典型东北汉族传统合院式民居风环境营造策略

李庆红 齐 琦

(河北工程大学建筑与艺术学院，河北 邯郸 056000)

1 概述

中国城市化快速发展可直接导致城镇对人的强烈需求，因此推动新型城镇化建设是经济发展战略和民生工作的必然选择。乡村振兴与特色小镇建设都是国家的重大战略，其主题可以概括为“新城镇，新社区，新住宅”，其具体含义是“低碳，改善城市化布局，和谐发展，包容性增长”。东北地区新型城镇化建设尚处于起步阶段，其中一个主要要求是以可持续发展战略为基础提高居住舒适度。另一方面，东北地区乡村住宅形式多为由瓦匠、木匠采用传统施工方法复制性的建造传统构建样式的住宅，或者少量参照城镇的住宅样式建造[1]。由于生活水平的提高与农村住宅的质量及功能性模块的缺失与每一代都要再建新住宅或推倒旧房重新翻盖的意识根深蒂固，居民住宅需求愈加迫切，带来新的住宅形式与建筑布局的更改。其中有些不适应东北地区的气候形式，并造成了巨大的能源与土地的浪费。

东北汉族合院式民居是几百年来东北汉族沿袭华北民居特点与吸收当地少数民居居住特色的基础上，不断与自然相抗争从而创造适宜的微气候环境的结果。因此，对东北汉族传统民居的风环境研究在东北地区民居绿建改造或者为新建筑风环境营造方面具有十分重要的理论意义和实用价值。

2 东北汉族合院式传统民居基本状况

2.1 东北地区基本气候条件

东北地区是我国纬度最高的区域，在建筑的气候分区上属于严寒地区。其基本特征为：四季分明，冬季寒冷而漫长，夏季温暖湿润而短暂。因此，东北民居多重于纳阳防寒方面，在建筑布局和构造上多区别于其他地区民居[2]。

2.2 东北汉族合院式民居简介

东北汉族民居是我国传统民居的一个类别，既有着中原地区汉族传统民居的共同特征，又有着因地域条件影响形成的地域民族特征，因此区别于北京四合院。

在立面形态方面：建筑形体十分规整，以减小体形系数[3]。有谚语言道“高高的，矮矮的，宽宽的，窄窄的”[4]。高指的是房屋台基较高，放积雪保护基础；矮是指房屋室内净高适当较低；宽和窄分别是指南向窗较为宽大，以获取更多日照与房屋进深要小，有利于防寒保暖。

在院落空间布局方面，多为坐北朝南，布局松散。在朝向上，尽量让正房垂直于冬季主导风向，加强建筑挡风作用；在布置上，较为松散可以获得更多的日照，以满足冬季的日照需求。

3 风环境模拟分析

3.1 模型建立与条件设定

物理模型：该模型根据资料集自建的民居模型(如图1所示)。正房尺寸为11 m×7 m，屋脊高度为5.6 m；四个厢房尺寸相同为7 m×5.6 m，屋脊略矮与主房为4.6 m。各单体建筑均为坡屋顶，围墙围绕建筑一周，高度为2 m。一般情况，模拟中大气边界在应数倍于建筑尺度的距离，现在此以目标建筑为中心5H为横向与纵向模拟边界距离，3H作为计算域高度(H为建筑物高度)。

数学模型：模拟采用在湍流模型中选择较为常用的k-ε模型描述湍流，模拟精度较高。

边界条件：因风场受地面、低矮建筑及树木影响，拟模拟所设风场为梯度风场。梯度风计算公式表示为:V=V0(H/H0)a。其中，V为H高度处的风速,m/s;V0为参考高度处的风速;H为距地面的高度;H0为参考高度，取10 m;a为地面粗糙程度。场地周边一般以郊区为主，经查表设定为0.16。

根据对东北地区气象数据分析总结，模拟参数选择夏季典型工况：西南风(SW)，风速5 m/s；冬季典型工况：西北风(NW)，风速10 m/s，按梯度风进行模拟[5]。

3.2 风环境评价标准确定

在冬季典型风速和风向条件下，建筑物周围人行区1.5 m高度风速小于5 m/s，且室外风速放大系数小于2；建筑物前后风压差不大于5 Pa。

夏季典型风速和风向条件下，场地内人活动区不出现涡旋或无风区；50%以上可开启外窗室内外表面的风压差大于0.5 Pa[6]。

3.3 模拟结果分析

运用数值模拟软件PHOENICS对民居在夏季和冬季的条件下进行了模拟和计算，综合分析了1.5 m高的风速和风压。

1)风速分析：

冬季：分析了1.5 m高度处冬季风速(如图2所示)，可以看出：受梯度风场的影响，西北来风到达围墙时已减弱为6 m/s～8 m/s。来风进入后院时风速骤减至4 m/s以下，说明2 m高度的围墙对寒风具有一定的阻挡作用。但由于正房较为高大，对来风有较强的阻挡作用。来风在正房与北侧围墙间被加速，在正房北侧形成了5 m/s～6 m/s的风速，对人的活动造成不利影响。被加速的来风遇到东侧围墙，在正房东侧形成了一个较大的涡流区，容易产生积雪或污染物堆积。另外，在厢房西侧与西侧围墙、内院厢房与外院厢房间形成狭管效应，风速变化较大。并且在西侧两厢房南侧，外院西厢房东侧形成三个低速涡流区。而内院生活区由于围墙与房屋的阻挡，风速较为平稳，均在3 m/s以下，较为舒适。

