基于Ecotect 的瞻園古典園林建筑冬夏日照時長的研究

文／張嵩楠 南京農業大學園藝學院 碩士研究生

陳 宇 南京農業大學園藝學院 教 授（通訊作者）

引言

江南的私家園林建筑技藝精湛，輕巧玲瓏，開敞通透，易受外界光照的影響。不同的高寬尺度造就不同的建筑空間，對陽光的接收程度也不同。目前建筑高寬比的研究對象多為外部空間[1,2]，古典園林建筑的研究方向多為體量、造型等方面[3,4]，文章選擇探究古典園林建筑高寬比和內部空間日照時長的關系，并提出日照時長的調整措施，為該地區的園林建筑高寬尺度設計提供參考。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

南京位于江蘇省西南部，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，夏季炎熱，冬季寒冷[5]。瞻園是南京現存歷史最悠久、保存最為完好的明代古典園林建筑群，素有“金陵第一園”之美譽[6]。經過了三期的整修與擴建，瞻園形成了原址、東部、北部和太平天國歷史博物館嵌合的布局形式（圖1）[7]。

古典園林建筑按功能性質可分為觀賞型、實用型和輔助型三類[4]。其中，觀賞型建筑主要指亭、軒、榭、舫等開敞型小型園林建筑，建筑內部空間與外部園林空間聯系密切。文章選擇研究對象為瞻園小型觀賞型古典園林建筑（以下簡稱園林建筑），即觀魚亭、歲寒亭、扇亭、半亭、延輝亭、翼然亭、水邊亭、庭院亭、薇亭、臨風軒、春波亭、抱石軒、姊生亭、畫舫共14 個園林建筑（圖1）。

圖1 瞻園14 個園林建筑點位圖（圖片來源：作者自繪）

1.2 研究方法

建立只有頂平面和底平面的正四棱柱簡化模型，導入Ecotect 軟件，接著導入南京地區的標準氣象數據（數據來自清華大學的《中國建筑熱環境分析專用氣象數據庫》）以累積的方式計算日照時間，最終得到簡化模型的平均日照時長和累計日照時間圖[8]。

2 高寬比特征及分析

2.1 高寬比定義

文章以建筑屋檐最低處下沿至建筑地坪的高度為檐高（H），以建筑平面較寬面的長度為面闊（L），以檐高與面闊的比值為該建筑的高寬比（H/L）。若建筑平面非矩形，以平行于觀景面的建筑平面最長直線距離記為該建筑的面闊。

2.2 研究對象的高寬比特征

經調研可知，瞻園14 個園林建筑的平均檐高為2.6m，數值大多集中在2.3 ～2.9m 之間，其中扇亭、半亭、薇亭和臨風軒的檐高最低，約為2.3m，畫舫檐高最高，約為3.9m；平均面闊為4.3m，數值大多集中在2.6 ～5.0m 之間，其中姊生亭面闊最窄，約為2.6m，抱石軒面闊最寬，約為8m；平均高寬比數值約為0.7，數值較為分散，其中抱石軒高寬比數值最小，約為0.3，畫舫的高寬比數值最大，約為1.0（表1）。

表1 瞻園14 個園林建筑的高寬比特征表（表格來源：作者自繪）

3 軟件模擬結果及分析

3.1 模擬結果

選取處于0.3 ～1.0 之間的、以0.1 為單位遞增的8 個不同的高寬比數值序列來構建模型。參考《城市居住區規劃設計標準GB 50180-2018》中對位于Ⅳ氣候區的南京地區住宅建筑的日照標準，并結合前人研究和氣象科學知識[9-11]，文章以大寒日（1 月21 日）和夏至日（6 月21 日）分別為夏冬兩季的日照標準日，以8:00 至16:00 為有效日照時間帶，模擬得到8 個模型的冬夏兩季的平均日照時長（表2）和累計日照時間圖（圖2、圖3）。

表2 軟件模擬模型日照時長表（表格來源：作者自繪）

3.2 結果分析

隨著高寬比數值的不斷增大，大寒日平均日照時長也逐步增長，即兩者呈正相關關系，從模型1（高寬比數值為0.3）的5.65h 增加到模型5（高寬比數值為0.7）的8h，并保持8h 滿日照到模型8（高寬比數值為1.0）。夏至日平均日照時長也隨高寬比數值的增大而增長，即兩者呈正相關關系，從模型1（高寬比數值為0.3）的平均日照時長為2.33h 增加到模型8（高寬比數值為1.0）的4.77h。

