北京傳統合院居住環境實測模擬及其生態評價
——以爨底下傳統民居為例

農麗媚

周浩明

郭繼紅

傳統民居建筑環境的營造中蘊含了很多樸素的生態營建智慧。然而傳統民居微氣候環境營造的生態智慧及其科學作用，歷來缺乏研究關注[1-2]。本文以京西爨底下傳統合院民居為例，基于建筑物理工程技術的實測和模擬方法，直觀量化地展示傳統民居建筑室內外環境微氣候的典型特征，驗證、豐富并在一定程度上修正以往對傳統民居建筑環境性能的主觀感受和定性認識[3-5]，并揭示傳統民居建筑環境熱工能效原理及其生態智慧。

北京爨底下傳統村落坐落在北京西郊深山峽谷之間，完好保留了明清以來的聚落空間和建筑形制，成為北京地區少有的、遺存較為完整的傳統聚落，2012年被列入中國第一批傳統村落名錄。該聚落是當代保存最完整的北方山地合院民居群落之一，當地的合院式民居不僅融合了北京四合院和晉中四合院的特點[6]，更是結合山形地勢創造出了獨特的山地合院聚落形制，不僅突破了北京地區傳統平地四合院的單一類型[7], 也大大豐富了我國北方山地合院民居的多樣化概念，成為我國當代北方傳統合院民居的典型代表和活態文化展示基地。

1 爨底下傳統合院民居營建方式

爨底下村位于老龍頭山向陽坡上，依山而建，層層升高，通過軸線方向、建筑方位、臺基尺度、基礎形式、區域聯系等的變化，成為大坡度山地聚落的典型。村民根據地理區位、氣候特點并采用當地材料來建造民居，布局小巧多變的農家小院融于青山之中。根據地形高差、太陽高度角、主導風向等自然因素來調節建筑朝向、間距、門窗的形式、日照時間、輻射得熱及遮陽陰影等，院落的設計盡量朝南，正房的高度設計高于前面的其他房間約1m，房間的開間小、進深淺，各家各戶院落布局不一的居住環境也因此獲得了充足的采光、通風和良好的視野[8]（圖1）。

由于受到資源條件、財力物力的限制,整個爨底下村的傳統山地合院民居充分利用現成的地形地貌，以坡代基，減少土方的開挖和回填，民居建筑全部就地取材。墻體以簡省的“腹里填餡”“外熟里生”的方式砌筑，充分利用了山區當地的石板、卵石、黃土、草泥、原木等天然材料。根據圍護結構不同部位不同的用材、厚度、砌筑方式及相應傳熱系數，整理出爨底下民居圍護結構組成及熱工性能分析（表1）。

2 對典型合院居住環境微氣候的實測

為了詳細探究爨底下山地合院的居住環境舒適度及其生態效率，本文選取村內的典型“一”字型院落大五間及四合院作為代表，在冬季最冷月對其主要房間及室外院落進行室內外溫度、相對濕度、采光照度和風速等物理環境熱舒適狀況的連續測試。

測試對象為老財主居住的大五間上院和兩個并排的標準四合院下院。大五間恰好位于以龍頭山為中心的南北軸線的制高點上，海拔高度為650m，上下院約有6m的高差，是村落中居住環境視野最好的典型民居單元。單體建筑均為抬梁式構架體系，間寬2.4m，整個檐高約2.8m，廊前設臺階五級，檐口高度有3.7～3.9m，臺階下有2m左右的窄院。下院的正房為三開間，左右廂房均為兩間，間寬、高度更次之，間寬2m，檐高2.4m；倒座的間寬、高度、進深均小于正房。

測試時間為冬季最冷月：2月10日—12日，天氣晴朗，測量儀器為溫濕度自記儀、照度儀和熱線風速儀，測試方式采用溫濕度記錄儀進行晝夜連續自動記錄，其他儀器均為白天人工記錄測定，每個指標的測試時間間隔都為20min（表2）。實測及模擬的目的主要是分析在不使用主動式空調設備的情況下，對傳統建筑室內環境是否滿足人體熱舒適要求的議題[9-11]做進一步的案例實證。

