在炎热的城市峡谷中，3D立面几何结构作为一种双重被动控制手段：减轻街道上的地铁负荷并降低热量负荷

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：3D Fa?ade Geometry as a Dual Passive Control in Hot Urban Canyons: Reducing Street MRT and Cooling Loads

研究通过模拟五种三维建筑立面形态，分析其对地中海峡谷微气候的影响，发现立体形态可降低峰值墙温达8.5°C，减少年冷却能耗9-16%，并改善行人热舒适度，朝向影响显著。

　　

埃马努埃莱·纳博尼（Emanuele Naboni）|格拉齐亚诺·恩佐·马尔凯萨尼（Graziano Enzo Marchesani）|罗伯塔·科奇·格里福尼（Roberta Cocci Grifoni）

西班牙塞维利亚大学

摘要

在炎热夏季的城市中，水平和垂直的表面特征共同塑造了城市微气候。尽管最近的研究关注了三维（3D）立面几何形态，但它们对建筑冷却能耗和行人热舒适度的同时定量影响尚未得到明确。我们在一个受控的地中海峡谷环境中（高宽比H/W = 1.0，尼科西亚，塞浦路斯）模拟了五种立面形态：平面型、像素化型、楔形型、雕刻型和波浪型，并比较了夏季的热条件。我们使用Honeybee–EnergyPlus–Radiance工作流程进行模拟，该流程已在实验室条件下经过验证（平均偏差MBE + 0.06°C；均方根误差CV(RMSE)为3%），以量化墙体表面峰值温度、路面状况、行人水平平均辐射温度（MRT）、通用热气候指数（UTCI）小时数以及建筑物的年冷却能耗。

在当前气候条件下，3D立面将墙体表面峰值温度降低了多达8.5°C，年冷却能耗降低了9-16%；而在RCP 8.5情景下，节能效果缩小至6-9%。立面的朝向至关重要：在南北走向的峡谷中，3D立面使行人水平平均辐射温度降低了4.7°C，并将UTCI“非常强”等级的暴露程度降低了9个百分点。为了说明这些几何形态效应的幅度，讨论中提供了与现有立面被动策略相比的参考范围。与基于材料的干预措施相比，3D立面的冷却效率略高（最高可达16%，而后者为7-15%），并且在改善行人舒适度方面与反光涂层相当（MRT降低3-5°C）。这些发现为根据具体朝向部署3D立面作为一种被动的气候响应性建筑围护结构提供了基于证据的支持。

引言

由于快速的城市化和人口增长，气候变化的加剧使得建筑物和城市成为人为变暖的积极参与者和直接受影响的对象[42,82]。政府间气候变化专门委员会确认，气候变异性的增加加速了热浪的频率和强度，从而加剧了热应力[39]。这种情况要求重新评估城市形态和立面细节，以使建筑环境与室内室外双重尺度的热调节和微气候性能策略相协调（Naboni, 2019a; [68]）。

数十年来，城市热研究主要关注路面、街道和屋顶等水平表面作为主要的缓解措施[65,79]。尽管垂直表面和建筑立面在密集区域中占很大比例，但它们受到的系统研究相对较少[29]。Fox（2018）明确指出了这一差距：“大多数城市表面研究都集中在水平表面特性上；单个建筑立面的研究仍然不足。”最近的研究越来越多地认为立面是积极的微气候调节器[27]，然而，尚缺乏足够的定量证据来指导设计和实践。

在现有文献中讨论立面时，主要侧重于基于材料的解决方案。高反照率饰面、反光涂层以及植被或绿色立面系统能够反射或重新定向太阳辐射[13,44,85]。这些处理方法可以将短波辐射从表面反射出去，但同时也会对相邻立面和公共空间产生辐射副作用，从而影响局部平均辐射温度[85]。其他研究方向探讨了纳米和微几何表面处理方法，以减少太阳辐射的吸收，并在密集的城市环境中实现可测量的表面温度降低（Han, 2015; Yuan, 2015, 2023）。

