琴江水师旗营的街巷风环境模拟研究

金伟 石峰

(厦门大学建筑与土木工程学院 福建厦门 361005)

传统民居是我国建筑体系中的一个重要组成部分，其蕴含的传统哲学、美学与自然科学思想仍然值得当代人去学习和研究。人们对建筑环境品质要求的不断提高推动了建筑科学的发展，但过于依赖机械设备来控制建筑环境也导致了过度的能源消耗，因此建筑师们逐渐开始从传统建筑中提取生态气候设计经验，并将其运用于现代绿色建筑的设计中[1-2]。

近年来，传统聚落的气候适应性研究逐渐增多，如张乾研究了鄂东南地区的聚落空间特征与气候适应性的关联[3];梁建、翟静、张博和曹萌萌分别对坡地型、沟谷型、平地型和靠山型四种不同地形条件下的传统聚落环境空间形态的气候适应性特点做了研究[4][5][6][7];童志勇等人对云南边地聚落生态适应性进行了研究[8]。同时，运用计算机模拟的方法进行的研究有:林波荣等人运用 CFD方法对传统四合院民居风环境进行了数值模拟，研究了不同合院形式的中国传统四合院民居在建筑设计上适宜冬季风环境的策略[9];赵彬等人运用 CFD方法对建筑群风环境进行了数值模拟仿真和优化设计[10];林晨运用 CFD方法对自然通风条件下传统民居室内外风环境进行了研究[11]。

福州市琴江村是由满族军营发展而成的聚落，在类型上与上述研究对象有着明显的差异，在聚落选址、街巷空间、建筑布局等方面都有着鲜明的特征，形成了其独特的微气候环境，有必要对其气候适应性方面的特点进行深入研究。

1 研究对象

本研究以清代琴江水师旗营的街巷格局为研究对象，分析其街巷空间形态对聚落风环境的影响。琴江水师旗营地处长乐市西北部洋屿半岛，闽江南岸，始建于清代。雍正六年，福州驻防军副都统阿尔赛上书请求雍正皇帝:“以洋屿去海不远，密迩省城，既可扼守三江，又可与闽安成犄角之势”[12]，选定洋屿为福州驻防三江口水师旗营营盘。雍正七年(1729年)，朝廷先从驻福州的老四旗抽调512名行营旗兵，后又从驻扎于闽安汉军绿营抽调100名水手做教习，三江口水师旗营正式成立。至辛亥革命后，水师旗营逐渐成为一个居民村落，发展为现状的琴江村，保存有一部分的历史建筑和街巷格局(图1)。

琴江村所处地区属亚热带海洋性季风气候，全年温湿多雨，四季温和，夏长无酷暑，冬短少霜雪。多年平均气温为19.3℃，极端最高气温37.8℃(出现于1995年9月8日)，极端最低气温为-1.3℃(出现于1963年1月27)，全年无霜期高达332天，实际有霜日数累计平均26天，年日照时数累计平均达1837小时，全年主导风向为东北风，夏季多偏南风，冬季多偏北风，全年平均风速为2.7m/s。琴江村常年受风害影响，主要由台风引起，多出现在夏秋两季，平均每年5次，多数出现在7月中旬至9月下旬。

图1 清代琴江水师旗营格局

2 琴江水师旗营的街巷特征

琴江水师旗营(以下简称“旗营”)地势东高西低，有东西两座小山，旗营西侧为“鲤鱼山”，旗营内有“炮山”。旗营内的基本高程为3m左右，周边田地的高程为2.5m左右。据《福州驻防志》记载，旗营的围墙共有“二里零三分”(约合 1200m)，城周长约1000m，高3m，宽1m，有东、西、南、北4个城门。旗营内有首里街、真武街、承惠街、玄坛庙巷、淳朴巷、大街、泗洲街、高坎街、阳春街、帅正街、协府口、太平里等12条街巷(图2～4)。大街是旗营的主干道，街宽5m，连通北门与将军衙门，两边基本上都是兵房，以大街为中轴线呈基本对称的形态。旗营内南北走向与东西走向的街巷相互穿插，街巷建筑整齐划一，布局巧妙，外人进入街巷内宛如置身八卦阵中，故又称“旗人八卦城”。旗营中保存较完整的街巷现只剩首里街半条，又称“旗人街”，宽3.2m，东西走向，为石板铺砌。旗营东西两侧建筑物布局差异较大，西侧建筑物布局规则，街道中存在明显的主次等级关系;东侧不存在明显的中心建筑和中轴街道，在地形上受到炮山限制，建筑物与街道布局较为自由灵活。

图2 琴江村大街现状

图3 琴江村首里街现状

图4 琴江村淳朴巷现状

3 CFD模拟

计算机流体力学数值模拟(CFD)是研究建筑风环境的重要方法，它是在计算机上以流体力学方程为基础，对建筑内部以及周围的风场和热环境进行离散求解，能够建立复杂的建筑模型，对众多的影响因子进行对比分析，有效降低实验的经济与时间成本[13]。本研究所采用的CFD模拟软件为Phoenics，该软件能够准确模拟环境中的压力场，温度场以及风场。

