引言
城乡规划在不断发展的过程中越来越注重城市可持续发展、城市节能、城市宜居环境等方面的内容，其中物理环境的研究逐渐受到重视。随着物理环境分析的技术手段从实地监测、实验室仿真到计算机模拟，应用范围不断延展，逐步从建筑单体物理环境研究延伸至城市不同尺度的规划研究。本文通过研究物理环境分析结果与宏观、中观、微观尺度的规划融合，探索在不同尺度规划项目中辅助规划方案优化和调整的应用路径和思路，并通过多个案例进行说明，为进一步研究物理环境与城乡规划的融合应用提供思路。
城市是一个复杂的综合生态系统，这个系统有生命体——人和其他生物、有承担资源输入和废物输出的市政系统、有拉动这个生态系统发展的经济和文化，还有同样重要的非生命因素——风、光照、声音、温度、降水。
这些城市生态系统内部的成分相互作用、相互影响、相互制约，城市生态系统的可持续发展离不开任何一个成分，城市的可持续发展不仅应关注土地、经济、文化和人，更应关注其它生命和非生命因素，如生态安全、动植物保护和物理环境优化。
一、物理环境在城市生态系统中的位置与作用
1.1 城市物理环境问题突出，制约城市可持续发展
城市生态系统的失衡导致城市弊病的出现，包括城市拥挤、城市热岛、城市通风不良、雾霾、城市噪声、建筑光污染等等。这些城市病大部分都会影响和反映到城市生态系统中的非生命组分的状态，使得物理环境出现调节失衡等异常现象。
物理环境在城市生态系统中承担着非常重要的基础外部介质作用，传递光、风、雨、热、声等信息。传递介质出现异常可能导致信息传递功能受阻，所有生态因素组分都是密切相连的，其中一个出现失衡或异常，在不同程度上会直接或者间接影响城市生态系统内部其他组分的正常运转。在影响超出生态系统的自调节、自恢复阈值后，可能出现连锁反应，导致整个城市生态系统失衡。
城市物理环境对城市的可持续发展非常重要。一个环境质量较优、气候宜人、生物保护较好的城市，其社会、经济与生态相互融合，发展较为平衡；物理环境的状态也与城市是否绿色、健康、科学发展有关。城市通风不良、下垫面大量硬质化与热岛效应的出现增加了城市的不舒适性，室内的主动通风及降温设施的使用就会不断增加，从而导致建筑耗能较高，加剧全球气候变暖。反之，城市通风顺畅、绿地水景分散布局、生态建筑提升建筑的室内舒适度等则能够使得城市室内外环境都处于较为舒适的状态，从而有效降低城市耗能和外来资源的供应量。
1.2 城市物理环境研究有助于缓解城市环境问题
随着国家和地区的经济发展，尤其是近年来雾霾和城市热岛现象的不断出现，各地政府对城市风环境和热环境的关注度提升，逐步重视相关研究。如营造城市通风和城市冷岛，可以改善热岛效应及城市雾霾现象。城市通风有利于带走城市人为热，降低城区温度。通过绿化、水景等比热容较大的城市下垫面形式来吸收大气中的热量，可以达到减缓城区温度的效果。
城市自然通风还可以降低城市能耗。城市能耗最大的部分来源于城市建筑物。根据国际能源署2000年的总结报告：在欧洲国家，办公楼通过采用自然通风的方法，相比于通过常规空调等机械方法通风，几乎可以降低 50%的建筑能耗[1]。每年每平米可节省冷量14～41kWh，折合节省人民币为8～21元每年每平米[2]。通过建筑物垂直绿化等绿色建筑形式，在营造空中城市冷岛的同时减低建筑表面温度以减少室内温度调节的需求[3]。
二、物理环境研究发展历程
物理环境的研究涉及气象学、流体力学、光学、声学等多学科，目前较为认可的研究方法是通过实验室模拟或计算机仿真运算。国内外对于物理环境的研究发展历程主要经历研究方法发展以及研究应用范围的变化过程。
2.1 研究方法发展历程：从实地监测、实验室仿真到计算机模拟
物理环境的研究方法是随着研究内容和研究方向的变化而不断发展的。研究初期以探索实际变化数据为主要研究内容，通过使用仪器来实地监测数据，研究风、光、声、热的变化规律以及提供基础校正数据。
