高的校园规划设计时，该方法可以帮助我们结合特定气候条件与功能布局找到设计中最不利的区域，在保持建设强度不变的条件下进行空间形态的优化和改进，在满足较高容积率要求的同时也能追求较好的空间品质，实现校园综合效益的最大化。需要特别指出的是，城市多样性地图运用过程中最为重要的三个环境因素指标临界值的选取与特定地域气候条件密切相关，临界值的高低会直接影响叠加后的各种环境特征区域所占面积比例。因此，当城市多样性地图方法运用于不同的气候区甚至不同的项目类型时，临界值的选取是否需要调整？该如何调整？是否还可以综合评价更多的环境因素？相关问题的研究还需要更多的探索。□

参考书目

1.Koen Steemers，Mary Ann Steane.Environmental Diversity and Architecture.Spon Press，London，2004.

2.Edward Ng.Designing High-Density Cities.Eearthscan in the UK and USA，2010.

3.昆·斯蒂摩.可持续城市设计：议题、研究和项目［J］.世界建筑，2004（8）: 34-37.

4.共和理工学院［J］.建筑创作，2013（Z1）: 142-153.

5.丁沃沃，胡友培，窦平平.城市形态与城市微气候的关联性研究［J］.建筑学报，2012（7）: 16-21.

Koen Steemers's "Mapping Urban Diversity" and Its Application in Planning and Design of High Density Campus

Professor Koen Steemers is in the University of Cambridge who is one of the representative figure's in the field of sustainable research.This paper introduces the research method of "mapping urban diversity" proposed by Professor Koen Steemers.It provides a simplified method to research on the micro climate conditions in part of the outdoor environment.The author has used this method to analyze the campus environment of Republic Polytechnic in Singapore and combined with the function layout to improve the campus space so as to adapt to the regional climate conditions.

国家自然科学基金资助

项目批准号：51508193，51478186

华南理工大学建筑学院，亚热带建筑科学国家重点实验室

2015-11-05