赣东地区传统村落村口空间风环境实测与模拟分析<br/>——以金溪县为例

赣东地区传统村落村口空间风环境实测与模拟分析
——以金溪县为例

2021-06-05王炎松蒋世伟朱晗潇

桂林理工大学学报 2021年1期

王炎松, 卢涛,2, 蒋世伟, 朱晗潇

(1.武汉大学城市设计学院, 武汉 430072; 2.广西壮族自治区交通运输厅，南宁 530012)

0 引言

自20世纪90年代起, 我国传统村落研究开始受到多个学科的关注, 研究者们分别从村落布局、景观规划及历史文化等方面进行探索[1-5]。随着我国城市快速发展, 城市化进程不断推进, 城市和乡村发展的同质化现象逐渐凸显出来, 传统和地域性文化逐渐被消解和淡化。然而, 从开始建造至今, 传统村落对地域性气候有很强的适应性, 这对现今的乡村规划有一定的借鉴意义。

截至2018年底, 全国传统村落名录评选出了6 799个乡村, 江西省入选该名录的传统村落有343个, 占比5.04%。由于历史和地理因素的影响, 传统村落和建筑的类型及分布在省内也有着较大的差异性, 形成了以抚州金溪为中心的赣东临川文化区, 以婺源为中心的赣北徽派文化区, 以龙南为中心的赣南客家文化区和以吉安为中心的赣中庐陵文化区[2]。

传统村落由村落公共空间与村落建筑群组成, 而村口作为村落公共空间中使用最频繁的场所, 既是“父老兄弟出作入息, 咸会于斯”的日常交往地, 也成为村落中大型公共活动的场所。村口的作用, 一是作为村落空间序列的起点, 是地标性“门户”, 划定村落界限; 二是防御功能, 是保护村落安全和文化的关键节点; 三是在精神层面上, 是村口景观美学价值和心理归属主宰的体现[3]。村口的组成通常是包括了建筑、植物、道路和水系等元素, 这些元素营造出了形态各异的村口空间[4]。

1 研究区域简介

金溪县始建于汉代, 地处江西省东部, 位于东经116°27′—117°03′, 北纬27°41′—28°06′, 地貌以丘陵为主, 县域内大部分传统村落建于明清时期, 选址多为山脚坪地处或平原岗地上, 目前已有42个古村落列入中国传统村落名录[5]。金溪属亚热带潮湿天气及夏热冬冷地区, 年均气温17.7 ℃, 年降水量1 856 mm。根据气象站提供的金溪气象数据, 金溪夏季主导风向是东南风、偏南风, 平均风速为2.8 m/s, 冬季主导风向为东北风、北风,平均风速为1.9 m/s。6—8月为夏季, 平均气温为28.1 ℃, 极端最高气温42 ℃, 12月至次年2月为冬季, 平均气温为7.4 ℃, 极端最低气温-11.1 ℃。全年平均相对湿度为79%[6], 月均相对湿度与气温如图1所示。

图1 金溪县累年月平均气温和平均相对湿度Fig.1 Average air temperature and relative humidity monthly for one year in Jinxi county

金溪传统村落村口空间在资源和技术条件有限的情况下积累演化出具有朴素生态自然观的营造手段, 通过对地理气候的因势利导, 应对江西地区夏热冬冷典型气候, 营造出良好的人居环境, 主要体现在村口空间系统对通风防寒的有效改善上, 即夏季有凉风, 冬季无疾风, 非常契合低技术设计的原则与思路。本文通过对比分析金溪县20个中国传统村落的村口空间布局, 结合村口布局, 把村口空间分为展开型和半包围型(表1, 此划分是针对现状而言, 许多村落原有村口空间布局后来都有改动, 不在本研究考虑之中)。影响村口风环境的因素还有建筑布局、水系规模、植被和选址朝向等。

表1 展开型与半包围型村口示意图Table 1 Schematic diagram of villae entrance in the open and semi-closed villages

2 村口形态布局及风环境

2.1 村口空间布局形态

本研究选取了金溪县全坊村、田南村、竹桥村、大耿村、小耿村、东源村6个典型传统村落村口空间, 测绘数据如图2所示。

图2 6个典型传统村落村口空间平面展示Fig.2 Spatial plane of the entrance in six typical traditional villages

