晉東南地區合院式民居風環境驅動機制研究

房文博譚小靜崔琰孫源祥

(1.山東建筑大學 建筑城規學院，山東 濟南 250101；2.同圓設計集團股份有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

近年來，被動式建筑越來越受到人們的關注[1-2]。被動式建筑強調通過無能耗設計手段，將建筑與自然合理融合。傳統民居中體現出的生態智慧，以及運用各種樸素的營造手段，因地制宜、合理應對自然氣候的做法是建筑與自然和諧共生的典范[1]。因此，將傳統民居中的低能耗或零能耗的空間營造方法應用于現代建筑設計，具有較高的研究價值。

以往對于傳統民居的研究，多是從理論和實踐兩個方面分析傳統民居的氣候適應性，以及南北方傳統民居對于氣候適應性的空間營造手法[2-3]。我國傳統民居風環境研究中，石峰等[4]討論了基于風影響下的福州地區傳統民居，闡明了其“多進天井空間”空間體系形成機制；段振等[5]分析了夏熱冬冷地區的合院式傳統民居通風狀況，優化了風環境營造方法；劉學卿等[3]以鄂東北地區傳統民居為研究對象，運用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術，分析了傳統民居空間設計和空間通風規律。關于徽派民居[6]、西北民居[7]等風環境展開的總體研究數量偏少，國內傳統民居風環境研究體系有待完善。

建筑風環境的研究方法大體分為風環境實地勘測調研、實地搭建風洞實驗、應用CFD軟件模擬研究風環境[8-10]等。文章應用風環境實測與軟件模擬相結合的方法，分析了傳統民居風環境狀況；通過對晉東南傳統民居文獻研究以及實地調研，確定研究對象為3種合院式傳統民居，分析建筑概況并搭建建筑模型，實測了3種民居風環境，分別得出基于風環境影響下的空間形式，構建其相應的“共通空間”，探尋具有代表性的“建筑原型”，通過風環境模擬研究，運用風環境數字化模擬插件:蝴蝶(Butterfly)數值模擬分析室內、外的風環境，驗證其可行性，優化、對比和分析建筑原型的不同功能空間，闡明其風環境的驅動機制，以期為晉東南地區現代民居的建設以及其他地區的風環境研究提供一定的參考價值。

1 民居概況

1.1 民居形制

晉東南地區的傳統民居大致分為合院式民居、窯洞式民居、石板房、茅草房以及土木房。民居形制特征呈現多元化，有著較高的建筑藝術研究價值(如圖1所示)。

圖1 傳統民居實景圖

合院式傳統民居是晉東南地區應用、分布最為廣泛的建筑形式，是由樓房空間組合而成的院落形式。通過對晉東南地區實地調研及文獻研究[8]，合院式傳統民居的建筑形制大致可分為四大八小四風口、簸箕院、棋盤院、八卦院和扶主房等(如圖2所示)。其中，四大八小四風口、簸箕院、八卦院在晉東南地區應用最多，最具代表性，文章以此3種建筑形制為例模擬和分析風環境。

圖2 合院式傳統民居建筑形制圖

1.2 建筑概況

晉東南地區傳統民居的院落形式主要有:

(1)四大八小四風口

又稱四大四小四廈口，是晉東南地區較為普遍的一種院落形式，廈口即抱角天井。其院落構成如圖3(a)所示。“四大八小”是指院落在東、西、南、北4個方向上均設有主房，且在主房左、右兩側建有耳房，并于院落的4個角落構成抱角天井，在格局上形成“四大八小”的景象。院落多呈正方形，為中軸對稱的形式展開。晉東南很多地區都有“四大八小”式院落出現，其中較為典型的例子是西文興村柳氏民居中的“中憲第”[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，其院落構成如圖3(b)所示。若以坐北朝南的建筑為例，一般在東、西、北3個方向上蓋以兩層或多層高樓，而南面則為較低的一面，宅門在其正中朝南開，宅門兩側只修院墻或只蓋一層建筑。沁水縣竇莊村的慈母堂是“簸箕院”的典型例子[10]。

(3)八卦院

八卦院是指兩座院落間以院墻、腰墻相隔所形成的院落形式，其院落構成如圖3(c)所示。一般情況下，單元院落多為三合院，并組成一個大的四合院形式，整體院落較為狹長，如同八卦圖一般，呈對稱分布，因此俗稱為“八卦院”，多分布于高平市良戶村[11]。

