典型歷史時期晉西窯洞民居光環境的模擬研究
——以臨縣西灣村為例

于姝亞，石謙飛

(太原理工大學 建筑學院，山西 太原030024)

光環境是營造室內舒適物理環境的重要組成要素，其對人的心理和生理健康產生著尤為重要的作用.良好的室內光環境能提升工作效率，直接影響對外界信息的接受，同時良好的室內光環境有助于改善睡眠質量和緩解壓力，然而過量的天然光環境也將引起視覺刺激，造成持續眩光的現象.在傳統窯洞民居營造過程中，蘊含著許多樸素的生態營建智慧，然而對于傳統窯居光環境的生態智慧及其科學演進，缺乏研究與關注.

目前關于光環境對傳統民居的影響，國內外眾多學者對建筑室內外的光環境進行了研究，并且取得了諸多研究成果.楊柳柳等人選取蘇州地區8個公共建筑中庭進行光環境實測，提出優化中庭圍護結構形式的被動式節能手段[1]；舒暢對蘇州姑蘇區民居建筑進行了研究，得出窗墻比數值在城市住宅中自然光環境節能的影響[2]；以上研究都是針對建筑光環境實測的研究.王炎松等人對贛東地區“縱向天井”家塾型書院與附近民居室內自然光的照度進行研究，探究到“縱向天井”家塾性書院室內自然光環境的優勢性[3]；何苗等人對晉江市東山村傳統民居的室內光環境進行了模擬實驗，提出適應性的優化策略[4];王怡等人對傳統窯洞及新型窯洞室內環境做了大量研究，得出窯洞稱得上是節能建筑，新型窯洞繼承和發揚了傳統窯洞的優點[5]；李嘯雷等人對三門峽市曲村的地坑窯院實地調研，運用ECOTECT軟件模擬，分析地坑窯院光環境等自主改良模式[6]；然而總體上看，多數研究是在確定的時間環境下，實測光環境參數進行分析和比較，提出優化策略.但是從時間序列的角度，分析其室內光環境在典型歷史時期的演變研究較少.在隨著時間的變化，窯洞民居的規模和窯洞單體，都是在不斷適應當地條件.洞悉到這一動態變化，進而推論室內天然光環境也隨著時間序列的不同而發展變化，與當地的環境相適應.故而尋求在時間序列下，晉西窯洞民居的演變與光環境的關系.基于此，研究晉西窯洞建筑按照時間序列分為4個典型歷史時期，進行光環境的數據對比和定量分析，并將其代表個體在演變進程中的演變形式以窗地比的形式量化，探討其與光環境的適應關系.

1 研究對象及方法

1.1 研究對象地理概況

西灣村位于呂梁市臨縣磧口鎮，西靠黃河，隔黃河同陜西榆林相望，屬晉西丘陵溝壑區(圖1).地理坐標為北緯37.95°、東經110.98°，屬于半干旱溫帶大陸性季風氣候，四季分明，最多風向為南風和北風，平均降水量502.5 mm，年平均氣溫8～9℃，屬于光氣候分區中第Ⅲ類光氣候區，日照較豐富，平均日照時間2 252 h，平均日照率58%.

圖1 西灣村窯洞民居現狀Fig.1 Current situation of cave dwellings in Xiwan village

1.2 研究對象的選取

西灣村以“北樓南廳，東西配房”的合院式院落為基本單位，村內有許多保留完整的傳統窯洞民居，隨著時間序列的展開，從明末至今，各時期特色的窯洞民居相互交融，是西灣村典型特征.通過實地調研，將當地窯洞民居按照時間序列，大致分為4個典型歷史時期，這4個時期的窯洞民居外觀與平面形制如表1和圖2所示.

圖2 典型歷史時期模擬區域Fig.2 Simulation area in typical historical period

第1典型歷史時期：選取建造于明末時期的窯洞民居“儒公故居”，區域A作為模擬對象，這是目前村內現存僅有的明代窯洞，也是明代時期典型的窯洞民居類型.現狀院內保留有石磨和碾盤等生活設施，磚砌圍墻和大門為清代修建.

