基于風環境分析的木構建筑遺產保護研究

摘" 要：風環境對木構建筑遺產的保護有重要影響。研究首先以初祖庵大殿為代表對其風環境進行模擬分析，然后通過對初祖庵大殿室內外木構架的病害類型及成因進行探究，可知大殿室內外木構架具有不同的風環境需求，即室內需要加強通風，室外則與之相反，最后研究了風環境的關鍵影響因素—地形環境與初祖庵大殿木構架保護的關系。結果表明：地形環境對主要作用于大殿室內的風環境有一定的增速作用，對作用于大殿室外的風環境有一定的減速作用，而對同時作用于大殿室內外的風環境則有著雙重效果，故地形環境對風環境的影響作用符合大殿室內外木構架保護對風環境的不同需求。研究可以為木構建筑遺產風環境的預測提供分析方法，有助于營造出有利于木構架保護的風環境，同時也促進了木構建筑遺產預防性保護技術的發展。

關鍵詞：建筑遺產保護；風環境；初祖庵大殿；木構架；地形

中圖分類號：TU-87；TU119" " " 文獻標志碼：A

DOI：10.19490/j.cnki.issn2096-698X.2023.01.071-080

Abstract： Wind environment has an important influence on the protection of timber architectural heritage. The research used the main hall of Chuzu Temple as representative case study to simulate and analyze the wind environment. Through exploring the types and causes of deterioration on the interior and exterior wooden frames of Chuzu Temple， it can be known that interior and exterior wooden frames of the main hall have different wind environment requirements， namely， interior ventilation needs to be strengthened， and contrary on the exterior. Finally， the relationship between the topographic environment and the protection of the timber frame of the main hall of Chuzu Temple is studied. Results show that the main effect of topographic environment on main hall interior wind environment has certain growth effect， the effect of main hall exterior wind environment has certain reduction effect， while the effect of main hall interior and exterior wind environment has a dual effect， so the impact of the topographic environment on the wind environment meets the different requirements of the interior and exterior wood frame protection of the hall for the wind environment. The research can provide analysis methods for the prediction of the wind environment of timber architectural heritage， help to create a wind environment conducive to the protection of timber frame， and also promote the development of preventive protection technology of timber architectural heritage.

Keywords： protection of architectural heritage；wind environment；Chuzu Temple Main Hall；wooden frame；topography

木構建筑遺產是我國傳統建筑技藝、社會禮制生活以及悠久歷史文化的物質載體，是我們中華民族乃至全人類的文化瑰寶。然而，悠久的歷史也在木構建筑遺產本體上烙下了不同的“印跡”，或風化開裂、受潮腐朽，或剝蝕脫落，這無疑是不利于其存續的。木構建筑遺產與其周圍自然環境有著密不可分的關聯，營造出穩定、適宜的微氣候環境能夠減少病害殘損的發生，延緩其進一步地惡化，從而有效地保護建筑遺產，延續其歷史價值[1-2]。

隨著建筑遺產保護工作的科學化、精細化以及全球氣候的不斷變化，學者們開始逐漸關注建筑病害殘損與其所處環境之間的關系，以便于為后期的維護監測、保護修繕提供科學指導，提前采取相關措施進行預防[3]。其中，風環境對建筑遺產病害的影響不容小覷，部分學者進行了相關探索，如周寶發等人研究發現：麥積山石窟甬道壁畫產生病害的根本原因是風速變化梯度高引起的熱濕交換頻繁所導致的[4]；陳思論述了風力侵蝕對寒地文物建筑凍害的加劇原理[5]；Arpino等人分析了歷史城鎮建筑物的退化與當地風速之間的關系[6]。此外，風環境的影響因素眾多，不僅受到建筑、院落自身的影響，同時還受到周邊環境（如地勢地形、村莊布局、街道形式、植被形態）的影響。如：Zeng等人以嶺南傳統村落為例，研究了村莊布局對風環境的作用[7]；Chen等人分析了街道高寬比與風環境的關系[8]；Llaguno-Munitxa等人研究了建筑屋頂及立面形式對街道峽谷氣流的影響[9]。