本研究的以清代旗营格局为模拟对象，其街巷格局与现状的琴江村有一定差别，对旗营和周边的小山等重要地形特征进行建模(图5)。根据日本建筑协会AIJ所推荐的计算区域范围，模拟水平边界要大于以目标建筑为中心，半径大于5H的水平范围，上方计算区域要大于3H(图5)。依据实际情况，村落北面为闽江的开阔水面，在日本建筑协会AIJ建议的5种不同的地况分类中，本研究所采用的地面粗糙指数a设定为0.1[14]。模拟中的湍流模型采用雷诺平均纳维—斯托克斯方程及k-ε闭合模式(RANS equations with k-ε turbulence closure)。由于网格生成质量对计算精度与稳定性影响很大[15]，在模型中由于城墙的厚度过小，网格难以捕捉，因此在网格设置时适当缩小外部模拟范围，提高城墙及旗营内部区域的网格数量。模拟时所用网格数为392×355×12，在模型区域网格密度被控制在约每立方米一个网格。

图5 风环境模拟模型

研究中共设置了三种不同的风向来模拟旗营的风环境，包括:偏北风(冬季主导风向)，偏南风(夏季主导风向)，东北风(全年主导风向)。为了利于对比，三种情况下的初始风速均设置为常年最大风速5.5m/s，同时也作为外部水平边界的设置参数。通过软件的后运算处理功能可查得模拟计算流量分别为4.781×107m3、4.780×107m3，4.517×107m3 和4.516×107m3计算流量的误差率均为0.2%，模拟结果能够满足本次测试的误差要求，可见本次模拟中的网格设置是可行的。

4 结果与分析

表一所示为模拟所得旗营内12条主要街道在三种不同风向下的街道中心风速，(图6)所示为所选风速测点。(图7)所示为三种不同风向下旗营1.5m高度处的风速分布图。

表1 第三组模型的风速特征值

图6 风速测点位置

4.1 街巷布局对风环境的影响

三种风向下旗营内的平均风速分别为:偏北风时1.89m/s，偏南风时 1.85m/s，东风时 1.72m/s。三种情况下旗营东侧街道内的风速均小于旗营西侧街道内的风速。可见旗营东侧的通风效果要弱于西侧的通风效果，而且对来自东面海洋方向的风有明显的削弱作用。造成这种现象的原因在于旗营东侧的建筑和街巷分布较西侧而言更加散乱，这会形成散乱的气流，气流在未经组织的情况下相互干扰，影响整个旗营的通风效果。炮山的存在也是影响东侧街巷通风效果的原因之一，气流经过炮山形成的涡流对旗营东侧的风场造成不利的影响。旗营选择这种街巷布局形式主要是出于对夏季防风的考虑:琴江村在夏季受台风影响严重，减少台风的影响是旗营街巷布局时主要考虑的因素之一。

图7 风速分布图

旗营西侧街巷的通风效果优于旗营东侧，泗洲街、大街、淳朴巷和太平里四条街巷的通风效果在所有街巷中最好。在街巷组织上泗洲街、大街、淳朴巷处于南北大门的连接线上，且三条街在东西方向上开口少，形成了三条南北向的通风道，能够适应夏季主导风向偏南风，提高旗营在夏季高温时的通风散热效果。

可见，旗营街巷的街巷布局既考虑到了极端情况下的防风措施，又结合了夏季盛行风风向，保证了旗营的通风效率。

4.2 街巷走向对风环境的影响

在旗营内除三条主要街巷为南北走向外，其余均为东西走向，这主要是由于考虑到日照的因素，这种街巷走向可以使大部分建筑物呈现南北朝向的格局。在夏季主导风向下，旗营中心的3条南北向街道的风速分别为1.11m/s，4.12m/s和2.40m/s，相同状态下东西向的承惠街、太平里和协府口的风速分别为0.9m/s、1.71m/s和1.79m/s。南北向街道由于面朝夏季主导风向，因而风速较大，而主要的东西向街道由于面朝城门与村外连通，也能获得较好的通风效果。旗营内的街道组织方式避免了中心区位置过深造成的风影现象，保证了旗营在夏季主导风向上的通风效果，并且平衡了建筑物在通风与日照之间的矛盾。

在冬季，由于琴江村地处夏热冬暖地区，保温要求相对较低，且可以通过关闭北向城门的方式阻挡北向寒风。在台风天较为常见的东风情况下，旗营东侧的街巷内风速较大，但由于城墙和炮山的遮挡，旗营西侧南北向主街道风速较小，有利于保护旗营内的将军衙门等主要建筑及街道。

5 结论

本研究通过对古琴江水师旗营在各季节主导风向下的风环境模拟和分析得出以下结论:

(1)旗营整体的通风效果良好，风环境较为均匀，并未在局部出现过大的风速。

(2)旗营内西侧的炮山和城墙等对东侧建筑形成遮挡，有利于保护内部的主要街道和重要建筑。

(3)旗营内以南北向街道为主街道，东西向街道与之穿插交错的街巷空间形态，能够保证旗营内的中心区域具有良好的通风效果。

琴江村清代水师旗营的街巷空间通过合理的布局，在风环境方面很好的适应了当地的地理气候环境，本研究通过对琴江村清代水师旗营街巷形态与建筑风环境的关系进行研究，得出的结论可供建筑和规划设计人员作为参考。

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[4]梁健，坡地型传统聚落环境空间形态的气候适应性特点初探[D].西安建筑科技大学硕士学位论文，2014.

[5]翟静，沟谷型传统聚落环境空间形态的气候适应性特点初探[D].西安建筑科技大学硕士学位论文，2014.

[6]张博，平地型传统聚落环境空间形态的气候适应性特点初探[D].西安建筑科技大学硕士学位论文，2014.

[7]曹萌萌，靠山型传统聚落环境空间形态的气候适应性特点初探[D].西安建筑科技大学硕士学位论文，2014.

[8]童志勇，李晓丹.传统边地聚落生态适应性研究及启示解读云南和顺乡[J].新建筑，2005，04.

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