城市物理环境的影响因素非常复杂，包括外来边界条件、区域气候变化、当地地形地貌等，目前的监测技术仪器基本是安装在地表上进行监测，极易受到实际微地形的影响，较难控制，因此在研究范围较大的城市物理环境研究项目中，较难进行全局长期的实地监测。同时，大规模的项目对数据的观察点布局密度和数量有更高的要求，通过实地监测的方法实现可操作性较差。因此，现在城市物理环境的实地监测数据主要用来提供研究的现状边界条件基础数据，以及对模拟分析进行比对和校正。
研究发展中期，开始通过实验室仿真来进行研究。以风环境研究为例，开始将风洞实验用于研究城市风环境。风洞实验主要是基于实际的气象条件进行三维模型模拟，监测建筑模型周边气流运动情况，较实地测试具有不可比拟的优势，为预测型研究提供可能性。
随着计算机技术的发展与进步，使用计算机运算数学模型方程通过数值模拟建筑物周边的物理环境状态，经过图像、动画等可视化方式表达物理环境计算结果。计算机数值模拟研究具有强大的模拟、数据处理和可视化能力，相比于传统的实地监测和实验室仿真试验，能够极大地节约实验成本，灵活高效，还能够在三维计算区域内查看所有网格计算点的结果数值，相比有限布点测量数据有着较大的优势。可见，计算机数值模拟将是未来城市物理环境研究的重要技术手段。
2.2 研究内容延展发展历程：从内在规律到外在相互影响
物理环境的研究内容延展与技术手段密切相关。国内外关于物理环境研究的发展历程都经历从实地数据监测到模型软件模拟分析的过程。通过技术手段的演变和革新，研究成果也相应地有了新的发现和延展，更有利于探索物理环境的成因和内在演变规律。
关于城市物理环境的研究内容和关注点，也从开始的单纯研究变化规律、内在成因机理及研究外界的相关影响因素，逐步发展到探索城市形态与城市物理环境之间的关系，包括研究城市规划设计和建筑设计对城市物理环境的影响。
2.3 研究应用范围发展历程：从单体建筑设计到区域规划
通过技术的发展以及研究内容的逐步延展，物理环境研究成果的应用范围不断拓宽。物理环境的分析评估主要从建筑单体设计和营造舒适的市内环境开始，包括建筑室内自然通风、采光、保温、隔声等。随着研究的不断发展，物理环境分析评估开始尝试应用于城市规划层面，包括街区布局、城市风廊、污染疏散、太阳能利用、交通路网规划等方面，并逐步与传统规划语言相衔接，通过空间规划的方式落实物理环境的研究成果和优化要求。
三、物理环境在多尺度城乡规划中的应用路径
城乡规划从研究尺度上可以分为宏观尺度、中观尺度和微观尺度规划。宏观尺度主要研究区域、市、区等层面；中观尺度主要研究城市开发建设重点区域、核心区等层面；微观尺度主要研究街区、地块等层面，主要涉及区域规划、城市总体规划、分区规划、详细规划、城市更新规划等规划类型。
近年来，物理环境优化作为城市规划可持续发展的重要策略之一，从城市形态引导通风不良、热岛效应、声光污染等城市病的改善，以提升城市的宜居性。物理环境的分析评估成果包括温度图、风速图、舒适度图、光照辐射量图、噪声分贝图及相关数据，通过项目案例研究尝试将物理环境图示结论和数据进行转化，以辅助不同尺度的城乡规划，提出规划方案优化所能运用的指标和策略。
3.1 在宏观尺度规划中的应用
目前，在大区域及城市范围的物理环境研究主要集中在风环境、热环境及声环境。物理环境的模拟有助于识别大区域的主要通风廊道以及热岛点，通过调整区域或城市生态格局，特别是绿地系统、河网系统以及道路系统，可以影响城市规划的主要走向与形态，以利于通风散热。同时，合理布局用地类型，充分利用舒适宜居的区域布设公共空间或居住用地。此外，噪声模拟还有助于优化路网，并对噪声敏感点、动植物保护区做出噪声控制保护。
在某西南新区城市总体概念规划研究（约1200平方公里）中，通过现状地形与原始建筑建模研究，分析风环境及热环境的情况，得到人类活动舒适度分析、热环境格局分析、冬季风速适宜区分析、夏季风速适宜区分析等结果，结合当地四面环山的谷地地形情况，构建出主、次、微三级风廊道以及针对山体谷地的主、次大气污染疏散区。考虑山体谷地的情况，应在规划阶段以路网、水网、绿网结合的形式保护预留分析得到的风廊道空间以及大气污染疏散区。
