徐小东：双碳背景下街区形态与气候适应性研究
徐小东教授
1.1城市环境发展
时代背景：城市人口激增，环境持续恶化。
随着城市不断扩张，目前全球已有超过一半的人口居住在城市中。城市代替了自然，成为人类最直接、最重要的赖以生存的外部环境。人类活动估计造成了全球气温高于工业化前水平约1.0℃，如果继续以目前的速率升温，将在2030年至2052年达到1.5℃(IPCC，2020)。
气候变迁：气候变暖、极端气候频发威胁地球，是21世纪全球共同面临的挑战。
环境与能源问题：脆弱的城市生态陷入坍塌式破坏。能源供应难以支撑城市能耗的成倍增长。
1.2城市能源危机
近10年来城市建筑能耗呈指数状持续快速增长，近几年建筑全过程碳排放量达到全国碳排放的近50%。2018年，中国建筑全过程能耗占全国能源消费总量的约46.5%。二氧化碳排放总量为49.3亿吨，占全国二氧化碳排放总量的51.3%。2019年全国建筑全过程二氧化碳排放总量为49.97亿吨，占全国二氧化碳排放总量的50.6%（中国建筑能耗研究报告（2020））。
从近10年公共建筑运行阶段能耗趋势中，可以看出城市能耗呈持续增长趋势。
1.3 双碳目标愿景
2020年9月习近平主席在第75届联合国大会一般性辩论中宣布中国2030年实现碳达峰2060年实现碳中和的目标以来，以“双碳目标”为核心的可持续发展愈发成为各行各业发展的指导性标准。
在此背景下，城市碳排放主要来源之一的建筑行业面临着前所未有的挑战，减少碳排放直至接近“零碳排放”成为行业发展的历史使命。回应中国2030碳达峰和2060年实现碳中和的战略目标，城市与建筑领域开展节能减排势在必行。
1.4城市设计寻路
城市与建筑设计中的气候应变
人类活动与城市气候相互影响。随着全球变暖趋势日趋严峻，气候应成为城市与建筑设计中的重要着眼点，将其作为城市设计思考的一环，力求在一定程度上消除城市与自然的对立关系，为人类打造一个诗意栖居的室外空间。进而改善城市微气候环境，实现绿色低碳、节能需求。
2.1气候适应性设计原理
与微气候舒适度相关的城市开放空间形态要素
开放空间作为城市冷源之一，对微气候调节作用不只限于其边界之内，对周边一定范围内的环境也有影响，其形态布局对街区微气候舒适度改变起到关键作用，也在一定程度上可以有效减少建筑采暖、制冷所需的能源消耗，改善室外环境舒适度，在街区尺度的城市设计时应予以重点关注。
■ 设计服务需求
城市作为人类生活的基本物质环境，按照马斯洛需求理论，在人类需求结构中处于最基础的生理需求层次。舒适的城市环境为人们创造了健康愉快的生活空间，为居民追求更高层次的需求、创造社会价值和财富奠定了基础。
■ 标准因地制宜
如何使室外微气候达到热舒适度标准是气候适应性设计中的关键问题。室外微气候状况是设计和制定热舒适度标准的前提和制约条件，因地理位置、海拔高程等因素不同呈现出显著差异性。因此，为适用于不同的气候条件，应当制定不同的气候舒适度标准，采取因地制宜的城市设计手段。
■ 技术适应环境
气候适应性设计指的是一种被动式设计方法，旨在通过设计本身进行调节，创造良好居住空间，实现室外环境舒适度的手段之一。从整体来看，包含气候适应性设计在内的被动式设计是一个分析、设计、评价、分析、完善的动态调整和循环过程。
2.2算法驱动的气候适应性城市设计方法概念
遗传算法
遗传算法（GA，Genetic Algorithm），也称进化算法，是借鉴生物选择与演进过程而提出的一种启发式搜索算法。将目标搜索过程模拟成生物进化，通过复制、交叉、突变等操作产生下一代的解，并逐步淘汰劣质解，保留优质解，如此重复进行N代筛选之后就有可能得出最优解。