第2典型歷史時期：選取了清代的2個典型窯洞民居，區域B選自清初期的“歲進士下院”，始建于清代1737年，是典型的“北樓南廳，東西配房”的形制.院內布局對稱，正房建在1 m的高臺之上，三孔石窯，每孔開間4 m，進深8 m，無根廈檐，正立面是用石條做懸挑構件承接檐子，東西廂房都是兩孔磚窯.區域C選自清中期的四合院，院內房屋的布置是完全對稱的，院落為正方形，正房是3孔石窯洞，立面為無根廈檐，東西配房和南廳是3間單坡的木構瓦房.

第3典型歷史時期：選取民國時期的窯洞民居，此時期多以單進院落為主，其中區域D選自“竹苞松茂”院，其屬于“北樓南廳，東西配房”格局的演變形式，根據院主人商會會長的建造需求采取了 “去北樓”形式.院落門匾上書寫“竹苞松茂”，出自于《詩經·小雅·斯干》：“如竹苞矣，如松茂矣.”寓意家門興盛.院落寬敞，是典型的四合院.正房立面有4孔石窯，窯洞式明柱廈檐、高圪臺，最中間的兩孔窯洞之間有一座佛龕，使得窯洞數為單數.東西廂房各三孔磚窯.倒座是客廳、馬棚和廁所.

表1 歷史時期典型院落表Tab.1 Typical Courtyard in Historical Period

第4典型歷史時期：選自建國之后村民自主建造的窯洞民居，區域E建造于1970年代的陳家宅院，區域F選自建造于1990年代的王家宅院，它們不再僅僅是滿足于遮風避雨、抵抗外敵的生存性需求，而是對居住舒適性有了更高的需要.根據新的生活理念，窯洞民居在建造上更注重現代化和美觀性，窯洞內部也疏通了上下水系統和電路系統，主窯中布置了獨立的衛生間，更大程度上方便居住，除此，在門窗和材料等細部設計上也更趨于現代化的審美.

1.3 研究方法

運用現代建筑科學技術軟件ECOTECT對4個典型歷史時期的6個窯洞民居的正房窯洞區域進行室內光環境模擬，將窯洞民居營造演變對光環境的調整轉化為科學化的設計技術和方法.通過對其光環境的模擬和結果的分析，采取軟件模擬定量分析窯洞民居建造演變對光環境適應的科學機理.

1.3.1 模擬區域選擇

在4個典型歷史時期的6個典型案例中，正房是作為主臥和廚房的混合功能進行使用，其使用頻率是院落中最高的，也是對光環境有嚴格要求的房間，因此，本次模擬實驗選取6個案例具有代表性的正房分別簡化為A、B、C、D、E、F 6個區域模型進行模擬分析(圖2)，即儒公故居正房為區域A，歲進士正房和四合院正房分別為區域B和區域C，竹苞松茂正房為區域D，陳家宅院和王家宅院的正房分別為區域E和區域F.

1.3.2 測量標準

晉西地區在我國的光氣候分區中屬于第Ⅲ氣候區，根據《GB50033-2013建筑采光設計標準》中第Ⅲ氣候區光氣候系數K值為1.00，室外天然光設計照度值Es為15 000 lx，室外臨界照度值為5 000 lx.根據《采光測量方法(GB/T5699-2017)》，在模擬實驗中將天空照度模型設定為全陰天空，全陰天天空只有擴散光，不存在太陽直射光，伴隨著太陽高度角的變化，是室外照度相對比較穩定的時間.這6座窯洞民居建筑的結構、材質不同，不具備統一橫向比較的科學性，因此本次實驗選擇采光系數、照度和采光均勻度作為是否符合國家標準規定的居住建筑采光要求的評價因子.

根據建筑《采光測量方法(GB/T5699-2017)》，此次模擬實驗采用科學軟件ECOTECT以網格法均勻布點來獲取室內光環境數據，6個區域模型數據采取實際建筑尺寸，建模過程中所有的門窗洞口都設定為完全開放的狀態，計算網格放置于距離室內地面800 mm的高度，網格數為500，采取綜合評價室內光環境的三指標：室內采光系數、照度和采光均勻度，來總結各個區域的采光情況.

