城市气候预测:从风险到恢复力。米兰创新区建筑和基础设施的主要设计方面

1.关于气候风险和建筑环境的介绍

热浪和洪水等气候变化影响正在严重影响健康和舒适以及社会经济方面(世界卫生组织，2021年)．这些影响在市区更大(Nagarambe等人，2022)．IPCC 2018年报告(联合国政府间气候变化专门委员会,2018)，预测全球变暖1.5°C和相关的全球温室气体排放路线与工业化前水平相比将产生的影响。该报告强调了将全球变暖限制在1.5°C以内可以避免的几个影响，包括消除贫困，并将气候变化确定为一个集体行动问题。与建筑环境相关的两个主要问题是:建筑与城市规模的关系，以及它们在能源需求方面的性能。建筑和基础设施系统的碳排放量占全球碳排放量的40% (2020年联合国环境规划署)．在这种情况下，建筑和城市是低碳未来的重要组成部分，也是有形风险和过渡性风险(Bua等人，2022年)，开发商必须考虑。利用动态计算机模拟模型，研究气候变化对建筑物冷暖负荷的影响(Dodoo等人，2014)，并采用年份选择方法(邹等，2022a，b)．本文报告了一种定性方法，用于评估IPCC气候变化预测在RIBA 1阶段总体规划中的影响，并应用于米兰的一个案例研究。我们仔细考虑了人、场地和环境之间的互动，以实现舒适的室外空间。

1.1.城市发展的作用和案例研究描述

包括创新区在内的弹性城市要实现可持续发展和宜居，就需要为减少碳排放、适应气候变化和社会包容等众多挑战提供解决方案(瓦格纳等人，2019年)．这个名为“西门”的案例研究区是米兰(意大利)一个名为“米兰创新区”(MIND)的开发项目的一部分。MIND是一个公私合营(PPP)项目，是意大利第一个99年特许经营项目。MIND采用了创新区密度和邻近性的属性，以促进协作式“开放”创新和强大的社会网络。该基地的顶级研究优势包括生命科学、先进技术、先进自动化、先进制造、精准医疗、精准营养和支柱技术。这个100公顷的开发项目包括办公室、实验室、住宅、零售和公园。该基地还容纳了米兰大学的新校区，可容纳18000多名学生，拥有500张床位的研究医院，国家人类基因组研究中心和代表68个民间社会组织的基金会。创新、科学和技术是MIND的核心，这包括其可持续发展的方法，这是环境、包容性和社会创新战略的展示。MIND的目标是实施可持续发展战略，以满足1.5°C的目标(联合国政府间气候变化专门委员会,2018)．这意味着到2025年实现范围一和范围二碳排放的净零，到2040年实现包括范围三碳排放在内的绝对零，且不进行抵消(世界资源研究所WBCSD, 2018)．本文讨论的可持续性战略的一个关键部分是气候恢复力，其定义为准备和计划、吸收、恢复并更成功地适应不利事件的能力。提供一个高质量的城市领域，为社区聚会和连接提供场所，并提供气候适应资产组合，在商业上对MIND项目也至关重要。因此，室外区域必须精心设计，为一系列活动提供积极的体验，建筑和基础设施的设计必须降低风险和/或规划气候适应性。案例研究区域(见图1)拥有125,000平方米的办公室，28,000平方米的住宅，13,000平方米的酒店，10,000平方米的零售，以及多功能空间和实验室。