上述气候目标的实现需要通过遗传算法，在N代筛选之后实现城市街区形态的自动寻优，进而提升微气候舒适度。
2.3算法驱动的气候适应性城市设计方法流程
随着相关软件技术的发展与普及利用，可以通过仿真模拟与算法寻优来揭示城市街区形态与微气候的耦合机理，实现街区环境舒适度的有效提升。通常包括以下几个部分：气候数据获取→设计参数化建模→性能模拟与仿真→算法迭代与寻优→最佳解获取、数值分析→辅助生成方案。
这一过程可以通过Grasshopper实验建模平台、利用Ladybug系列性能分析工具来实现街区尺度的微气候优化调整。
3.1夏热冬冷地区基于性能提升的城市开放空间优化路径
■ 实验原理与流程框架
开放空间对改善城市微气候存在系统性的规律，随着不同气候条件、不同城市形态造成的不同干扰，除了平面布局不同外，也将体现在开放空间的垂直方向，即城市界面上。研究这种布局变化的原因将帮助我们理解开放空间对微气候的影响机制。
实验以构成开放空间的城市界面作为可变参数，在开放空间面积、建筑容积率一定的要求下，以获得微气候环境最佳的开放空间方案为目标，通过优化过程、演变趋势和最优解揭示开放空间对微气候的作用机制。
算法驱动的性能模拟与自动化包括模型生成、性能分析、评价优化三个步骤的循环设计过程。每一代的计算结果将以直观的方式展现出模型变化及相对应的微气候变化趋势，通过研究录入大量代数形成的数据库，可以从定性和定量两方面揭示微气候与开放空间布局的耦合关系，并将之转化为系统化的规划策略和城市设计导则。
■ 模型抽取
现以南京为例，选取250m×250m的正方形街区作为实验单元，容积率2.0，建筑密度30%。由于本实验的研究对象为开放空间，为了后续观察其变化，街区内部开放空间界面在最开始被设定为完全一致。因此，研究将基于方格网状的标准布局来分别研究开放空间的垂直变化和水平变化。
■ 因子选择
选择了开放空间分布、几何属性、平均天空可视因子、街道高宽比、开放空间垂直错落度、开放空间体积、容积率等7个因素作为分析对象，研究其与微气候舒适度的关联性 。
■ 优化实验
实验分冬夏两季进行，每次实验分两步进行。由Ladybug读取的气候文件中将夏季8月5日至8月11日、冬季1月15日至21日列为一年中的极热周和极冷周。其中极热的8月5日，日建平均温度为33.4℃，湿度为63%；极冷的1月15日，日间平均温度为0.8℃，湿度为89%。
实验从冬夏两季进行，分两步读取常规风速下的极端气候数据，通过遗传算法探求开放空间垂直布局与水平布局的热舒适度指标的变化规律。
■ 仿真模拟实验
通过数百代遗传算法模拟仿真实验可以发现：无论是夏季还是冬季，开放空间垂直布局与水平布局模式下室外微气候环境均取得显著的提升效果。
■ 夏季城市开放空间形态优化结果分析：SL1
在前10代的优化结果中，高层建筑的布局较为均匀，呈散点状穿插于整个模型中；从第13代开始，模型中已经没有极端高层建筑，而较高的建筑开始趋于向模型的左上角，即西北角布局。早期的模拟高层建筑分布规律性不明显，第20代的最优结果中，模型呈现出从西北至东南，建筑由高到低的整体布局。
■ 夏季城市开放空间形态优化结果分析：SL1垂直布局演变规律
在优化的开始阶段，高层建筑与低层建筑高度差距较大，且二者布局较为均匀。随着优化的进行，最高高度逐渐降低，最低高度逐渐升高，高度分布区间逐渐收敛，较高建筑集中出现在1-10,20-25位置区间。
■ 夏季城市开放空间形态优化结果分析：SL2水平布局演变规律