通过金溪6个传统村落村口空间的对比分析可知, 村口选址基本是坐北朝南, 村口有水系, 基本形制组成是祠堂、牌坊, 少量民居、池塘、植被以及主要道路等(表2)。金溪传统村落的村口选址, 一般要求是地势平缓开阔, 位于水系附近, 在村口设置牌坊作为村门标志, 人们在村口修建村落总祠堂, 村民祭祀或是其他活动都会聚集在村口, 营造一个舒适的村口空间对于村民和外来游客来说都是非常重要的。

表2 金溪村口组成元素Table 2 Components of village entrance in Jinxi

2.2 村口布局元素分析

本文主要研究村口公共活动场所的风环境适宜性, 影响村口风环境的主要因素可以分为平面尺度与立面尺度[7]：平面尺度主要有村口面积、水域面积、村口界面长宽；立面尺度则包括了建筑高度。将这些主要影响因子通过分析比较(表3), 其他影响因子如村口朝向、植被分布等忽略不计, 找出几个村口布局的差异性与统一性。

表3 村口布局元素量化Table 3 Quantified factors of the village entrance

平面尺度上水域面积和村口面积的比值上具有差异性, 如图3所示展开型村口面积与水域面积的比值均小于半包围型村口, 村口空间总长度与平均宽度的比值均大于半包围型村口。展开型村口的长宽比在2.3∶1～2.8∶1, 而半包围型村口的长宽比则是集中在1.6∶1～2.2∶1, 具有较大差异性, 可以推测两种村口风环境的差异也是与这样的平面布局有关。在垂直尺度上只有建筑物高度作为影响因子, 并未呈现出明显差异性。

对比6个村口的布局差异可知, 村口布局与风环境的关联性研究应该将重点放在水系规模与平面长宽比的影响因子上。村口空间形状规则、布局合理时, 对夏季炎热天气和冬季冷风均有调控作用, 不同布局调控的能力也不同, 通过实测可以论证村口布局的优劣。

2.3 村口室外风环境测试方案

风环境主要有3种研究方法: 现场实测、风洞模拟和计算机数值模拟[8]。本文主要是通过实测和软件模拟两者结合进行研究。风环境实地测试时间在冬季1月、春季4月和5月, 测试主要目的是比较不同类型村口布局对风环境的影响, 采用定量方法分析村口风环境现状。测试过程中, 尽量控制好影响测试的变量因素, 保证实验的准确性。

金溪冬季平均气温较低, 需要进行防寒处理, 春季与秋季的气候具有相似性, 较为舒适，因此选取了春季和冬季两个季节进行实测。比较不同村口类型冬季和春季实测风环境, 可以证实展开型村口相对于半包围型村口在冬季保温防风上略有优势, 且风速更为宜人，通过对比同类村口布局在同一时间风环境实测数据可证实村口面积与水域面积的比值, 以及村口空间长宽比对村口风环境产生的影响(图3)。

图3 村口面积与水域面积之比(a)、村口空间长宽之比(b)和村口空间类型关系的箱线图Fig.3 Box plots of the relationship between the ratio of village area to water area and the types of the village entrance(a) and the relationship between the length width ratio and the type of village entrance(b)

实验所用仪器主要有台湾先驰ST-732热线风温风量风速仪和红外测距仪。为了能达到测试的准确性，采集足够数据量, 选择了全坊村和田南村同时测量, 大耿村和小耿村同时测量, 竹桥村不同测点同时测量, 每次测量时间为早上到下午时段的4～6 h, 风速测距仪距离地面的测点高度为1.5 m。每个村子选取3～7个测试点(图4), 利用风速仪记录一段时间内风速的平均值。选取测点原则为：

图4 村口空间测点分布图Fig.4 Distribution of spatial test points at the village entrance

村落主要出入口、主要建筑物、村口水系为测点；每隔15 min读数记录数据,记录连续风速(3次/min)读数取平均值[9]。需要特别说明的是, 春季全坊村开始每隔10 min读数记录数据，由于时间间隔较短，测点数据不够准确，故冬季更改为每隔15 min读数记录数据。由于所测风速为瞬时值, 自然风存在随机性和脉动性, 测试读数会有一定误差, 故测试结果选取风速平均值。