由此可見，建筑遺產病害的產生和發展與風環境有著不容忽略的關聯，由于木材自身的特性，對于木構建筑遺產的影響作用則會更強，但目前關于風環境與木構建筑遺產的關聯研究并不多。此外，風環境除了受到上述因素的影響外，還受到周邊地形環境的作用，多數遺產類建筑周邊為起伏的山脈，地形較為復雜，對風環境的影響作用也有所不同，因此有必要對木構建筑遺產周邊地形與風環境的關聯進行深入研究[10-11]。本文以初祖庵大殿為研究對象，通過Phoenics軟件模擬分析，總結出地形特征對風環境的影響規律，結合初祖庵大殿室內外木構架對風環境的不同保護需求，探究了地形環境對初祖庵大殿木構架保護的影響作用。

1" "木構建筑遺產的環境特點

初祖庵是世界文化遺產登封“天地之中”歷史建筑群的代表性建筑之一，相傳為佛祖達摩面壁之處，又稱“達摩面壁庵”，沿中軸線依次為山門、初祖庵大殿和千佛殿（圖1）。其中，初祖庵大殿是院落內的主體建筑，建于宋徽宗宣和七年（1125年），大殿內部多種做法與宋《營造法式》所記載的相一致，具有豐富的科學、歷史、藝術以及社會價值[12]。

初祖庵大殿建成至今已有900余年，后雖經多次修葺，但整個木構架承重體系保存相對完整，保持著良好的結構受力性能，但由于其建造年代久遠，在自然因素與人為因素的作用下，建筑的材料構造有著不同程度的病害殘損。比如：木構件的風化開裂、腐朽，這會影響木構架承重體系的結構性能，進而導致其承載力不足；各類磚、石砌體材料表面的酥堿、風化，屋頂瓦件的松動，泥背灰漿流失以及因此導致的局部雨水下滲與屋面長草等問題也在不斷產生并惡化，這些病害問題對建筑本體的健康存續造成了嚴重威脅[13]。

初祖庵位于鄭州市登封市少林寺西北二里的五乳峰山腳下，依山勢而建，后高前低，坐落方向為正西北，長82 m，寬38.5 m，占地面積約3 000 m2，周邊地勢起伏不平，圖2中相鄰等高線的高度差值為8 m，初祖庵院落西南側、東北側的等高線分布相對密集，地形變化幅度大，地勢較為陡峭，而初祖庵院落所坐落的位置，等高線分布相對較為分散，大致呈東南向到西北向的延伸趨勢，地勢相比兩側較為平緩，形成一道貫穿于初祖庵院落的微地形通風廊道（圖2）。

鄭州市登封市屬于寒冷地區，氣候溫和，四季分明。年平均氣溫14.3℃，7月份氣溫最高，月平均氣溫27.3℃；1月份氣溫最低，月平均氣溫為-0.2℃。冬季寒冷干燥、降水稀少，春季多風少雨，夏季炎熱、多陣性降雨，秋季干旱。根據鄭州標準氣象年數據，取各個季節高頻風向及平均風速，如表1所示。

2" "木構建筑遺產的風環境分析

2.1" "風環境分析方法

目前，對于風環境的研究方法主要歸為3類：一是現場實測法，這種方法最為直接有效，但也最容易受到自然外界因素所影響，即使是在時間、人力資源充足的前提下，風環境隨時變化的不穩定性也不便于試驗工況的對比研究。二是風洞試驗法，此方法是將目標對象制成比尺模型后放置在風洞通道內，通過人為控制來實現所需要的流動狀態，以達到風環境試驗的目的。但這種方法模型制造成本高、風洞試驗周期較長，具有一定的局限性。三是CFD軟件模擬法，這種方法是目前風環境研究最為常用的一種方法，通過相關軟件能夠快速地模擬不同的試驗工況，克服了前兩種方法試驗周期長、投資成本高、易受外界影響的缺點[14]。