2.1 對大五間的測評

對財主院大五間的測試數據包括室內外溫度、相對濕度、風速和采光照度。測試時間為冬季最冷月下午時段從13：00持續至19：00。測試點分別布置于屋檐門廊臺階處、正堂和東側房中央（圖2）。測試場地條件包括無任何附加采暖措施，大門保持打開狀態，窗戶為雙層紙糊，保持關閉，圍護結構包括磚石混合墻體、木架結構及隔斷、泥瓦望板屋面。大五間已久不住人，無人為干擾因素影響。

（1）熱濕環境

1.技術上的挑戰。技術上的挑戰主要分為兩點，一是技術標準上的挑戰，二是速度與性能上的挑戰。技術標準上的挑戰指的是區塊鏈缺少統一的系統標準，要獲得廣泛的應用就需要有技術標準來確保產業之間有類似的技術應用，各類基于區塊鏈技術搭建的平臺之間的銜接需要基于一定的標準，實現互通性。速度與性能上的挑戰表現為任何分布式數據庫本質上都比中心化數據庫慢，那么區塊鏈怎樣才能適用于高速、高容量的應用場景將是業內首要解決的問題。

溫度測試顯示（圖3），大五間門廊臺階處的溫度最高，最高溫度10.7℃，最低溫度3.2℃，接近于室外環境溫度，下降速度也最快；門內廳堂中央的溫度次之，最高達9.8℃，最低為3.5℃，而側房的溫度最低，最高溫度8.7℃，最低為3.2℃。下午最暖階段14：00—16：00間的室內外溫度都為最高，廳堂室內溫度比室外低1℃左右，側房室外低4℃左右。總體而言，室內空間和室外環境的溫度變化趨勢吻合，特別是18：00太陽落山后，室內外溫度都急劇下降并開始接近，室內的溫度下降相對緩和，直至夜間室內溫度比室外溫度高。由此可知，爨底下合院民居使用當地天然材料的圍護結構性能良好，基本符合居民冬季基本生存的御寒保暖需求。

表1 爨底下山地合院民居圍護結構熱工性能

表2 實測方式說明

圖1 爨底下傳統山地合院聚落居住環境微氣候示意圖

圖2 對爨底下民居院落的測點布置及說明

由于大五間的室內隔斷較少，整體空間比較通透，各部分室內相對濕度趨于一致，因此本文截取正堂的相對濕度數據代表整體室內空間的相對濕度表現。相對濕度測試顯示（圖4），下午時間段由于氣溫偏高，而相對濕度比夜間偏低，最低達到38%以下，但整體濕環境還是符合人體舒適度標準的相對濕度30%～70%范圍[10-11]。

（2）風環境

風速測試顯示（圖5），大五間門廊臺階處的風速與室外風速相當，最高為2.8m/s；而大門內廳堂中央的風速更為柔和，最高只有約1.5m/s；兩側房間里的風速則基本上保持在0～0.05m/s之間的無風狀態。說明冬季爨底下山地合院民居的避風環境非常良好，室外南面的院落為微風，廳堂柔風，符合0.1～0.7m/s的人體舒適風速指標。但側房幾乎無風，若室內隔斷較多，則不利于通風。冬季主要是抵御西北方向的寒風，坐北朝南的朝向、室內北墻不開窗、室內隔斷較少以及背靠龍頭山的天然優勢都是利于抵御冬季西北寒風的設計。

（3）光環境

光環境方面，大五間也遵從傳統民居“一明兩暗”的布局，中間三個開間連通成為大的廳堂，大門開敞，兩邊隔窗朝南向。東西兩側開間為臥房，房門朝廳堂開，只有南側有窗，因此整體空間的采光分布不均勻，中間廳堂敞亮通透，兩側臥房內較為陰暗，進深越深，采光越弱。以采光條件最好的正堂區域為例，采光照度測試顯示（圖6），室外晴天陽光充足時，正堂內的光照環境良好，下午的大部分時間照度都在50lux以上，光憑天然采光即可滿足生活中人的視野采光需求。

