作者：杨俊宴
出版社：东南大学出版社
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城市中心3D噪声地图与空间形态耦合机理及优化设计试读：
前言
随着我国城镇化的快速发展，环境问题越来越成为城市发展中的重要问题，阻碍着城市可持续的发展，噪声问题已成为城市环境问题的四大公害之一。国内外对城市噪声预测、噪声的控制与防护进行了广泛的研究，对噪声的起源、传播、控制与消减已有较多的成果，但是从城市空间形态的方向出发，以城市规划的视角对城市噪声环境展开的研究相对较少，目前已有研究证明城市噪声环境与城市空间形态存在联系，城市噪声的产生、强度与分布都和城市的道路交通系统、街区用地开发、地块建筑形态肌理等城市规划元素紧密相关，城市道路的布局、街区模式的开发以及建筑形态的设计都会对外部空间声环境产生影响，因此关于城市空间形态与噪声环境的耦合研究有着重要的意义。
本书从城市中心区空间形态与噪声环境的关系入手，将城市街区的空间形态要素归纳为“建筑密度、街区围合度、建筑尺度”等可量化的指标，并运用抽象模型的分析方法分析了空间要素指标与街区噪声环境的相关性；以南京市新街口中心区为研究范围，结合研究需要设计了实测方案，对中心区街区的噪声环境进行了实地测量，基于实测数据结合软件模拟生成了中心区的噪声地图，并基于实测模拟的声环境数据初步分析了中心区噪声的时空分布规律；通过对街区空间形态的解析将街区空间归纳为“无围合大体量”、“半围合散点式”、“高围合周边式”等空间模式，结合实际街区的声环境数据分析了街区空间肌理、建筑组合形态、空间布局等空间要素对外部空间声环境的影响作用，分析了不同形态模式对于优化街区声环境的优势与问题；最后本书基于实际空间形态对声环境的影响作用的分析，从城市规划、建筑设计、景观设计的角度针对不同的城市环境提出了相应的声环境的优化策略。
本书研究尝试从城市空间形态的角度对城市声环境展开初步分析，为后续城市声环境的研究提供了基本的研究技术方法与分析思路；将城市声学研究与城市规划设计相结合，提出了基于规划学科的城市声环境的调控策略。1导论1.1城市噪声环境概况与研究意义1.1.1 城市发展中的噪声问题及影响
随着我国城镇化进程的不断加快和城市的飞速发展，环境问题越来越成为城市发展中的重要问题，阻碍着城市可持续的发展。城市噪声问题是当前城市发展面临的环境问题之一，严重影响着城市居民的日常生活。相关人士在我国的北京、上海、沈阳、成都等十大城市做过调查，发现有21%的居民认为受到了严重的噪音干扰，有30.1%的人认为有噪音但还可以承受，只有26.8%的居民认为基本没有噪音污染。同时，交通、施工、邻居活动和商业设施成为最让城市居民头痛的四大噪音源。2012年，我国环境噪声投诉数据占环境投诉总数的比例约为42.1%，全国已有3/4以上的城市交通干线噪声平均值超过70dB（A）。
噪声污染与水、大气、固体废物污染并称为城市环境问题的四大公害，城市噪声会对城市居民生活健康造成危害，大量的研究表明噪声危害人的身体健康、干扰城市居民正常的活动与休息，还会降低工作效率、使人精神涣散。噪声污染会影响到城市居民的正常休息，30～40 dB等级是比较安静的对人体影响不大的噪声压级，超过50 dB的噪声压级就会影响到人的休息与睡眠，而超过115 dB可能造成耳聋。听力损伤导致听力下降平均超过25 dB时，会出现语言听力异常的症状，造成主观感觉上的会话困难。除了影响人的听觉以外，噪声对人的心血管系统、消化系统、视力与神经系统等其他身体系统也会造成损害，对人体神经系统的危害表现为头痛和睡眠障碍为主的神经衰弱症状群以及植物神经功能紊乱等。城市环境噪声还是心血管疾病发病率增加的重要原因，噪声影响会使心血管系统出现血压不稳、心率加快等症状。1.1.2 城市噪声问题与城市规划的调控
