随着我国城镇化和工业化程度加剧以及人口聚集，高密度城市空间不断出现，尤其是城市中心城区，原本的自然形貌形态在城市建设活动的影响下，形成了有别于自然气候的城市物理环境，PM2.5问题、城市高温预警频发等问题都证明：城市物理环境的基础研究和优化技术远落后于城市建设的进程，而缺乏城市空间形态与城市物理环境提升的综合研究则是造成这些问题的核心原因。传统以美学为前提的城市设计很难与城市气候紧密结合。其原因大致有三：（1）城市物理环境研究体系扁平，缺乏交叉性的数字化平台。（2）城市物理环境各要素研究孤立进行，缺乏研究在不同空间形态下的内在关联机理。（3）基础研究与城市规划设计相脱离，缺乏对规划实践的有效作用与反馈。

▲ 图 | 物理环境数字地图的城市设计逐级优化研究框架

以建构城市物理环境数字地图为核心，通过城市空间形态与物理环境的数字化耦合研究，搭建城市空间形态与热环境、风环境、噪声环境等物理环境的关系模型，借助城市物理环境数字地图研究城市形态特征与城市物理环境之间的作用机理，从城市规划中寻求控制城市物理环境的途径措施，并为政府部门制定相应的政策法规提供参考依据。

为了避免在物理环境模拟反馈和城市设计优化过程中出现项目矛盾、此消彼长的现象，城市物理环境数字地图与城市设计的交互设计应遵循从宏观到微观、从整体形态到局部地块的逐级优化顺序。因此本研究提出从空间布局、街区形态到建筑组团的逐级优化过程。

▲ 表 | 逐级优化设计方法

火车站、站前广场及其周边地区，有着大尺度的开放空间、复杂的交通人流情况以及建筑的复杂排布形式，是研究建成环境物理环境的典型地段。因此，本研究以常州火车站及其周边地区作为研究案例，具体分析物理环境数字地图的建构及城市设计逐级交互优化过程。

▲ 图 | 常州火车站研究范围

本次研究共布置了80个物理环境监测点，并在每一个监测点都使用3类不同的设备分别监测该点的声环境、热环境和风环境数据，具体包括监测点坐标、监测时间、平均风速、风向、平均空气温度、平均噪声声压值等数据。测量完毕后，收集好各个点的测量数据并在计算机终端进行数据录入和软件模拟。

▲ 图 | 物理环境模拟过程

▲ 图 | 数据模型建构

对现状的风、声、热环境进行实测和评估后发现，存在居住区内明显的两处静风区，交通干道沿线噪声严重渗透，以及铁路沿线存在持续升温区及广场热岛区。针对以上现状环境问题，进行第一轮城市方案设计，意图打通东西两处通风廊道、削弱道路噪声的渗透以及消减热岛效应。

▲ 图 | 现状物理环境模拟与评估

与第一轮城市设计不同之处在于，第二轮的物理环境数据来源是基于实地调研所获参数的模拟分析而非现场实测数据，且设计优化重点则更聚焦于街区形态的优化，以及某街区形态调整对周边地块带来的物理环境矛盾冲突与调解。

▲ 图 | 商务办公街区建筑形态调整及物理环境变化

建筑组团尺度，更加注重建筑间距、组团模式、建筑单体形态的调整来优化物理环境。例如火车站北侧受铁路、干道交通噪声干扰最大的居住类用地，为了削弱道路噪声、降低居住分贝，需要调整建筑后退、拓宽绿地宽度从而增强对永宁路噪声阻隔，同时调整建筑围合形式及建筑后退距离、增加小区绿化以此来降低小区内部噪声分贝，并设置沿铁路绿带防护、拓宽绿带宽度来隔绝铁路噪声的干扰。

▲ 图 | 居住区声环境模拟及优化策略

通过以上3轮物理环境交互反馈的逐级优化过程，最终生成第三轮城市设计方案。具体地，风环境优化方面，形成4条主要风廊道、3条二级风廊道以及4条三级风廊道；声环境优化方面，形成4个交通宁静区、6个相对宁静区以减弱道路噪声干扰；热环境方面，打造居住、休闲等5大冷岛，优化站前广场热岛。

本研究通过scSTREAM，Cadna/A和ENVI-met等城市物理环境模拟和分析软件，构建起城市物理环境评估模型，从风、声、热3个维度对城市设计方案进行多轮物理环境模拟及交互反馈，实现从地段、街区到建筑组团的逐级优化过程。并通过常州火车站地区的实证探索，研究城市物理环境数字地图在城市设计中的应用，验证物理环境评估模型可以在一定程度上提高城市设计的空间舒适度，促进城市设计空间布局的人本性、科学性、合理性。据此可建立基于物理环境优化的城市空间布局理想图式，形成对于城市空间物理环境问题的具有针对性的实践路径。