晉南黃土臺塬區傳統聚落室外風環境優化分析*
——以稷山縣北陽城村為例

文/太原理工大學建筑學院 郭珺芳 石謙飛

0 引言

晉南即山西南部，主要地形為盆地，盆地周邊有眾多大小山脈呈島狀隆起，展布于黃土臺塬之上。臺塬區地勢平坦、土地肥沃、視野開闊，至今保留諸多極具特色的傳統聚落。從氣候上看，晉南屬于季風氣候影響的邊緣地區，在全球氣候變暖的大背景下，晉南地區的氣溫呈逐年上升趨勢，隨著海陸差異變化，直接導致夏季風減弱，晉南地區降水主要依靠夏季風，間接導致晉南地區降水的逐年減少，干旱嚴重。風環境是衡量人居環境生態性、舒適性的重要指標，合理利用風環境實現通風、降熱對改善晉南地區整體人居環境至關重要。

國內外學者對傳統聚落室外風環境的研究已取得理論成果。CHU Y C等[1]利用流體力學模型模擬早期村落風環境，表明村莊在原始規劃時充分利用街道及不同風場下的建筑布局改善居住風環境。我國學者方煥煥[2]在實地測量基礎上利用PHOENICS軟件從村落街巷寬度、建筑天井形態及尺度、植物綠化等方面探索徽州地區傳統聚落建筑布局及形態對室外風環境的影響；方媛[3]借助CFD對村落夏冬季節風環境進行定量分析和評價，并提出優化意見；張欣宇等[4]運用軟件模擬分析，以東北嚴寒地區傳統聚落為研究對象，從聚落規模和空間形態兩方面探討冬季寒風對聚落的影響并提出改善策略；石謙飛等[5]在實地監測基礎上通過CFD模擬對晉中地區傳統民居冬夏兩季的自然通風進行探討。本文對晉南黃土臺塬區北陽城村室外風環境進行研究與數字化模擬分析，探討在特殊地貌環境下改善傳統聚落內部風環境及傳統聚落保護發展策略。

1 北陽城村概況

1.1 地形地貌

黃土臺塬是被黃土覆蓋的臺狀地，是黃土高原的地貌類型之一，主要分布于關中盆地、汾河谷地、豫西、晉南黃河沿岸。晉南包括運城和臨汾兩個地區，其中黃土臺塬區分布于中條山南麓苗城、平陸一帶及峨眉臺塬，其中峨眉臺塬面積最大。北陽城村屬運城市稷山縣清河鎮，地處汾河下游南岸、稷王山北麓的峨眉臺塬區域，海拔高約450m，于2014年入選“中國傳統村落”名錄。

1.2 氣候

運城市稷山縣屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬季寒冷干燥，主導風向為西北風；夏季酷熱多雨，主導風向為東南風[6]。年平均氣溫13.5℃，年平均相對濕度為51%～54%。

準確的氣象數據有助于提高風環境模擬的真實性[7]。收集2020年度稷山縣1，2，6，7，8，12月的風氣象數據資料，并以1，2，12月的平均風速為冬季平均風速，得出稷山縣冬季主導風向為西北風，平均風速為6.0m/s；取6，7，8月的平均風速為夏季平均風速，得出其夏季主導風向為東南風，平均風速為5.6m/s。

2 北陽城村風環境特征

2.1 總體布局

北陽城村西部地勢平坦，東側及東南側有峨眉臺塬沖溝“陽城溝”。村落坐北朝南，整體地勢南高北低，西高東低，高差約2m。

城市內部建筑密度越大，粗糙度系數越大，地面對風造成的摩擦力越大，故風速降低。參考此理論，結合北陽城村總體布局可知，村落整體在東南及西北方向進深較小，且建筑在該方向布局稀疏（見圖1）。受陽城溝地形影響，村落東側及東南側地勢低且空間開闊，夏季有利于來自東南向的氣流通過，便于村落整體自然通風。冬季村落西北向建筑密度低、粗糙系數較小，不利于減弱來自西北向的寒風。總體來看，北陽城村的建筑排布有利于夏季自然通風而不利于冬季抵御寒風。