圖3 傳統民居建筑平面形制圖

晉東南地區傳統民居合院式民居代表建筑模型如圖4所示。

圖4 傳統民居代表建筑模型圖

2 研究方法

2.1 風環境實測

2.1.1 測試方法

實測調研季節為2020年11月份秋冬過渡季節。選擇晉東南地區的典型代表建筑作為調研對象進行為期10 d的調研，每天的調研時間段分為早、中、晚3個時間段，每個時間段的測量時長為10～20 min；風環境檢測點分布于民居的重要功能空間節點，每天統計每個測點的檢測數據，并匯總和分析。

2.1.2 測點設置

以“簸箕院”典型代表建筑慈母堂為例，其迎風面與背風面風環境實測點設置如圖5所示，一層實測點距離水平地面高1.5 m處，二層位于其平面1.5 m高度處，迎、背風面分別各設5個測點。

圖5 慈母堂實測點分布圖

將慈母堂功能空間劃分為入口、天井、廂房、耳房、正房、檐廊和院落[12]。其中，入口空間設置測點a；天井空間設置b和b’、d和d’4個測點；廂房空間設置A和A’、G和G’4個測點；耳房空間設置C和C’、E和E’4個測點；正房空間設置測點D；檐廊空間設置測點B；院落空間設置測點F。

2.2 風環境模擬

運用搭載在犀牛(Rhino)建模軟件上的草蜢(Grasshopper)插件平臺中的風環境分析模擬插件Butterfly構建室內外風環境模型，并模擬分析了傳統民居風環境數字化。風環境實測和模擬均以簸箕院為例進行分析。

相較于其他風環境模擬軟件，Butterfly插件模擬分析建筑室內外風環境方面具有一定的優勢，可直觀展示三維立體空間的通風狀況，可視化呈現風環境模擬數據，較為方便的獲得每個測點的具體風速值，還能直接建立建筑模型與風場分析模型之間的邏輯關系，靈活調節建筑模型以及周邊風場的大小和位置[13]。通過搭建“室內外風環境模擬”模型，模擬分析慈母堂傳統民居的風環境，獲得其風場情況以及功能空間風速值，通過殘差圖以及殘差擬合曲線，量化和對比分析模擬數據與實測數據，判斷兩組數據的一致性，驗證風模擬電池組程序是否能夠真實反映周邊建筑風場情況。運用驗證后的電池組程序優化、對比和分析實測生成的建筑模型不同功能空間，檢驗基于風環境影響下的建筑模型功能空間是否是最優形態，判斷其可行性[14]。

2.2.1 室外風環境模擬程序

室內外風環境模擬電池組程序分為(1)創建風環境模擬幾何體的電池組以及建立風洞；(2)建立多塊網格以及對風洞網格進行細化；(3)創建風環境模擬運行迭代計算電池組；(4)建立Butterfly測試點，運行數據并實現結果的可視化呈現。

2.2.2 室內風環境模擬程序

整個電池組分為(1)創建風環境模擬墻體以及進、背風面的位置；(2)建立室內模擬風場；(3)建立多塊網格以及風場的網格細化；(4)創建網格貼合建筑表面，進行網格劃分處理；(5)進行電池組迭代計算與Butterfly測試點建立；(6)運行數據的可視化。

3 結果與分析

3.1 風環境數據模擬

3.1.1 風環境實測結果

以慈母堂為研究對象，處理其不同功能空間的風環境實測數據，測量結果顯示迎風面風速高于背風面，迎風面風速最高達4.5 m/s，而背風面最高達3.9 m/s，人體舒適度較低。建筑二層風速高于一層，室內風速由大到小依次為正房＞天井＞耳房＞廂房，其平均風速為0.2 m/s。室外風速由大到小依次為天井＞前檐廊＞入口玄關處，其平均風速為1.3 m/s。

基于風環境影響下的建筑空間形態主要有:

①主入口 由于慈母堂坐北朝南格局的限制，建筑入口面對盛行風，風通過入口對建筑內部產生影響，主入口對面設計影壁墻(如圖6所示)，墻的高度略高于院墻，降低了風速，同時入口處設置擋風玄關，通過玄關將風速降低，來緩減直流風對建筑的影響。

