琴江水師旗營(yíng)的街巷風(fēng)環(huán)境模擬研究

金偉 石峰

(廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 福建廈門 361005)

傳統(tǒng)民居是我國(guó)建筑體系中的一個(gè)重要組成部分，其蘊(yùn)含的傳統(tǒng)哲學(xué)、美學(xué)與自然科學(xué)思想仍然值得當(dāng)代人去學(xué)習(xí)和研究。人們對(duì)建筑環(huán)境品質(zhì)要求的不斷提高推動(dòng)了建筑科學(xué)的發(fā)展，但過于依賴機(jī)械設(shè)備來控制建筑環(huán)境也導(dǎo)致了過度的能源消耗，因此建筑師們逐漸開始從傳統(tǒng)建筑中提取生態(tài)氣候設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并將其運(yùn)用于現(xiàn)代綠色建筑的設(shè)計(jì)中[1-2]。

近年來，傳統(tǒng)聚落的氣候適應(yīng)性研究逐漸增多，如張乾研究了鄂東南地區(qū)的聚落空間特征與氣候適應(yīng)性的關(guān)聯(lián)[3];梁建、翟靜、張博和曹萌萌分別對(duì)坡地型、溝谷型、平地型和靠山型四種不同地形條件下的傳統(tǒng)聚落環(huán)境空間形態(tài)的氣候適應(yīng)性特點(diǎn)做了研究[4][5][6][7];童志勇等人對(duì)云南邊地聚落生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)行了研究[8]。同時(shí)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬的方法進(jìn)行的研究有:林波榮等人運(yùn)用 CFD方法對(duì)傳統(tǒng)四合院民居風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同合院形式的中國(guó)傳統(tǒng)四合院民居在建筑設(shè)計(jì)上適宜冬季風(fēng)環(huán)境的策略[9];趙彬等人運(yùn)用 CFD方法對(duì)建筑群風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)[10];林晨運(yùn)用 CFD方法對(duì)自然通風(fēng)條件下傳統(tǒng)民居室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了研究[11]。

福州市琴江村是由滿族軍營(yíng)發(fā)展而成的聚落，在類型上與上述研究對(duì)象有著明顯的差異，在聚落選址、街巷空間、建筑布局等方面都有著鮮明的特征，形成了其獨(dú)特的微氣候環(huán)境，有必要對(duì)其氣候適應(yīng)性方面的特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

1 研究對(duì)象

本研究以清代琴江水師旗營(yíng)的街巷格局為研究對(duì)象，分析其街巷空間形態(tài)對(duì)聚落風(fēng)環(huán)境的影響。琴江水師旗營(yíng)地處長(zhǎng)樂市西北部洋嶼半島，閩江南岸，始建于清代。雍正六年，福州駐防軍副都統(tǒng)阿爾賽上書請(qǐng)求雍正皇帝:“以洋嶼去海不遠(yuǎn)，密邇省城，既可扼守三江，又可與閩安成犄角之勢(shì)”[12]，選定洋嶼為福州駐防三江口水師旗營(yíng)營(yíng)盤。雍正七年(1729年)，朝廷先從駐福州的老四旗抽調(diào)512名行營(yíng)旗兵，后又從駐扎于閩安漢軍綠營(yíng)抽調(diào)100名水手做教習(xí)，三江口水師旗營(yíng)正式成立。至辛亥革命后，水師旗營(yíng)逐漸成為一個(gè)居民村落，發(fā)展為現(xiàn)狀的琴江村，保存有一部分的歷史建筑和街巷格局(圖1)。

琴江村所處地區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全年溫濕多雨，四季溫和，夏長(zhǎng)無酷暑，冬短少霜雪。多年平均氣溫為19.3℃，極端最高氣溫37.8℃(出現(xiàn)于1995年9月8日)，極端最低氣溫為-1.3℃(出現(xiàn)于1963年1月27)，全年無霜期高達(dá)332天，實(shí)際有霜日數(shù)累計(jì)平均26天，年日照時(shí)數(shù)累計(jì)平均達(dá)1837小時(shí)，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，夏季多偏南風(fēng)，冬季多偏北風(fēng)，全年平均風(fēng)速為2.7m/s。琴江村常年受風(fēng)害影響，主要由臺(tái)風(fēng)引起，多出現(xiàn)在夏秋兩季，平均每年5次，多數(shù)出現(xiàn)在7月中旬至9月下旬。