2 模擬結果及分析

2.1 采光系數的計算與分析

根據GB50033-2013《建筑采光設計標準》，住宅建筑的臥室、起居室和廚房的側面采光系數不應低于2.0%，當地的住宅側面采光的采光系數最小值Cmin=標準值×光氣候系數K(K=1.00)，臥室、起居室、廚房最小采光系數不得低于2.00%(表2).

表2 住宅建筑側面采光的采光標準值Tab.2 Daylighting standard values of side lighting of residential buildings

根據模擬結果(圖3)得出：區域A的Cmin=0，區域B的Cmin=0，區域C的Cmin=0.2，區域D的Cmin=2.4，區域E的Cmin=2.8，區域F的Cmin=3.6.區域A、B、C三個區域不滿足國家規定的采光設計標準，而區域D、E、F三個區域滿足于國家標準的采光要求.

圖3 區域的采光系數模擬結果Fig.3 Simulation results of regional daylighting coefficient

區域A和區域B的采光系數在靠近窗口的地方較高，區域C和區域D采光系數從窗口向室內延伸，采光系數隨之開始下降，到室內4 m深的時候，采光系數基本已經為0，室內是無法收到自然采光.而區域E和區域F，采光系數從窗口和室內進深最大處逐漸開始降低，過渡平滑和平緩，采光情況較之前4個區域理想，即區域A=區域B<區域C<區域D<區域E<區域F.

2.2 采光均勻度的分析

采光均勻度是對采光系數跨度的評定，在區域A和區域B的采光分析中，采光系數的變化范圍在0%～60%，變化幅度為60%，整體室內照度分布不均勻.區域C的采光系數變化范圍在0.2%～20.2%，變化幅度為20%，其中0.2%～2.2%占30%.區域D的系數變化范圍在0%～20%，變化幅度為20%，其中0%～2.0%占0.4%.區域E的系數變化范圍為2.8%～22.8%，變化幅度為20%.區域F的系數范圍3.6%～23.6%，變化幅度為20%.

從采光均勻度來說，區域A和區域B的采光系數跨度較大，區域C、D、E、F跨度幅度都為20%，采光均勻度區域A和區域B較差，其余區域一致，即區域A=區域B<區域C=區域D=區域E=區域F.

2.3 照度的分析

在典型歷史時期的窯洞民居區域分別設置500個計算點，根據全陰天自然采光照度模擬圖(圖4)，可以得出，區域A照度值小于300 lx的計算點占整個區域的85.10%，區域B照度值小于300 lx的計算點占整個區域的84.38%，區域C占71.20%，區域D為40%，區域E占38.2%和區域F照度小于300 lx的計算點占整個區域的36.50%，對比6個區域照度低于300 lx的計算點所占比，其動態走向是呈下降趨勢.由此可見，其照度情況是有所好轉的，而且最小照度在6個區域的動態走向是在逐漸上升的，最大照度值也是在不斷增大的.數值說明其照度值是在時間序列下是不斷提高的.整體室內自然光環境是在不斷改善，窯洞民居對光環境的適應性也是呈有利的動態趨勢演變.

圖4 區域的照度模擬結果Fig.4 Simulation results of regional illuminance

由照度分析圖(表3)可看出，區域A和區域B的照度比較分散，而且最小照度和最大照度跨度相距太大，整體室內照度較低，房間深度較大，整體采光較差.區域C和區域D相較區域A和B而言，靠近采光口的照度較高，距離采光口較遠的地方照度較差，但是采光均勻度稍微有所提升.區域E和區域F兩個的照度，明顯比前者更好，房間采光均勻度較高.從照度的角度來看，6個區域的照度情況，建國之后區域E和區域F的照度情況是最好的，民國時期的區域D和清代的區域C照度情況次之，清代的區域B和明代的區域A照度情況最差.

