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都市のスカイラインの新たな科学
ニューヨークでは、都市のエネルギー使用量の約3分の2が建物の冷房、暖房、照明に使われています。他の北米の都市でも同様です。
これらの建物の形状は、このエネルギーが環境にどのように放射されるかを大きく左右します。言い換えれば、都市のスカイラインは二酸化炭素排出量の重要な要素です。
それは興味深い一連の質問を提起します。建物の形状は、特に都市のサイズによって、都市ごとにどのように異なりますか？そして、これは、都市が成長または縮小するにつれてエネルギー消費がどのように変化するかについてのより一般的な理解につながる可能性がありますか？
今日、私たちはサンタフェインスティテュートのMarkus Schlapferと、北米のさまざまなサイズの都市にある約500万の建物の形状を分析した仲間のおかげで答えを得ることができます。これらの人々は、平均的な建物の高さと都市のサイズの間には単純な関係があり、これは都市がエネルギーを消費する方法に重要な影響を与えると言います。
都市の科学者がレーザー測距などの技術を使用して建物のサイズを比較的簡単に測定できるため、この種の作業が可能になりました。このデータは、都市自体またはOpenStreetMapなどのオープンソースプロジェクトによってますますパブリックドメインに置かれています。
Schlapferと共同研究者は、北米の12都市の約500万の建物からこの情報をダウンロードしただけです。これらは、最大のニューヨークとロサンゼルス（それぞれ人口2,000万人と1,300万人）から、サンフランシスコやオースティンなどの中規模都市（それぞれ人口400万人と200万人）、アナーバーなどの小さな都市にまで及びました。とサンタフェ（それぞれ30万人と10万人の人口）。
サイズ分布は明確なパターンを示しています。 Schlapferと共同研究者は、データは一見、建物の平均高さが都市のサイズとともに増加し、都市内では建物が中心に近づくほど高くなるという一般的な予想と一致すると述べています。
しかし、データを詳しく見ると、いくつかのより詳細なパターンが明らかになります。まず、都市の中心部では、人口が2桁を超えると、平均的な建物のサイズが大きくなります。そしてこれは、建物の形状が、小さな都市では大きくて平らな構造から、大きな都市では高くて狭い構造に変化したことを反映しています。
この傾向の理由は、モデル化するのが簡単です。都市の人口が増えるにつれて、土地はより高価になります。確かに、地価は個人所得よりも急速に上昇します。したがって、手頃な価格にする唯一の方法は、人々が使用するスペースの量を減らすことです。これは、最終的にスラムになる傾向であるか、建物の高さを高くして建物の容積を増やすことです。
都心では土地が高いので、建物も高くする必要があります。
理論的には、この傾向はエネルギー効率に良いはずです。背の高い建物は立方体のようになるため、一般に表面積と体積の比率が小さくなります。これにより、建物のエネルギー効率が向上します。 Schlapferらは、建物のサイズは都市のサイズとともに大きくなり、気候制御の観点からエネルギー効率を高めるための条件を作り出していることがわかります。
ある程度まで。ニューヨークやボストンなどの都市では、この傾向により、エネルギー効率の低いはるかに高い超高層ビルが建設されています。大都市の繁華街の中心部では、背の高い針状の建物が急増しているため、表面積対体積比が再び増加していると彼らは言います。
ただし、建物の高さには実際的な制限があり、エレベーターや階段の吹き抜けなどに使用する必要のある建物の体積によって課せられます。チームによると、多くの建築家は、現在の技術では約100階以上の高さの建物は経済的に実行可能ではないと経験則として考えています。
彼らは、平均して、北米の都市の建物の形状は、都市が大きくなるにつれて立方体のような形状に収束すると結論付けています。これは、最もエネルギー効率の高い形状です。
これは、将来の大都市でのエネルギー使用に重要な影響を与えるはずです。世界中で、人口は歴史上最大かつ最も急速な都市建設の時期を牽引している速度で都市に集結しています。
都市計画担当者は、発展途上の都市の都市構造がこれまでに構築されたすべてを超えることを期待しています。たとえば、中国は2011年から2013年の間に、20世紀全体で使用された米国よりも多くのコンクリートを注入しました。
これらの都市で使用されるエネルギーは必然的に増加するため、これは重大な結果をもたらします。
スカイラインの新しい科学は、都市の科学者が関連するプロセスを理解するのに役立つはずです。しかし、それらが環境への影響を軽減するのにどの程度役立つかはあまり明確ではありません。
参照： arxiv.org/abs/1512.00946 ：都市のスカイライン：都市の大きさの尺度としての建物の高さと形状