城市噪声问题起源于城市的不断发展，也是现代城市规划学科需要解决的城市问题之一。作为公众环境问题的交通噪声，其产生者与受到影响的人群都是非特定的，要解决这类问题，维护城市居民的公共利益，需要政府和城市规划学科的调控。《城市规划编制办法》指出：“城市规划是政府调控城市空间资源的重要公共政策之一。”而交通噪声实质上属于一种“负面”的空间资源，也应属于城市规划的任务之一，也需要在规划层面通过路网规划、土地利用、规划管理等对其合理配置。
城市规划对于城市噪声问题的调控具有可行性，城市噪声问题是影响因素多而复杂的综合型问题，城市路网布局、街区开发、用地布局、建筑形态布局等城市规划中的要素都会对城市声环境产生影响，因此从规划的角度出发可以对各项影响因素进行综合的统筹，将宏观的政策调控与微观的空间形态设计相结合，对于城市声环境的优化有更高的可行性。同时城市规划调控具有更大的控制力度，有利于噪声调控措施的实施，城乡规划的编制成果如总体规划、控制性详细规划等均具有一定的法律地位，在宏观的规划措施与微观地块指标控制等方面如果能加入对城市声环境优化的考虑，相应的优化城市声环境的措施也就能得到落实。1.1.3 城市空间形态与噪声环境研究的意义
噪声问题是城市快速发展、规模不断扩大背景下的产物，许多学者的研究都证明城市声环境的分布与城市的道路交通系统、街区用地开发、地块建筑形态肌理等城市规划学科的内容有着紧密的联系。从城市角度对噪声环境的研究具有重要的现实意义，可以分为以下几点。（1）城市空间形态与噪声环境的影响研究将城市噪声控制由物理声学问题转化为城市规划学科研究探讨的课题，将声环境分布的物理现象与其所在的空间形态结合起来，从城市规划设计、空间形态布局的角度看待城市噪声问题，提供了分析研究城市声环境问题的新的视角与方向。（2）城市中心区是城市的核心区域，是用地开发强度高、交通流量大、公共活动密集的城市片区，也是噪声问题多发的地区。相对于城市周边的大面积住区、产业区来说，中心区的空间布局更为紧凑，空间形态更为多样，交通流量更为巨大，人群活动更为聚集，因此也具有更为复杂的噪声环境分布。研究城市中心区的噪声环境，有助于深入探究噪声分布与空间的关系以及空间形态因子如何影响噪声环境，对于指导城市规划实践、构建更为合理的城市空间形态有着重要的意义。1.2国内外相关研究的发展动态1.2.1 城市声环境的基础研究
1）城市噪声声源的类型构成研究
城市噪声本质上是城市活动产生的各类声音中的一部分，由于对城市居民日常活动造成影响而被定为噪声，并通过相关规范进行界定。《城市区域环境噪声标准》等国标对城市噪声类型进行了界定，将城市环境噪声分为工业噪声、交通噪声、施工噪声和社会生活噪声四大类，并将城市噪声区域划分为0类至4类5种功能区。城市噪声的研究在此基础上展开。部分学者对噪声的声源类型、产生及分布进行了相关研究。刘砚华、高小晋等人基于国家监测提供的城市区域环境噪声数据，对我国城市声环境的质量进行了现状分析，从道路噪声、区域噪声和功能区噪声三个方面评价了我国城市声环境的质量分布，对数百座城市的噪声污染情况进行了统计。此外还抽取了我国北京、南京等8个大中型城市，研究了各类功能区的噪声变化及超标情况，对城市中心区等地段的超标量及超标时段进行了详细的统计分析。同时还基于全年的噪声统计数据，以季度为区间，绘制了区域噪声的季度分布趋势图，研究了一年内的区域噪声变化。
2）城市噪声对居民的活动影响研究
噪声问题源自其对城市居民的不良影响，因而有大量的研究将关注点放在城市噪声的承受主体——城市居民身上，研究噪声如何作用于人体以及产生怎样的影响效果，目前该类研究集中于生理学和社会学领域。生理学的研究聚焦噪声对人体产生的危害，姚玉红、彭斌等从听觉系统、神经系统、心血管及其他器官系统等方面分析了城市环境噪声对人体功能的影响。王铁军在研究中分析了工业噪声对人的危害以及相关的应对策略。