1.2.米兰气候概况

根据Köppen的气候分类，米兰属于潮湿的亚热带气候，夏季炎热潮湿，冬季寒冷多雾(https://weather-and-climate.com)．考虑到1999-2019年期间(IWEC2-Linate机场WMO Id: 168080)， 7月和8月的温度最高，白天平均温度为28-30°C。夏季最高气温可达35-40°C。与所有人口密集的城市一样，米兰冬季的平均气温可低至零下10°C，受到强烈的城市热岛效应的影响，导致城市温度高于周边农村。尽管这种现象在冬季尤其明显(在超过5°C的极端情况下有所不同)，但它会导致夏季城市中心的温度升高，增加了峰值温度条件下的热压力。一年四季相对湿度都很高，冬天会造成大雾，天气炎热时更会让人不适。阿尔卑斯山脉形成了一道天然屏障，保护城市不受来自北方的主要空气流通的影响。因此，风是低风速(平均<2米/秒)，很少有有限的峰值。若干小气候要素被考虑来决定环境所带来的机会和风险。虽然考虑的参数是标准城市气候评估的一部分，但MIND是意大利第一个将预测的气候科学数据纳入城市和建筑设计定义的开发项目。

2.方法

为riba1阶段设计提供参考的弹性策略(英国皇家建筑师学会，2020年)的定义分为三步:室外舒适的基线定义场地条件和主要室外功能区域的标准有效温度;使用情景规划预测和预测气候变化对项目绩效的影响;还有气候变化适应和恢复力规划讲习班确定可能造成直接和间接环境、社会和经济影响的最高潜力，并选择策略组合，使项目能够实现并保持预期绩效目标。

与警监会一致(2014年第五次评估报告)对气候变化对米兰的潜在影响进行了评估世界银行气候变化知识门户和预计的epw(能源加天气)天气档案为米兰Linate。使用IES和Weathershift™工具(狄金森和布兰农，2016年)．这些气候变化预测是高水平的，并着眼于不同的RCP情景，以概述气候变化的影响。评估主要考虑了两种气候变化排放情景:定义为适度积极缓解情景(符合《巴黎协定》的目标)的RCP 4.5和定义为一切照常情景的RCP 8.5。特别是米兰利纳特气候IWEC (ASHRAE这样,2012) RCP8.5预测的2031-2050年期间，变暖百分位数为90%，RCP8.5预测的2071-2090年期间，变暖百分位数为50%。

小气候模型和RCP数据之间的联系，在它已经被使用的地方，只是使用未来的气候数据而不是当前的气候数据进行评估。中尺度气候模式和小气候模式在时空尺度和复杂性上有很大差异，没有直接相互作用。评估工作进行如下(ARUP, 2019)：

(一)气候变化投影可视化(仅限温度和相对湿度)，使用气候预测天气数据的Grasshopper-Ladybug(气候分析工具)。这些也是epw类型的文件，使用Weathershift™创建;

(b)气候和热舒适评估根据国际气象组织对米兰的气候预测世界银行气候变化知识门户以及投影。电物理加工Weatherfile对于使用IES和Weathershift™工具生成的Milan Linate，也使用iwec2 /Milan Linate进行舒适分析图(SET^＊气候图);

(c)阳光分析为在Grasshopper中使用瓢虫/蜜蜂插件，使用气候数据(EPW)和Radiance引擎运行分析;

(d)空间热舒适分析使用Radiance(直接而不是通过蚱蜢)。

2.1.室外舒适set的基线定义^＊轮廓图

使用标准有效温度(SET)对西门地区的热舒适进行评估^＊)．之所以选择这一指数，是因为考虑到太阳辐射、空气温度、空气速度和湿度等环境因素，以及活动水平(代谢率)、与衣物的绝缘和人体温度调节机制，人们认为这是衡量热舒适的合适指标。该系统被采用ASHRAE这样(1992)．一组^＊指数没有考虑其他文化、心理和其他生理因素。这些因素都是主观的，因此不可能通过一个指标可靠地量化。集^＊索引提供了一个可靠和有效的参考点，在此基础上，设计过程中可以考虑其他因素(Laouadi等人，2020年)．

活动类型和季节也会对舒适的期望产生影响。在夏天，人们在室外时希望能暖和些。例如，如果你在公园里做娱乐活动，那么你可能会期望甚至渴望有一点温暖。相比之下，如果你是步行去上班或其他目的地，那么你会期望舒适。这导致了3个目标:实现SET的过渡领域^＊一年中的大部分时间都很舒适，居住和娱乐区域可能会有点温暖，因为人们可能会在这里居住较短的时间(见图1)．