从图SL1-1、SL1-10、SL1-20可以发现，随着高层建筑水平方位的变化，其对地面开放空间的风速影响很大，有效改善了场地中开放空间的舒适度。
建筑最大面积随优化逐渐减小。而大面积的建筑分布的点位区间与SL1最优结果中的高层建筑分布区间吻合，这意味着提高高层建筑的的面积以获取更多阴影遮蔽策略的可行性。
夏季：开放空间各形态因子与微气候舒适度的相关性
■ 开放空间平均高宽比
在SL1下的开放空间平均高宽比与室外平均热气候指标（UTCI）呈正相关，与室外舒适度呈负相关。
开放空间平均高宽比的提升意味着节点开放空间多由低矮建筑包围。虽然高宽比提升了的街道空间增强了通风，但节点开放空间却因面积较大而缺乏阴影遮蔽，使得整体舒适度降低，因此随着优化的进行平均高宽比逐渐降低。
■ 开放空间总体积
以上实验的数据表明在SL1设定下的开放空间总体积与室外平均热气候指标（UTCI）呈负相关，与室外舒适度呈正相关。
开放空间总体积的提升增大了开放空间的通风能力，同时与平均开放空间高度比提升相反，意味着节点开放空间多由高大建筑包围，因此所得相关性结论也因上文所述原因与开放空间平均高宽比呈正相反。
■ 开放空间平均天空可视因子
实验的数据表明了在SL1设定下的开放空间平均天空可视因子与与室外平均热气候指标（UTCI）呈正相关，与室外舒适度呈负相关。
在SL1中，开放空间平均天空可视因子的提升意味着建筑为开放空间提供的阴影遮蔽就越少，使得整体舒适度降低。随着优化的进行，平均天空可视因子逐渐降低，当到达某一数值时，开放空间又将因过于狭窄而使通风的效果减弱，因此后续平均天空可视因子又逐渐升高。
■ 开放空间垂直错落度
实验的数据表明了在SL1设定下的开放空间垂直错落度与与室外平均热气候指标（UTCI）呈正相关，与室外舒适度呈负相关。
开放空间垂直错落度的提升意味着建筑高度差拉大，形成少部分高层、大部分低层的格局，使建筑提供的阴影减小，使得整体舒适度降低。
■ 冬季城市开放空间形态优化结果分析：WL1
颜色深浅代表了建筑高低从0-140m区间，可以直观地从平面上观察建筑的高度分布。在前7代的优化结果中，不同高度的建筑布局较为均匀；从第8代开始，模型中最高的建筑开始布局于左上即西北角。早期不同高度的建筑布局较为均匀，到20代时，模型以低层建筑为主，高层点缀在边缘。
■ 冬季城市开放空间形态优化结果分析：WL1垂直布局演变规律
可以发现在优化开始阶段整体建筑高度较低，建筑间高度差异较小，布局均匀。随着优化的进行，整体建筑最低高度和最高高度一同逐渐升高，其中高层建筑数量逐渐减少，低层建筑数量逐渐增多。至400代左右开始高层建筑集中出现在1-6位置区间。
■ 冬季城市开放空间形态优化结果分析：WL1水平布局演变规律
从图WL1-5、WL1-15、WL1-20可以发现，垂直于盛行风向的节点空间有助于减弱风的效果；靠近北侧布置的节点开放空间因缺少建筑物遮挡而易受北风侵袭；贴近高层建筑的布局方式使开放空间受高速气流旋涡影响，从而使室外平均热气候指标（UTCI）降低。
通过迭代优化，呈现出少量大面积建筑和大量小面积建筑的局面，以牺牲少部分面积来使剩余部分获取充足阳光，提高室外温度。随着优化的进行，面积分配始终维持较大差异。
冬季：开放空间各形态因子与微气候舒适度的相关性
■ 开放空间平均高宽比
在WL1设定下的开放空间平均高宽比与室外平均热气候指标（UTCI）呈正相关，与室外舒适度呈负相关。
在WL1中，开放空间平均高宽比的提升意味着节点开放空间多由低矮建筑包围，享受到充足日照。街道空间因风速增大导致较不舒适，但由于环境初始风速较小，对整体UTCI的不利影响较小。