城市噪声对人群的影响不仅体现在生理层面上，同时还表现在心理方面，会对城市人群的居住活动、公共活动产生各类负面影响。目前的研究主要集中于城市噪声对居住区的活动影响方面。张树玲等学者运用噪声数据统计与噪声影响问卷结合的方式，分析了居住区周边环境中的噪声类型分布及强度比例，以及人群对各类噪声的反映情况，并研究了各类噪声对不同年龄段人群的相关活动影响；臧程程在研究中运用了模糊综合评判法研究城市交通噪声对居住区的影响，将居民的主观反映进行数值处理，得出反映噪声影响的综合结果。
另一类活动影响研究以噪声烦恼度为主题。噪声烦恼度的研究主题是将噪声对人的活动影响量化，以烦恼度的数值形式来表现。在城市规划层面主要有交通噪声及社会生活噪声的烦恼度研究，将噪声影响量化的烦恼度模型是烦恼度研究的一个重心，闫靓、陈克安等学者以各类噪声烦恼度计算模型为研究对象，通过分析模拟计算，对各类模型的相关性分析及预测性能进行了比较。另一批学者在各类烦恼度研究中，提出了噪声烦恼度阈值的概念，认为人对噪声的外部影响存在一个反应界限值，作为安静和吵闹的分野。该阈值最初取以50%烦恼概率对应的噪声压级数值。孙远涛、潘仲麟等学者考虑到人的主观反映的模糊性，使用模糊数学的理论来对人群的噪声反映进行数据分析，提出了噪声烦恼度计算的阈值模型，可以根据数据计算出不同区域的噪声阈值。1.2.2 噪声地图的模拟与绘制
1）噪声地图的应用
噪声地图（Noise Mapping）的研究开发最早在欧盟开展进行，欧洲委员会（European Commission）发表了有关环境噪声规划绿皮书——未来的噪声政策，指出噪声影响的严重性并建议绘制噪声地图。在那之后，欧盟噪声地图工作组WG Noise Maps成立，在2002年6月发布了官方文件——欧盟环境噪声指令Environmental Noise Directive2002/49/EC，简称END指引，其中提出了欧盟主要城市和聚居区绘制噪声地图和提出噪声防治规范的要求。END指引提供了一个统一的噪声计算方法和计算标准，依据指引，英国、法国、瑞典、德国、西班牙等国都绘制了各自城市的噪声地图。
最早绘制整个城市噪声地图的是英国伯明翰市。英国伦敦开发了可在互联网查询的城市噪声地图，并在2008年5月发布，人们可以在网站通过街道名称、邮编或地理坐标查询各个城市区域的噪声水平，了解城市不同地区的噪声环境。英国城市噪声地图研究成果如图1-1所示。法国巴黎的道路交通噪声地图用分区的形式，并提供白天、夜间和夜晚的噪声数据，可通过2d或3d的方式来查询。国内的噪声地图制作起步较晚。2006年香港在特区政府环保署网页上公布了全港地区的噪声地图（图1-2）。2007年台湾也利用监测数据绘制了台南的城市噪声地图。蔡铭等学者自主研发了名为“中大声图”的城市环境噪声模拟与评估系统，使用自主的噪声模拟预测模型，结合GIS平台开发出一套噪声地图系统，并在广州市实践绘制出了广州市内环路交通噪声地图和珠江新城区域噪声地图。图1-1 英国城市噪声地图研究成果*资料来源：http:/ /services.defra.gov.uk/wps/portal/noise图1-2 香港油尖旺地区噪声地图*资料来源：http:/ /www.epd.gov.hk/epd/misc/noisemodel/chi/c index.htm
2）噪声地图的预测模型研究