累計日照時間圖中，大寒日模型底平面南側區域的日照時長始終為8h 滿日照，并且隨著模型高寬比數值的不斷增大，由南到北，滿日照區域逐步擴大，直至鋪滿底平面（圖2）。夏至日模型底平面南側區域平均日照時間最長，約6 ～8h；東西兩側平均日照時長約為3 ～4h；北側和中間區域的日照時長較短，約0 ～4h。隨著模型高寬比數值的不斷增大，東、西兩側日照區域不斷向內延伸，直至模型底平面中部和北部到達4h 日照時長（圖3）。

圖2 大寒日各模型累計日照時間圖（圖片來源：作者自繪）

圖3 夏至日各模型累計日照時間圖（圖片來源：作者自繪）

根據模擬結果，可以得出以下結論：當園林建筑高寬比不變時，冬季日照時長大于夏季日照時長；在一定范圍內，園林建筑的日照時長與建筑高寬比數值呈正相關關系；園林建筑南側受到較長時間的陽光照射，其次是西側和東側，北側陽光照射時間較短。

3.3 等級劃分

參考相關領域學者的建議和建筑使用者的主觀感知，以軟件模擬的平均日照時長的數值為劃分標準，將高寬比不同的模型劃分為三個等級：“短日照”“半日照”和“滿日照”等級（表3）：

表3 “短日照”“半日照”“滿日照”等級劃分表（表格來源：作者自繪）

（1）“短日照”等級是指在8:00 至16:00 之間的8h 內，軟件模擬大寒日平均日照時長小于7h，且夏至日平均日照時長小于3h，即冬夏兩季平均日照時長小于5h 的模型。在此等級中有模型1和2，即園林建筑高寬比數值處于0.3～0.4之間。根據累計日照時間圖，可以看出此等級中大寒日時，模型底平面南側區域日照時間充足，達到8h，北側區域日照較少僅有2 ～4h；夏至日整體日照時長較少，模型中間區域沒有陽光直射，符合游人夏季納涼的需求。

（2）“半日照”等級是指大寒日平均日照時長在7～8h之間，且夏至日平均日照時長在3～4h之間，即冬夏兩季平均日照時長在5 ～6h 之間的模型。在此等級中有模型3、4 和5，即園林建筑高寬比數值處于0.5 ～0.7 之間。根據累計日照時間圖，可以看出此等級中大寒日時模型底平面大部分區域日照時間充足達到8h，僅北側較小區域日照時長為4 ～6h；夏至日中部偏北區域日照時長為1 ～2h，南部和西部有4 ～6h 的日照。

（3）“滿日照”等級是指大寒日平均日照時長為8h，且夏至日平均日照時長大于等于4h，即冬夏兩季平均日照時長大于或等于6h 的模型。在此等級中有模型6、7 和8，即建筑高寬比數值處于0.8 ～1.0 之間。根據累計日照時間圖，可以看出此等級中大寒日時模型底平面全部區域的日照時間達到8h；夏至日整體日照時長較多，其中中部偏北區域日照較少但也有3 ～4h 日照，東、西側區域太陽斜射有4 ～5h 的日照時長，南側區域日照時長達到6 ～8h。

總體來講，對于軟件設定的模擬南京地區場地而言，“半日照”等級（高寬比數值處于0.5～0.7之間）的模型空間更能滿足游人在園林建筑空間中對陽光的需求和使用；而“短日照”等級（高寬比數值處于0.3 ～0.4 之間）的模型空間冬季日照時長較短；“滿日照”等級（高寬比數值處于0.8～1.0之間）的夏季日照時間過長。

4 實證分析

4.1 劃分調研對象等級

根據模型的等級劃分標準，將瞻園內14 個園林建筑進行分類（表3）：

（1）處于“短日照”等級的園林建筑數量最少，共2 個，為臨風軒和抱石軒。臨風軒東西面連廊有墻體，南側有屏風相隔，北側觀景，整體空間較為蔭蔽，夏日陰涼，但冬季寒冷（圖4a）。抱石軒是一座東、西、南三面通透的敞軒，位于假山上，抬高的地勢能俯瞰園中碧水奇石、亭臺廊榭，也便于接受更多的陽光（圖4b）。軒前垂柳夏季枝葉茂密遮擋陽光，冬季落葉不遮擋陽光。