圖1 清代琴江水師旗營(yíng)格局

2 琴江水師旗營(yíng)的街巷特征

琴江水師旗營(yíng)(以下簡(jiǎn)稱“旗營(yíng)”)地勢(shì)東高西低，有東西兩座小山，旗營(yíng)西側(cè)為“鯉魚山”，旗營(yíng)內(nèi)有“炮山”。旗營(yíng)內(nèi)的基本高程為3m左右，周邊田地的高程為2.5m左右。據(jù)《福州駐防志》記載，旗營(yíng)的圍墻共有“二里零三分”(約合 1200m)，城周長(zhǎng)約1000m，高3m，寬1m，有東、西、南、北4個(gè)城門。旗營(yíng)內(nèi)有首里街、真武街、承惠街、玄壇廟巷、淳樸巷、大街、泗洲街、高坎街、陽春街、帥正街、協(xié)府口、太平里等12條街巷(圖2～4)。大街是旗營(yíng)的主干道，街寬5m，連通北門與將軍衙門，兩邊基本上都是兵房，以大街為中軸線呈基本對(duì)稱的形態(tài)。旗營(yíng)內(nèi)南北走向與東西走向的街巷相互穿插，街巷建筑整齊劃一，布局巧妙，外人進(jìn)入街巷內(nèi)宛如置身八卦陣中，故又稱“旗人八卦城”。旗營(yíng)中保存較完整的街巷現(xiàn)只剩首里街半條，又稱“旗人街”，寬3.2m，東西走向，為石板鋪砌。旗營(yíng)東西兩側(cè)建筑物布局差異較大，西側(cè)建筑物布局規(guī)則，街道中存在明顯的主次等級(jí)關(guān)系;東側(cè)不存在明顯的中心建筑和中軸街道，在地形上受到炮山限制，建筑物與街道布局較為自由靈活。

圖2 琴江村大街現(xiàn)狀

圖3 琴江村首里街現(xiàn)狀

圖4 琴江村淳樸巷現(xiàn)狀

3 CFD模擬

計(jì)算機(jī)流體力學(xué)數(shù)值模擬(CFD)是研究建筑風(fēng)環(huán)境的重要方法，它是在計(jì)算機(jī)上以流體力學(xué)方程為基礎(chǔ)，對(duì)建筑內(nèi)部以及周圍的風(fēng)場(chǎng)和熱環(huán)境進(jìn)行離散求解，能夠建立復(fù)雜的建筑模型，對(duì)眾多的影響因子進(jìn)行對(duì)比分析，有效降低實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本[13]。本研究所采用的CFD模擬軟件為Phoenics，該軟件能夠準(zhǔn)確模擬環(huán)境中的壓力場(chǎng)，溫度場(chǎng)以及風(fēng)場(chǎng)。

本研究的以清代旗營(yíng)格局為模擬對(duì)象，其街巷格局與現(xiàn)狀的琴江村有一定差別，對(duì)旗營(yíng)和周邊的小山等重要地形特征進(jìn)行建模(圖5)。根據(jù)日本建筑協(xié)會(huì)AIJ所推薦的計(jì)算區(qū)域范圍，模擬水平邊界要大于以目標(biāo)建筑為中心，半徑大于5H的水平范圍，上方計(jì)算區(qū)域要大于3H(圖5)。依據(jù)實(shí)際情況，村落北面為閩江的開闊水面，在日本建筑協(xié)會(huì)AIJ建議的5種不同的地況分類中，本研究所采用的地面粗糙指數(shù)a設(shè)定為0.1[14]。模擬中的湍流模型采用雷諾平均納維—斯托克斯方程及k-ε閉合模式(RANS equations with k-ε turbulence closure)。由于網(wǎng)格生成質(zhì)量對(duì)計(jì)算精度與穩(wěn)定性影響很大[15]，在模型中由于城墻的厚度過小，網(wǎng)格難以捕捉，因此在網(wǎng)格設(shè)置時(shí)適當(dāng)縮小外部模擬范圍，提高城墻及旗營(yíng)內(nèi)部區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量。模擬時(shí)所用網(wǎng)格數(shù)為392×355×12，在模型區(qū)域網(wǎng)格密度被控制在約每立方米一個(gè)網(wǎng)格。

圖5 風(fēng)環(huán)境模擬模型

研究中共設(shè)置了三種不同的風(fēng)向來模擬旗營(yíng)的風(fēng)環(huán)境，包括:偏北風(fēng)(冬季主導(dǎo)風(fēng)向)，偏南風(fēng)(夏季主導(dǎo)風(fēng)向)，東北風(fēng)(全年主導(dǎo)風(fēng)向)。為了利于對(duì)比，三種情況下的初始風(fēng)速均設(shè)置為常年最大風(fēng)速5.5m/s，同時(shí)也作為外部水平邊界的設(shè)置參數(shù)。通過軟件的后運(yùn)算處理功能可查得模擬計(jì)算流量分別為4.781×107m3、4.780×107m3，4.517×107m3 和4.516×107m3計(jì)算流量的誤差率均為0.2%，模擬結(jié)果能夠滿足本次測(cè)試的誤差要求，可見本次模擬中的網(wǎng)格設(shè)置是可行的。

4 結(jié)果與分析

表一所示為模擬所得旗營(yíng)內(nèi)12條主要街道在三種不同風(fēng)向下的街道中心風(fēng)速，(圖6)所示為所選風(fēng)速測(cè)點(diǎn)。(圖7)所示為三種不同風(fēng)向下旗營(yíng)1.5m高度處的風(fēng)速分布圖。