噪声地图的绘制包括测量绘制与模拟绘制，模拟绘制主要以城市交通噪声为对象，通过交通噪声源的模型设计和户外声传播的模型计算生成。交通噪声源的模型设计和户外声传播的模型计算，世界各国结合各自国家的特点，有着不同的道路交通噪声源模型。欧盟国家通过Harmonoise and IMAGINE规划，使用其中的道路交通噪声源模型来改善预测精度;1978年美国联邦高速公路管理局发布了FHWA高速公路交通噪声预测模型，随后在1998年发布了TNM模型，增强了预测模型的适用性；1975年英国交通部发布了CRTN（Cal-culation of Road Traffic Noise）模式，并在1998年发布了其改进版；在1981年和1990年德国交通部公路司发布了RLS81和RLS90模型，噪声模拟软件Cadna/A就是由德国公司基于RLS90模型的基础上开发的。
我国在噪声预测模型的研究方面起步较晚，原国家环境保护总局在1995年发布了《环境影响评价技术导则声环境》（HJ/T 2.4—1995），之后交通部在1996年颁布了《公路建设项目环境影响评价规范（试行）》（JT J005—96），在此基础上2006年交通部颁布了《公路建设项目环境影响评价规范》,2008年环境保护部发布了《声环境质量标准》（GB 3096—2008）。这些标准规范中推荐使用的噪声预测模型是以美国FHWA模型为基础适当修正得到的。为了使道路交通预测模型更符合我国的实际情况，许多学者对噪声预测模型的调整进行了研究。石垚等学者结合FHWA模型在实际情况下的运用，分析了中国城市道路中影响因子的差异，对FHWA模型做了进一步改进，并在兰州市进行了实践。
3）噪声地图的软件模拟研究
运用噪声模拟软件对城市环境进行模拟研究是噪声地图研究的另一大类型，许多学者运用德国噪声模拟软件Cadna/A开展了以城市空间为主体的不同尺度、不同类型的模拟研究。徐志胜等学者以Cadna/A噪声计算模式为基础，建立了基于Cadna/A软件的高速铁路噪声预测模型，并结合实际情况模拟了铁路噪声环境。郑庆峰、李宪同、娄金秀等学者运用软件对噪声在垂直空间上的分布做了模拟研究，以城市中的高层生活居民楼为研究对象，使用Cadna/A软件模拟垂直方向的噪声变化，分析了噪声强度在建筑垂直方向上的变化情况，结合实际测量数据做了对比分析。刘培杰、韩文辉、郭晓峰等学者探讨了Cadna/A噪声模拟软件在城市交通噪声预测评价中的应用。郭晓峰在对城市高架道路噪声影响的研究中，指出传统预测模型在城市高架路预测上的不足，并使用软件模拟了上海青虹路高架的断面噪声分布。
软件模拟也被用于生成城市不同尺度区域的噪声地图，Castro Pinto在对巴西里约热内卢有着高密度人口的区域Copacabana的研究中，为研究区域的噪声问题，使用噪声软件模拟了主要区域的噪声分布情况，模拟结果与采样取点的实测数据校核误差较小，说明运用软件模拟噪声地图分析城市空间与声环境问题的可行性。周旻等学者研究了噪声模拟软件结合地理信息系统平台的噪声地图模拟及发布，结合GIS对城市空间数据的管理分析以及空间建模的功能，GIS空间数据处理与噪声软件模拟相结合，生成了广州市中心城区某区域的噪声地图，并讨论了基于WebGIS的噪声地图系统的网络发布。1.2.3 城市规划角度的噪声环境研究
1980年以来，西方学界开始关注城市微气候与城市空间形态间的关系，认为城市的街道、街区、建筑构成的与自然形态相对的城市空间形态产生了独特的城市微气候，噪声问题是城市快速发展、规模提升背景下的产物，与城市交通结构、街区肌理形态紧密相关。从城市角度出发对噪声环境的研究具有重要的现实意义，包括研究城市形态对城市声环境的作用，以及城市规划设计中对噪声环境的改善优化。
1）城市空间形态指标的相关研究
城市空间形态研究自身是一个较为广泛、内容丰富的学科领域，涉及建筑学、城市规划多学科，同时也包含多个不同的空间尺度，在研究城市空间形态对城市噪声环境的影响作用之前，首先需要了解城市空间形态研究领域中与城市声环境研究相关联的研究内容与成果，包括研究尺度的大小、研究空间对象的范畴、研究关联因子的界定表达等。
