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日照刚性规范下的城市形态困境

作为现代城市规划和建筑学研究的主要成果，开始于20世纪20年代的建筑日照研究及相关建筑立法，很大程度上影响了当代中国城市风貌和居住空间形态的建构，也在快速城镇化进程中保障了人居环境品质。然而，经过几十年的发展，相当数量的居住街区在日照规范刚性约束下也暴露不少问题：一方面，根据“日照间距”模式建设了大量的多层行列式住宅，形成有学者提出的“平行城市”特征，并被指出居住建筑布局存在千篇一律的问题。另一方面，为了增加城市地块开发强度，对高层建筑采用“日照时间”模式，大幅缩小高层建筑南北向间距，是导致我国城市高楼林立的原因之一（图1）。

▲ 图1 | “平行城市”“千塔之城”示意

存量更新阶段，应对现代城市高密度发展与日照环境保障的双重需求，如何在日照规则单一刚性控制的基础上，为设计师、使用者保留弹性空间去塑造城市环境，是本文讨论的核心问题。

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“日照罩面”控制机制

2.1 “日照罩面”概念及其演变

“日照罩面”（solar envelope）概念最先由南加州大学拉尔夫·诺里斯（Ralph L Knowles）于1969年提出。作为一种建筑和城市设计的方法，“日照罩面”技术能够保证街区内部建筑对周边地块不会产生日照遮挡，在此基础上形成街区内最大的建筑体积范围，适用于城市一般街区。该技术在满足了城市地块之间日照公平性的同时，亦为地块内部的空间布局和建筑设计留有余地。卡罗·拉蒂（Carlo Ratti）与尤基尼奥·莫雷诺（Eugenio Morello）于2009年在米兰交易中心重建案例中，提出了“sunscape”的概念，运用Matlab技术将“日照罩面”概念运用到大尺度的城市街区改造设计中，进一步拓展了“日照罩面”技术的应用范围（图2）。

▲ 图2 | “日照罩面”图解

资料来源：KNOWLES R L. The Solar Envelope: Its Meaning for Energy and Buildings[J]. Energy and Building，2003(35): 15-25。

2.2 “日照罩面”的基本原理

“日照罩面”的尺寸和形状是由空间要素和时间要素两方面共同作用而形成的。空间要素即生成街区的轮廓及周边建成环境，时间要素指所要保证日照直射的时间段。“日照罩面”可以避免“阴影界面”外出现不可预期的阴影。“阴影界面”即考虑到周边城市环境和街区特点后允许的阴影范围。“阴影界面”的高度同样受到相邻用地性质的影响，一般而言，住宅建筑的“阴影界面”高度低于商业建筑和工业建筑。

2.3 “日照罩面”操作步骤

“日照罩面”的操作方式可以被概括为五个阶段。阶段一，对需要生成 “日照罩面”的不同地块，收集其相关的几何形状、朝向和城市环境数据。阶段二，建立适应性的规则以平衡地块建设量和日照品质。阶段三，针对确定的地块生成“日照罩面”，以使其满足地块未来发展的需要。阶段四，对每一块基地给定一个可以接受的建设量区间。阶段五，对选择的地块长期执行制定的建筑计划，制定真实而详细的建筑计划，以确保“日照罩面”满足未来需要。

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“日照罩面”影响因素分析

日照时间控制区段、地理位置、地块形状，及地块长宽比和朝向等因素均会对“日照罩面”的形状产生影响。

3.1 日照时间

随着日照控制时间段从8点至10点转移至11点至1点，罩面的体积从216 414 m3增加到789 933 m3，两者相差超过3.6倍，街区可建设高度从26 m增加至88 m。当日照时间为9点至11点以及10点至12点两个梯段时，罩面的体积分别为459 121 m3和667 784 m3，两者分别为正午2小时罩面体积的0.58和0.85，最大可建设高度为63 m和79 m（图3a）。

3.2 地理位置

通过对比四个城市的研究结果发现，日照罩面技术应用在广州可以获得最大的街区开发强度，“日照罩面”的建设体积达到1 045 500 m3，最大建设高度大于100 m，按建筑层高3 m、建筑密度50%计算，街区容积率最大可达到7.7。哈尔滨的日照罩面体积最小，最小值仅324 445 m3，按照建筑层高3 m、建筑密度50%计算，街区容积率约2.4。广州罩面体积最大的主要原因是其位于低纬度地区，太阳高度角在冬至日较高。哈尔滨罩面较小主要原因是其地理纬度较高，太阳高度角在冬至日较小（图3b）。总体而言，日照罩面技术在上述城市具有较好的适应性，基于该方法的城市开发强度控制，不仅能够满足城市新建区基本的功能需求，而且可用于城市建成区的更新改造。

▲ 图3 | 不同日照时间和地理位置的“日照罩面”