圖4 瞻園14 個園林建筑平面及周邊環境平面圖（圖片來源：作者自繪）

（2）處于“半日照”等級的有5 個，為觀魚亭、扇亭、薇亭、翼然亭和延輝亭。觀魚亭觀景面朝西，南側連廊，東側連軒，南、北、西三面通透（圖4c）。夏季太陽入射角度較高，與亭相連的廊和軒擋住東、南兩側炙熱的陽光，亭內涼爽舒適；冬季太陽入射角度較低時，陽光從西、南兩側的屋檐下方射入亭內，為游人提供溫暖。扇亭觀景面朝東，是一座獨立的扇面亭，雖然位于西假山山頂，但南、北、西三側密林環繞，亭子常年處于高大常綠喬木的樹蔭下，四季涼爽，東側弧形觀景面外視線較為開闊，以便接受上午的陽光（圖4d）。薇亭南北朝向，南側栽植高大常綠喬木遮擋陽光，東西兩側的陽光被院墻和廊檐遮擋，但作為組景和通行為主要功能的門亭，日照問題無須苛責（圖4e）。同樣是觀景面朝南的翼然亭和延輝亭則受到陽光的較強照射。翼然亭地勢的抬高和南側開敞的草坪空間，都使亭子接收了更多的陽光照射，好在其周圍布置了喬灌木和置石，在一定程度上起到遮陽的效果（圖7f）。延輝亭東北側緊挨院墻，但其整體上較為通透，在陽光入射方向上沒有植物和假山置石遮擋（圖4g）。

（3）處于“滿日照”等級的園林建筑數量最多，共7個，為歲寒亭、半亭、水邊亭、庭院亭、春波亭、姊生亭和畫舫。歲寒亭觀景面朝東，而半亭觀景面朝西，兩亭皆處于高大常綠喬木樹冠組成的“屋頂”下，但其觀景面都留有通透的視野接受斜射的陽光（圖4h、i）。水邊亭和庭院亭的觀景面朝東，畫舫主要朝北，東、西兩側為輔，三亭主要是依靠相鄰的建筑和墻體遮擋南側的直射的陽光，但選擇接受東、西某側的陽光（圖4g、k、l）。畫舫內樣式復雜的掛落和枋不僅裝飾了舫內景致，也遮擋了檐下部分陽光，相當于降低了檐高。而對于主觀景面朝南的春波亭和姊生亭，四面通透的單體式造型可從各個角度接收陽光的照射，雖然在東、西、北三側皆有植物或假山等園林要素遮擋，但夏日南側直射的陽光依舊給亭子的使用帶來了不便（圖4m、n）。

4.2 調整園林建筑日照時長的措施

由于建筑材料的限制和建筑美學的要求，園林建筑的高寬比會出現較大或較小的極值，這時就可以通過改變建筑形態和周邊環境因素等方法，在一定范圍內調整內部空間的日照時長。

增加園林建筑日照時長的措施如下：（1）對于建筑形態而言，可設天窗，屋頂山墻面開窗，檐角起翹，減少枋、掛落、雀替等構件的使用，選擇較細的柱子，少設墻體，增設門窗，觀景面優先設置為南方，其次是西方和東方；（2）對于周邊環境而言，可抬高地勢，選擇單體式布局，遠離其他建筑，遠離假山置石，減少植物栽植，優先選用落葉喬木和灌木、地被等低矮植物。

減少園林建筑日照時長的措施如下：（1）對于建筑形態而言，可增設墻體，少開門窗，增加枋、掛落、雀替等構件的使用，觀景面優先選擇北方，其次是東方和西方；（2）對于周邊環境而言，可選擇降低建筑所處地勢，與其他建筑相接，靠近假山置石，多栽植植物等，優先選用高大常綠喬木。

結語

文章調研分析了瞻園園林建筑的高寬比、形態、功能和周邊環境的特征，運用軟件模擬技術研究瞻園園林建筑的日照情況。文章為瞻園園林建筑研究提供了數據和資料支持，為研究古典園林建筑提供新的研究方向和理論依據，也為該地區的園林建筑高寬尺度設計提供參考。