基于能耗量化模擬的鄉(xiāng)村空間形態(tài)一體化特征

林琳 陸琦

粵西地區(qū)是經(jīng)濟發(fā)達省份的經(jīng)濟相對欠發(fā)達地區(qū)，在轉(zhuǎn)型背景下鄉(xiāng)村空間形態(tài)轉(zhuǎn)向機械和單調(diào)，其傳統(tǒng)聚落的空間環(huán)境被動式一體化的生態(tài)智慧逐漸消失。筆者以問題為導(dǎo)向，從可持續(xù)發(fā)展的視角出發(fā)，旨在挖掘聚落尺度的整體氣候適應(yīng)性智慧，基于鄉(xiāng)村空間環(huán)境現(xiàn)狀進行解析與重構(gòu)，對大量存在、風(fēng)貌較為一般的鄉(xiāng)村聚落提出合理轉(zhuǎn)型的優(yōu)化策略。

1 理論內(nèi)涵與研究進展

對于區(qū)域傳統(tǒng)聚落空間環(huán)境的理解，研究者往往使用類型學(xué)和形態(tài)學(xué)的方法。類型學(xué)從地域模型中尋找一種具有代表性的與當(dāng)?shù)厣罘绞綄?yīng)的建筑秩序，然后尋找基于“原型”的“演化型”，即尋找與人們生活方式、當(dāng)?shù)貧夂蛳嗥鹾系目臻g構(gòu)成，而形態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域正在經(jīng)歷從單要素分析向多要素分析發(fā)展轉(zhuǎn)變的過程[1]，通過量化強調(diào)多個形態(tài)要素整合的方法對鄉(xiāng)村空間環(huán)境的分析有重要啟示。但是當(dāng)前基于城市空間量化分析往往只關(guān)注街巷、建筑與功能要素方面的定量整合[2]，而忽略了鄉(xiāng)村聚落獨特的氣候適應(yīng)特征。因此筆者采用的量化工具是卡迪夫大學(xué)自主研發(fā)的早期能量模擬工具軟件，該軟件打破了計算機模擬僅限于分析高度程式化局部空間氣候適應(yīng)性的局限，更加關(guān)注聚落整體的互動。通過修改和調(diào)試虛擬模型的相關(guān)參數(shù)和模塊，研究也可重現(xiàn)聚落整體空間形態(tài)和宅院在歷史演變中不斷適應(yīng)地形條件和氣候條件的“過程”，并將這個過程數(shù)據(jù)化、科學(xué)化，從而推導(dǎo)出鄉(xiāng)村聚落演化的合理因素，拓展類型學(xué)與形態(tài)學(xué)研究，為鄉(xiāng)村聚落的空間環(huán)境提升如何解決生產(chǎn)生活的需求與建筑形式語言之間的矛盾這一命題提供了理論支撐和方法來源。

2 研究地區(qū)與研究方法

2.1 研究地區(qū)、案例與范圍

筆者選擇的聚落案例主要側(cè)重兩點：1）可以反映傳統(tǒng)鄉(xiāng)村聚落空間環(huán)境特征；2）在當(dāng)代社會、經(jīng)濟和交通組織發(fā)生變化的情況下，基本聚居單位的空間環(huán)境所引起的問題更加突出，其發(fā)展趨勢和經(jīng)驗教訓(xùn)具有借鑒意義[3]。所涉及的案例村落可以大致根據(jù)現(xiàn)狀分為4種典型的類型：突變式、衰退式、異址新舊村獨立并行式、多核心分散擴張式。本研究的重點內(nèi)容是這些聚落的整體空間，決定整體空間構(gòu)成秩序的核心要素是地塊、建筑、道路和村域邊界。筆者所強調(diào)的“一體化”，是這些核心要素互相作用，使聚落不僅僅具有局部空間的適應(yīng)性，更具有“整體”空間形態(tài)的氣候適應(yīng)性。從聚落選址、格局布置、單體設(shè)計等層面反映鄉(xiāng)村聚落的這種整體氣候適應(yīng)性策略。