与这些材料进步同时，建筑设计的发展将三维立面几何形态置于建筑技术的前沿。采用3D立面反映了多种驱动因素：对室内热和光性能的日益增长的需求、对气候的响应性遮阳功能，以及建筑对空间深度、图案和动态视觉身份的追求。建筑师使用复杂的形式、波纹状平面和分层表面，将静态的建筑围护结构转变为能够随一天中太阳光照变化而互动的系统。这种三维立面设计的扩展为街道-建筑微气候界面上的形式集成被动调节开辟了一个尚未充分探索的领域（Naboni, 2020; De Luca, 2020; Hannoudi, 2024）。

最近的综述证实了对3D立面热性能的兴趣日益增加（Bahri, 2022）。例如，模拟显示多角度立面可以减少年冷却需求（Hannoudi, 2024）。然而，这种对室内性能的关注忽略了它们对室外热舒适度和峡谷能量流动的影响（Alchapar, 2014），鉴于迫切需要适应气候变化的建筑围护结构，这是一个重要的遗漏（[22]; Takebayashi, 2016）。尽管模块化立面的发展，特别是基于混凝土的系统（[18]; Menna, 2020），使得这类设计更加普遍，但它们在现实世界中的实际冷却效果仍缺乏同行评审的实地测量数据，从而在城市-峡谷尺度上留下了证据空白。

我们在本研究中假设，通过设计，几何形态调节热行为的能力是基本城市气候原理的直接延伸。几十年前，Oke[64]就确定了辐射捕获、天空视野限制和储存的热质量是紧凑城市几何形态的关键功能。当应用于建筑尺度时，这些原理表明，多角度、分面的或深度细分的立面可以有效阻挡直射阳光路径，改善自我遮阳效果，并促进向天空的辐射散发（Vallati, 2017; Cardinali, 2022; [88]）。更具体地说，我们认为几何形态的调节应该会影响局部平均辐射温度（Naboni, 2019），进而影响城市峡谷内的行人热舒适度（Sezer, 2023），这种影响具有强烈的朝向依赖性，如果反射作用在未来气候条件下增加行人负担，则可能产生不良适应。在撰写本文时，关于不同建筑形式作为气候适应策略的比较证据仍然有限。本研究旨在填补这一空白，探讨：三维立面几何形态如何通过改变表面温度场、调节辐射交换以及缓解当前和本世纪中叶气候条件下的行人舒适度来减轻城市热应力。

为了回答这个问题，我们的研究采用了参数化工作流程，使用Ladybug Tools（Ladybug Tools, n.d.），该工具结合了EnergyPlus引擎进行动态热传递模拟和Radiance进行高保真度太阳辐射建模（Evola, 2020; Naboni, 2020）。我们引入了自定义增强功能、精确的视角因子映射和光谱分解，以捕捉多次反射的短波行为以及长波交换，从而评估立面细节如何重塑复杂城市几何形态中的短波和长波辐射通量（Wang, 2022; Hosseini, 2019; [95]）。

本文的其余部分将引导读者了解从方法论到应用的全过程。首先，在“方法”部分，我们概述了研究方法，包括模拟工作流程的实验室验证、立面的参数化设计以及测试的气候情景。接下来，“结果”部分评估了每种几何形态对立面表面温度和行人舒适度指标的影响，包括平均辐射温度（MRT）、通用热气候指数（UTCI）和年冷却负荷。然后我们在“讨论”部分解释这些发现，分析其背后的物理机制，将3D几何形态的性能与现有的冷却策略进行对比，并批判性地评估在不同气候情景下的特定朝向优势和不适应风险。

研究目的和目标

本研究旨在量化三维立面几何形态作为炎热城市峡谷中被动、气候适应设计元素的作用，具体表现为：(i) 降低立面表面温度；(ii) 在当前和本世纪中叶的夏季极端条件下缓解行人热暴露；(iii) 减少不透明建筑围护结构相关的年冷却负荷（加热负荷可以忽略不计）。分析将形态作为主要变量，并区分建筑侧和……

