寒地海防卫所聚落空间形态对自然通风的影响分析.pdf

学术摘要：自然通风作为有效的气候适应性设计策略，是传统聚落抵御外界不利气候影响和降低建筑运行能耗的重要调节器。在调研归纳我国寒冷地区海防卫所聚落基本空间模式及形态参数的基础上，针对寒地滨海地区季节性、层次化的通风需求，采用数值模拟，分析冬夏两季典型气候条件下聚落朝向、街道形态、院落形制3项空间形态要素，对聚落自然通风的影响规律及其作用机理，提出针对寒地海防卫所聚落形态的适宜性调控和优化建议，为该地区传统聚落保护和更新中的自然通风设计提供参考。关键词：寒冷地区；海防卫所聚落；空间形态；自然通风；数值模拟0 引言我国寒地滨海地区动荡变迁的近代历史，促成了当地“中西并存、兼容并蓄”的独特文化样态，成为中原文明和舶来文化的重要融汇点。其中，海防卫所作为中华文化滋养下形成的传统聚落，是当地本土建筑文化的典型代表和重要载体，在现代化转型过程中，其传统技艺虽有部分丢失，但先民们通过不断“试错优化”造就的传统聚落形态至今仍蕴含着大量朴素的人居智慧，体现了明显的气候适应性特征和独特的地域风貌。寒地滨海地区在水陆风、季风以及寒冷地区大环境的影响下，呈现“冬季寒冷、风速高、需重点考虑避风阻寒；夏季炎热、空气湿度大、通风散热及除湿需求旺盛”的季节性、层次化通风需求1。海防卫所聚落形态所传承的自然通风策略，对适应这里复杂通风需求发挥着重要调节作用。然而，伴随经济技术的高速发展，在大量传统聚落的建设与更新实践中，现代技术与传统经验的发展分异日益显著，致使地域特色丧失、文脉断裂等一系列问题频现。可见传统聚落空间形态所承载的生态经验亟待挖掘、梳理和科学化转译。在我国加速推进文化自信建设和绿色低碳转型的宏观背景下，传统聚落自然通风的相关研究已积累了丰硕成果。如汤国华2、肖毅强等3针对岭南湿热气候条件下传统民居和村落的自然通风策略所进行的系统研究；陈晓扬等4梳理了江南地区传统民居聚落中自然通风规律和设计方法；张欣宇5、李世芬等6就东北严寒地区冬季风环境所提出的村落形态和居住单元模式的适宜优化设计策略；李涛等7研究了西北干热地区传统伊斯兰建筑的自然通风机理。但以上研究的对象层面多集中于我国东部湿热地区、东北严寒地区、西北干热地区的传统聚落，尚缺乏针对寒地滨海地区传统聚落自然通风规律的相关研究。因此，本文基于我国寒冷地区海防卫所聚落特征的调研和梳理，运用CFD数值模拟，分析归纳各形态要素与聚落自然通风的关联影响，并尝试提出适宜的聚落形态控制和优化策略，以提升聚落的风环境品质，为当地传统聚落的更新建设提供参考借鉴。1 寒地海防卫所聚落的形态要素解析海防卫所是明清时期由政府主导设立，承担抵御外敌、保卫海疆职能的军事型聚落，是我国中原传统建筑文化和地域海防文化融合的产物。虽然其军事职能今已消失，但聚落、街道及建筑的空间形态原型仍对当代的本土村镇规划存在深远影响。1.1 聚落的空间参数受传统营城理论和军事防御需求的影响，寒地海防卫所聚落多遵循“城池宜高深，坊巷宜宽正，营房宜齐整”的理性规划思想，采用行列式集中布局8。聚落平面形态多近似方形，长宽比接近1 1。其朝向多顺应当地主导风向，坐北朝南或南向略偏东。城中院落多横向并排组合，仅临近中央大街的部分院落为竖向串联组合（图01）。1.2 街道的空间参数寒地海防卫所的街巷系统延续传统礼制要求和里坊制度，以“十字街”或“田字街”原型统领棋盘式路网。街巷体系层次清晰，分为主街、次街和支巷3级组织，是居民生产、生活的主要公共场所。其中：主街直通四周城门形成聚落的主体构架，其宽度较大，为610 m；次街出于作战防御需求线路通而不畅，宽46 m；支巷多由宅基地自然分割形成，宽度较小，为13 m。1.3 建筑的空间参数当地民居多延续传统的中原合院形制，院落布局紧凑，主要由正屋、东/西厢房、倒座相连围合，形成内向封闭的中心围合式平面形态。其中：正屋坐北朝南，多为35开间，高5.2 m，且立于0.6 m高的石质台基之上，是核心起居空间；两侧厢房及倒座高3.0 m，多用作储藏间和卫生间；四周院墙高2.7 m。