3 风环境实测结果及分析比较

将风环境实测结果分组进行比较分析, 根据风环境一般规律, 风速小于0.5 m/s时为静风状态, 室外环境夏季风速为1～5 m/s, 冬季风速小于3 m/s时人们感到舒适，风速大于5 m/s时会影响人们活动[10]。村口形态布局追求夏季加强通风散热, 冬季防御和阻挡冷风的功能。

3.1 春季风环境对比

3.1.1 同一时间不同村落村口空间春季全坊村与田南村对比实测时间为2018-04-06T08:30—14:30, 图5显示田南村口风速变化趋势比全坊村口要小, 风速较稳定。全坊村当天平均风速为2.9 m/s, 平均温度为19.4 ℃, 测点风速波动大, 且在10:10出现最大风速约9 m/s。田南村当日平均风速为2.7 m/s, 平均温度为18.9 ℃。全坊村测点有6次风速超过5 m/s, 占所有取样点比例32%；田南村只有1次风速超过5 m/s, 可以发现展开型村口(田南村)的风环境较半包围型村口(全坊村)风环境稳定, 舒适性强。

图5 全坊村与田南村测点春季风速和风温Fig.5 Wind speed and temperature at test point ofQuanfang village and test point of Tiannan village in spring

3.1.2 同一时间同一村落不同节点春季竹桥村实测时间为2018-05-05T08:30—15:30, 监测频率30 min/次, 村中有4个门楼, 均可作为村落出入口, 其中中门楼为最主要的出入口, 总门楼与下门楼属于展开型村口, 上门楼和中门楼则为半包围型村口。由图6可看出, 除八家弄和下门楼在午后外，其他所有测点的风速均不高于4 m/s, 整体风速偏低, 总门楼、中门楼、上门楼、下门楼的平均风速分别为2.0、1.8、1.3、2.1 m/s, 平均温度分别为27.7、27.9、28.0、27.9 ℃, 总门楼在炎热天气下温度低, 风速较快, 与其他3个门楼相比较为舒适。风速较大的时刻集中在11:00—14:30, 建筑群风环境与太阳运动存在较强关联, 风速呈现脉动性。

图6 竹桥村春季7个测点风速和风温Fig.6 Wind speed and temperature at 7 observation points of Zhuqiao village in spring

下门楼、总门楼、中门楼和上门楼测点所测得的温度在25.8～33.2 ℃波动, 并且4个门楼测点的温度逐渐升高, 到了午后又逐渐降低[11]。

街巷八家弄、十家弄测点的微环境实测数据显示，平均风速及最大风速均比民居测点大。结合街巷环境的地形及环境可知，八家弄和十家弄测点所处的位置是此街巷微环境中风的进出口。民居测点位于建筑前, 平均风速较小, 为0.135 m/s, 最大风速1.32 m/s, 说明测点所在的民居的进口风速不是很大, 由此引起的通风效果不强。经统计, 在实测时间段内, 约66.08%的时间民居处于静风状态, 风速较大的时刻集中在10:30—14:00, 风速呈现脉动性。

3.2 冬季风环境对比

3.2.1 同一时间不同村落村口空间(全坊村和田南村) 冬季全坊村(图7)与田南村(图8)对比实测时间为2019-01-13T09:15—14:45一共测了24次。其中，全坊村平均风速为0.41 m/s, 平均温度为8.5 ℃, 3个测点最大风速<1.8 m/s；田南村口测点风速波动较小，平均风速为0.23 m/s, 平均温度为8.1 ℃, 风速趋于平缓。田南村风速较为舒适, 但两种类型村口风速在冬季均不高于3 m/s, 能良好地防御强冷风。

图7 全坊村测点冬季风速和风温Fig.7 Wind speed and temperature at the observation pointsof Quanfang village in winter

图8 田南村测点冬季风速和风温Fig.8 Wind speed and temperature at the observation points of Tiannan village in winter