夏季：分析了1.5 m高度处夏季风速(如图3所示)，可以看出：夏季模拟风向为西南风，模拟结果与冬季情况类似。双重围墙与建筑对西南来风同样具有一定阻挡作用，外院与后院内气流平稳，均在3.3 m/s以下，而内院风速已降低至1.8 m/s。并在后院、内院和外院等多处产生较弱的涡流。由此可以看出，东北汉族传统合院式民居在夏季通风方面，并无优势。

2)风压分析：

冬季：分析了1.5 m高度处冬季风压(如图4所示)，可以看出：外侧围墙风压较大，可见围墙抵挡了一定的来风。由于正房较为高大，风压最大出现在正房的西北侧，导致正房迎风面与背风面的压强差达5 Pa～30 Pa，会在正房西侧房间产生较强的冷风渗透隐患。相对于正房，其他厢房压强差相对较弱，其中东侧厢房的压强差相对于西侧厢房较小。内院中普遍呈现负压状态，外院与后院部分区域为负压，最低区域达-20 Pa以下。

夏季：分析了1.5 m高度处夏季风压(如图5所示)。外侧围墙处为风压最大处，外侧围墙对风的阻挡效果较为明显。院落内部风压均在-5 Pa～4 Pa之间，风速梯度较为缓和，尤其为内院，几乎没有风压变化，通风效果不良好。

4 优势与改善策略

4.1 东北汉族合院式民居优势

对冬夏两季节汉族传统民居的风环境模拟可以看出，该民居具有适应寒冷气候的诸多优点，在冬季可以有效缓解寒风对建筑的侵袭。在冬季标准参考高度风速为10 m/s时，外院和后院可以保证大部分区域5 m/s以下的风环境，并且在内院营造出3 m/s左右的舒适风环境。汉族传统民居利用自己松散的院落布局、外墙与建筑分离、多重围墙特有院落形式，既可以接受充足的日照，又有效的阻挡西北寒风侵袭，创造良好的院落风环境。

4.2 东北汉族合院式民居改善策略

通过对模拟数据的分析，提出如下改善策略：

1)建筑保温。

在冬季主房前后会产生较大的风压差，产生冷风渗透，因此，加强墙体保温是十分重要的。一般来说，加强建筑保温可以分为四种方式：第一，增加围护结构厚度；此方法是东北地区常用的方式，一般为了抵御冬季寒冷的西北风，北墙最厚，南墙其次，山墙再次[2]。但是此方法很大程度上，减少室内活动面积或增加建筑面积，并造成土地和建筑资源的浪费，不建议此方式。第二，使用空心砌块等围护材料或者外挂聚苯板等隔热板，有效地提高墙体的保温性能。第三，在主房北侧构建阳光房，主动设立一气候缓冲区域，使建筑减少热损失。第四，根据当地气候特点，种植常绿树木。常绿树木如松柏等不仅可以抵御寒冷空气，缓解风压，还可以调节微气候和美化夏季环境。

2)风涡。

根据风速分布图可以看出，来风遇到较为封闭区域或建筑附近，造成该区域呈负压状态，促进涡旋形成，因此夏季和冬季都会产生不同强度的涡流。虽然风涡造成空气不流通，造成污染物堆积，但冬季有利于积雪堆积，有利于建筑保温。因此民居布局较为封闭，不可以完全避免涡流形成，只能通过在围墙上设置通风口可以降低风涡效应。

3)自然通风。

冬季：虽然该民居具有适应寒冷气候的诸多优点，在模拟中可以看出在外院、后院区域有高速风通道的存在，如正房与北侧围墙之间、内院厢房与外院厢房之间。由于狭管效应，对庭院内风环境造成一定的不利影响。因此，可以在庭院适当位置设置隔断墙，既可以打断高速风通道，防止冷风侵袭；又可以达到引导风向的效果，带动庭院空气流通。或者种植常绿绿植，以达到减弱及阻挡寒风的效果。

夏季：民居布局较为封闭，夏季风度梯度较为平缓，自然通风不佳。虽然开启外门的方式，可以增加庭院内空气流通；但对隐私与安全造成了一定的影响。可以在东侧与西侧围墙上设置通风孔，夏季开启，冬季关闭，以增加庭院内空气流通。也可以在庭院内种植落叶乔木，夏季起到遮阴纳凉，加强空气流通的作用；又不会影响冬季庭院对日照的需求。

5 结语

本文通过文献分析，建立合乎尺寸的东北汉族合院式民居模型，以Phoenics软件为工具，对其进行冬夏两季节的风环境模拟。结果表明，东北汉族合院式民居对具有适应寒冷气候的诸多优点，在冬季可以有效缓解寒风对建筑的侵袭；但在夏季由于该民居布局较为封闭，自然通风表现不佳，并给予了相应的改善建议。另一方面，传统民居的被动节能技术对建筑设计及改造具有一定的现实作用，并且为东北合院式传统民居的改良设计提供相应参考。