旧时当地的传统民居以一合院或二合院形制最为常见，后伴随家庭人口增长和生活方式转变，多已改建或重建为三合院或四合院。2 研究思路和基本设置研究以寒地海防卫所聚落的空间形态为主要 研 究 对 象，运 用 CFD 数 值 模 拟 软 件 scSTREAM，分析各形态要素对聚落自然通风的影响规律。首先，基于寒地海防卫所的聚落形态特征，提炼空间原型和典型参数，建立理想分析模型；其次，抽取当地冬夏两季的典型风气候数据作为风环境模拟的边界条件；然后，基于不同聚落朝向、街道宽高比、院落形制等形态要素指标，分别建立多组对比模型，展开模拟分析；最后，综合分析各组数据，讨论各形态指标对聚落自然通风的影响机理，并尝试提出针对性的设计优化建议。2.1 分析模型青岛市即墨区的雄崖所故城是我国东南部沿海仅存的布局完整且城门、城郭清晰的明代军事卫城。选取其作为寒地海防卫所聚落的典型样本，并参考实地调研数据建构分析模型如下：聚落的基本空间单元为11 m 12 m的传统合院，正屋总高5.8 m，院墙高2.7 m；因主要研究户外环境自然通风，故将基本院落单元简化为一合院形制，以提升分析效率；众院落以“十字街”为空间骨架，聚集形成边长约120 m见方的核心组团，其内部南北主街宽10 m，东西主街宽 6 m，次街宽4 m，各排院落宅间的巷道宽2 m（图02）。该实验模型能基本反映寒地海防聚落的形态原型特征，后续可通过调整相关形态参数设计各组分析模型。2.2 边界条件采用雄崖所故城所处青岛市的风气候数据作 为 模 拟 分 析 的 边 界 条 件。基 于 JGJ/T3462014 建筑节能气象参数标准 中的典型气象年数据，整理青岛全年8760 h逐时风向、风速数据，取风频率最大且总和大于30的连续45风向角范围为主导风向9，可知：当地冬季主导风向为正北（N），平均风速为5.36 m/s；夏季主导风向为南东南（SSE），平均风速为4.93 m/s。纵向风速变化采用指数律描述的梯度风条件，寒地海防卫所聚落空间形态对自然通风的影响分析寒地海防卫所聚落空间形态对自然通风的影响分析AN ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF THE SPATIAL FORM ONAN ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF THE SPATIAL FORM ONNATURAL VENTILATION OF COAST DEFENSE SETTLEMENTS IN COLD AREASNATURAL VENTILATION OF COAST DEFENSE SETTLEMENTS IN COLD AREAS徐诗伟1李昊1肖雯静2（1.西安建筑科技大学建筑学院，西安 710055；2.中国建筑西北设计研究院有限公司，西安 710018）图01 典型寒地海防卫所聚落平面图02 雄崖所故城及其典型民居的空间信息116SEP 2023依据日本建筑师协会（AIJ）风环境模拟标准，取第类“由小型建筑组成的城市区域”，粗糙度指数=0.20，梯度风高度为450 m。据此设置模拟的来流边界条件，出流边界则采用自然流出边界，选用RNG k-湍流模型进行计算，计算区域与网格划分满足计算精度要求10。2.3 评价指标研究选取室外行人高度（1.5 m）处的风速和风速比作为聚落自然通风的特征参数。风速数值用以描述研究区域内风场的基本分布情况。风速比公式为Ri=Vi/V0，其中Vi为聚落中某点的风速，V0为同高度来流方向不受影响风速的比值，风速比可用于表征建成环境对风速变化的影响程度。按指数律计算行人高度1.5 m处未受影响的冬夏两季风速分别是 3.67 m/s 和3.37 m/s，因此本文各测点的冬季风速比Rwin=Vi/3.67，夏季风速比Rsum=Vi/3.37。2.4 实测验证为确保后续数值模拟结果的可靠性，调研中选取雄崖所故城村主任家民居开展院落及周边街道的风环境实测。