表3 模擬區域最小、最大照度和≤300 lx的百分比Tab.3 Percent of minimum and maximum illumination and ≤ 300 lx in simulated area

2.4 ECOTECT模擬結果總結

從以上6個典型歷史時期的區域室內自然采光分布情況來看，采光系數、照度和采光均勻度三個數值綜合起來可得：1970的區域E和1990年區域F的室內自然情況是最好的，民國時期的區域D和清中期的區域C次之，清早期的區域B和明代的區域A最差，即區域A<區域B<區域C<區域D<區域E<區域F.

3 典型歷史時期晉西窯洞民居的量化分析

3.1 窯洞民居規模的量化演變

在時間序列下，六個典型歷史時期區域的窯洞民居規模(表4)是在減小，由測量數值可知，區域A和區域B的正房規模是大致相同的，區域C相較于區域A、B在規模上是減少的，而區域D的規模則是最大的，區域E和F是所有模型里規模最小的.其中區域A、區域B、區域C為三開間，區域D為四開間,區域E和區域F也是三開間.從整體上來看，不管是進深還是面寬，兩個數值都是在減小，故而窯洞民居的規模是在呈遞減的狀態，這大致可以理解為是由于村落建成區域用地緊張所導致的現象.

表4 模擬區域平面規模表Tab.4 Plane scale table in simulated area

續表4

模擬區域平面圖平面面積/m2模擬區域平面圖平面面積/m2區域C清中期 四合院109.80區域F1990年代王家宅院73.80

3.2 窯洞立面的開窗洞口的量化

隨著時間的推移，區域A和區域B的開窗洞口面積是最小(表5)，區域A的三間正房的窯臉形式是一致的，區域B最中間的窯臉異于兩側窯臉，而區域D的窯臉面積是最大的，建國之后的窯洞民居區域E和區域F在窯臉上開啟了較大的窗洞來進行采光.采光的窗洞相對較大時，室內能夠獲取到更加充足的自然采光，與此同時，區域E和區域F的窯臉形式是一致的，相較前四個區域的開窗面積更大，窯臉更圓潤.從整體趨勢上來看，開窗洞口在時間序列中的演變是呈上升的趨勢的.

表5 模擬區域立面開窗洞口面積Tab.5 Area of window openings in the facade of simulated area

3.3 窗地比

將窯洞民居的開窗洞口面積與該窯洞民居地面面積相比，可得到窯洞民居的窗地比(表6)，其數值可以影響到窯洞民居的室內天然光水平，根據氣候區窗地比標準為1/5可以評定窯洞民居是否達到窗地比的標準值.綜合判斷窯洞民居規模隨著時間演變的數值在逐漸減小，而窯洞民居的開窗洞口的數值是逐漸增大的，其比值是呈現上升的趨勢.由表6可得出，隨著時間的推移，案例區域的窗地比在逐漸增大，從區域A的0.13在區域C達到標準值0.2之后，區域D、區域E和區域F更是較標準值大.故此判斷，在時間演變過程中，窯臉的開窗洞口與建筑地面的比值是在逐漸上升的.隨著窗地比的增大，窯洞民居的自然采光情況是在呈現動態上升的趨勢.

表6 模擬區域窗地比與標準值Tab.6 Window-ground ratio and standard value of simulated area

根據ECOTEC軟件的室內天然光環境仿真模擬，得出在時間演變下，晉西窯洞民居的室內光環境條件在平穩提升；從晉西窯洞民居本身出發，以量化的形式，從窯洞民居的規模和窯洞民居立面開窗洞口兩個數據，得出晉西窯洞民居的窗地比數值在時間推移下是在增大的，室內自然采光條件得到了相應的改善.通過模擬和實測數據對比，共同得出晉西窯洞民居在歷史演變過程中，其對光環境的適應是主動的和穩步提升的.

4 結語

在典型歷史時期晉西窯洞民居的室內天然采光情況是在不斷提升，有了更多適應性，其窯居規模數值減小和窯臉的開窗洞口數值增大，使得窗地比數值相對增大，室內獲得了較多的自然光，與此同時形成了立面特有的窗洞開口形式和遮陽方式.傳統窯洞的營造是在非常有限的客觀基礎上對光環境形成了主動適應，其代價極低，適應效率高，滿足了居民的基本生活需要，因此，在當代建筑的光環境營造方面具有較好的參考作用.