3.2.2 同一时间同一村落不同节点冬季竹桥村实测时间为2019-01-12T14:30—17:30共3 h。由图9可看出, 整体风速偏低, 总门楼、中门楼、上门楼、下门楼的平均风速分别为0.4、0.42、0.17、0.09 m/s, 平均温度分别为7.2、6.9、7.0、7.2 ℃, 总门楼和中门楼风速偏快, 中门楼与上门楼的温度偏低, 下门楼较其他3个门楼更舒适, 作为展开型村口在冬季寒冷天气下同样具有优势。

图9 竹桥村4个测点冬季风速和风温Fig.9 Wind speed and temperature at four observation points of Zhuqiao village in winter

3.2.3 同一时间不同村落村口空间(大耿村和小耿村) 冬季大耿村(图10)与小耿村(图11)对比实测时间为2019-01-12T09:00—15:00共测了22次。其中，大耿村当天平均风速为0.38 m/s, 平均温度为9.1 ℃, 最高风速为1.6 m/s。小耿村当日平均风速为0.32 m/s, 平均温度为9.0 ℃, 小耿村口风速变化较为稳定, 出现静风频率为86%, 高于大耿村静风频率69%。小耿村展开型村口比大耿村半包围型村口略有优势, 风速较为平缓, 但两者差异性不大。

图10 大耿村测点冬季风速和风温Fig.10 Wind speed and temperature at observation points of Dageng village in winter

图11 小耿村测点冬季风速和风温Fig.11 Wind speed and temperature at observation points of Xiaogeng village in winter

3.3 春季和冬季不同时间村落比较

对比冬季与春季全坊村和田南村的风速风温(图12、图13)可知, 春季风速风温普遍高于冬季风速风温, 说明多数情况下随着冬春季节变化, 村口空间风速风温也随之变化, 可推测夏季展开型与半包围型村口同样有此规律。

图12 春、冬季全坊村测点风速和风温Fig.12 Wind speed and temperature of Quanfang village in spring and winter

图13 春、冬季田南村测点风速和风温图Fig.13 Wind speed and temperature of Tiannan village in spring and winter

3.4 风环境实测结果大数据软件分析

由于以上的数据分析只是比较了同一时间同一地点不同村口类型的优劣, 并不能得出村口类型对风环境直接影响的结论, 那么利用大数据分析软件R将实测数据进行统一分析, 可以得到一个较为准确的分析结论。

将展开型村口和半包围型村口的所有风环境实测数据同时进行比较, 利用大数据分析软件, 把两种村口类型设为常量, 时间和风速作为变量, 可以综合比较出村口类型与风环境的关系。如图14、15所示, 展开型村口与半包围型村口两者风环境具有显著差异性, 排除离群值, 可看出展开型村口在冬季风环境营造上具有较大优势, 风速平缓, 极大风速出现频率低, 而且同一时段的最大风速与最小风速的差值总体低于半包围型村口; 而半包围型村口风速值多数较高, 且波动较大。

图14 冬季村口类型与风速关系的箱线图Fig.14 Relationship between the type of village entrance and wind speed in winter

图16更直观地将时间因素去除, 风速作为唯一变量, 冬季展开型村口风速变化范围小于半包围型村口, 但平均值接近, 说明冬季展开型村口与半包围型村口在平均风速上差别极小, 但半包围型村口劣势在于风速波动范围大, 易出现疾风; 春季, 两者风速变化范围相似, 但春季展开型村口平均风速略大, 两者差异性小。

图15 春季村口类型与风速关系Fig.15 Relationship between the type of village entrances and wind speed in spring

图16 冬季与春季村口类型与风速关系的箱线图Fig.16 Relationship between village types and wind speed in winter and spring

综上所述, 从风速平均值以及极大风速值上可知, 两类村口类型在冬季的寒冷天气中均能抵御寒风, 为村民们提供一个较为舒适的室外活动场所。展开型村口布局略有优势, 能有效降低过快的风速, 半包围型村口的紧凑布局优势则体现在村落防御上。两种村口类型在冬季风速能保持在2.0 m/s以下, 某些时刻出现过快的风速值, 可以通过种植适量的绿植提供遮挡物来改善村口微环境[12]。