圖6 慈母堂主入口空間形態圖

②建筑層高 建筑為二層，其轉角墻正對盛行風向，形成擋風墻，降低風對建筑院落影響，營造舒適的風環境微氣候；

③建筑立面 其開窗極少，主要居室立面不開窗，僅在輔助用房開窗，形成封閉的居住環境，避免了寒風對建筑內部的侵襲；

④天井空間 “樓梯—天井—風口”空間體系，由耳房、廂房、正房形成的小天井，通過“煙囪”效應通風導流，促進院落內部與周邊空氣的置換；

⑤前檐廊空間 兩側廂房不設置前檐廊，由于一進院落風速較大，而無前檐廊設計可以降低室內風速，確保室內風環境舒適度(如圖7所示)。

圖7 慈母堂建筑空間形態圖

四大八小四風口和八卦院建筑形制同樣得到基于風環境影響下形成的空間形態，通過其3種空間形態的分析，獲得其“共通空間”。

3.1.2 風環境實測分析

(1)共通空間

基于風環境影響下形成的晉東南地區3種傳統民居空間形式存在共通性。

①院落形式 “四合院”是晉東南地區采用最多的院落形式，建筑圍合度高，空間利用率好，風對建筑內部影響最小；

②入口空間 基于風環境影響下的空間形式—影壁墻、入口設置玄關、入口設置院落空間、入口走道、入口天井；

③天井空間 院落四角設置“天井”，通過“煙囪”效應促進通風導流；

④檐廊空間 一進院落承受風速較大，設置為“無前檐廊”建筑立面，保證室內風環境的舒適度，二進院落風速較低，設置為“前檐廊空間”，通過檐廊空間促進室內外風速置換；

⑤建筑層數 建筑為二層形式，二層層高營造的半封閉空間既能保溫防風，又能促進通風導流。

(2)建筑原型

建筑為二進二層四合院閣樓式建筑(如圖8所示)；主入口采用“入口天井”形式，位于一進院落；一進院落四角設置天井，院落內采用無前檐廊式建筑立面；院落之間采用“玄關”儀門進行連接；二進院落四角設置天井，院落內采用前檐廊式建筑立面[15]。

圖8 傳統民居建筑模型圖

3.1.3 風環境模擬分析

(1)風環境模擬

通過慈母堂室內外風速云圖與風速矢量圖，以及實測與模擬兩組數據殘差圖對比分析(如圖9所示)，驗證室內外風環境模擬電池組程序的可行性。

圖9 慈母堂室內外風速云圖

(2)慈母堂風環境模擬

數據量化對比分析得到，室內風速殘差值范圍在(-0.1，0.3)區間，室外風速殘差值范圍在(-0.1，0.1)區間，數據隨機呈散點狀分布在帶狀范圍內。差值不大，趨于接近，說明實測與模擬數據擬合良好，驗證了模擬與實測結果的一致性，模擬結果真實反映了建筑周邊風場情況。進一步驗證了運用Butterfly軟件中室內外風環境模擬電池組程序來進行模擬實驗是可行的。

(3)建筑模型功能空間優化對比分析

通過驗證后的電池組程序對實測生成建筑模型的不同功能空間優化對比分析，驗證建筑模型的正確性。

①天井空間

模擬結果分析表明，院落空間有天井空間，院落風場穩定，風速平穩，風環境舒適度高；無天井空間，院落風場紊亂，風速時高時低，風環境舒適度低，且易形成“回旋風”；室內有天井空間時，促進風速流通，調節了室內風速，增加了室內風環境舒適度；無天井空間時，風場不穩定，室內空間受到風場影響，風環境舒適度低；天井空間形成“煙囪效應”，促進風速的流動循環，提高了內部空間風環境舒適度。因此，有天井空間的風環境舒適度優于無天井空間(如圖10、11所示)。

圖10 有天井空間模擬結果對比圖

圖11 無天井空間模擬結果對比圖

②院落空間優化對比分析

模擬結果分析表明，一進院落風速較大，在距地面高度1.5 m處風速較高，人體舒適度低；二進院落風場相對流通靈活，整個風場風速適宜，人體舒適度高；三進院落風速呈遞減狀態，院落空間封閉，風速較低，風環境流動性差，人體舒適度低。綜上，風環境舒適度由高到低為二進院落＞一進院落＞三進院落(如圖12所示)。

