徽州傳統民居天井平面幾何參數對室內風環境的影響研究

■鄭志元，湯 銘，劉欣慰，姜 凱 Zheng Zhiyuan & Tang Ming & Liu Xinwei & Jiang Kai

(合肥工業大學建筑與藝術學院，安徽合肥 230601）

不同地域范圍內的傳統民居往往因所處的文化、自然環境的差異而表現出不同的建筑特征。徽州地區多山，土地緊缺，南遷至徽州的中原士族沒有足夠的土地建造寬敞的四合院院落式建筑，遂將原有的合院尺寸縮小，利用四周坡屋面的屋頂圍合成一個天井，天井四周坡面斜向院內，雨水順著屋檐滴落，形成了天井與房間之間極具徽州文化內涵的空間形式與關系，后逐漸發展成為徽州傳統民居“四水歸堂”的獨特平面布局方式[1]。徽州傳統民居建筑布局極為緊湊，為了防火防盜，民居外墻面往往開小窗甚至不開窗，天井便成為徽州傳統民居通風的組織核心。面對徽州地區土地資源緊張、夏季環境高溫高濕的狀況，徽州傳統民居中的天井與建筑內外的空間關系較好地解決了因建筑過于密集而產生的通風和散熱問題。

近年來，關于傳統民居建筑的研究較多集中在建筑形式和文化符號的提取與保護方面，常常忽略了其在氣候適應性設計方面的生態價值。在“雙碳”目標的大背景下，傳統建筑氣候適應性設計逐漸成為研究熱點。建筑風環境作為建筑氣候適應性的重要組成部分，眾多學者通過對不同類型傳統建筑形式與其風環境之間的相互作用關系進行探究，總結出具有地域特色的傳統建筑風環境設計手法和經驗，包括鄂東北傳統住宅[2]、青島雄崖所故城[3]、貴州西江千戶苗寨[4]、晉東南傳統院落[5]、秦嶺山地傳統民居院落[6]在氣候適應性方面做出的針對性措施，試圖從中挖掘出傳統建筑中所蘊含的生態價值；學者們還對福州“多進天井式”民居[7]、湘南寶鏡村傳統井巷民居[8]、湘西窨子屋[9]以及北京傳統合院[10]的天井形態參數進行數值模擬，通過不同參數的天井模型進行組合模擬，以尋求最優風環境的天井形態參數。

而對于徽州傳統民居，其建筑天井在調節建筑室內外氣候方面起著至關重要的作用。因對防火防盜功能的特殊需求，徽州傳統民居的外墻往往很少開窗，內部各功能用房的窗戶都開向天井，因此天井就成為了實現徽州傳統民居的通風功能的主要途徑。相較于其他類型的傳統天井建筑可以依靠門、窗、敞廊[4]等形式輔助建筑通風，徽州傳統民居的天井承擔著引風口和出風口的雙重功能，使得徽州傳統民居對于利用天井促進建筑內外通風換氣功能的需求更為迫切，因而有必要針對徽州傳統民居天井形態關鍵要素對建筑風環境的影響進行深入研究。

本文主要探討徽州傳統民居天井形態關鍵要素與風環境之間的相互關系，通過對徽州傳統民居的天井形式和尺寸進行歸納總結，利用建筑CFD軟件對天井形態關鍵要素的天井模型進行組合模擬，嘗試歸納出徽州傳統民居天井形態關鍵要素與室內風環境之間的關系。

1 研究對象

徽州古稱新安、歙州，轄一府六縣，位于皖贛兩省交界的多山丘陵地帶，四季分明，夏季高溫多雨。在我國建筑熱工設計分區內屬于夏熱冬冷地區，因而要求建筑在夏季能夠進行良好的通風散熱，適當兼顧冬季防寒保溫[11]。徽州傳統民居是我國傳統建筑文化遺產的重要組成部分，其“四水歸堂”的平面布局方式，蘊含著徽州文化傳承天人合一的理學思想[12]，同時也包含著徽州傳統民居營建過程中對于氣候適應性營造方法的考量（圖1-圖2）。

