폭염 대응을 위한 도시설계 요소에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Extreme weather phenomena such as heatwaves, heavy snowfall, droughts, and floods have been increasing due to climate change, causing significant loss of life and escalating social and economic damages. Urban areas, particularly densely populated cities, are highly vulnerable to these disasters, exacerbating their direct impacts.
In urban areas, the natural land surface is increasingly replaced by impervious materials like asphalt and concrete, which hinder effective heat dissipation. Heatwaves are further intensified by seasonal climatic factors and urban heat island (UHI) effects. While flood management strategies have been developed from an urban management perspective, supported by long-standing knowledge of infrastructure development, there has been insufficient research on adapting to the increasingly frequent heatwave-related climatic conditions.
This study focuses on the failure of urban planning to effectively utilize urban microclimates, which leads to a decline in thermal comfort for pedestrians in outdoor spaces. Therefore, the study aims to explore design elements that can effectively mitigate and adapt to the climate crisis. A comprehensive analysis was conducted on numerous papers from the fields of climatology and urban planning. The study investigated factors influencing urban climates such as urban axes, height-to-width ratio (H/W), urban form and layout concerning Sky View Factor (SVF), land cover, and greenery aspects, and institutional guidelines, evaluating how these elements have been applied to heatwave-prone conditions.
To select case study cities, the study used the Köppen-Geiger climate classification map to analyze the design elements of cities facing heatwave conditions. Selected cities represent hot, dry climates of the Middle East and tropical climates of Southeast Asia. The study examined and analyzed heatwave response design guidelines and practical design applications implemented in recent new town development projects in these cities.
The analysis revealed that at the urban scale, it is essential in the early design stages to determine the alignment of street axes based on seasonal solar radiation and the prevailing wind directions. Appropriate urban form and layout planning can create natural shading for pedestrian pathways, contributing to reduced cooling energy consumption. It was also confirmed that considering wind directions in land-use planning and utilizing green spaces and water bodies can reduce surface radiation energy.
At the architectural scale, diverse design approaches were applied to ground-level spaces that interact with the street. For example, mixed-use commercial buildings were designed with podium-style lower levels and pilotis at ground level to create shaded pedestrian streets. Planning to connect buildings seamlessly with urban streetscapes enhances the usability of outdoor spaces and provides better access to commercial facilities. Continuous streetscapes were designed with arcades in building facades to provide consistent shade for pedestrians.
In the context of temporary summer heatwave constraints, the importance of applying programmable urbanscapes with smart technologies is also highlighted. Technologies that can flexibly adapt to environmental changes should provide appropriate shading and temperature reduction effects without being excessive.
This research is significant in that it provides a detailed analysis of urban spatial design elements that mitigate the urban heat island effect and enhance thermal comfort for pedestrians in outdoor spaces.

국문 초록 (Abstract)

최근 기후 변화로 인한 폭염, 폭설, 가뭄, 홍수와 같은 극단적 기상 현상이 증가하고 있다. 특히 인명 피해와 함께 사회적·경제적 손실이 급증하고 있으며, 특히 인구 밀집 지역인 도시는 이러한 재난 재해의 직접적인 영향을 크게 받는다.
도시 지역에서는 자연 지표면이 줄어들고, 그 자리를 아스팔트와 콘크리트 같은 불투수성 지표면이 채우면서 태양열을 효율적으로 방출하지 못하는 구조적 문제를 안고 있다. 폭염은 계절의 환경적 요인과 더불어 도시의 열섬 현상(UHI)으로 더욱 악화되고 있다. 홍수는 오랜 기간 인프라 시설 구축의 노하우를 바탕으로 도시 관리적 측면으로 대응할 수 있는 지식과 인프라가 구축되어 있지만, 최근 빈번해진 폭염의 기후 환경에 대응하기 위한 적절한 연구는 아직 부족한 실정이다.