Phoenics作為計算流體力學軟件的一種，主要用于計算流體流動分析和傳熱，具有智能化程度高、接口便捷、模擬結果準確可靠的優點，且有建筑專用的模塊（FLAIR）。結合本文的具體研究情況，選用Phoenics軟件對研究片區進行四季風環境的模擬[15]。

計算模擬區域以初祖庵院落為中心，模擬劃取范圍為500 m×500 m（圖2），建模軟件采用AutoCAD2016，得到模擬分析三維模型（圖3），后將其導出為stl格式，并在Phoenics軟件中進行四季風環境的模擬。

為保證計算結果的準確性，模擬背景區域水平方向設為模型的3倍，垂直方向設為模型的2倍，計算域尺寸為1 500 m×1 500 m×400 m，其中X、Y方向設有300個網格，Z方向設有110個網格。根據各季節風速風向的不同，設計了6種不同初始風環境的模擬工況，初始風速、風向按照表1所示進行設置。研究對象地貌為郊外森林，故粗糙度設為0.16[16]。溫度設定為20℃，不考慮太陽輻射對其的影響，模塊選擇FLAIR，湍流模型選擇k-epsilon模型[17]。

2.2" "風環境分析結果

2.2.1" "春季風環境

在春季西南風2.80 m/s的條件下，選取初祖庵大殿所在位置的中心作為院落模擬風速值的讀取點，后面的情況均與之相同，將不再贅述。初祖庵所在區域風速值為2.53 m/s（圖4），相比初始風速降低了0.27 m/s。由前文可知，初祖庵所在位置的地勢變化從東南到西北方向較兩側稍平緩，西南方向的地勢較高，故當初始風環境的風向為西南風時，周邊地形會對風速有一定的削減作用。

2.2.2" "夏季風環境

夏季風環境包含3種模擬工況，3種模擬工況的初始風環境風速均為2.10 m/s，風向有所不同。第一種模擬工況為南風條件下，初祖庵所在區域的風速是2.08 m/s（圖5），相比初始風速僅降低0.02 m/s；第二種工況在西南風的條件下，初祖庵所在區域的風速是1.90 m/s（圖6），相比初始風速降低0.20 m/s；

第三種工況在東南風條件下，初祖庵院落的風速是2.21 m/s（圖7），相比初始風速增加了0.11 m/s。

通過比較夏季的3種模擬工況，能夠分析同一風速條件下，地形對來自不同方向的初始風環境的影響。由上述模擬結果可知：地形減弱了來自南風、西南風的風速，且對西南風的影響作用更大，而在東南風的初始風環境下，風速卻有所提高。推測其原因是：東南風與微地形通風廊道的方向近似平行，在通風廊道的作用下，風速有所提升；而南風、西南風與通風廊道方向均有一定的夾角，且西南風與通風廊道方向的夾角較大，約為90°，地勢對其有直接的正面阻擋作用，所以對風速有更強的削減。故地形對風速的影響隨著初始風向與微地形通風廊道方向夾角的變化而變化，夾角約為0°時，地形對風速有提升的作用，隨著夾角的不斷增大，地形開始逐漸削減風速，且夾角越大，削減作用越強。

此外，通過比較春季西南風2.80 m/s與夏季西南風2.10 m/s 2種工況的模擬結果，分析同一風向條件下地形對不同初始風速風環境的影響，模擬結果表明：2種工況分別降低了0.27 m/s、0.20 m/s。由此推斷，當初始風環境的風向相同且與微地形通風廊道有一定夾角時，初始風速值越大，地形對風速的削減作用則會越強。

2.2.3" "秋季風環境

在秋季北風2.00 m/s的條件下，初祖庵所在區域的風速值為2.11 m/s（圖8），初始風向與通風廊道間夾角在0°～90°之間，按照上述模擬結果的規律特征，模擬結果的風速值應該有所減小，然而模擬結果表明，風速值不但沒有減小反而增加了0.11 m/s。分析其原因是北側地勢整體上遠高于南側，對北風會產生一定的渦流作用，故而導致了初祖庵院落風速的增加。