圖12 院落空間模擬結果對比圖

③前檐廊空間優化對比分析

由模擬結果分析可知，無前檐廊空間，室內與室外風速較低，風速較大的地區采用無檐廊空間形式，降低周邊風對建筑空間的影響，提高空間舒適度。有前檐廊空間，室內空間開敞，風速較低的地區采用有前檐廊空間形式，促進室內外風速流通，提高室內舒適度。因此，建筑的前檐廊空間應結合建筑空間的圍合度以及周邊風場情況，來決定具體的設置方式(如圖13所示)。基于對慈母堂的風環境模擬分析，其建筑四角應設置天井空間，并采用二進院落的空間形式。其中，一進院落設置無前檐廊空間、二進院落設置有前檐廊空間的建筑形式均能形成最高舒適度的風環境。

圖13 有無前檐廊空間模擬結果對比圖

3.2 風環境驅動機制分析

3.2.1 天井空間

由于晉東南地區的民居建筑層數普遍為二層，建筑內院落較深且空間封閉，易導致建筑中風流動性變差。通過建筑自身圍合出“樓梯—天井—風口”空間體系，形成“煙囪效應”，促進通風導流，調節院落風場，保證了建筑室內外活動空間的風環境舒適度。

結合院落空間形狀設置天井空間大小，如院落空間較深且面積較小時，則在四角設置面積較大的天井空間，通過較大天井調節其狹小的空間風環境；如果院落空間面積較大，則設置較小天井促進風的流動(如圖14所示)。

圖14 院落大小與天井大小關系圖

3.2.2 院落空間

院落個數與風環境舒適度關系呈正態曲線分布——院落個數增多，風速增高，風環境舒適度增加。但當院落個數增加到一定程度時，隨著院落封閉程度逐漸提高，風環境舒適度反而會降低。合理的院落個數一般控制在二進院落，其風環境最為舒適，其次為三進院落、一進院落形式。

3.2.3 檐廊空間

檐廊空間可調節建筑室內風環境舒適度，其設置需要結合建筑場地周邊風速大小確定。院落風速大、室內風速增加，則建筑立面不設置前檐廊空間，保證室內風速穩定及風環境的舒適度；院落風速較低，使得室內風速較低，設置前檐廊空間增加室內外風流通，保證室內風環境舒適度(如圖15所示)。

圖15 風速大小與前檐廊設置關系圖

3.2.4 入口空間

入口空間設計需考慮周邊風環境對于建筑的影響。風環境影響下的入口形式如圖16、17所示。

圖16 晉東南民居入口形制圖

圖17 入口空間形式圖

入口空間形式包括:

①主入口 設于建筑背風面；

②入口走道 通過走道空間——悠長的走廊，層層降低風速；

③入口天井 通過“煙囪效應”，將入口風直接導入室外，降低風速對建筑院落的影響；

④入口院落 形成“風速緩沖空間”，通過院落的阻擋降低進入建筑內部的風速；

⑤入口玄關 院落之間的入口形式設為類似于“玄關”的空間，緩解兩進院落之間的風環境的相互影響，降低高風速院落對低風速院落的風速影響；

⑥入口影壁墻 設置影壁墻直接阻擋風，改變風的走向及風速，來緩解入口風對于建筑的影響。

3.2.5 風環境對建筑層數的影響

建筑層數與院落封閉程度相關。建筑層數越高，建筑院落越封閉，風的流動性越差。以2.8 m作為標準層層高，對于炎熱或者風速較低的地區，采用一層建筑層高；風速較高的地區常年季風盛行，采用層數較高的建筑阻擋周邊風對建筑空間的影響，營造良好的室內風環境。二層建筑層高既能防風保溫，又能通風導流，是較優的基于風環境設計的空間形態。建筑層數須根據周邊風速大小以及建筑功能空間對風環境的需求設置(如圖18所示)。

圖18 建筑層數與風環境關系圖

4 結論

通過上述研究可知:

(1)晉東南地區合院式民居建筑的最優模式為二進式院落，主入口采用“入口天井”形式，一進院落四角設置天井、院落內采用無前檐廊式建筑立面，院落之間采用“玄關”儀門進行連接，二進院落四角設置天井，院落內采用前檐廊式建筑立面。

(2)一進院落風速較大，在人行1.5 m處風速較高，人體舒適度低；二進院落風速適宜，人體舒適度高；三進院落風速呈遞減狀態，風環境流動性差，人體舒適度低。以2.8 m作為標準層層高，二層層高最為舒適。

(3)建筑天井空間與院落空間呈現負相關關系。晉東南典型合院建筑合理的院落個數一般控制在風環境最為舒適的二進院落，設置前檐廊空間可增加室內外風流通，保證室內風環境舒適度。