2.2 研究方法

卡迪夫大學(xué)開發(fā)的能耗模擬軟件HTB2及VirVil可以進行多建筑動態(tài)熱環(huán)境模擬并將模擬結(jié)果可視化，適合規(guī)劃或鄉(xiāng)村聚落尺度綜合分析[4]。其中HTB2是建筑熱性能的調(diào)查軟件，通過輸入逐時氣象數(shù)據(jù)、建筑材料和構(gòu)造數(shù)據(jù)、設(shè)備運行等數(shù)據(jù)，計算室內(nèi)達到一定熱舒適水平所需能耗。而VirVil可連接SketchUp與HTB2，在輸入海拔、經(jīng)緯度相關(guān)數(shù)據(jù)的前提下，使用遮陽罩這一概念體現(xiàn)太陽直接輻射和漫反射，以及周邊障礙物對于建筑外圍護結(jié)構(gòu)的綜合影響。VirVil的遮陽罩分析將外圍護結(jié)構(gòu)一個面上方的天空劃分成324片10°×10°的黑白色塊，黑色塊意味著這一小片天空被周圍地形、建筑、遮陽設(shè)施等周圍障礙物遮蓋，導(dǎo)致直接輻射不會通過；白色塊則意味著這片天空無障礙物覆蓋，需要計算直接輻射。體現(xiàn)在SketchUp模型的可視化結(jié)果中，建筑外圍護結(jié)構(gòu)由色彩的冷暖感表達太陽輻射得熱情況，紅橙黃表示太陽輻射得熱量較多，綠藍代表太陽輻射得熱量較少。

對于粵西地區(qū)的模擬考慮到其亞熱帶及熱帶濕熱地區(qū)特征，太陽直射并不顯著而漫反射在夏季強度較高，因此模擬既需要關(guān)注聚落整體對于控制太陽輻射得熱和營造舒適通風(fēng)的策略，也要關(guān)注夏季濕熱時間區(qū)段建筑單體的室內(nèi)熱環(huán)境狀況。HTB2能耗模擬受數(shù)據(jù)來源、技術(shù)工具及工作流程等方面的限制，導(dǎo)致模擬結(jié)果具有一定局限性，這些限制主要包括：1）模擬軟件雖具有氣象數(shù)據(jù)庫的自定義功能，但案例村落氣象數(shù)據(jù)的來源不同、統(tǒng)計程度參差不齊，同時氣象站所取得的氣象數(shù)據(jù)與案例村落所處環(huán)境的真實情況存在一定差距，這些均影響了分析的準確性與科學(xué)性；2）該軟件無法識別和模擬建筑的內(nèi)部庭院形式，因此傳統(tǒng)民居的天井對其整個室內(nèi)空間造成的傳熱學(xué)影響以及天井在不同時段調(diào)整通風(fēng)方式改善微環(huán)境的被動式設(shè)計智慧無法全面詮釋；3）模擬結(jié)果對除形態(tài)之外的外環(huán)境影響機制——如水體、植被蒸發(fā)作用等無法體現(xiàn)，有待于結(jié)合更多室內(nèi)外環(huán)境的實測性研究予以對比分析；4）HTB2對于模型的容錯性較低，并且對于復(fù)雜模型而言，計算所需的時間太長，必須合理簡化建筑形體以提高模擬速度，這也在一定程度上影響了模擬結(jié)果。盡管該軟件具有上述局限性，但仍可以將定性和定量相結(jié)合，并通過不同尺度的模擬和比較研究得出一些指導(dǎo)性結(jié)論。

3 鄉(xiāng)村空間環(huán)境量化分析

3.1 聚落地塊形態(tài)氣候適應(yīng)性分析

在地塊空間肌理的層面，粵西地區(qū)聚落普遍小且規(guī)律性較強，因此筆者將地塊研究簡化為新村地塊與舊村地塊，強調(diào)歷史村落的自發(fā)演變。舊村指的是1949年之前形成完整肌理的地塊，而新村指的是1949年之后形成的地塊。筆者量化模擬了這幾個村落的新舊村空間對于當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境適應(yīng)的情況，進行不同類型的案例村落的制冷能源需求測試分析比較（表1）。