圖1 “凹”字形傳統民居天井

圖2 “回”字形傳統民居天井

古時徽州地處偏僻、用地緊張，出于防火防盜、節約土地的需求，民居建筑往往密集且封閉。其建筑平面方正緊湊、空間完整有序、布局緊湊精巧，主體建筑的平面形式依據天井的數量和位置大致可分為“凹”字形、“回”字形、“H”形、“日”字形等，如圖3。其中，“凹”字形傳統民居平面是構成其他徽州傳統民居平面形式的基本形式[13-14]，其余三種平面形式可通過兩組“凹”字形平面進行翻轉、拼接、對接等方式組合而成。“凹”字形平面在徽州傳統民居中數量最多，利用最廣，最具代表性，是最具徽州傳統民居特色的典型平面形式。該形式以天井為核心，將天井、廳堂、廂房組合形成“天井廂房夾正堂”的平面布局。在夏季，徽州傳統民居依靠天井口處的風壓通風和熱壓通風，形成了良好的自然通風效果。因此，本文以“凹”字形徽州傳統民居建筑單元為模型基礎，通過控制變量法分別改變天井面闊和進深尺寸這一對關鍵參數來觀察室內風環境的變化情況。

圖3 徽州傳統民居平面形式

徽州傳統民居的天井空間是介于室內外之間的灰空間[15]，形似豎井，底部與半開敞的廳堂相連，利用空氣動力學原理促進建筑室內外之間進行氣流交換，提升室內環境的舒適性。天井開敞舒適的物理環境也成為徽州家庭進行洗滌、晾曬、嬉戲、交談、乘涼等日常活動的重要場所，很好地體現了徽州傳統民居天井空間的場所精神，與廳堂一起成為民居中極具徽州特色的場所空間，本文將天井和廳堂構成的整體核心空間作為風環境模擬的目標區域。

2 模型與參數設置

2.1 研究模型以及尺寸設定

在徽州傳統民居模型的選擇上，將典型“凹”字形徽州傳統民居作為研究對象，根據測繪資料以及相關文獻提供的數據，在保證傳統建筑形式的基礎上，適當簡化建筑結構進行計算機建模，以降低數值模擬誤差和計算成本。在天井形態關鍵要素的選擇上，依據徽州地區傳統營造的用尺邏輯和用尺技法以及測繪資料歸納出具有典型性的天井形態關鍵要素，對標準民居單元以及天井的幾何參數進行設置，最大限度還原徽州傳統民居營造技藝的原真形態和設計思想。徽州地區傳統工匠在房屋營建有著一定的用尺規律，明間開間數據壓整尺、半尺及“一、六、八”寸白的情況較為普遍，其余開間和各步架尺寸則并不刻意講求壓白，但通面闊與通進深則普遍壓整尺及“一、六、八”寸白[16]。根據對相關民居測繪資料的整理，以黟縣屏山村清代傳統民居東園為基礎（圖4），提取出“凹”字形徽州傳統民居模型的典型空間尺寸，該民居模型坐北朝南，通面闊9.8m，合尺2丈8尺；通進深9.1m，合尺2丈6尺；通高9.1米，合尺2丈6尺；明間開間5.6米，合尺1丈6尺，如圖5所示。為了研究天井形態關鍵要素對建筑風環境的影響，選取了影響天井形態關鍵要素的面闊和進深這兩個參數進行調整，以對比分析不同關鍵要素下建筑的風環境狀況。依照徽州傳統建筑營造的用尺規律，結合文獻和測繪資料，在常用的天井尺寸范圍內，面闊和進深尺寸的選擇上盡量間隔均勻，具體參數設置如下：天井的面闊和進深分別選擇4組尺寸，面闊尺寸分別為3.85m(合尺1丈1尺)、5.25m（合尺1丈5尺）、6.30m（合尺1丈8尺）、7.35m（合尺2丈1尺），記為M1、M2、M3、M4；進深尺寸分別為1.05m（合尺3尺）、1.75m（合尺5尺）、2.1m（合尺6尺）、2.8m（合尺8尺），記為J1、J2、J3、J4。將上述尺寸進行相互組合，共衍生出16種天井平面形式，用于模擬不同關鍵要素的天井形態特征，具體組合如表1，其中白色部分為天井，灰色部分為建筑。