测试选取冬夏两季符合典型气象日天气要求的2019年1月17日和7月28日，在庭院内部、院前东西巷道、院侧南北向主街设置3处测点，高度为行人高度1.5 m，采用WFWZY-1万向风速风温记录仪记录当日8：0020：00的室外风速数据（每3 min记录1次数据）。将冬夏季共6个测点现场实测的风速比平均值与模拟数值进行对比（图03），可见两者变化趋势基本一致且数值差异较小，平均偏差仅为0.06，说明模拟数据具备较好的参考价值。3 数值模拟分析3.1 聚落朝向对自然通风的影响基于分析模型，分别建立聚落朝向为南偏东0、22.5、45、67.5、90的5组模型，分析模拟结果可知：伴随聚落朝向由南向东变化，平均风速比在冬季先降低后升高而夏季先升高后降低。当朝向为南偏东22.5时，夏季平均风速比最高，最利于夏季通风散热；此时冬季平均风速比较低，聚落抗风阻寒性能亦较好（图04）。此外，主街作为聚落居民日常生活交往最重要的公共场所，由模拟结果可发现其内部风速分布对朝向变化非常敏感。比较各朝向下纵向南北主街中心线上行人高度处的风速变化（图05），可知：冬季工况下，朝向由正南转至南偏东 22.5时风速迅速衰减，抗风性能显著提升，说明聚落朝向与冬季主导风向N夹角不小于22.5时抗风性能较强。夏季工况下，朝向为南偏东22.5时风速值最高，并随朝向偏转而逐渐衰减；当朝向为正东时，来流风在纵向主街入口处迅速衰减至1 m/s以下，且在与横向街巷交叉口处风速陡增，此时气流主要沿横向街巷分布与两侧建筑主立面接近平行，不利于建筑自然通风，说明聚落朝向与夏季主导风向SSE接近平行时更利于主街区域的自然通风。综上可知，当朝向接近南偏东22.5时更能兼顾冬季避风需求和夏季通风效率，聚落风环境的总体舒适度较高，能营造较适宜风环境，以增进当地居民交往和场所活力。这与调研所知当地海防卫所多南向略偏东的聚落朝向吻合，因此下文采用南偏东22.5朝向设置分析模型，梳理街道形态和院落形制对自然通风的影响。3.2 街道宽高比对自然通风的影响宽高比（W/H）是聚落街道空间形态的典型表征之一，其由街道两侧建筑高度和街道宽度共同决定。本研究中，街道两侧建筑高度参照雄崖所典型民居的正房高度，取5.8 m为定值。故调整聚落南北主街宽度，分别建立W/H为1/3、2/3、1/1、4/3、5/3、2/1的6组模型。从模拟结果可知：W/H越大，则街道内平均风速比越大，越利于自然通风；反之有利于阻风防寒。冬季各组模型的平均风速比普遍较低且变化不明显，说明适宜朝向下聚落的冬季抗风性能整体较强且受街道尺度影响有限。夏季，当W/H从1/3 至 2/3 变化时，平均风速比迅速提升，而当W/H大于2/3后，平均风速比提升趋势放缓，说明W/H增大有助于促进夏季街道的自然通风，但增至2/3以上后促进作用将逐渐减弱（图06）。对比各宽高比下的南北主街中心线行人高度处风速值（图07），不难发现：当来流风进入街道入口时会在“巷道效应”作用下迅速获得加速，形成一定长度高速区后逐渐衰减并趋于稳定；伴随W/H增大，街道内风速随之提升，入口处的高速区长度亦逐渐增加，且后续衰减速率变缓。可见限制街道宽高比的确能有效控制冬季冷风侵袭，但W/H过小时易造成街道入口处来流风速变化剧烈，而整体区域风速偏低，既不利于冬季风场的均匀，又降低了夏季自然通风的舒适。所以应避免街道过窄，保障聚落的自然通风品质。3.3 院落形制对自然通风的影响建立一合院、二合院（东厢房）、二合院（西厢房）、三合院、四合院5类典型民居院落模型，从模拟结果可知：5类院落庭院中的平均风速比均低于0.3 m/s，说明传统合院的内向封闭式布局防风性能突出，能显著削弱冬季寒风影响；但通风性能普遍不足，不利于夏季散热除湿（图08）。图04 不同聚落朝向下的平均风速比分析图05 不同聚落朝向下南北主街中心线行人高度（1.5 m）风速值分析图07 不同街道宽高比下南北主街中心线行人高度（1.5 m）风速值分析图03 实测与模拟风速比对比图06 不同街道高宽比下的平均风速比分析117学术其中，围合封闭程度较高的四合院抗风阻寒能力最优，且其建筑布局能够容纳次卧、厨房、卫生间、储物间、晒台等诸多功能空间，居住功能更加完善，更适应当代家庭日益丰富的日常生活需求。