表1 不同聚落發(fā)展模式下的新舊地塊比較Tab. 1 Comparison of old and new plots under different settlement development models

外布前村、石頭沖村、蘭寨村與長樂村緯度相近，舊村平均年制冷需求介于55～65 kWh·m-2·a-1之間（圖1），其中，舊村組團布局最為緊湊的外布前村平均年制冷需求僅為55.98 kWh·m-2·a-1。同處新興縣的石頭沖村舊村肌理相對松散、橫向巷道較寬、區(qū)位坡度較陡，面向橫向巷道的建筑南側(cè)立面得熱較多，其平均年制冷需求為60.50 kWh·m-2·a-1。蘭寨村與長樂村位于河谷平原處，周邊地形對建筑的遮擋有限，聚落形態(tài)較為自由，舊村大型民居的內(nèi)部空間具有類似梳式布局的緊湊交通組織，因此兩村的舊村部分表現(xiàn)良好，平均年制冷需求分別為63.74 kWh·m-2·a-1和65.71 kWh·m-2·a-1。這4個村落的新村部分的民居以多層平屋頂為主，建筑高度參差不齊，由于沒有天井，新建建筑之間的間距擴大以贏得采光，新村肌理因此變得松散，模擬結(jié)果表明，新村建筑的每平方米平均年制冷需求均比舊村高出30%左右，介于75～85 kWh·m-2·a-1之間。潮溪村與東林村地處雷州，遠離珠三角城市群核心區(qū)，外來文化經(jīng)濟因素對于村落格局的影響較小，新村部分繼承了舊村的肌理，建筑也以單層為主，多數(shù)新建建筑依然保留了天井，這2個案例村落新舊村平均年制冷需求差別較小，而且由于東林村舊村建筑組團承受更多西曬，其新村的表現(xiàn)比舊村更具有優(yōu)勢。

3.2 建筑單體氣候適應(yīng)性分析

對潮溪村和東林村單體建筑平均年制冷需求分布情況進行分析（圖2）。潮溪村舊村中心巷以東的兩路傳統(tǒng)建筑制冷能耗需求較低，新村延續(xù)舊村肌理的部分也表現(xiàn)較好。東林村由于周圍無地形遮擋，村落整體朝向向西，無論新舊村的制冷能耗需求都高于潮溪村。兩村空地周邊建筑所需能耗較高，說明空間肌理斷裂對聚落整體氣候適應(yīng)性有不利影響，另外在建筑材料與形式類似的前提下，若建筑高度遠比相鄰建筑高，其制冷能耗需求也會迅速提升。

粵西地區(qū)屬于濕熱地區(qū)，使用氣流幫助人體散熱的效果并不明顯，建筑單體的主要防熱方法是遮陰，使用大面積實墻面，并在天井周圍設(shè)置開敞的灰空間。對外布前村一座面積約為97 m2的三間兩廊建筑進行制冷和供暖的能源需求測試分析（圖3），如果其他條件相同，若要將室內(nèi)空間調(diào)節(jié)到設(shè)定的舒適溫度，能源需求量與外墻窗墻比正相關(guān)，因此外墻不開窗或少開窗是一種相對優(yōu)化的策略，但是，此策略會導(dǎo)致日間采光不足，這是在有限的時間和有限的技術(shù)背景下，傳統(tǒng)民居權(quán)衡利弊呈現(xiàn)出的結(jié)果[5]137。進一步對建筑平屋頂形式與傳統(tǒng)坡屋頂形式進行模擬（圖4），若基底面積相同，平屋頂形式會獲得更多的太陽輻射量，而坡屋頂形式可以給周邊的外圍護結(jié)構(gòu)及自身帶來更多的遮擋。在相同的坡度下，朝南的屋頂獲得的平均太陽年總輻射量最大，東西向次之，北向最小。如果測試區(qū)域中的建筑物全部都是平頂建筑的屋頂，那么屋頂平均太陽年總輻射量為1 058 kWh·m-2·a-1；坡頂建筑中太陽輻射得熱最多的南側(cè)屋頂平均太陽年總輻射量為 1 070 kWh·m-2·a-1，若綜合考慮所有朝向的屋頂，則坡屋頂平均太陽年總輻射量為952.35 kWh·m-2·a-1。因此，一棟平屋頂建筑通過屋頂獲得的太陽輻射量一年約為116 380 kWh，而一棟三間兩廊坡屋頂建筑獲得的太陽輻射量為104 759 kWh，同等條件下，為平屋頂形式的90.0%， 反映在年度制冷和供暖的能源需求數(shù)據(jù)方面，坡屋頂形式的建筑也具有更多的優(yōu)勢。