2.2.4" "冬季風環境

在冬季西北風2.40 m/s的條件下，初祖庵所在區域風速為2.70 m/s（圖9），相比初始風速增加了0.30 m/s（表2）。同樣，西北風與微地形通風廊道的方向一致導致了風速的增加。此外，與夏季東南風2.10 m/s條件下風速提高0.11 m/s的模擬結果相比，可知當初始風速與通風廊道平行時，模擬結果的風速值均會提高，而且初始風速越大，增速效應越明顯。

3" "木構建筑遺產的風環境保護應對策略

3.1" "初祖庵大殿的病害特征

木構架不僅是初祖庵大殿重要的結構組成，也是研究我國木構建筑遺產的精髓所在，由于木構架的重要性以及環境對不同病害影響的復雜性，結合上述地形環境與風環境的關系規律，分析地形環境對初祖庵大殿木構架保護的影響作用。初祖庵大殿木構架的病害類型可分為結構病害、構造病害與材料病害3大類，其中材料病害與外界環境關系最為密切，不同的環境特點會促發不同的材料病害類型。

初祖庵大殿內部與外部的木構件有著不同的主要材料病害類型，內部構件以受潮腐朽為主（圖10）。在2020年8月13日—9月17日對初祖庵大殿室內溫、濕度進行實測（圖11、圖12），其中室外溫、濕度數據采用的是中國氣象數據網—嵩山氣象站的數據，由圖可知：室內空間的溫度與絕對濕度整體上是高于室外的。

大殿室內較高的溫、濕度是造成內部木構件腐朽的重要原因，而大殿內部的通風條件與溫、濕度有著極為密切的關聯，在缺乏太陽光照的條件下，通風不暢會使溫度的降低和濕氣的消散都變得困難，這使得內部木構件常處于一種較高溫、濕度的環境中，水分會逐漸侵入到木構件的孔隙中，從而導致其含水率較高，進而引發或加劇構件的腐朽[18-19]。

以外檐斗拱為代表的外部木質構件大多存在風化開裂（圖13），外部相對較高的風速使外檐斗拱常處于一種干燥的狀態，當木構件中的水分降低到一定程度就會發生收縮開裂。不僅如此，通過對初祖庵大殿四季院落風環境進行模擬，得到斗拱高度處的模擬結果（圖14）。不難發現：在6種風環境條件下，初祖庵大殿外檐斗拱風速最大值均集中在其角部位置；而初祖庵大殿4個轉角斗拱均為后期替換的新材料（圖15），從側面反映出轉角位置處的高風速值對外檐轉角斗拱的健康存續有著重要影響[20]。

由上述分析可知，初祖庵大殿室內外木構件病害殘損與周圍地形環境影響下的風環境有著密不可分的關聯[21]。根據初祖庵大殿室內外木構架不同的主要病害類型可知：不同位置的木構件對風環境有不同的需求，即大殿內部需要改善其通風條件，使木構架經常保持干燥，以防受潮腐朽；而對外檐斗拱來說，則需要降低周邊環境的風速，以防止風化開裂與雨水侵蝕的加劇，這會更有利于大殿的保護存續。

3.2" "初祖庵大殿的風環境應對策略

由前文可知，初祖庵大殿坐落于五乳峰西北而面朝東南，此朝向正是大殿周邊微地形通風廊道的方向。模擬結果表明：地形對于東南向、西北向的初始風環境有一定的增速作用，而這兩種風向能夠在大殿內部形成穿堂風，進而改善大殿內部的通風條件；而對于主要作用于建筑外部的東北風、西南風，地形則會削弱初始風速值，從而減少外部木構件的風化開裂；對于同時作用于建筑內外部的南風與北風，地形對其影響較小，此時的風向對大殿也有著雙重作用，一部分會通過門窗進入大殿內部，另一部分則直接作用于大殿外部（圖16），故地形環境對不同風向風環境的影響差異對于大殿內外部木構件不同的風環境需求有了相應的回應，初祖庵大殿所坐落的朝向與位置反映出古人的選址營建智慧。