故调研中发现，大多数传统合院均在更新建设中逐渐被围合封闭程度较高的三合院、四合院形制所替代。因此，在更新改造中应注意尽可能加强自然通风策略的运用，以降低夏季居住环境的湿热影响。4 寒地海防卫所聚落形态优化建议4.1 设计优化措施第一，选取适宜朝向。兼顾当地冬、夏季节的差异化通风需求，聚落最佳朝向应与冬季主导风向成22.545夹角，且与夏季主导风向尽量平行。所以，雄崖所故城所处的青岛地区传统聚落的更新建设，宜取南偏东22.5朝向进行合理规划。第二，优化聚落布局。聚落适宜朝向要求与夏季主导风向接近平行，但此时聚落中东西向的宅间巷道多与来流风向垂直，致使气流无法直接深入内部，而形成大面积静风区。因此宜适当缩减东西向巷道长度，形成“长街短巷”布局模式，或改造街巷交叉口处建筑，相对来流风向错列排布，将来流风导入巷内，改善街巷的夏季通风。第三，调控街道尺度。街道宽高比是直接影响街巷空间通风性能和风场均匀度的重要因素。W/H越大则街道的通风性能越强，风场分布越均匀。鉴于最优朝向下海防卫所的抗风防寒性能较强，宜适当扩宽聚落中各级街道宽度，保障W/H2/3，以改善聚落冬季风场均匀度和夏季通风性能。第四，更新民居形制。因各形制传统合院式院落单元的抗风能力普遍较强，所以更新中宜在完善居住功能的同时，还应鼓励积极选用利于促进自然通风的被动式设计策略，如设置绿化庭院、南北通窗、设老虎窗和屋顶通气孔等，以充分兼顾夏季室内的通风降温和除湿需求。4.2 优化效果复核依据上述措施对基础模型进行优化设计：聚落朝向取南偏东22.5；缩减较长东西向巷道长度，并调整街巷交叉口处建筑朝南错列排布；适当扩宽低等级街巷宽度，次街由4 m扩至6 m，宅间巷道由2 m扩至3 m。基于此，分别建立4组对照模型：仅优化聚落朝向、仅优化聚落布局、仅优化街道尺度、综合优化。因为当地传统民居形制的优化多针对户内通风改善，对户外街巷空间风环境的影响差异不大，故不再就此单设对照组。将基础模型和各对照组分别进行冬夏两季节工况下的模拟测试，并量化对比各技术措施对聚落自然通风的调控能力。由表01和图09可见，各项措施均能够在控制冬季入侵寒风的同时，有效促进夏季自然通风。其中，3项措施综合应用时聚落风环境改善效果最优，此时冬季平均风速略微提升，但并未超过2 m/s的风舒适阈值11，舒适风速面积占比显著提升，且更利于污染物消散；夏季平均风速提升，且低于1 m/s的静风区明显减少，有效满足了散热除湿的夏季活动需求，营造了相对舒适的风环境。其余单项措施依据改善效果排序，由强至弱依次为：仅优化聚落朝向、仅优化聚落布局、仅优化街道尺度。5 结论本文从传统通风经验的传承与发展视角，探讨了我国寒冷地区海防卫所聚落应对兼顾冬季避风和夏季通风的多层次自然通风需求的设计优化路径。研究以青岛市雄崖所故城为典型样本，提取了寒地海防卫所传统聚落空间原型和典型形态要素，结合CFD数值模拟技术，从聚落、街道、建筑3层面，验证了聚落空间形态适应当地寒地滨海气候的绿色通风经验，量化分析了其中所蕴含的科学机理，并尝试提出了聚落朝向、空间布局、街道形态和院落形制4方面的相关设计与管控建议，以期为寒地滨海地区传统聚落保护及其更新实践中的自然通风设计提供理论指导和科学依据。基金项目：国家自然科学基金青年项目（52008323）；国家重点研发计划（2017YFC0702506）。参考文献：1 何泉，王星心，徐诗伟，等.环渤海地区传统民居建筑气候适应性分析以青岛、大连市为例J.建筑科学，2020，36(10):68-76.2 汤国华.岭南湿热气候与传统建筑M.北京:中国建筑工业出版社，2005.3 肖毅强，林瀚坤，惠星宇.广府地区传统村落的气候适应性空间系统研究J.南方建筑，2018(5):62-69.4 陈晓扬，郑彬，侯可明.建筑设计与自然通风M.北京:中国电力出版社，2012.5 张欣宇，金虹.基于改善冬季风环境的东北村落形态优化研究J.建筑学报，2016(10):83-87.6 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