以上的比較分析也說明，如果不尊重聚落空間的整體格局，或建筑空間形態(tài)距離最佳平衡點較遠，那么調(diào)整窗墻比、調(diào)整圍護結(jié)構(gòu)形式構(gòu)造、采用部分遮陽措施等局部優(yōu)化設(shè)計方式所能起到的節(jié)能作用都比較有限[6]。

3.3 聚落道路形態(tài)氣候適應(yīng)性分析

粵西傳統(tǒng)聚落道路系統(tǒng)往往采用梳式布局，集中緊湊、骨架清晰。巷道將聚落山水格局與建筑中庭連接起來，形成了微妙而復(fù)雜的季節(jié)性通風(fēng)、晝夜通風(fēng)的被動式系統(tǒng)，利用季候風(fēng)和天然或人工熱惰性材料創(chuàng)建了大規(guī)模的 “空調(diào)系統(tǒng)”。道路兩側(cè)山墻之間互相遮陽，起到減少屋面得熱和墻面得熱的目的，形成所謂“冷巷效應(yīng)”（圖5），在早08：00—10：00及晚15：00—17：00之間可大面積投影到對面山墻，這有效減少了居民在室內(nèi)活動時段墻體的得熱，而在10：00—15：00間山墻的陰影仍幾乎可以覆蓋整個巷道，使巷道在夏季始終涼爽，并且與內(nèi)庭和聚落周邊通過熱壓差形成宜人的巷道風(fēng)（圖6）[7]170。除此以外，“冷巷”使用巷道方向與主風(fēng)向形成夾角預(yù)冷或預(yù)熱氣流的這種巧妙的方式，傳統(tǒng)聚落巧妙處理了山體、人居和水源的關(guān)系，創(chuàng)造了宜人的微氣候，冬暖夏涼[8]。

結(jié)合上兩節(jié)的案例分析可發(fā)現(xiàn)，在舊村內(nèi)部空間斷裂、地塊內(nèi)道路拓寬，會使建筑單體的制冷能耗量需求有所提升，傳統(tǒng)聚落的整體“空調(diào)效應(yīng)”將大大削弱甚至消失。而通過對外布前村（圖7）的太陽輻射分布模擬分析可以看出，新舊村巷道兩側(cè)的外立面可視化結(jié)果存在顯著差異，老建筑群的外墻呈深藍色，表明“冷巷”效應(yīng)明顯，其平均太陽年總輻射量在350 kWh·m-2·a-1以下，遠低于屋頂平均太陽年總輻射量，定量證明了傳統(tǒng)聚落建筑間營造“冷巷”的樸素智慧的有效性；而新建建筑群高度與建筑形式無序，外墻可視化結(jié)果顯示出很多綠色，表明它們的太陽輻射得熱較多，“冷巷”效應(yīng)有相當(dāng)程度的削弱，不僅降低了室外步行空間舒適度，也導(dǎo)致夏季炎熱時段的室內(nèi)溫度顯著升高。