3.3 地块几何

由朝向差异和东西宽度差异两个因子叠加生成77个不同几何参数的街区模型，其街区面积均为22 500 m2，生成的罩面体积差异较大。正南北向时，当w=125 m时，该街区“日照罩面”体积最大接近837 981 m3，按建筑层高3 m、建筑密度50%计算，该地块理论上的容积率可以达到6.2左右，极限状态可达12.0。

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基于“日照罩面”技术的实证案例

“日照罩面”技术可以有效协调城市建筑高度、开放强度与日照需求三者的关系，在未来中国城市设计实践中具有一定的潜力。以华北某地区城市设计为例，基于“日照罩面”的城市设计程序主要包含气候环境分析、基于地块单元的“日照罩面”生成、形态优化与日照检验、模式对比、片区城市设计生成五个步骤。

4.1 步骤一：气候环境分析

通过对全国各主要地区的平均太阳辐射分析发现，华北区域的日照资源丰富，比全国大多数地区日照条件均好。该地区每小时平均辐射量151 wh/m2，夏季日照时间较长，冬季日照时间较短。该地区年平均气温12.6 ℃，4月至9月平均气温21.8 ℃，10月至3月平均3.43 ℃。

4.2 步骤二：基于街区地块的罩面生成

现状以空地为主，可以按相对理想的模式针对街区内部不同地块的划分方式展开进一步研究。根据不同的地块划分次数将其分为单一块地、两地块、三地块和四地块共计12个不同的模式，对街区的进一步划分一方面使得地块的尺度与建筑尺度相近，另一方面形成了不同大小地块组成的街区，最小的地块2 400 m2，最大地块约10 800 m2，更加适应现代城市复杂功能的需求。日照罩面街区最南侧中部可建设高度为65 m，南侧边缘可建设高度30 m，北侧可建设高度10 m（图4）。

▲ 图4 | 基于地块日照罩面生成

4.3 步骤三：基于“日照罩面”的

合院建筑生成和日照检验

以地块边线为合院建筑外轮廓线，建筑进深为10 m，生成多层四合院建筑体块。结果显示，东西向均等二分院与东西向不均等二分院的建筑面积较大，分别为42 587 m2和42 221 m2，当建筑进深增加到12 m，街区容积率可达到3.54和3.52。均等四分院建筑面积最小的约24 720 m2，街区容积率为1.71，如果建筑进深增加到12 m，则街区容积率可达到2.06，约为东西均等两分院的60%。虽然该模式街区建筑面积较小，但其整体建筑高度也最低，建筑体量较小，比较适合结合城市开敞空间布局（图5）。

▲ 图5 | 日照时间模拟分析

4.4 步骤四：建筑组织模式对比

与行列式多层小区相比，在同等高度下“日照罩面”模式可以获得更大的容积率，更加灵活的空间组织；与塔楼式小区相比，在同等容积率要求的情况下，“日照罩面”模式的整体高度更低，对周边建筑的日照影响更小；与传统庭院式建筑相比，该模式具有较大的容积率，建筑高度具有相对的灵活布置空间（图6）。

▲ 图6 | 建筑模式比较

4.5 步骤五： 城市片区设计

根据遴选出的东西均等二分院，东西均等三分院，东西不均等三分院、四分院为主要单元组织日照适应性片区。片区尺度约为1 200 m，每边由九个街区构成，步行10 min可以覆盖全片区，片区中心为由绿地公园构成的南北向开敞空间轴线，周边设置创新工坊、商业服务、餐厅、小学等服务性设施。片区内含九个社区单元，社区单元为边长约360 m×360 m 的正方形，每个社区的单元由九个街区单元构成，步行3 min可以覆盖全社区，社区中心考虑设置基层社区中心、幼儿园、绿地、茶室等共享设施（图7）。

▲ 图7 | 城市片区轴测示意

通过不同街区模式的有机组织，可形成整体有序、内部变化多样、均好性强、空间灵活的城市片区。基于“日照罩面”技术展开的该片区平均容积率达到3.02，建筑最高点控制在65 m以下，平均高度30 m并满足了日照基本需求，实现了在不建高层建筑前提下也可以容纳现代城市基本功能的目标。方案试图营造出更加亲近大地、尺度宜人、灵活利用日照的城市环境。

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结语

“日照罩面”概念可以有效平衡高密度城市建设与日照品质的关系。本文结合Grasshopper平台编制“日照罩面”生成技术，初步验证了其在中国应用的可行性。“日照罩面”技术提供的不仅是一套几何计算模型，更是一种以公平日照为基础、以空间弹性为手段、以城市品质为目标的探索。该技术可以在既有日照规范中的刚性约束下为城市设计提供弹性空间，释放设计师的创作潜力，为中国的城市形态在日照规则的有限约束下提供更加丰富而具有地方特色的多选可能。