基于参数化的广东客家横屋民居防潮性能模拟研究

李晶磊 张宇峰

（华南理工大学 建筑学院）

0 引言

在广东客家地区，存在大量的传统民居。由于地处湿热气候区，客家民居饱受结露问题的困扰。此问题不仅存在于先民时期，在科技发达的今天依然存在。研究[1]在早期就提出广东地区民居的防潮问题。针对客家民居建筑性能的研究也较丰富，如研究[2,3]以客家民居为例，结合软件模拟和实测，对其通风和隔热性能进行研究。但这类研究均未考虑防潮问题。此外，部分研究将参数化方法应用到传统民居的研究中，如研究[4]针对广府民居并覆盖了较全面的建筑性能指标，对其进行气候适应性的深入研究。

1 研究方法

1.1 客家横屋民居基本信息

1.2.1 区位及气候

客家在广东地区主要包括粤东地区的梅州、惠州、河源等市，本研究选择河源市为代表，并采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[5]中河源市的典型气象年数据。河源市属亚热带季风气候。主要气候特点为：气温偏高，年平均气温21.0℃；年平均降水量1742.0mm；日照时数偏少，年平均日照总时数1733.9小时，时空分布不均。

1.2.2 客家地区代表民居典型平面

基于文献调研，并总结客家横屋民居的典型平面如下：横屋是“杠屋（楼）的一排纵列房间”，“和堂横屋的附属组成部分相同”，“在形制上和营造上都有基本单元的意义”[1]，因此，横屋一般视作杠屋（楼）、堂横屋等组合型民居的基本型，平面原型如图1。横屋或锁头屋的平面特点是：双开间，一间为长方形天井，一间为并列的房间。据此抽象出横屋的典型平面，如图2，横屋的层数多数为2层，但也存在1层的情况[6]。本研究以2层横屋为研究对象。

图1 横屋平面原型

图2 横屋典型平面

1.2.3 客家地区代表民居尺寸参数

本研究调研总结客家民居常用的取值，分为取值范围和取值间隔进行总结，进而得出横屋民居的详细尺寸。此外，沿用研究[4]中对于参数取值的调整方法，对本研究的参数值进行适当调整，以供参数化的使用需求。

横屋尺寸（参考研究[6]）：对于面宽，客家地区瓦坑数一般为奇数，常用的瓦坑间距为7寸，即1坑=222.25mm。厅面宽的取值范围为21～25坑，即4667.25～5556.25mm，取值间隔为444.5mm（2坑）。走道进深是一个常数，约为3尺（952.50mm）。天井面宽为13～17瓦坑，即2889.25～3778.25mm，取值间隔为444.5mm（2坑）。房面宽的取值范围为2222.5～2667mm，取值间隔为444.5mm（2坑）。进深的取值范围为3810～5080mm，取值间隔为635mm。尺寸总结如表1。

表1 客家横屋民居尺寸总结 （mm）

1.2 性能指标计算模块

本研究将建筑室内空间墙体和屋面内表面温度低于室内空间露点温度的持续时间作为结露时间，其占全年时间的百分比即为结露百分比，见式⑴。

式中，

CPR——建筑的结露百分比；

CPi——建筑某一房间全部内表面的结露时间；

N——建筑的房间数量。

本研究采用Ladybug_WetBulbTemp(WetBulbTemp& DewPointTemp)模块达到露点温度的计算，同时结合上述算法和公式，进行结露百分比计算组件的编写，最后进行结露百分比的输出（图3）。

图3 某一建筑空间结露百分比计算模块搭建

由房间的功能和人类活动，进而设置客家传统民居人员密度和人均发热量如表2。交通空间（如廊）人员不做停留，因此忽略其作用。

表2 传统民居人员密度和人均发热量

1.3 敏感性分析与目标寻优

1.3.1 敏感性分析

敏感性分析即是分析在自变量变化时，因变量的变化程度。本研究采取敏感性分析进行设计参数对性能指标的影响程度分析，以确定影响某一性能指标的关键设计参数。选用局部敏感型分析方法，利用软件内组件并结合Excel进行敏感性系数的计算，式⑵取自研究[7]。