表1 第三組模型的風(fēng)速特征值

圖6 風(fēng)速測(cè)點(diǎn)位置

4.1 街巷布局對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響

三種風(fēng)向下旗營(yíng)內(nèi)的平均風(fēng)速分別為:偏北風(fēng)時(shí)1.89m/s，偏南風(fēng)時(shí) 1.85m/s，東風(fēng)時(shí) 1.72m/s。三種情況下旗營(yíng)東側(cè)街道內(nèi)的風(fēng)速均小于旗營(yíng)西側(cè)街道內(nèi)的風(fēng)速。可見旗營(yíng)東側(cè)的通風(fēng)效果要弱于西側(cè)的通風(fēng)效果，而且對(duì)來自東面海洋方向的風(fēng)有明顯的削弱作用。造成這種現(xiàn)象的原因在于旗營(yíng)東側(cè)的建筑和街巷分布較西側(cè)而言更加散亂，這會(huì)形成散亂的氣流，氣流在未經(jīng)組織的情況下相互干擾，影響整個(gè)旗營(yíng)的通風(fēng)效果。炮山的存在也是影響東側(cè)街巷通風(fēng)效果的原因之一，氣流經(jīng)過炮山形成的渦流對(duì)旗營(yíng)東側(cè)的風(fēng)場(chǎng)造成不利的影響。旗營(yíng)選擇這種街巷布局形式主要是出于對(duì)夏季防風(fēng)的考慮:琴江村在夏季受臺(tái)風(fēng)影響嚴(yán)重，減少臺(tái)風(fēng)的影響是旗營(yíng)街巷布局時(shí)主要考慮的因素之一。

圖7 風(fēng)速分布圖

旗營(yíng)西側(cè)街巷的通風(fēng)效果優(yōu)于旗營(yíng)東側(cè)，泗洲街、大街、淳樸巷和太平里四條街巷的通風(fēng)效果在所有街巷中最好。在街巷組織上泗洲街、大街、淳樸巷處于南北大門的連接線上，且三條街在東西方向上開口少，形成了三條南北向的通風(fēng)道，能夠適應(yīng)夏季主導(dǎo)風(fēng)向偏南風(fēng)，提高旗營(yíng)在夏季高溫時(shí)的通風(fēng)散熱效果。

可見，旗營(yíng)街巷的街巷布局既考慮到了極端情況下的防風(fēng)措施，又結(jié)合了夏季盛行風(fēng)風(fēng)向，保證了旗營(yíng)的通風(fēng)效率。

4.2 街巷走向?qū)︼L(fēng)環(huán)境的影響

在旗營(yíng)內(nèi)除三條主要街巷為南北走向外，其余均為東西走向，這主要是由于考慮到日照的因素，這種街巷走向可以使大部分建筑物呈現(xiàn)南北朝向的格局。在夏季主導(dǎo)風(fēng)向下，旗營(yíng)中心的3條南北向街道的風(fēng)速分別為1.11m/s，4.12m/s和2.40m/s，相同狀態(tài)下東西向的承惠街、太平里和協(xié)府口的風(fēng)速分別為0.9m/s、1.71m/s和1.79m/s。南北向街道由于面朝夏季主導(dǎo)風(fēng)向，因而風(fēng)速較大，而主要的東西向街道由于面朝城門與村外連通，也能獲得較好的通風(fēng)效果。旗營(yíng)內(nèi)的街道組織方式避免了中心區(qū)位置過深造成的風(fēng)影現(xiàn)象，保證了旗營(yíng)在夏季主導(dǎo)風(fēng)向上的通風(fēng)效果，并且平衡了建筑物在通風(fēng)與日照之間的矛盾。

在冬季，由于琴江村地處夏熱冬暖地區(qū)，保溫要求相對(duì)較低，且可以通過關(guān)閉北向城門的方式阻擋北向寒風(fēng)。在臺(tái)風(fēng)天較為常見的東風(fēng)情況下，旗營(yíng)東側(cè)的街巷內(nèi)風(fēng)速較大，但由于城墻和炮山的遮擋，旗營(yíng)西側(cè)南北向主街道風(fēng)速較小，有利于保護(hù)旗營(yíng)內(nèi)的將軍衙門等主要建筑及街道。

5 結(jié)論

本研究通過對(duì)古琴江水師旗營(yíng)在各季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向下的風(fēng)環(huán)境模擬和分析得出以下結(jié)論:

(1)旗營(yíng)整體的通風(fēng)效果良好，風(fēng)環(huán)境較為均勻，并未在局部出現(xiàn)過大的風(fēng)速。

(2)旗營(yíng)內(nèi)西側(cè)的炮山和城墻等對(duì)東側(cè)建筑形成遮擋，有利于保護(hù)內(nèi)部的主要街道和重要建筑。

(3)旗營(yíng)內(nèi)以南北向街道為主街道，東西向街道與之穿插交錯(cuò)的街巷空間形態(tài)，能夠保證旗營(yíng)內(nèi)的中心區(qū)域具有良好的通風(fēng)效果。

琴江村清代水師旗營(yíng)的街巷空間通過合理的布局，在風(fēng)環(huán)境方面很好的適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐牡乩須夂颦h(huán)境，本研究通過對(duì)琴江村清代水師旗營(yíng)街巷形態(tài)與建筑風(fēng)環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行研究，得出的結(jié)論可供建筑和規(guī)劃設(shè)計(jì)人員作為參考。

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