본 연구는 기후 위기 상황에서 도시 계획이 도시 미기후를 활용하지 못하고, 이로 인해 외부 공간에서 보행자의 열적 쾌적성이 악화되고 있다는 점에 주목하였다. 이에 따라, 기후의 완화 및 적응의 측면에서 효과적으로 적응할 수 있는 설계 요소를 탐구하고자 한다. 연구를 위하여 기후학과 도시 계획에서 연구되었던 다수의 논문들을 분석하였다. 도시기후에 영향을 미치는 도시의 축, 가로 종횡비(H/W), 천공 개폐율과 관련된 도시 형태와 배치적인 측면, 토지피복 및 녹지의 측면, 마지막으로 제도적 가이드라인적인 측면을 중심으로 조사하고 이러한 요소들이 폭염 지역에 어떻게 적용되고 있는지를 분석하였다.
사례 조사 대상지를 선정하기 위해 쾨펜-가이거 기후 분포도를 활용하여 폭염 조건을 가진 도시들의 설계 요소를 분석하였다. 선정된 도시는 중동의 고온건조 기후와 동남아 지역의 아열대 기후를 대표하며, 이들 도시에서 최근 신도시 개발 계획에 적용된 폭염 대응 가이드라인과 실제 설계 기법을 조사·분석하였다.
분석 결과, 도시 스케일에서 분석해 본 결과, 설계 초기 단계에서 계절별 태양 복사량과 주요 바람 방향을 고려한 가로축 배치가 중요하다는 점이 확인되었다. 도시 형태와 배치를 적절히 계획하면 보행로에 자연스러운 음영을 조성할 수 있으며, 이는 냉방 에너지 사용 절감에 기여할 수 있다. 토지 이용계획 시 바람 방향을 고려해 배치하고, 녹지와 수공간을 활용해 지표면 복사 에너지를 저감할 수 있다는 점도 확인되었다.
건축적 스케일의 설계 요소를 통해 조사해 본 결과, 가로와 접한 1층 공간 설계에 다양한 건축적 접근이 적용되고 있었다. 복합 상업시설 건축물의 경우, 하층부를 포디엄 형태로 설계하고, 가로와 맞닿는 1층 공간을 필로티로 구성해서 건축을 활용한 보행 가로에 그늘을 구성한다. 도시 가로와 자연스럽게 연결되도록 계획하여, 외부 공간의 활용도를 높이고 상업시설에 접근할 수 있는 환경을 만들 수 있다. 연속적인 가로 공간을 구성할 때는 건축 입면에 아케이드를 설치해 보행자에게 지속적인 그늘을 제공하였다.
하절기 일시적인 폭염의 제약 요건 속에서는 스마트 기술이 적용된 프로그래머블 어반스케이프(Programmable urbanscape)의 적용의 중요성도 제시된다. 환경 변화에 맞춰 유연하게 변형될 수 있는 기술의 적용을 통해 과도하지 않은 적절한 그늘 제공 및 온도 저감 효과가 이루어져야 할 것이다.
본 연구는 도시 열섬효과를 저감하고 보행자의 외부 공간의 열적 쾌적성을 높이는 도시 설계 요소를 상세하게 분석했다는 점에서 의의가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Extreme weather phenomena such as heatwaves, heavy snowfall, droughts, and floods have been increasing due to climate change, causing significant loss of life and escalating social and economic damages. Urban areas, particularly densely populated cities, are highly vulnerable to these disasters, exacerbating their direct impacts.
In urban areas, the natural land surface is increasingly replaced by impervious materials like asphalt and concrete, which hinder effective heat dissipation. Heatwaves are further intensified by seasonal climatic factors and urban heat island (UHI) effects. While flood management strategies have been developed from an urban management perspective, supported by long-standing knowledge of infrastructure development, there has been insufficient research on adapting to the increasingly frequent heatwave-related climatic conditions.
This study focuses on the failure of urban planning to effectively utilize urban microclimates, which leads to a decline in thermal comfort for pedestrians in outdoor spaces. Therefore, the study aims to explore design elements that can effectively mitigate and adapt to the climate crisis. A comprehensive analysis was conducted on numerous papers from the fields of climatology and urban planning. The study investigated factors influencing urban climates such as urban axes, height-to-width ratio (H/W), urban form and layout concerning Sky View Factor (SVF), land cover, and greenery aspects, and institutional guidelines, evaluating how these elements have been applied to heatwave-prone conditions.