式中，

SC——敏感性系数；

IP——设计参数；

OP——性能指标。

采用此公式并结合GH平台，可以得出客家民居设计参数对于防潮性能的敏感性大小排序，进而确定各性能指标的关键设计参数，以便参与后文的目标寻优。

1.3.2 目标寻优

本研究采取单目标寻优插件Galapagos，结合敏感性分析得到的结果进行目标寻优。由于插件稳定性低，因此本研究仅选取敏感性系数前五的设计参数参与寻优。单目标寻优的模型设置参照研究[8]，如表3。

表3 Galapagos计算参数设置

用性能变化率来表示两个方案之间的性能变化，进行去分析方案的变化程度，其计算见式⑶。

式中，

目前，虽然关于我国古代图书收藏与管理等方面的论著颇丰，但笔者认为，古代图书管理与发展过程中，尚存仍需进一步考究与厘清的一些史实和问题。通过查阅相关史料，本文在古代图书馆的产生，古代藏书形式、古代典籍的整理与分类法演变等方面进行了梳理与探讨。

Q——性能变化率；

A1——方案一的性能指标值；

A2——方案二的性能指标值。

2 结果

2.1 设计参数敏感性分析

基于前面研究中建立的敏感性分析平台和方法，得到客家横屋民居各设计参数对防潮性能的敏感性值，总结如图4。

图4 各设计参数对防潮性能的敏感性值

其中，影响程度较高的设计参数前五分别是厅进深、墙体材料参数中的外墙热惰性指标和外墙传热系数、天井进深、檐口高度，由于前五名中墙体材料占据两名，因此取排名再次的设计参数（屋顶材料）与前面四种参数共同参与横屋民居结露百分比的单目标寻优。

2.2 目标寻优结果

针对结露百分比，共进行了1300个单目标寻优案例分析以及600个单目标寻差案例分析，绘制单目标寻优及单目标寻差结露百分比箱型图如图5。

图5 横屋民居整体结露百分比箱型图

整理统计1300个案例中的性能指标前5%共13个最优案例集合，记录关键设计参数常用取值如表4。横屋民居为实现更好的防结露性能，天井进深偏向于取最小值，厅进深偏向于取最小值，檐口高度偏向于取最小值，墙体材料偏向于取双隅青砖墙，屋顶材料偏向于取六重瓦和七重瓦。从而确定出横屋民居为实现良好防结露性能的最优案例普遍做法。

表4 横屋防结露性能最优案例关键设计参数的常用取值

3 分析与讨论

最优和最差案例室内各表面的全年结露百分比如图6，由于一二层空间的左房和右房为对称平面，结合数据发现，其结露状况也相似，因此折线图中仅列出各层的厅和房间代表。从功能空间上看，最差案例中厅和房间的结露百分比状况相似（厅的平均值为1.23%，房为1.21%），但大部分房间的结露都比一层厅严重，而二层厅是最严重的结露空间。从形制上看，一层厅有大开口面向天井，受外界调节（如长期太阳照射）较多，因此结露现象较轻，而房间及二层厅较为封闭，更容易发生结露。在相同的功能空间中的不同表面，一二层空间也存在差异。对于一层空间，墙体的结露现象最严重，屋面和地面相对较轻。对于二层空间，前后屋面的结露现象最严重，而地面和墙面相对较轻。

图6 横屋民居各表面全年结露百分比

选取1F左房1右墙、2F厅前屋面、1F厅屋面以及1F右房1地面作为代表，分析其全年结露时间分布。不同类型的表面具备不同的结露分布特点。对于屋面，二层厅屋面和一层厅屋面的防结露性能差异较大，对于二层厅屋面，其结露时间大部分分布于各个月份的夜间。而屋面的防结露性能差于墙体和地面的原因是：首先屋面直接面向天空，而墙体连接其他墙体或直接接触街巷环境，地面连接热惰性很大的土壤，由此可以得知，由于晴空辐射的原理，屋面比墙体和地面在夜间温度下降更快。此外，传统民居常见的墙体和屋顶材料中，屋顶的热惰性指标值远低于墙体，说明屋顶的散热更快。因此，在温度较低的夜晚，屋面内表面温度快速下降，低于室内温度发生结露。墙面和地面的结露时间分布状况相似，二者的结露百分比均较低，多分布于一月和三月，其余部分月份日间有少量分布。将其分布时间和客家地区全年湿度分布图对比（图7），发现其分布于湿度较高的区域。