表1 天井尺寸及平面形態

圖4 屏山東園民居平面

圖5 “凹”字形徽州傳統民居簡化后模型

在對徽州傳統民居室內風環境的數值模擬中，選擇天井和廳堂中的關鍵位置布置風速測點，如圖6。風速測點高度采用距地高度1.5m，與《綠色建筑評價標準》GB/T50378-2019中風速測點高度保持一致，且此高度位于人體頭頸處，對風環境的舒適性較為敏感。測點的布置分為以下三類，第一類位于天井和廳堂空間的角點，離地高度1.5m處布置測點a、b、c、d、e、f、g、h，此類測點位于空間的邊緣，風速容易受到空間邊界的干擾，可以反映出空間邊界的風速狀況；第二類測點布置在天井空間和廳堂空間的幾何中心位置，離地高度1.5m處布置測點i、j分別用來反映天井和廳堂發生活動最頻繁區域的風速狀況；第三類測點選擇為天井和廳堂的幾何中心點與各自角點連線的中點位置，離地高度1.5m處布置測點a`、b`、c`、d`、e`、f`、g`、h`，該類測點不受壁面邊界的影響，可以較好地反映空間內風環境的基本狀態。通過對不同天井形態關鍵要素的民居模型進行數值模擬得出的三類風速測點的結果進行綜合分析，能夠更全面客觀地反映出天井形態關鍵要素對建筑風環境的影響。

圖6 風速測點位置示意

2.2 數值模擬參數設置

本次模擬所采用的CFD模擬軟件為Phoenics，該軟件采用標準k-ε湍流模型，相比較而言計算成本低，在數值模擬中波動小、精度高，易于進行網格自適應[17]。在模擬的過程中計算域的確定和網格的生成質量對計算的穩定性以及結果精度有很大影響。本文綜合參考日本AIJ（日本建筑學會）中風工程研究小組的研究成果以及江蘇省《綠色建筑設計標準》對模擬的邊界和參數進行設置[18]。模擬對象為不同天井尺寸的徽州傳統民居模型，通面闊9.1m，通進深7.35m，通高9.1米。模擬計算域的橫向邊界設定為以民居模型為中心，沿建筑外墻各向外擴展面闊和進深的5倍；豎向邊界設定為建筑高度的3倍，計算域大小為110m×110m×27.3m，相鄰網格過渡比為1.3，網格數目依照計算域設置為250×250×80。根據中國氣象數據網公布的徽州地區近十年的地面氣象數據進行統計，夏季的溫度和濕度均為全年最高值，雨熱同期，風速較低，夏季平均風速為1.9m/s，主導東北風[18]。以此作為氣象條件進行設置。

3 風環境評價標準

在風環境評價方面，現有的評價標準仍存在著風速標準無差異化等局限性，本研究參考《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2019）、結合國際標準化組織（ISO）認證的熱舒適度評判指標PMV-PPD以及相關的研究[19-20]。在室內的環境下，當風速小于0.25m/s時，人體將不易察覺到空氣的流動，當風速為0.25m/s～0.5m/s時，人體會感覺到舒適，日常活動不會受到風的干擾，當風速為0.5m/s～1.0m/s時，人體舒適感下降，桌面紙張有可能會被吹落，當風速大于1.0 m/s時，會給人體帶來不適，需要采取一定控制通風的方法降低風速。因此，本文采用0.25m/s～0.5m/s作為適宜風速標準，將各個風速區域劃分為靜風區（風速小于0.25m/s）、和風區（風速為0.25m/s～0.5m/s）、強風區（風速大于0.5m/s）。

本文參考夏熱冬冷地區建筑氣候適應性和風環境模擬的研究，采用的風環境模擬評價指標包括風速比、風速不均勻系數、風速區域面積占比、單位面積和風率。風速比指的是風場中行人高度1.5m處的風速與相同高度無干擾狀態下的平均風速的比值，來反映不同天井參數而引起風速變化程度，計算公式為其中，Ri為i點處的風速比，Vi是區域內某一點i行人高度處的風速，V0為行人高度無干擾狀態下的平均風速[21]。上文得出室內適宜風速標準為0.25m/s～0.5m/s，夏季平均風速為1.9m/s，因此風速比在0.13～0.26之間說明該點風速大小較為適宜。風速不均勻系數是指區域內各測點風速的方差，即區域內每個測點風速值與所有測點風速值的平均數之差的平方值的平均數，用以反映總體以及各區域內部風速的均勻程度。風區面積占比分為靜風區面積占比、和風區面積占比、強風區面積占比。靜風區面積占比是指在范圍內風速低于0.25m/s的區域面積的占比，靜風區面積占比越大，說明區域內的通風效率越低，空氣流通緩慢。和風區面積占比是指在范圍內風速在0.25m/s～0.5m/s的區域面積的占比，和風區面積占比越大，說明該區域內風力越為舒適。強風區面積占比是指在模擬范圍內風速大于0.5m/s的區域面積占總面積的比例，強風區占比面積越大說明該區域內風速過高，會對部分日常活動產生干擾，令人產生不適體感。單位面積和風率是指某一幾何參數的天井產生的和風面積占比該天井面積的比值，可以反映出不同幾何參數的天井單位面積產生和風區域效率的大小。