■ 开放空间总体积
在WL1设定下的开放空间总体积与室外平均热气候指标（UTCI）呈负相关，与室外舒适度呈正相关。
开放空间总体积的提升不仅增强了开放空间中寒风的通行能力，同时与平均开放空间高宽比提升相反，意味着节点开放空间多由高大建筑包围，所得相关性结论也因上文平均高宽比中所述增加日照的原因与其结论相反，因此随优化进行，WL1的开放空间总体积均有小幅下降。
■ 开放空间平均天空可视因子
在WL1设定下的开放空间平均天空可视因子与室外平均热气候指标（UTCI）呈正相关，与室外舒适度呈正相关。
在WL1中，开放空间平均天空可视因子的提升意味着建筑产生的阴影遮蔽越少，使得整体舒适度提升。在优化最开始阶段平均天空可视因子逐渐下降，使开放空间趋于封闭阻风，当到达某一数值时，开放空间又将因太过狭小而使建筑互相遮蔽，因此后续逐渐升高。
■ 开放空间垂直错落度
在WL1设定下的开放空间垂直错落度与室外平均热气候指标（UTCI）呈正相关，与室外舒适度呈正相关。
在WL1中，开放空间垂直错落度的提升意味着建筑高度差拉大，形成少部分高层、大部分低层的格局，大部分空间获得充足日照，使得整体舒适度升高，但其也提升了高层带来的气流速度，因此WL1优化过程中错落度最终略有下降，保持在一个较高数值。
策略总结
综上所述，在垂直布局上，开放空间宜采用北高南低的布局方式，同时保持高度有一定错落度；在水平布局上，布局宜与夏季主导风向呈30°-60°夹角，且应扩大该方向上开放空间层峡的截面面积和高宽比，增加南面开放空间的面积和开敞度，缩减北面开放空间的面积和开敞度。
除季节性的气候环境变化外，不同地区也有着各自不同的基础气候条件，这些气候参数对微气候有着不同影响。通过前文对数据的分析可知，当气候参数值不同时，其对微气候影响的权重也随之改变，这导致开放空间设计策略中针对性的优先级会有所不同，将形成不同甚至完全相反的布局策略。因此，气候适应性开放空间的设计策略不存在普遍通用的最优解，而应根据不同地区城市的气候特点合理制定。
■ 从策略指引到模式语言
在上述策略的指引下，通过结合实际需求，设计师可合理布局开放空间，完成气候适应性街区设计草案。该方案在夏季平均气温33.4℃，湿度63%，风速2.5m/s条件下平均UTCI为36.5℃，在冬季平均温度1℃，湿度89%，风速2.5m/s条件下平均UTCI为-1.1℃，比较SL1最佳解的36.6℃，SL2的最佳解36.0℃，WL的最佳解1.9℃，WL2的最佳解0℃，该方案虽未在单个季节达成最佳结果，但冬夏两季均好性突出，均达到了较好的气候效果，证实了该策略对指导气候适应性开放空间设计的可靠性。
该布局方案是在策略层面的体现，虽然无法满足建筑形式、日照间距、建筑功能等具体规范，但可以转化为适应夏热冬冷地区街区设计的基本模式语言。其应用将不仅仅限于本文设定的实验模型，而是构成了理想状态下的城市开放空间布局的基本模式语言。
同样的模式语言作用于不同层级的系统策略上，对各层级的气候适应性设计都有一定的指导和参考意义。从整体上来看，各层次系统策略呈现出一定的自相似，构成了系统上的分形结构，气候适应性模式语言拥有了如雪花般向下细化至群组、向上拓展至片区的可能性，这也使得城市整体拥有了系统性和协同效果。
3.2寒冷地区基于性能提升的街区空间布局自动寻优
■ 实验组织
通过构建理想实验街区进行优化，以街区整体舒适度比率为优化目标，即模拟并测量包括街区内部地面和街区外部道路在内的所有裸露地面。
针对寒冷地区，提取5种典型形态进行模拟优化：板式楼，双L回形，中高层、高层与开放空间一共五种，右边是具体参数表。
