晋东南地区合院式民居风环境驱动机制研究

2022-10-26房文博谭小静崔琰孙源祥

山东建筑大学学报 2022年5期

房文博谭小静崔琰孙源祥

(1.山东建筑大学建筑城规学院，山东济南 250101；2.同圆设计集团股份有限公司，山东济南 250101)

0 引言

近年来，被动式建筑越来越受到人们的关注[1-2]。被动式建筑强调通过无能耗设计手段，将建筑与自然合理融合。传统民居中体现出的生态智慧，以及运用各种朴素的营造手段，因地制宜、合理应对自然气候的做法是建筑与自然和谐共生的典范[1]。因此，将传统民居中的低能耗或零能耗的空间营造方法应用于现代建筑设计，具有较高的研究价值。

以往对于传统民居的研究，多是从理论和实践两个方面分析传统民居的气候适应性，以及南北方传统民居对于气候适应性的空间营造手法[2-3]。我国传统民居风环境研究中，石峰等[4]讨论了基于风影响下的福州地区传统民居，阐明了其“多进天井空间”空间体系形成机制；段振等[5]分析了夏热冬冷地区的合院式传统民居通风状况，优化了风环境营造方法；刘学卿等[3]以鄂东北地区传统民居为研究对象，运用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)技术，分析了传统民居空间设计和空间通风规律。关于徽派民居[6]、西北民居[7]等风环境展开的总体研究数量偏少，国内传统民居风环境研究体系有待完善。

建筑风环境的研究方法大体分为风环境实地勘测调研、实地搭建风洞实验、应用CFD软件模拟研究风环境[8-10]等。文章应用风环境实测与软件模拟相结合的方法，分析了传统民居风环境状况；通过对晋东南传统民居文献研究以及实地调研，确定研究对象为3种合院式传统民居，分析建筑概况并搭建建筑模型，实测了3种民居风环境，分别得出基于风环境影响下的空间形式，构建其相应的“共通空间”，探寻具有代表性的“建筑原型”，通过风环境模拟研究，运用风环境数字化模拟插件:蝴蝶(Butterfly)数值模拟分析室内、外的风环境，验证其可行性，优化、对比和分析建筑原型的不同功能空间，阐明其风环境的驱动机制，以期为晋东南地区现代民居的建设以及其他地区的风环境研究提供一定的参考价值。

1 民居概况

1.1 民居形制

晋东南地区的传统民居大致分为合院式民居、窑洞式民居、石板房、茅草房以及土木房。民居形制特征呈现多元化，有着较高的建筑艺术研究价值(如图1所示)。

图1 传统民居实景图

合院式传统民居是晋东南地区应用、分布最为广泛的建筑形式，是由楼房空间组合而成的院落形式。通过对晋东南地区实地调研及文献研究[8]，合院式传统民居的建筑形制大致可分为四大八小四风口、簸箕院、棋盘院、八卦院和扶主房等(如图2所示)。其中，四大八小四风口、簸箕院、八卦院在晋东南地区应用最多，最具代表性，文章以此3种建筑形制为例模拟和分析风环境。

图2 合院式传统民居建筑形制图

1.2 建筑概况

晋东南地区传统民居的院落形式主要有:

(1)四大八小四风口

又称四大四小四厦口，是晋东南地区较为普遍的一种院落形式，厦口即抱角天井。其院落构成如图3(a)所示。“四大八小”是指院落在东、西、南、北4个方向上均设有主房，且在主房左、右两侧建有耳房，并于院落的4个角落构成抱角天井，在格局上形成“四大八小”的景象。院落多呈正方形，为中轴对称的形式展开。晋东南很多地区都有“四大八小”式院落出现，其中较为典型的例子是西文兴村柳氏民居中的“中宪第”[8]。

(2)簸箕院

簸箕院多指在四合院中三面高、一面低的院落形式，其院落构成如图3(b)所示。若以坐北朝南的建筑为例，一般在东、西、北3个方向上盖以两层或多层高楼，而南面则为较低的一面，宅门在其正中朝南开，宅门两侧只修院墙或只盖一层建筑。沁水县窦庄村的慈母堂是“簸箕院”的典型例子[10]。