4 結果與分析

為了直觀分析徽州傳統民居天井不同形態關鍵要素對室內風環境的影響，將16組天井的幾何參數以及數值模擬的風速云圖繪制成表格，如表2、3、4、5所示。對數值模擬結果從風速不均勻系數、風速區域面積占比、單位面積和風率三個方面進行整理和統計，通過控制變量法對模擬結果進行分析，以探究不同天井面闊和進深尺寸對室內風環境產生的影響。

表2 M1面闊天井風環境數值模擬結果

表3 M2面闊天井風環境數值模擬結果

表4 M3面闊天井風環境數值模擬結果

表5 M4面闊天井風環境數值模擬結果

4.1 風速不均勻系數

風速不均勻系數能夠反映模型內各測點風速大小的波動情況，風速不均勻系數越大，說明區域內風速分布越不均勻，風速不均勻系數越小，說明區域內風速分布越均勻，舒適度越高[22]。將每組數值模擬結果中測點的監測數據進行計算，得出每個測點的風速比和總體風速不均勻系數，再將測點分為廳堂和天井兩個區域，分別計算出廳堂和天井內部的風速不均勻系數，用以分析不同天井尺寸條件下，各個區域內部風速的均勻程度。

將16組整體風速不均勻系數、廳堂風速不均勻系數、天井風速不均勻系數計算結果按照控制變量法進行組合分析。由圖7中整體風速不均勻系數變化可知，當每組天井進深保持一致時，區域內整體風速不均勻系數與面闊尺寸呈“U”形變化趨勢，先減小后增大，當面闊為M2時，整體風速不均勻系數最小，且當面闊尺寸增加時，整體風速不均勻系數的增加速度越快。廳堂內風速不均勻系數的變化狀態與總體風速不均勻系數的變化趨勢一致。天井部分的風速不均勻系數的變化受到天井面闊和進深這一對參數的共同影響，當天井的面闊或進深尺寸保持不變時，天井內風速不均勻系數會隨著另一要素尺寸的增加先減小后增大，其中進深尺寸的改變是天井內風速不均勻系數變化的主要原因。

圖7 風速不均勻系數隨面闊增加變化趨勢

分析可知，天井和廳堂內部的風速均勻程度受到天井面闊和進深尺寸的影響，從整體上看，徽州傳統民居天井及廳堂空間內部氣流分布的均勻程度隨著天井面闊和開間尺寸的增加先增加后降低。當天井面闊為M2時，各組民居內部整體的風速不穩定系數均較低，氣流分布均勻，總體風速變化較為穩定。

4.2 風區面積占比

風區面積占比是指行人高度水平面上不同等級風速所在區域的面積在總面積中所占的百分比，可以反映出區域內風速值的整體狀況。對16組數值模擬所得風速云圖結果進行分析，計算出不同模擬組的靜風區面積占比、和風區面積占比、強風區面積占比。將各組風區面積占比的數據按照控制變量的組合分類方法進行統計分析。