对西门区域进行了初步评估，以确定总体规划中室外舒适度的变化。SET的室外舒适性分析^＊在气温达到38-39°C的夏季高峰日进行等高线图，以确定总体规划中可能脆弱和需要设计干预的区域。进一步详细的分析将需要对热性能进行更准确的预测。模型假设如下:

•直接和漫射太阳辐射。

•硬表面假定为气温+10°C，软表面(绿色植物和水)假定为气温;没有风模型。

•SET的空间变异^＊:

-过去20年录得的夏日高峰期(2003年8月11日)

-数据集:Linate Airport。

-来自佩奇辐射模型的太阳数据。

-这一天的最大DBT是:39°C。

-上午9点、下午1点、下午4点和晚上7点

•Clo = 0.5(西部夏季光)。

Met = 116(步行)。

•风速= 0.2米/秒。

2.2.情景规划

情景规划是一种全球公认的规划方法，用于为各种可能的未来做准备。这个过程包括想象可能的未来，并计划一个组织或一个项目将如何应对每一个可能的未来。这是从基于历史数据的预测方法到使用数据预测进行规划的转变。利用气候变化预测数据进行了一项知情评估，具体研究了气候将如何影响微气候和城市健康岛效应。该评估审查了气候事件发生的概率及其对当前和未来的潜在影响。这样就可以检查风险水平。较高的风险参数将需要适当的设计响应，并应整合到微气候设计策略中。

2.3.适应和恢复力规划讲习班

在设计研讨会上，与广泛的利益攸关方协商讨论了气候预测的结果。研讨会参与者讨论了以下影响领域:运营、市场、供应链、产品和声誉以及品牌。每个确定的风险的影响都在一个25分的风险管理框架上进行评分，该框架考虑了风险事件对发展和组织的潜在直接和间接的环境、社会和经济影响。风险优先级是作为可能性和后果的函数进行评估的。这使项目团队能够确定对气候变化最敏感的地区，并首先关注关键或重大风险，并将其纳入绩效目标减缓战略。

3.结果

结果表明，气温上升和城市洪涝灾害是当地最大的两个气候风险。的主要趋势气候变化影响评估，根据2090年所选择的气候变化排放情景，平均气温升高3-7°C和热浪发生概率增加10-20%，这两者都与受影响脆弱人口的健康风险增加有关(见图2）;极端降雨事件的强烈增加:24小时最大降水量增加多达12-24%，与持续时间短的高强度事件有关;5天最大累积降水量增加多达8-15%，与水和洪水风险增加有关;发生严重干旱的可能性中等或大幅增加:在考虑的最低排放情景(RCP4.5)下，增加幅度限制在+10%，而在考虑的排放情景(RCP8.5)下，增加幅度要大得多，最高可达+ 70%。

这一风险与城市水资源压力的增加、平均气温的大幅上升、热浪和严重干旱的可能性有关。到2050年，在RCP 8.5情景中，与今天相比，热应激将增加3倍，到2090年将增加5倍图3)．

气候分析和要达到的目标舒适水平导致了被动措施(例如，遮阳、低表面温度、增加空气流动)的定义，这些措施有助于改善室外舒适性。这意味着需要在关键的过渡路线上提供遮阳和喘息的区域，优先考虑通勤者路线和最可能由老年人和儿童等最脆弱人群使用的路线。选择材料以减少热岛影响，选择有弹性的植物种植策略，以及适当使用蓝色和绿色空间。

集^＊通过对西门总体规划设计的分析，揭示了重点区域的热舒适状况，并为这些区域的改善提供了方向。评估是在高峰期进行的，因此是保守的。在以后的阶段观察一年中的其他时间将使我们能够进一步完善设计。2090年使用气候数据RCP 8.5进行的热舒适评估强调了全年户外空间可能(不)舒适的时期，以及需要缓解以满足创建完全步行场地的期望的时期。西门上空的热舒适度有助于确定场地周围不同区域的表现，从而表明哪些策略有效，哪些地方可以进一步改进(见图4)．建模还显示，通过提供足够的遮阳和非吸收性材料，热应力降低了17%，通过加强空气运动，健康应力降低了3%。