To select case study cities, the study used the Köppen-Geiger climate classification map to analyze the design elements of cities facing heatwave conditions. Selected cities represent hot, dry climates of the Middle East and tropical climates of Southeast Asia. The study examined and analyzed heatwave response design guidelines and practical design applications implemented in recent new town development projects in these cities.
The analysis revealed that at the urban scale, it is essential in the early design stages to determine the alignment of street axes based on seasonal solar radiation and the prevailing wind directions. Appropriate urban form and layout planning can create natural shading for pedestrian pathways, contributing to reduced cooling energy consumption. It was also confirmed that considering wind directions in land-use planning and utilizing green spaces and water bodies can reduce surface radiation energy.
At the architectural scale, diverse design approaches were applied to ground-level spaces that interact with the street. For example, mixed-use commercial buildings were designed with podium-style lower levels and pilotis at ground level to create shaded pedestrian streets. Planning to connect buildings seamlessly with urban streetscapes enhances the usability of outdoor spaces and provides better access to commercial facilities. Continuous streetscapes were designed with arcades in building facades to provide consistent shade for pedestrians.
In the context of temporary summer heatwave constraints, the importance of applying programmable urbanscapes with smart technologies is also highlighted. Technologies that can flexibly adapt to environmental changes should provide appropriate shading and temperature reduction effects without being excessive.
This research is significant in that it provides a detailed analysis of urban spatial design elements that mitigate the urban heat island effect and enhance thermal comfort for pedestrians in outdoor spaces.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절. 연구 배경 및 목적 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 목적 4
• 제2절. 연구 범위 및 과정 8
• 2.1. 연구의 범위 8
• 2.2. 연구 과정 11
• 제2장 이론 고찰 14
• 제1절. 기후 변화 14
• 1.1. 도시 열섬현상(Urban Heat Island)과 폭염의 연관성 14
• 1.2. 기후 변화 적응 및 완화의 중요성 20
• 1.3. 기후 변화가 보행에 미치는 영향 22
• 1.4. 도시 미기후 CFD 시뮬레이션 (CFD Analysis simulation) 25
• 제2절. 폭염 적응을 위한 도시 정책 및 사례 분석 26
• 2.1. 폭염 완화를 위한 도시 정책적 측면 26
• 2.2. 폭염 완화를 위한 도시 제도적 사례 27
• 제3절. 폭염에 대응하는 도시설계적 접근 29
• 3.1. 도시의 물리적 환경요인과 도시 기온의 관계 29
• 3.2. 토지피복(식생)과 보행자의 열적 쾌적성 37
• 3.3. 도시 형태 및 배치, 식생에 따른 온도저감 효과 40
• 제4절. 폭염에 대응하는 건축적 접근 47
• 4.1. 지역 건축디자인(Vernacular Architecture) 47
• 4.2. 바이오미미크리 디자인(Biomimicry Design) 51
• 제5절. 소 결 53
• 제3장 분석의 틀 55
• 제1절. 연구 방법 55
• 제2절. 사례대상지 및 선정 현황 59
• 제3절. 사례개요 64
• 제4장 폭염에 대응하는 주요도시 사례 분석 67
• 제1절. 고온건조 기후 국가(사막기후) 67
• 1.1. 카타르 뮤쉐립 다운타운(Msherieb Downtown) 67
• 1.2 아랍에미레이트(UAE), 마스다르 시티(Masdar City) 87
• 제2절. 고온다습 기후 국가 103
• 2.1. 싱가포르 (열대우림 기후) 103
• 2.2. 홍 콩 (아열대 기후) 126
• 제3절. 소 결 137
• 3.1. 제도 및 법적인 요소 137
• 3.2. 도시 건축적 설계 요소 141
• 3.3. 첨단 기술을 활용한 폭염 대응 요소 147
• 3.4 시사점 148
• 제5장 결 론 152
• 제1절. 연구의 성과 152
• 제2절. 연구의 한계점 154
• 참고문헌 155
• 영문초록 167