天井面闊尺寸與和風區面積占比之間的變化呈現出一定規律性，如圖8，整體來看，當每組進深尺寸保持一致時，區域內的和風區面積占比隨著面闊尺寸的增加而增加，但隨著面闊尺寸的增加，每組內和風區面積占比的增加速度隨著面闊尺寸的增加逐漸變緩，當進深尺寸超過到J3時，和風區面積占比會隨面闊尺寸呈拋物線趨勢變化，先增加后降低，當面闊為M3時和風區面積占比最大。對于天井進深尺寸對和風區面積占比的影響如圖9，當面闊尺寸小于M3時，每組內和風區域面積占與天井進深尺寸呈現出正相關聯系，當天井進深尺寸增加時，和風區面積占比也會隨之增加。當面闊尺寸大于M3時，和風區面積占比與天井進深尺寸呈現出負相關的聯系，隨著天井進深尺寸的增加，和風區面積占比會隨之減少。由于各組強風區面積占比較小，靜風區面積占比與和風區面積占比呈現出反向對應的關系，因此靜風區面積占比與天井幾何參數的變化關系與上述和風區面積占比的變化趨勢相反。

圖8 和風區面積占比隨面闊增加變化趨勢

圖9 和風區面積占比隨進深增加變化趨勢

通過以上分析，徽州傳統民居室內風舒適性與天井面闊和進深尺寸呈現出正相關的聯系，適當地增加天井尺寸可以為室內提供更為柔和舒適的風環境。當天井面闊尺寸大于M4時，室內風舒適度會隨著天井進深的增加而降低，因而建議選擇較小的天井進深尺寸；當天井進深尺寸大于J3時，過大的面闊尺寸會導致室內和風面積占比減少，因此建議面闊尺寸盡量保持在M3以下。

4.3 單位面積和風率

單位面積和風率可以反映不同形態參數天井形成和風區能力的強弱，單位面積和風率越大，說明該幾何參數的天井單位面積產生和風區的效率越高。對16組模型的天井面積與和風區面積占比進行整理，計算出每組單位面積和風率，將數據按照天井面積大小進行排列，如圖10，可以看出天井單位面積和風率與天井面積整體上呈現出負相關的聯系，隨著天井面積的增大天井單位面積和風率逐漸降低。對單位面積和風率結果按照上文控制變量的組合分類方法進行分析，由圖11、圖12可以看出，天井單位面積和風率與天井面闊和進深的尺寸均呈現出負相關的聯系，當面闊和進深增加時，天井單位面積和風率逐漸下降。

圖10 單位面積和風率隨天井面積增加變化趨勢

圖11 單位面積和風率隨天井面闊增加變化趨勢

圖12 單位面積和風率隨天井進深增加變化趨勢

由分析可知，天井面積越大，其產生舒適風速區的效率越低。因此，對徽州傳統民居的天井尺寸進行選擇時，在滿足采光和通風需求的前提下，盡量縮小天井的面闊和進深，選擇更為高效率的天井尺寸，在為室內提供舒適宜人的風環境的同時，更好地滿足冬季防寒保溫的需要。

4.4 綜合通風性能

上文從風速不均勻系數、風速區域面積占比、單位面積和風率這三項風環境評價指標的角度對徽州傳統民居不同幾何參數天井的風環境數值模擬結果進行分析后，發現不同幾何參數的天井空間對室內風環境的風速大小、均勻程度以及生成舒適風區效率方面均產生不同程度的影響，但都是針對某一評價指標進行單項分析，無法對天井的綜合通風性能進行評價。本研究將通過風環境數值模擬的結果對不同尺寸天井的各項風環境評價指標進行打分，分析不同幾何參數天井對徽州傳統民居室內風環境品質的綜合影響。將16組數值模擬結果分別從和風區面積占比、靜風區面積占比、強風區面積占比、風速不均勻系數[23]、單位面積和風率五項指標進行排序打分，計1～16分。其中和風區面積占比、單位面積和風率指標為正向排序，數值越高室內風環境舒適度越高，得分越高；靜風區面積占比、強風區面積占比、風速不均勻系數指標為逆向排序，數值越高室內風環境舒適度越低，得分越低，綜合得分情況如表6與表7所示。為了更為直觀地分析綜合得分情況將分數生成綜合得分色階圖，得分越高，顏色越深，如圖13。