文献综述

本文的背景旨在涵盖这项研究的跨学科范围，它涉及建筑设计、建筑物理学和模拟方法论的交叉领域。在这里，讨论分为三个互补的部分。第3.1节将三维立面几何形态置于建筑和形态学先例的背景下，确定其与平面基线的辐射机制差异。第3.2节综合了来自现有研究的定量基准……

方法

本研究采用了一种受控的、以几何形态为主导的实验设计，以隔离三维（3D）立面的热影响。在单一参数框架内，立面形态是唯一的独立变量：评估了五种类型（平面型、像素化型、楔形型、雕刻型和波浪型），因为它们反映了当前的实践并涵盖了不同的形态学原理（例如凹陷深度、面角、细节频率）。所有非几何因素，如城市峡谷的形态和材料……

按朝向对表面的参数分析

对五种立面设计的分析表明，与标准平面表面相比，三维几何形态显著降低了墙体表面温度（表7）。主要的表面冷却机制——自我遮阳，在东向和西向的立面上最为有效，因为这些方向接收到的阳光强度大且角度低。楔形立面在东侧墙面上实现了最大的峰值温度降低，降低了8.5°C，而像素化立面在西侧墙面上降低了6.1°C。

结论

本文量化了三维立面几何形态在炎热城市峡谷中的双重被动控制作用，影响了建筑物的冷却需求和行人的热应力。在塞浦路斯尼科西亚的一个典型高宽比H/W = 1.0的峡谷中，细节丰富的立面实现了三个主要结果：首先，东向立面的墙体表面峰值温度降低了8.5°C，西向立面降低了6.1°C。

局限性与未来工作

测试环境代表了一个炎热夏季的地中海峡谷，并针对统计上最热的夏季周以及2050年的高强迫情景进行了测试。通过在更多气候类型（包括潮湿和多云气候以及太阳高度和短波与长波交换不同的较高纬度地区）进行复制，将增强结果的普适性。风的影响通过EnergyPlus外部对流和……

数据和代码的可用性

本研究的所有材料，包括Rhino 8几何模型（.3dm）、Grasshopper定义（.gh）、EnergyPlus/Radiance输入和关键输出文件以及Python后处理脚本，都公开存储在一个开源仓库中（Naboni & Marchesini, 2025a, 2025b）。

CRediT作者贡献声明

撰写——初稿：E.N.；概念化：E.N., R.C.G.；方法论：E.N., R.C.G., G.M.；软件：G.M., E.N.；实验室条件下的验证：G.M., E.N.；数据管理：E.N., G.M.；数据分析和解释：E.N.；文献综述：E.N.；可视化：G.M., E.N.；监督：E.N.；重新提交：E.N, G.M.

缩写列表

BST，建筑表面温度（°C）；CV(RMSE），均方根误差的变异系数；EPW，EnergyPlus天气文件；GCM，通用环流模型；H/W，高宽比；HRR，高反射率；IDA ICE，室内气候和能源；IWEC2，国际能源计算天气数据，版本2；LBT，Ladybug Tools；LWR，长波辐射（W/m2）；MBE，平均偏差误差；PCM，相变材料；PET，生理等效温度（°C）；RCP，……

未引用的参考文献

[1,3,6,7,9,[10], [11], [12],14,[15], [16], [17],19,20,26,28,31,[33], [34], [35], [36], [37],43,[46], [47], [48],[53], [54], [55], [56], [57], [58], [59], [60], [61], [62],67,69,[71], [72], [73], [74], [75], [76], [77], [78],81,84,86,87,89,[90], [91], [92], [93], [94], [95], [96], [97], [98], [99], [100], [101]

CRediT作者贡献声明

埃马努埃莱·纳博尼（Emanuele Naboni）：撰写——初稿；可视化；验证；监督；软件；项目管理；方法论；调查；数据分析；概念化。格拉齐亚诺·恩佐·马尔凯萨尼（Graziano Enzo Marchesani）：可视化；软件；方法论；调查；数据管理。罗伯塔·科奇·格里福尼（Roberta Cocci Grifoni）：方法论；调查；概念化。