对于声环境的分析一般应用于规划环评的噪声评估内容，还可以在城市总体规划阶段，用于辅助合理布局城市用地、调整交通结构以及合理划定生态保育区等相关内容的研判。如在某江南新区规划研究（约80平方公里）中，通过对道路网、铁路网的交通噪声模拟分析，结合城市现状生物栖息地分布与生物种类进行研究，评估交通路网对于重要的生物保护区域的影响，得出路网调整建议、重要区域降噪措施方案、生物保护区域保留或新增划定的建议。
3.2 在中观尺度规划中的应用
物理环境在中观尺度的规划中，风、光、声、热环境分析均可进行研究应用。物理环境分析用于构建中观区域多层级通风系统、营造舒适微环境、科学利用太阳能资源、合理布局噪声敏感点等。通过模拟分析研究，对地块容积率、建筑控制高度、建筑退线、路网格局、绿地布局、水景布局、太阳能技术运用、噪声控制措施运用、噪声敏感用地布局等可以提出一定的优化建议。
某新城核心区规划研究（约5平方公里）中，在得出初步的城市规划设计方案之后，根据前期主要物理环境预测（如多层级风廊道系统等）评估方案的建筑布局形态对于通风廊道空间预留、微环境热岛缓解、光照舒适度等影响，以及水体布局对新区微气候的调节影响，并辅助分析水体生态风险防控与修复规划措施，对于评估与调整初步城市规划与设计方案起到了较为重要的作用。
3.3 在微观尺度规划中的应用
在微观尺度的规划中，主要涉及街区规划、单元规划、地块规划等，物理环境的模拟更关注于建筑形态与建筑布局方式，提出较为具体的建筑外观优化、建筑排列方式、建筑物间距、太阳能技术运用位置、建筑最佳朝向、降噪措施、园林植物配置建议等。
在某南方滨海城市临海新区地块规划研究中，运用风环境分析评估地块规划方案，通过建筑底层架空形态及布局间距的调整，能够有效提升城区的人活动高度通风及风速舒适程度，为规划方案提出了明确的下层设计导向。另外，光环境模拟分析方面，通过模拟计算规划方案常年日照与遮挡情况，指导建筑朝向、太阳能光电利用设施布局及地块内部植被习性配置等，能够有利于降低地块小区的生活耗能、节水以及达到因地制宜地设计，有利于城市的可持续发展。
结语
物理环境分析随着技术的发展，应用范围从单体建筑设计到城市规划设计，并在不同尺度的城市规划中尝试结合及辅助设计。物理环境分析为建设可持续的、更宜居的城市规划提供了新的视角、方法与技术，未来对物理环境的研究还可进一步回归到对城市生态系统的研究和生态环境问题的解决路径中，值得大家进行持续地研究和创新。
注释：
①本文案例均来源于深圳市城市规划设计研究院有限公司相关规划研究成果。
②文章全文已收录于2018中国城市规划年会论文集。
参考文献：
[1]Howard L. Climate of London deduced from metrological observations (Vol. 1) [M]. 3rd edition. London: Harvey and Dorton Press, 1833: 348.
[2]彭少麟.全球变化与可持续发展[J].生态学杂志, 1998, 17(2): 32－37.
[3]刘超,陈蔚镇,许鹏,张量,张锟.风环境模拟在城市空间形态优化中的应用研究—以上海崇明陈家镇实验生态社区为例[C] .城市时代，协同规划——2013中国城市规划年会论文集（09-绿色生态与低碳规划）,2013:1-19.
作者：
李晓君，华中科技大学风景园林硕士，现任职于深圳市城市规划设计研究院
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：深圳规划院
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