(3)八卦院

八卦院是指两座院落间以院墙、腰墙相隔所形成的院落形式，其院落构成如图3(c)所示。一般情况下，单元院落多为三合院，并组成一个大的四合院形式，整体院落较为狭长，如同八卦图一般，呈对称分布，因此俗称为“八卦院”，多分布于高平市良户村[11]。

图3 传统民居建筑平面形制图

晋东南地区传统民居合院式民居代表建筑模型如图4所示。

图4 传统民居代表建筑模型图

2 研究方法

2.1 风环境实测

2.1.1 测试方法

实测调研季节为2020年11月份秋冬过渡季节。选择晋东南地区的典型代表建筑作为调研对象进行为期10 d的调研，每天的调研时间段分为早、中、晚3个时间段，每个时间段的测量时长为10～20 min；风环境检测点分布于民居的重要功能空间节点，每天统计每个测点的检测数据，并汇总和分析。

2.1.2 测点设置

以“簸箕院”典型代表建筑慈母堂为例，其迎风面与背风面风环境实测点设置如图5所示，一层实测点距离水平地面高1.5 m处，二层位于其平面1.5 m高度处，迎、背风面分别各设5个测点。

图5 慈母堂实测点分布图

将慈母堂功能空间划分为入口、天井、厢房、耳房、正房、檐廊和院落[12]。其中，入口空间设置测点a；天井空间设置b和b’、d和d’4个测点；厢房空间设置A和A’、G和G’4个测点；耳房空间设置C和C’、E和E’4个测点；正房空间设置测点D；檐廊空间设置测点B；院落空间设置测点F。

2.2 风环境模拟

运用搭载在犀牛(Rhino)建模软件上的草蜢(Grasshopper)插件平台中的风环境分析模拟插件Butterfly构建室内外风环境模型，并模拟分析了传统民居风环境数字化。风环境实测和模拟均以簸箕院为例进行分析。

相较于其他风环境模拟软件，Butterfly插件模拟分析建筑室内外风环境方面具有一定的优势，可直观展示三维立体空间的通风状况，可视化呈现风环境模拟数据，较为方便的获得每个测点的具体风速值，还能直接建立建筑模型与风场分析模型之间的逻辑关系，灵活调节建筑模型以及周边风场的大小和位置[13]。通过搭建“室内外风环境模拟”模型，模拟分析慈母堂传统民居的风环境，获得其风场情况以及功能空间风速值，通过残差图以及残差拟合曲线，量化和对比分析模拟数据与实测数据，判断两组数据的一致性，验证风模拟电池组程序是否能够真实反映周边建筑风场情况。运用验证后的电池组程序优化、对比和分析实测生成的建筑模型不同功能空间，检验基于风环境影响下的建筑模型功能空间是否是最优形态，判断其可行性[14]。

2.2.1 室外风环境模拟程序

室内外风环境模拟电池组程序分为(1)创建风环境模拟几何体的电池组以及建立风洞；(2)建立多块网格以及对风洞网格进行细化；(3)创建风环境模拟运行迭代计算电池组；(4)建立Butterfly测试点，运行数据并实现结果的可视化呈现。

2.2.2 室内风环境模拟程序

整个电池组分为(1)创建风环境模拟墙体以及进、背风面的位置；(2)建立室内模拟风场；(3)建立多块网格以及风场的网格细化；(4)创建网格贴合建筑表面，进行网格划分处理；(5)进行电池组迭代计算与Butterfly测试点建立；(6)运行数据的可视化。

3 结果与分析

3.1 风环境数据模拟

3.1.1 风环境实测结果

以慈母堂为研究对象，处理其不同功能空间的风环境实测数据，测量结果显示迎风面风速高于背风面，迎风面风速最高达4.5 m/s，而背风面最高达3.9 m/s，人体舒适度较低。建筑二层风速高于一层，室内风速由大到小依次为正房＞天井＞耳房＞厢房，其平均风速为0.2 m/s。室外风速由大到小依次为天井＞前檐廊＞入口玄关处，其平均风速为1.3 m/s。

基于风环境影响下的建筑空间形态主要有:

①主入口由于慈母堂坐北朝南格局的限制，建筑入口面对盛行风，风通过入口对建筑内部产生影响，主入口对面设计影壁墙(如图6所示)，墙的高度略高于院墙，降低了风速，同时入口处设置挡风玄关，通过玄关将风速降低，来缓减直流风对建筑的影响。

图6 慈母堂主入口空间形态图

②建筑层高建筑为二层，其转角墙正对盛行风向，形成挡风墙，降低风对建筑院落影响，营造舒适的风环境微气候；

③建筑立面其开窗极少，主要居室立面不开窗，仅在辅助用房开窗，形成封闭的居住环境，避免了寒风对建筑内部的侵袭；

④天井空间 “楼梯—天井—风口”空间体系，由耳房、厢房、正房形成的小天井，通过“烟囱”效应通风导流，促进院落内部与周边空气的置换；

⑤前檐廊空间两侧厢房不设置前檐廊，由于一进院落风速较大，而无前檐廊设计可以降低室内风速，确保室内风环境舒适度(如图7所示)。

图7 慈母堂建筑空间形态图

四大八小四风口和八卦院建筑形制同样得到基于风环境影响下形成的空间形态，通过其3种空间形态的分析，获得其“共通空间”。

3.1.2 风环境实测分析

(1)共通空间

基于风环境影响下形成的晋东南地区3种传统民居空间形式存在共通性。

①院落形式 “四合院”是晋东南地区采用最多的院落形式，建筑围合度高，空间利用率好，风对建筑内部影响最小；

②入口空间基于风环境影响下的空间形式—影壁墙、入口设置玄关、入口设置院落空间、入口走道、入口天井；

③天井空间院落四角设置“天井”，通过“烟囱”效应促进通风导流；

④檐廊空间一进院落承受风速较大，设置为“无前檐廊”建筑立面，保证室内风环境的舒适度，二进院落风速较低，设置为“前檐廊空间”，通过檐廊空间促进室内外风速置换；

⑤建筑层数建筑为二层形式，二层层高营造的半封闭空间既能保温防风，又能促进通风导流。

(2)建筑原型

建筑为二进二层四合院阁楼式建筑(如图8所示)；主入口采用“入口天井”形式，位于一进院落；一进院落四角设置天井，院落内采用无前檐廊式建筑立面；院落之间采用“玄关”仪门进行连接；二进院落四角设置天井，院落内采用前檐廊式建筑立面[15]。

图8 传统民居建筑模型图

3.1.3 风环境模拟分析

(1)风环境模拟

通过慈母堂室内外风速云图与风速矢量图，以及实测与模拟两组数据残差图对比分析(如图9所示)，验证室内外风环境模拟电池组程序的可行性。

图9 慈母堂室内外风速云图

(2)慈母堂风环境模拟

数据量化对比分析得到，室内风速残差值范围在(-0.1，0.3)区间，室外风速残差值范围在(-0.1，0.1)区间，数据随机呈散点状分布在带状范围内。差值不大，趋于接近，说明实测与模拟数据拟合良好，验证了模拟与实测结果的一致性，模拟结果真实反映了建筑周边风场情况。进一步验证了运用Butterfly软件中室内外风环境模拟电池组程序来进行模拟实验是可行的。

(3)建筑模型功能空间优化对比分析

通过验证后的电池组程序对实测生成建筑模型的不同功能空间优化对比分析，验证建筑模型的正确性。

①天井空间

模拟结果分析表明，院落空间有天井空间，院落风场稳定，风速平稳，风环境舒适度高；无天井空间，院落风场紊乱，风速时高时低，风环境舒适度低，且易形成“回旋风”；室内有天井空间时，促进风速流通，调节了室内风速，增加了室内风环境舒适度；无天井空间时，风场不稳定，室内空间受到风场影响，风环境舒适度低；天井空间形成“烟囱效应”，促进风速的流动循环，提高了内部空间风环境舒适度。因此，有天井空间的风环境舒适度优于无天井空间(如图10、11所示)。