城市空间形态研究依据研究对象的尺度大小，可分为宏观、中观、微观等不同研究尺度，包含城市总体层面的大尺度形态研究，中观尺度的街坊片区的形态研究以及微观尺度街区内建筑形体的组合形态研究。在城市物理环境研究中，也存在不同尺度的研究范畴，在气候、环境研究领域中会涉及城市边界层（Urban Boundary Layer）、城市冠层（Urban Canopy Layer）和城市街道层峡（Urban Street Canyon），涉及不同的尺度与气候区域，城市声环境是城市活动发展形成的城市物理环境，因此其研究的尺度与范畴与产生城市噪声的街道、城市片区密不可分，城市形态与声环境的互动研究集中于中微观的研究尺度，街坊与建筑物尺度的空间形态研究对于探究声环境与空间形态的影响具有参考价值。
一些学者的研究已证明中微观的城市空间形态与城市声环境之间存在影响作用，并开始研究城市形态与物理环境间的关联性。他们使用数据指标的方式对城市空间形态元素进行量化，是展开空间形态与物理环境关联研究的基础。基于建筑学与城市规划的视角，一些学者针对中微观尺度的空间形态指标及具体的形态模式展开了研究，研究的指标类型可分为两类：一类是常见的地块容量的控制指标，如容积率、建筑密度与建筑高度，如图1-3；另一类是与形体肌理相关的形态指标，包括建筑离散度、天空可视度及建筑尺度等肌理指标。图1-3 MVRDV研究建筑密度、容积率的街区空间布局*资料来源：MAAS, Winy; KOEK, Richard（ed.）.FARMAX:excursions on density.010 Publishers,2006.
建筑密度、容积率、建筑高度是城市空间形态度量的基本指标，20世纪60年代以来，学界开始关注城市形态的度量与尺度控制问题, MVRDV在FARMAX一书中讨论了城市街区建筑密度指标的相关研究，关注了城市空间功能性及经济性对街区建筑密度的影响，研究以数据参数作为出发点，考虑各类对空间的影响因素，并将其运用于街区形态的控制上，提出了一系列街区形态模型与参数设计方法。基于基本空间指标的图示模型研究是指标研究的重要内容，剑桥大学建筑学马丁研究中心创始人莱斯利·马丁（Martin L）和列涅尔·马奇（March L）的相关研究取得国际性影响。1966年，莱斯利·马丁和列涅尔·马奇就城市街区形态运用数学方法展开研究，总结了以欧洲城市为参照的现代城市街区的几何形态特征，以此为基础得出了城市肌理形态的若干基本原型（图1-4），其基本原型模式对于复杂城市形态的归纳概括与分类作用很大，也成为城市物理环境研究可以参照的空间基本模型。图1-4 剑桥大学马丁提出的城市肌理形态基本原型*资料来源：Martin L, March L.Urban Space and Structures[M].Cambridge:Cambridge University Press,1972.
天空可视度（Sky View Factor, SVF）形象地表达了城市空间向天空开敞程度的几何空间参数，其数值大小在0～1之间，数值越大，天空可视度越高（图1-5，图1-6）。详细的研究可以参见Oke（1987）、Grimmand（2001）、Unger（2004），运用软件skyhelios和ENVI-met可以模拟连续变化的天空可视度，得出区域的平均天空可视度大小。天空可视度的空间意义是表达了城市空间的封闭程度，较小的天空可视度将意味着城市街区外部空间较为封闭。图1-5 球面天空可视度算法示意图*资料来源：改绘自Gal等（2007）图1-6 天空可视度的测度与模拟示意图*资料来源：孙欣绘制
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