■ 优化形态分析
从城市形态原型的类型和数量上来说，最优和最差解中都没有出现开放空间。
从分布位置来看，在最优解中板式高层显著的沿东北-西南对角线分布，而在最差解中分布则较为凌乱。这是因为气流来自东北方向，在东北角不知高层可以最有效的抵御来袭的寒风，为下风向街区提供风影保护。
■ 开放空间探究
通过对比不同开放空间位置可以发现，最有利的情况是当开放空间处于整个街区中部时，可以看到虽然其上风向处是周边风环境最差的点式高层，但其受到的影响并不算大，整个广场仍能保持较高的舒适度。
3.3 干热地区基于性能提升的街区空间布局自动寻优
■ 实验组织
针对典型干热地区喀什的典型夏季日组织了以热舒适驱动容积率与建筑密度恒定条件下的理想街区寻优实验，整体街区容积率为3，建筑密度0.32，通过提取当地四种典型建筑类型，底面积相同为900平方米，构建理想实验街区，街区内部建筑类型单一，3个开放空间位置、街道朝向和建筑高度可自由变化，进行寻优。
■ 寻优结果分析
4种街区的平均热舒适的值在上下波动，但整体呈下降趋势。说明街区布局寻优效果显著。总体而言，点式与庭院式街区平均热气候指标(UTCI)值较低，舒适度较高。
点式碎化度（4-mass）>庭院式碎化度（2-mass）>条式碎化度（1-mass）=柱式碎化度（1-mass）。
随着基本型碎化度的增大。街区的平均SVF降低。平均太阳辐射温度。平均UTCI值也随之降低。对干热地区的城市街区来说。选择碎化度较大的点式基本型和庭院式基本型是较为适宜的形态选择。
3.4小结
不同气候区城市开放空间优化策略比较：
4.1研究结论
在不同气候背景下，通过调节城市街区形态布局能够显著改善城市局地微气候，在提升室外舒适度的同时，从源头降低了城市建筑采暖制冷所需能耗，与单体建筑所节能举措相比，展现出较强的节能减排潜力。
气候适应性城市设计是一个地域性话题，未来研究应针对不同地区气候特点，困时因地因气候制宜，展开针对性的研究与实践。
在“双碳”背景下，如何结合当下快速发展的数字化技术，探索气候适应性城市设计的理论与方法，实现节能减排，是一个需要持续关注的前沿问题。
4.2应用展望
■ 从设计评价分离到设计评价一体化
算法驱动的气候适应性城市设计方法在设计过程中将最终所需性能作为评价指标，用程序来控制设计过程，对设计过程中产生的性能结果进行实时结算分析，并逐步进行修正，指导设计创作。促使传统行业中设计评价脱离转变为设计评价—体化，提升设计效率和数字化程度，实现方案调整的量化比对，使每步操作都有据可依。
■ 从主观定性分析到客观量化评估
将设计过程与结果融为一体，结果的直接呈现，降低了准入门槛，减少设计师本人去理解城市与微气候间耦合关系的复杂程序，将主观臆断转化为计算机的客观认知处理，便于掌握和使用。与此同时，该方法在设计过程中对环境的响应、演变过程也为其提供了大量数据资料，对该地区的气候适应性城市设计提供了经验性参考。
■ 从数据参考到数据参与
为了从多因子耦合的复杂结果中挖掘出有效的关联性，足够数量的样本十分必要。在性能驱动优化方注的实现过程中，将产生数百至几千个设计方案的数据资料，无差异的完整保留了设计环境的复杂信息,每一组设计与结果都成为揭秘黑箱的一组证据，从而将复杂关系化解为简单的数理模型，促进设计师的清晰理解与认知。
（工作室吴奕帆、殷晨欢、刘宇鹏、王艺、刘可、张然为报告的形成付出持续努力，在此一并致谢！）
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