为了评估总体规划外部空间的阳光，使用了以下三个定性指标，在定义的分析周期内定性地表示季节条件:

•季节累积辐射比:该指标表示在外部空间接收的总太阳辐射(包括直接和扩散)与全球水平太阳辐射之间的比率。比率为100%意味着在分析期间表面没有阴影，因此接收的辐射与分析期间的全球水平辐射匹配。在冬季将这一比例最大化，在夏季将这一比例最小化，有助于提高感知舒适度。

•季节平均日照时数:该指标表示在外部空间的平均直接日照时数。该分析有助于定性地确定在不同季节获得良好阳光的区域。

•根据BRE报告209，对春分(3月21日)的太阳时数分析(Littlefair 2011)建议:BRE建议春分期间在室外活动2小时以上。至少50%的室外空间需要达到这一条件，以避免堆积造成的过度遮挡。这是一个很好的量化指标，可以确定全年适合户外活动的地区。

对三种分析的综合结果进行评估，以确定哪些地区在不同季节最适合过渡和户外活动。

3.1.气候变化适应和恢复力规划讲习班

气候变化适应和恢复力规划研讨会邀请了广泛的利益攸关方，以确定最可能造成直接和间接环境、社会和经济影响的风险情景。随着平均温度和极端温度的升高，热浪可能出现以下风险:

3.1.1.维护

•限制户外工作的工作时间(例如，景观维护，建筑围护结构清洁)和降低区域设施。

•材料和服务加速退化，导致维护需求增加(例如，混凝土碳化，路面软化)。

3.1.2.访客及居民

•外部空间的空气和表面温度升高会对游客/居民/租户造成健康和安全风险(例如，热应激和表面烧伤)。

•增加效用/运营成本。

•增加了通勤者的不适感，他们全年都需要获得安全舒适的路线。

3.1.3.系统

•资产网络容量下降，导致停电和基本服务中断。

•HVAC/被动式设计功能不足，导致乘员不适。

3.1.4.能源需求

•增加冷却要求。

•空调厂房的空间需求增加。

•利用建筑物中的公共场所，在关键的过渡路线上提供喘息和舒适。

•提供当地的小气候亭，以抵御过热和过冷(例如:、森林亭、无障碍空调空间……)。

•在关键的过渡路线上提供喘息机会;

•提供额外的设施，如座位或饮用水，可与教学和活动空间等其他功能相结合;

•可提供主动的加热和冷却措施，如风扇;

•选择材料以减少城市热岛(UHI)的影响;

•合理使用蓝色和绿色空间;

•种植策略的弹性物种选择;

•有效的灌溉策略。

•尽可能通过减少建筑和车辆废气来减少城市热岛。

3.1.5.过渡

在过渡路线上需要持续的荫凉和遮蔽。优先考虑的应该是需要全年安全通行的通勤路线，以及弱势群体(如老年人)所走的路线。

3.1.6.居住

居住空间对阴凉和庇护所的需求增加。用较冷的休息来补充休息。积极的策略应该在有限的时间内考虑。

3.1.7.到来

居住空间对阴凉和庇护所的需求增加。在等候区提供休息时间。积极的策略应该在有限的时间内考虑。

4.讨论

使用米兰气候数据进行的热舒适评估强调了全年户外空间可能舒适的时期。该分析有助于理解被动措施如何有助于提高舒适度。集^＊通过对西门总体规划设计的分析，揭示了重点区域的热舒适状况，并为这些区域的改善提供了方向。分析是针对高峰日进行的，因此是保守的。在以后的阶段观察一年中的其他时间将使我们能够进一步完善设计。