表6 M1、M2組天井風環境綜合通風性能得分表

表7 M3、M4組天井風環境綜合通風性能得分表

圖13 天井風環境綜合通風性能得分色階圖

從圖13中可以看M2列和J1行顏色較深，且呈現出明顯的遞增性，當天井面闊尺寸為M2時，隨著進深的增加，顏色逐漸加深，綜合得分也越高；當天井進深尺寸為J1時，顏色深淺程度隨著面闊的增加而增加，綜合得分也隨之增加。為了探究綜合通風性能最好的天井形態參數，針對M2面闊和J1進深增加模擬組M2Jn、MnJ1（n=5、6、7...）繼續進行研究。增加模擬組的參數選擇方法和數值模擬過程與其他模擬組保持一致，模擬結果和綜合得分如表8至表10所示。由圖14、圖15可以看出，M2組的綜合得分與進深尺寸的關系呈拋物線變化趨勢，先增加后降低，頂點組為M2J4，得分最高，綜合通風性能最好；J1組的綜合得分先隨著面闊的增加而增加，在M4J1時達到頂點，隨后開始逐漸降低。因此，在天井幾何參數的選擇上，尺寸為M2J4或者M4J1的天井綜合通風性能較好，能夠很好地為徽州傳統民居營造出舒適宜人的室內風環境[24-25]。

表8 增加模擬組天井風環境數值模擬結果

表9 M2組風環境綜合得分表

表10 J1組風環境綜合得分表

圖14 M2組風環境綜合得分圖

圖15 J1組風環境綜合得分圖

5 結語

徽州傳統民居在漫長的歷史演化進程中，針對徽州地區獨特的地理氣候積累了豐富的氣候適應性經驗。但由于缺乏深入研究，這些方法和策略沒有得到很好的挖掘和運用。本文通過現代技術手段對徽州傳統民居室內風環境進行CFD數值模擬，系統研究了不同形態關鍵要素的徽州傳統民居天井與其室內風環境舒適度指標的相互關系，主要結論如下：

（1）徽州傳統民居內氣流分布均勻程度受到天井面闊和進深尺寸的共同影響，隨著面闊和進深尺寸的增加呈“U”形趨勢變化，區域內各個測點風速比之間的波動程度先減小后增大，在面闊尺寸為1丈5尺（5.25m）時，室內的風速變化幅度最小，風環境最為穩定，人們不會感受到強烈的氣流變化帶來的不適感，舒適度最高。

（2）總體看來室內和風區域面積占比隨天井面闊和進深尺寸的增加而增加，綜合天井面闊和進深尺寸這一對參數來看，天井面闊尺寸是影響室內風環境舒適風區面積大小的主要因素，當天井面闊尺寸大于2丈1尺（7.35m）時，室內和風面積占比會隨著進深尺度的增加先增加后降低。當天井進深尺寸大于6尺（2.1m）時，其室內的舒適風區占比會隨著面闊的增加而降低。因此在天井尺寸的選擇上宜選擇大面闊中進深或者小面闊大進深的尺寸組合，以營造出更為舒適的室內風環境。

（3）天井的面積與單位面積和風率的變化趨勢呈現出負相關的聯系，隨著天井面積的增大，單位面積天井產生的舒適風區的效率就越低。面積過大的天井不利于冬季建筑的防寒保溫，所以應在滿足夏季室內風環境品質的前提下，盡量縮小天井的面闊和進深，選擇更為高效率的天井尺寸，降低建筑在冬季因取暖而產生的建筑能耗。

（4）綜合文中徽州傳統民居室內風環境評價的5個要素來看，面闊為1丈5尺（5.25m），進深為8尺（2.80m）或者面闊2丈1尺（7.35m）進深為3尺（1.05m）的天井的整體通風性能較好，能夠高效地為徽州傳統民居營造出一個穩定、舒適的室內風環境。

雖然本研究初步探究了徽州傳統民居天井形態關鍵要素與室內風環境之間的關系，但還缺乏對建筑其他氣候適應性方法的考慮，例如冷巷、門洞、花窗等。并且建筑氣候環境是多因素共同作用的結果，即便是針對風環境品質的研究，還是不能忽略溫度、濕度、光照等多方面因素的影響。因此，需要進一步展開綜合氣候因素作用下，多要素多尺度的徽州傳統民居氣候適應性研究。本研究采用現代技術手段驗證了徽州傳統民居天井空間所蘊含的氣候適應性設計手法，通過對天井形態關鍵要素的控制和調整，能夠為徽州傳統民居營造出更為舒適的室內風環境。以上結論在徽州傳統民居天井空間的設計過程中可作為一定參考，對當代天井院落型居住建筑設計提供經驗，為徽州傳統民居的創新設計提供技術支撐。