2.2 對典型四合院落的測評

為作進一步的對比，選取典型四合院進行室內外熱環境48小時連續測試，但測試指標僅包括溫度和相對濕度。測試點分別布置于北側正房、西廂房、倒座和院落四個代表空間中央地上1.5m高處（圖2）。與大五間不同的是，此院落是完整規矩的四合院格局，有人居住和日常打理，每個房間都配備暖管，通過自燒的煤爐鍋統一采暖。測試期間北側正房、西廂房的采暖設備保持打開，倒座房的采暖設備關閉。

從相對濕度測試結果對比顯示（圖8），測試點4院落中央的相對濕度變化幅度較大，顯示了室外相對濕度的晝夜變化趨勢。室外相對濕度有規律地上升回落，夜間到凌晨之間室外相對濕度最大，最高達52%，白天太陽出來溫度上升后，室外相對濕度開始回落，到下午最暖時段降幅更大，傍晚17：00左右達到最低，不到20%，說明此時段溫度偏冷，環境也比較干燥。室內相對濕度的變化則相對穩定，落差幅度較小。其中，測點1北側正房的室內相對濕度保持在相對穩定的狀態，晝夜期間大部分時段基本維持在40%～46%之間；測點2西廂房的室內相對濕度與正房相似，晝夜期間大部分時段基本維持在38%～48%之間，有微弱下降趨勢，有可能是因為前幾個小時的時段中屋內有人活動、用水等產生的影響。測點3倒座房的室內相對濕度比正房、西廂房稍低，但也保持在35%上下的相對穩定狀態。

3 典型合院室內外居住環境微氣候模擬

在上述實測結果基礎上，進一步采用ECOTECT軟件模擬民居院落在全年典型季節的日照陰影遮擋軌跡及采光通風情況，以進行結果驗證和對比分析。

3.1 日照及陰影遮擋狀況模擬

模擬結果顯示（圖9），夏至日午時太陽高度角的位置較高，大出檐的屋頂發揮了極大的遮陽防曬作用，保證了屋面窗臺大部分都處于陰影遮擋范圍。因此，夏季合院整體室內外環境的溫度不至于過高，涼爽舒適。相比而言，冬至日午時太陽高度角的位置比較低，對合院民居的日曬則是斜射的軌跡。依據地勢高差的原因，北側大五間的前面無任何建筑物遮擋，因此得到了最大幅度的太陽直接輻射，整個居室內的輻射得熱效果、采光效果極佳，因此相對比較溫暖敞亮。四合院落中，北側正房的日照狀況較佳，東西廂房只獲得局部時段的日照輻射，庭院由于有南側倒座的遮擋，也只獲得局部日照，倒座由于其自身位置、門窗的設計等原因獲得的日照最弱，因此輻射得熱和采光環境都不理想。

3.2 采光及光環境模擬

北京地處第三光氣候分區，室外臨界照度值為：6500lx，采用CIE全陰天模式。整個院落冬至日的室內外采光梯度模擬結果顯示，大五間正房的天然采光環境最為優良。最大原因是因為大五間有5.9m的地勢高差，地基比前面建筑還高，因此前面向陽處無任何遮擋。而南面向陽墻面上開啟較大的窗口，“窗墻比”較大，因而窗口下區域的采光系數最高，為15%左右，光線向室內延伸，廳堂室內能夠獲得足夠的自然采光，側房內離窗口最遠的室內角落也能獲得一定程度的自然采光。