4 村口空间风环境CFD模拟分析

4.1 模拟实验校验

通过PHOENICS软件对比全坊村冬季实测数据以及模拟数据并进行软件校验, 其中由于软件的限制, 输入的风速变化无法与实际完全一致, 故对风速采取平均风速数据进行对比校验。

从图17可知, 3个测点模拟和实测的风速比较接近, 略大于实测数据。实测中，道路测点风速最大, 而树与门楼风速逐渐减小, 模拟测试数据变化趋势一致。

图17 全坊村冬季实测和模拟风速对比Fig.17 Comparison of measured and simulated wind speeds at Quanfang village in winter

由于现场真实的风环境比模拟风场更为复杂, 实测结果与模拟结果存在一定误差, 但在可接受范围内, 因此PHOENICS软件能较准确地模拟室外风环境, 具有可靠性[13]。

4.2 村口空间风环境模拟分析

通过软件模拟可以比较冬季与夏季村口风环境数据, 进一步验证展开型与半包围型村口对风环境的影响。据《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378—2019)中第8.2.8条, 场地内风环境要满足室外活动、行走舒适和建筑自然通风的要求, 在冬季典型风向和风速条件下, 建筑物周围人行区风速小于5 m/s, 且室外风速放大系数小于2; 在夏季以及过渡季典型风向和风速条件下, 场地内人活动区不出现无风区或涡旋, 50%以上可开启外窗室内外表面的风压差大于0.5 Pa。除了第一排迎风的建筑外, 建筑迎风面与背风面表面风压差要小于5 Pa[14]。

为了验证冬季和夏季村口布局对风环境的影响关系, 利用PHOENICS软件对6个典型传统村落的村口空间进行数值仿真, 根据金溪气象资料确定基础模拟数据[15], 夏季盛行偏南风, 在模拟时取180°角方向。入口模拟速度在距离地面高10 m处设为夏季平均风速2.8 m/s。在软件设置时,x轴方向为东向,y轴方向为北向,z轴方向为垂直地面的方向。从模拟结果可见(图18), 村口空间夏季风速均高于冬季风速, 村口水域、空地与建筑的布局对村口风环境具有一定调节作用[16]。

图18 金溪县村口空间风环境模拟图Fig.18 Simulation diagrams of spatial wind environment of village entrances in Jinxi

冬季模拟可以看出, 由于村口建筑遮挡能抵御冬季强冷风, 建筑越密集抗冷风干扰能力越强[10], 但靠近水域地区抵抗冷风能力较弱, 甚至会加快风速。半包围型村口布局在风速调控上只有略微优势, 平均风速相较于展开型村口也只稍低0.2～0.4 m/s。但是展开型村口在夏季通风降温上作用明显, 在水域附近易形成疾风, 夏季平均风速较半包围型村口高出0.8～1.4 m/s, 但在建筑周围较易形成涡流[17]。

为了进一步研究村口形态与风环境之间的关系, 将村口模型进行简化, 去除多余的影响因素。建筑模型选取金溪县传统建筑中典型“三进两天井”民居, 面阔12 m, 进深26 m, 建筑高度为6 m。将模型简化, 与池塘组合成两组村口空间, 建立半包围型和展开型村口模型, 按照前文风环境模拟验证的相关参数条件对这两组村口布局模式分别进行风环境模拟(图19—22), 模拟结果包含每个村口距离地面1.5 m高度处的风速云图和模拟平均风速值。

图19 半包围型和展开型村口模拟测点分布Fig.19 Distribution of simulated measuring points of semi-enclosed and expanded village entrances

对半包围型村口和展开型村口风环境风速模拟的分析表明: 夏季半包围型村口和展开型村口的风速具有显著差异, 展开型村口的通风性能强于半包围型村口, 半包围型村口的建筑排列导致低速涡流的产生, 在建筑西北处出现低风速区, 风速衰减较为明显, 不利于通风, 这是由于建筑的朝向发生了变化; 冬季两者的风环境差别不大, 展开型村口风环境变化较平缓, 与半包围型村口相比较为舒适。