图10 有天井空间模拟结果对比图

图11 无天井空间模拟结果对比图

②院落空间优化对比分析

模拟结果分析表明，一进院落风速较大，在距地面高度1.5 m处风速较高，人体舒适度低；二进院落风场相对流通灵活，整个风场风速适宜，人体舒适度高；三进院落风速呈递减状态，院落空间封闭，风速较低，风环境流动性差，人体舒适度低。综上，风环境舒适度由高到低为二进院落＞一进院落＞三进院落(如图12所示)。

图12 院落空间模拟结果对比图

③前檐廊空间优化对比分析

由模拟结果分析可知，无前檐廊空间，室内与室外风速较低，风速较大的地区采用无檐廊空间形式，降低周边风对建筑空间的影响，提高空间舒适度。有前檐廊空间，室内空间开敞，风速较低的地区采用有前檐廊空间形式，促进室内外风速流通，提高室内舒适度。因此，建筑的前檐廊空间应结合建筑空间的围合度以及周边风场情况，来决定具体的设置方式(如图13所示)。基于对慈母堂的风环境模拟分析，其建筑四角应设置天井空间，并采用二进院落的空间形式。其中，一进院落设置无前檐廊空间、二进院落设置有前檐廊空间的建筑形式均能形成最高舒适度的风环境。

图13 有无前檐廊空间模拟结果对比图

3.2 风环境驱动机制分析

3.2.1 天井空间

由于晋东南地区的民居建筑层数普遍为二层，建筑内院落较深且空间封闭，易导致建筑中风流动性变差。通过建筑自身围合出“楼梯—天井—风口”空间体系，形成“烟囱效应”，促进通风导流，调节院落风场，保证了建筑室内外活动空间的风环境舒适度。

结合院落空间形状设置天井空间大小，如院落空间较深且面积较小时，则在四角设置面积较大的天井空间，通过较大天井调节其狭小的空间风环境；如果院落空间面积较大，则设置较小天井促进风的流动(如图14所示)。

图14 院落大小与天井大小关系图

3.2.2 院落空间

院落个数与风环境舒适度关系呈正态曲线分布——院落个数增多，风速增高，风环境舒适度增加。但当院落个数增加到一定程度时，随着院落封闭程度逐渐提高，风环境舒适度反而会降低。合理的院落个数一般控制在二进院落，其风环境最为舒适，其次为三进院落、一进院落形式。

3.2.3 檐廊空间

檐廊空间可调节建筑室内风环境舒适度，其设置需要结合建筑场地周边风速大小确定。院落风速大、室内风速增加，则建筑立面不设置前檐廊空间，保证室内风速稳定及风环境的舒适度；院落风速较低，使得室内风速较低，设置前檐廊空间增加室内外风流通，保证室内风环境舒适度(如图15所示)。

图15 风速大小与前檐廊设置关系图

3.2.4 入口空间

入口空间设计需考虑周边风环境对于建筑的影响。风环境影响下的入口形式如图16、17所示。

图16 晋东南民居入口形制图

图17 入口空间形式图

入口空间形式包括:

①主入口设于建筑背风面；

②入口走道通过走道空间——悠长的走廊，层层降低风速；

③入口天井通过“烟囱效应”，将入口风直接导入室外，降低风速对建筑院落的影响；

④入口院落形成“风速缓冲空间”，通过院落的阻挡降低进入建筑内部的风速；

⑤入口玄关院落之间的入口形式设为类似于“玄关”的空间，缓解两进院落之间的风环境的相互影响，降低高风速院落对低风速院落的风速影响；

⑥入口影壁墙设置影壁墙直接阻挡风，改变风的走向及风速，来缓解入口风对于建筑的影响。

3.2.5 风环境对建筑层数的影响

建筑层数与院落封闭程度相关。建筑层数越高，建筑院落越封闭，风的流动性越差。以2.8 m作为标准层层高，对于炎热或者风速较低的地区，采用一层建筑层高；风速较高的地区常年季风盛行，采用层数较高的建筑阻挡周边风对建筑空间的影响，营造良好的室内风环境。二层建筑层高既能防风保温，又能通风导流，是较优的基于风环境设计的空间形态。建筑层数须根据周边风速大小以及建筑功能空间对风环境的需求设置(如图18所示)。