初祖庵大殿現有的地形環境對風環境的影響作用整體上是有利于木構架的健康發展的，在需要加強通風的東南向、西北向，地形會對風速進行提升，而在需要降低風速的西南向與東北向，地形則會削弱風速。故在對大殿周邊環境進行規劃設計時，基于對大殿木構架保護的角度，應盡量保持其原有的地形特征，如若確需調整，可參考此研究結論進行科學規劃，盡量避免地形對風環境的作用加劇初祖庵大殿木構架病害的產生與發展。

3.3" "木構建筑遺產的風環境預防性保護思考

木構建筑遺產病害與外界微環境的關系密切，風環境是重要的影響因素之一，除了受風環境的影響木構件的風化開裂、受潮腐朽外，砌體材料的風化酥堿以及油飾壁畫的開裂脫落與其也有著密不可分的關系，此外，由于風環境對溫濕度的作用，凍融循環、生物病害也受到其間接的影響。隨著木構建筑遺產的保護方法逐漸從被動的搶救式維修轉向主動的預防性保護，微環境與建筑遺產病害的內在關聯是預防性保護研究的重要內容，受作者能力的限制，對此部分內容僅做初步探索來起到拋磚引玉的作用。當然，預防性保護除了需要病害機理分析為適宜微環境的營造提供標準外，也離不開微環境的影響因素探究為其提供實現途徑。

通過上述研究結果可知：初祖庵大殿周邊地形環境是有利于木構架保護存續的，其選址布局具有“藏風聚氣”的特性，能夠圍合出一種適宜木構架保護的風環境場所，這給木構建筑遺產關于風環境的預防性保護帶來了一定的啟發：首先，基于上述研究結論，能夠為具有相似地形及建筑布局的木構建筑遺產關于風環境的預防性保護提供一定的科學依據；其次，有必要對不同形態的地形環境分別進行討論，以便提出有針對性的策略；最后，木構建筑遺產病害的分布位置及發生機理需要進行較為深入的分析，同種材料的建筑構件在不同的位置可能有著不同的風環境需求，而不同的建筑構件在同一位置的風環境需求也需要進一步的探討。

4" "結束語

本文以營造有利于木構建筑遺產保護的風環境為目的，選擇初祖庵大殿作為研究對象，利用軟件模擬來發現四季風環境條件下地形對風環境的影響規律，通過對初祖庵大殿室內外木構架對風環境需求的分析，來探討地形環境對大殿木構架保護的影響作用，主要得出以下分析成果。

（1）初祖庵所處的微地形環境對風速的影響作用隨著初始風環境風向與通風廊道方向夾角的不同而變化：當初始風環境風向與通風廊道方向相平行時，地形會對風速有一定的提升作用；當初始風環境風向與通風廊道方向存在夾角，且隨著夾角的增加，地形開始逐漸削弱風速；當初始風環境風向與通風廊道方向相垂直時，地形對風速的削弱作用達到最大。

（2）基于對初祖庵大殿室內外木構架的保護，大殿內外部有著不同的風環境需求，即內部需要加強通風，外部則需要降低風速，因此地形環境對風環境的影響作用整體上是有利于大殿木構架保護的，故在未來的保護規劃中，應盡量保持其原有的地形特征，以營造出有利于大殿保護存續的風環境。

以初祖庵大殿為代表的木構建筑遺產病害殘損的產生與發展很大程度上會受到周邊風環境的影響，因此，對于風環境的調節控制是木構建筑遺產保護工作亟須解決的問題。基于此結論能夠對初祖庵大殿周邊風環境的調節提供科學依據，營造出有利于木構架保護的風環境，同時結合后人對木構建筑病害與風環境之間更為深入全面的關聯研究，期望為木構建筑遺產適宜微氣候環境的營造作出一定貢獻，也為其預防性保護帶來一些思考。

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