图7 客家地区全年湿度分布图

对比最优案例和最差案例各空间的性能值以及时间和空间分布规律可以得知，最优案例各空间结露时间都有减少。由此得出，最优案例优于最差案例，主要在于各功能空间夏季白天结露状态的改善以及屋面晚上结露状态的改善。

建筑空间的开放程度影响入射太阳辐射接收以及气流交换。横屋民居最优案例全年累计入射太阳辐射量为3.9×104kWh，高出最差案例（2.8×104kWh）39.3%。最优案例全年平均风速为0.052m/s，稍低于最差案例（0.063m/s）。因此，横屋民居防结露性能的改善主要在于增加入射太阳辐射。此外，一层空间的各房间门都面向天井，门空间面积远大于窗口，是与室外交流的主要通道，即室外空气先经过天井再进入室内。因此，天井空间的形态参数和微气候状态对建筑防结露性能有较大影响。另外改善墙体和屋面的材料参数可以改善墙体和屋面内表面的温度，进而影响民居的结露性能。

因此，针对横屋民居，增加入射太阳辐射、利用天井空间的热缓冲作用、改善墙体和屋面的材料性能可以提高防结露性能。

⑴增加入射太阳辐射。厅进深影响两侧房间的山墙面窗口面积，同时影响各空间的单位面积入射太阳辐射。厅进深增大，各空间的单位面积入射太阳辐射增加，进而达到良好的防结露性能。檐口高度同时影响窗口面积以及临近建筑和天井外墙对于建筑的遮挡作用，檐口高度降低，窗口面积减少，但同时遮挡作用也降低，因此其对于防结露性能的影响也是双向的，由最优案例集合的常见取值可知，檐口高度偏向于取最小值，说明减小檐口高度带来的降低遮挡作用更有利于接收太阳辐射。

⑵利用天井空间的热缓冲作用。由前述分析可知，室外空气经由天井空间进入室内，因此各房间地面的防结露性能受到天井的较大影响。天井空间受到外界环境影响的作用越低，其内部微环境越稳定，最优案例中天井空间夏季平均湿度为77.8%，而室外夏季平均湿度为82.0%。天井进深减小，天井两侧山墙的窗口面积减小，顶部向室外的开口变小，导致天井的封闭程度增大，有利于调节微环境。

⑶选择合适的墙体和屋顶材料。由最优案例集合的常见取值结果可知，墙体材料中双隅青砖墙可以使横屋民居防结露性能达到最优，而屋顶材料中六重瓦和七重瓦可以使横屋民居防结露性能达到最优。分析比较各材料的传热系数（K）和热惰性指标值(D)，并构建D/K值来衡量各材料的参数。较小D/K值的墙体材料可以使得民居在夏季白天时段墙体温度迅速上升，从而减少日间结露。而较大D/K值的屋顶材料可以使得民居在夏季晚上时段温度缓慢变化，进而减少夜间结露。因此，为达到横屋民居较好的防结露性能，墙体材料的D/K值宜取中间值，而屋顶材料的D/K值宜取较大值。

4 结论

本研究以客家横屋民居为研究对象，调研其各类设计参数，利用参数化平台生成1900个民居参数化模型，基于防潮性能计算筛选其关键设计参数，通过目标寻优得到优化解集。得到的结论如下：

⑴横屋民居全部民居案例的结露百分比（1900个案例）分布在0.27%～1.22%之间。

⑵增加入射太阳辐射、改善天井空间的形态参数和微气候状态、选择合适的墙体及屋面材料均可以提高横屋民居防结露性能。

⑶相应的取值偏好为：天井进深、厅进深和檐口高度偏向于取最小值，墙体材料偏向于取双隅青砖墙，屋顶材料偏向于取六重瓦和七重瓦。