•到达区域:这个区域几乎没有阴影。这意味着它将暴露在一天的大部分时间里，在高温下会不舒服。堆积有助于在一天的晚些时候产生阴凉。这将是人们在转移到现场其他区域之前可以居住的区域。居住区域应使用遮阳以改善环境。

•居住区域:这是一个休闲区域，人们预计会在这里度过更长的时间。如果没有进一步的设计策略，很难让它在一年中的所有时间都舒适，在高峰期最热的时候可能不合适。

•过渡区域(场地范围):该区域有广泛的树木和植物遮阳以及一些绿色表面。这有助于提高炎热时期的热舒适性。这是一个很大的区域，他们可能有多条路线连接。可以引入一些阴影路径来帮助促进旅程。

凉爽的绿色表面在一天的晚些时候最有效。

•过渡区域(本地、小巷和车道):(狭窄的)本地过渡区域被建筑体量遮蔽。这使得它适合人们在一年中的大部分时间里在这里散步。一年中会有让人不舒服的时候。

气候变化预测数据已被用于进行一项知情评估，具体着眼于气候变化将如何影响小气候和城市热岛效应。我们的建筑环境的设计不仅要适应今天的气候，还要适应未来的气候。这意味着设计要超越最低限度的遵从性，以增加未来的弹性。

预测数据带有一定程度的不确定性，当70-80年后可能不那么准确时，尽管如此，它们能够实现与在资产设计中构建灵活性相关的设计转变，并刺激更负责任地使用资源。它们培养了一种能够适应变化和创新的动态方法。它还促进了更好的集成方法来交付水平和垂直资产设计。

气候情景规划可将环境因素与项目控制风险矩阵和项目的业务计划(包括财务风险)联系起来(威廉姆斯和埃克尔斯，2022年)．拟议的气候风险评估方法虽然简单，但它构成了专业实践的范式转变，其评估基于历史数据，而不是当前专业保险范围内不一定存在的预测。

5.研究的局限性

该研究报告了一项高水平的气候评估，以应对城市设计的早期阶段，以帮助形成总体规划并最大限度地减少物质风险暴露。建模受到具有挑战性的假设、边界场景的影响。WeatherShift™工具的天气文件是一个适合早期设计阶段的直观界面。不过，在IES等模拟软件中使用的天气数据可能来自不同的来源(例如，卫星数据、气象站、气候模型等)，其数据源的准确性和可靠性可能会发生变化。将气候科学转化为建筑设计实践仍处于早期阶段，需要加强决策所必需的科学确定性程度。为了更准确地预测热性能，还需要进一步的详细分析，包括对一年中其他时间的评估，以进一步完善设计，特别是在建筑规模上。

6.结论

气候变化是一种过渡性的物理风险，也是财务方面的物质风险(美国参议院，2022年)．弹性和脱碳优先事项可能因地区而异。尽管如此，这项研究已经证明，在设计缓解的早期阶段绘制气候风险和机会图是可以有效实施的。拟议的方法可以在城市规模的干预措施中复制，旨在考虑IPCC的预测和对人们舒适和福祉的相关影响，即使是不同规模的预测。这项研究当然需要进一步发展，以探索对不同建筑类型的影响，以及考虑到不同的气候背景和文化背景对居民反应的影响。

数据可用性声明

支持本文结论的原始数据将由作者提供，毫无保留地提供。

作者的贡献

NB同意对本文所述工作内容负责。

资金

这项研究得到了Lendlease的资助。资助者没有参与研究设计、数据收集、分析、解释，也没有参与这篇文章的写作或发表的决定。这项工作外包给了伦敦奥雅纳公司。

致谢

气候模型由伦敦奥雅纳公司(Arup London，英国)完成。绘制气候风险图的研讨会吸引了整个MIND Lendlease团队以及所有参与场地设计的设计师和顾问。本文仅代表作者的观点。

利益冲突

NB受雇于Lendlease。

出版商的注意

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参考文献