3.3 通風及風環境模擬

北京地區冬季主要風向為西北風，夏季主要風向為東南向[12-13]，該村落處于京西山谷地帶風，還有山谷風的混合作用。通過總結分析1960—1990年間的北京地區氣象數據，得出平均風速約為 3.4 m/s。采用ECOTECT第三方Winair插件對爨底下典型山地合院的風環境進行模擬分析，在模擬過程中選取冬至日西北風工況。模擬結果顯示（圖10），夏至日假定室外22℃、室內20℃，東南風4m/s的工況下，大五間的風環境處于舒適區域，室內風速處在2.4m/s的微風舒適區，前面四合院的庭院和東南側的門洞則處于風場較大區域，達到3.3m/s以上，東西廂房和倒座基本處于靜風狀態。冬至日假定室外6℃、室內8℃、西北風4m/s的工況下，大五間的風場較弱，保持在0.8m/s的弱風以下，前面四合院的庭院和門洞的風場相對較高，最高達到3m/s。但是由于有背靠龍頭山的天然屏障，即便西北風再大，整體的院落室內外所受風力風速都不會太大，僅有院落外東西向的巷道為受風主要區域。

4 基于數據比較的生態效應評價

從溫度橫向比較上看，大五間和四合院正房、廂房、倒座各個不同位置房間的熱工性能呈現出差異化的表征，原因是多方面的：采暖的有無是直接原因，房間位置和朝向也對熱工環境產生影響，門窗開啟的位置和大小直接影響到太陽輻射得熱量的大小，頻繁的開關門也會造成室內熱量的流失而影響室內熱環境。

從相對濕度橫向比較上看，在下午最暖時段室外溫度達到最高、室外相對濕度降到最低時，倒座房的室內相對濕度也跟著略有降低，說明倒座房的室內環境氣密性不夠理想。而正房與西廂房由于有持續采暖，室內溫度較高，但是室內相對濕度也保持在較高的穩定狀態，最大原因可能是這兩間房間的圍護結構氣密性比較好。值得肯定的是，在冬季偏干冷的季節里，即便室外相對濕度變化幅度較大，四合院內所有房間的室內相對濕度指標都保持在30%～70%的人體舒適度標準范圍內，不至于太干，也不至于太濕。排除了人為因素的干擾，獲得這樣的舒適效果原因可能跟周圍的山林局部氣候及建筑本身圍護結構的密閉性有關。

從采光和通風橫向比較上看，爨底下山地合院民居巧妙利用山坡地形的地勢高差提升正房地基，又抬高正房室內凈高，有些建筑還特意抬高前檐口高度，使整體室內空間和室外庭院都獲得良好的采光和通風條件。同時室內布局通透敞亮，進深小，利于通風換氣[14]，也利于天然采光。

對測試模擬結果的綜合比較可知,爨底下山地聚落通過聚落周圍的山水格局環境、聚落本身的空間結構、街巷及民居環境的形態組合、合院民居個體單元形態構成的生態自適應系統，來調整傳統民居的室內外溫濕度、太陽輻射、照度、風速、風向變化等，從而對傳統居住環境舒適性產生極大的促進作用。

圖3 大五間的溫度測試結果

圖4 大五間正堂的室內相對濕度測試結果

圖6 大五間正堂的采光照度測試結果

結語

圖7 典型四合院的溫度測試結果

圖8 典型四合院的相對濕度測試結果

圖9 冬至日上下兩院日照及陰影變化軌跡

圖10 冬至日上下兩院室內外通風環境模擬

綜上，北京爨底下傳統民居的微氣候環境營造體系是一個完整的生態適應系統，在結合地理環境、適應氣候條件、民居靈活組合布局、地方材料使用、結構及性能保障等營建技藝方面都體現了良好的生態哲學。聚落的地理環境極富特色，充分利用了地勢高差變化，不僅提高了院落建筑的布局密度,有效地節約建房土地，也為各家各戶的院落居住環境提供了充足的采光通風條件、良好的視野以及更多的冬季太陽輻射得熱。當然，客觀而言，和我國其他地區優秀的傳統民居一樣[15-17]，這些營建技藝所創造的建筑物理環境即便無法達到現代住宅的舒適標準，卻是建立在當時當地資源環境和技術條件都非常有限的客觀基礎上，依據生態被動原則形成的適應性策略，因此生態代價極低，生態適應效率極高，能巧妙地滿足人們的基本生存生活需要，因而對當今建筑的生態環境營造仍然具有非常好的參考作用。

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文中所有圖表均為作者提供。