1 北陽城村總平面

2.2 街巷布局

街巷既是傳統聚落空間形態骨架，又是聚落內部建筑組群的間隙，在聚落整體風環境中擔任“通風廊道”的角色，使氣流在聚落內部的流通得到有效引導。北陽城村南北向“Y”形大街和東西向主街貫穿村落，有助于風沿主街通過，避免風停滯形成靜風區或漩渦，來自不同方向的風通過主街被引流至內部巷道，促進風的流通與循環。因此，貫穿村落的主街可加強村落的自然通風，有利于村落整體風環境的形成。

北陽城村中心區域內民居密集，大部分街巷寬1.5～2.0m，小尺度街巷使建筑之間相互遮擋，街巷處于建筑陰影中，導致院落內外產生溫差，形成熱壓，更有利于通風。由于建筑遮擋，大部分墻面避免了太陽直射，可見北陽城村密集的建筑布局兼具遮陽與通風雙重優勢[8]。

3 風環境模擬概述

3.1 研究方法

通過長期實踐，計算機流體力學CFD模擬軟件因其模擬數據仿真度高而被廣泛應用。在CFD眾多軟件種類中，PHOENICS軟件具有諸多優勢。

1）接口多樣性 能與SketchUp、CAD、Revit、3Dmax等常用建模軟件良好對接。

2）軟件開放性 用戶可獲取部分源程序自行編輯公式與算法，以更精確地描述風環境指標。

3）自動性強 PHOENICS軟件可自動控制收斂、自動劃分疏密不同的網格和自動加密等，提高了軟件工作效率。

4）多模塊選擇性 軟件可提供各個研究領域的專用模塊以滿足不同用戶需求。

5）后處理功能強 計算結果功能強大，如圖像法（矢量圖、云圖和流線圖等）能直觀呈現模擬結果的數值和關系。在Result文件中存儲各個模擬結果，使用者可對數據進行研究分析。

本次模擬選用操作較簡單、效率較高的PHOENICS軟件對北陽城村室外風環境進行模擬研究及數據、結果分析，主要分為前處理、迭代計算和后處理3個步驟。

3.2 風環境評價標準

目前，國內外對建筑周邊風環境缺乏統一的評價標準，基本以離地面1.5m的風速為基準。我國廣泛應用的風速評價標準為GB/T 50378-2019《綠色建筑評價標準》；國際上主要采用風速比評估法、風速概率統計評估法和相對舒適度評估法，其中相對舒適度評估方法通過對行人活動進行分類，并以人行高度處（1.5m）的蒲福風級為基礎，用舒適、可以忍受、不舒適、危險4種感受評價行人的相對舒適度。

本文結合北陽城村四季氣候變化特點，根據我國評價標準及國外相對舒適度評估法，對村落內部距地面1.5m的冬季、夏季室外風環境進行評價（見表1）。夏季為避免局部區域出現靜風導致悶熱，人行高度處風速應大于0.6m/s。

表1 北陽城村室外風環境相對舒適度評價

3.3 模型建立

1）根據谷歌衛星地圖和實地調研繪制村落模型，以此為基礎設定風場模型。在建模時對村落建筑進行整合簡化處理，以便直觀突出主要街巷的風環境（見圖2，3）。

2 原有村落布局

3 簡化后的村落布局

2）在PHOENICS軟件中選取FLAIR模塊進行模擬，由于風場受地面、低矮樹木等影響，本次模擬設定風場為梯度風場，湍流模型采用模擬精度高且較常用的k-ε模型。

3）基于軟件對計算區域要求和實際村落模型大小，確定水平計算域面積為1600m×2000m，豎向風場高度為3H，即15.0m，風場計算高度為1.5m。風向及風速選用冬季6.0m/s的西北風，夏季5.6m/s的東南風。

4 北陽城村室外風環境模擬分析

4.1 冬季

由風速模擬可知，北陽城村北側和西側擴建區由于建筑分散且迎風面無遮擋，導致周邊區域風速較大，加速建筑內部熱量流失，不利于冬季抵御寒風。村落中心區內風速最大的區域為東堡巷北側，約3.75m/s，其次為中心湖泊區、東西向主街兩側、村委前廣場區域和東側入口區域，風速為1.5～2.5m/s，該區域室外風環境相對舒適度（以下簡稱“舒適度”）均為寒冷可以忍受。其他街巷端部由于狹道效應獲得加速風，風速約1.5m/s，舒適度為寒冷舒適，但街巷中部易出現靜風區。

由風壓模擬可知，村落周邊最大風壓區域為西北向迎風面，約6.2Pa；最小風壓區域為東南向背風面，約-6.5Pa。村落內部最大風壓區域為中心湖泊東南側，約3.8Pa，中心區內其他大部分街巷的風壓值為0～1.0Pa，較為舒適。

綜上可知，冬季，北陽城村中心區域由于建筑布局緊密規則，整體風環境較為穩定舒適；北側和西側擴建區由于建筑數量少且分布分散，不利于抵御冬季寒風，尤其是西北向房間外側風壓較大，易引發建筑室內的冷風滲透。因此在村落后期規劃時可通過合理的建筑布局或局部遮擋改善冬季風環境。

4.2 夏季

由風速模擬可知，村落北側和西側擴建區的大部分活動場地均達3.5m/s以上風速，故在此不重點研究。村落主要區域夏季風速最大區域為迎風向的東南角區域，風速約4.2m/s；其次為東側入口處和小學西側區域，風速約3.0m/s；村委前廣場區域、中心湖泊區域風速可達2.0m/s。從街巷層面看，東西向主街兩側和東北側東堡巷風速最大，約2.0m/s。部分巷道端部由于狹道效應獲得加速風，但總體風速與巷道寬度呈正比，稍寬的巷道風速約1.0m/s，較窄的巷道風速接近0。根據舒適度評價可知，除窄巷的靜風區，村落中心大部分區域夏季均能滿足居民不同活動的舒適度要求。

由風壓模擬可知，村落周邊最大風壓區域為東南向迎風面，村落內部最大風壓區域為東側入口處、村委前廣場西側、中心湖泊區域北側及小學西側區域，約3.0Pa，最小風壓區域為中心湖泊東南角。大部分街巷的風壓值皆為正值，為0～1.0Pa。可見村落夏季的自然通風情況良好。

綜上可知，北陽城村南北長東西窄的布局有利于夏季自然通風。村民最喜聚集的東側入口與村委前廣場風環境良好。部分自然通風良好的區域未被有效利用，故在村落后期規劃改造時，可據此增加村民活動廣場，創造更舒適的居住環境。

5 聚落內部風環境現存問題及優化策略

1）北陽城村因東、南側受陽城沖溝地形限制無法過多建設，村落后期建設主要沿主街向北側和西北側的平坦地帶擴張，但由于擴張區域不均衡、缺乏統一規劃，導致兩側擴張區建筑排布稀疏且無規則。西北向是村落冬季的迎風面，故布局不利于冬季抵御寒風。考慮到村落南北向不宜過長，否則會擴大生活半徑，影響村民生活便利性，故針對抵御冬季寒風問題，村落在后期建設時可著重規劃西北側，使建筑有序、規則擴張，進而提高該區域建筑密度。可考慮在北側和西側種植高大樹木以減弱冷空氣強度，提高片區居民冬季居住舒適度（見圖4）。同時加強該片區民居的門窗氣密性，并采取相應措施保證冬季室內采暖。

4 北陽城村風環境優化策略示意

2）室外是村民活動的主要場所，雖然村落夏季風環境整體良好，但現有布局對風環境的利用不理想。目前，村落人群主要集聚地和休閑廣場僅為村委前廣場及村落東側入口處，不便于居住在南北兩端的村民來此區域活動。故應結合夏季風環境，適當增加小廣場以改善村民生活。根據夏季風速與風壓模擬可知，村落東南角、西南角空地、小學西側、東堡巷北側等區域自然通風良好，適合作為村民活動廣場。以上區域分布于村落四周，輻射范圍大，可大幅提高村民聚集活動的便利性。

3）作為夏季迎風面的村落東側，空間開闊、視野空曠，且有古城遺址，但環境臟亂差，不僅影響夏季進入村落自然風的質量，也影響環境美觀度。鑒于此，可沿村落東側及南側外圍種植低矮灌木或樹木，以提高該區域的綠化率。

6 結語

北陽城村作為晉南黃土臺塬區域極具代表性的傳統聚落，既有普遍性又有獨特性。本文在現場調研基礎上結合PHOENICS風環境模擬分析，從總體布局風環境和街巷布局風環境角度出發，總結北陽城村室外風環境現狀，歸納優化室外風環境策略，對晉南黃土臺塬區傳統聚落改造及村鎮規劃具有重要參考價值，為傳統聚落保護與發展規劃的擬定提供新思路。