3.4 村域邊界形態(tài)氣候適應(yīng)性分析

在農(nóng)業(yè)景觀與井然有序排布的民居之間，是水塘和環(huán)村綠化構(gòu)成的村域邊界，村域邊界起到自然環(huán)境向人工環(huán)境轉(zhuǎn)化的作用，是人們生產(chǎn)、生活的必要元素和保障。以東林村為例，在歷次變革中，東林村逐步完善了聚落村域邊界的架構(gòu)，其村域邊界的完整有利于生產(chǎn)、生活、灌溉和防御，對維持村落生態(tài)功能和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，完善的邊界使整個村落都充滿了生機，村域邊界的植被蓬勃生長（圖8），在周圍地勢平緩無遮擋物的情況下，改善了視覺環(huán)境并調(diào)節(jié)了場地的微氣候[9]。比較東林舊村有環(huán)村綠化與假設(shè)沒有環(huán)村綠化的兩種情況，在周邊擁有植被的情況下，舊村整個建筑組團年總制冷需求為1 380 755.00 kWh·a-1，平均年制冷需求為100.41 kWh·m-2·a-1；而在周邊沒有植被遮擋的情況下，建筑組團的年總制冷需求量為1 464 151.59 kWh·a-1，平均年制冷需求量為106.59 kWh·m-2·a-1。這個結(jié)果說明，植被構(gòu)成的村落邊界對聚落內(nèi)部的建筑物起到了一定程度的遮陰降溫作用。根據(jù)平均年制冷需求分布情況，植被對村落邊緣及空間節(jié)點的建筑有著更好的降溫效果。另外，樹蔭顯著減少了建筑屋頂和墻體的太陽輻射得熱。除了遮陽功能，植物的光合作用減少了反射到環(huán)境中的熱量，植物的蒸發(fā)過程利用蒸發(fā)吸熱的原理同樣能夠冷卻周圍的空氣，可以進一步降低建筑對空調(diào)能耗的需求。

4 可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)代鄉(xiāng)村空間環(huán)境提升

4.1 鄉(xiāng)村空間環(huán)境特征總結(jié)

對傳統(tǒng)營造智慧“整體觀”的理解是鄉(xiāng)村聚落空間環(huán)境提升的基礎(chǔ)，也是避免鄉(xiāng)村發(fā)展失控、促進鄉(xiāng)村聚落可持續(xù)發(fā)展的根本。粵西地區(qū)常見的密集居住模式和梳式布局是一種聚落尺度的整體氣候適應(yīng)性策略，基于當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c，充分利用聚落空間整體形態(tài)實現(xiàn)自然通風(fēng)、相互遮陽及降低室內(nèi)能耗的作用，蘊含對室內(nèi)外環(huán)境互動的深入思考。從地塊形態(tài)來說，密集的平面組合形成整體空間，建筑的外墻都淹沒在屋頂和山墻的庇護之下，遮陽降溫的效果比松散的組合方式要好。建筑單體采用外封閉內(nèi)開敞的形式，使傳統(tǒng)民居受熱輻射的影響較小，有利于維持室內(nèi)相對穩(wěn)定的微氣候。外墻開小窗或不開窗，因此室內(nèi)自然采光較差，但隔熱效果較好。巷道高寬比越大，民居排列越緊密，高度越一致，村落內(nèi)部熱舒適環(huán)境越好，熱環(huán)境更穩(wěn)定。村域邊界水系和綠化則提供了低成本的良好居住環(huán)境，進一步優(yōu)化了聚落的整體氣候適應(yīng)性。

鄉(xiāng)村空間特征具有系統(tǒng)性和連續(xù)性，背后也蘊含著可持續(xù)發(fā)展理念，其主要理念包括：適應(yīng)氣候、融合環(huán)境；強調(diào)功能、整體統(tǒng)籌；就地取材、節(jié)約能源；兼容并蓄、開放多元?；谶@些理念的具體策略仍然存留并值得聚落在現(xiàn)代社會繼承和發(fā)揚。

4.2 鄉(xiāng)村空間環(huán)境提升策略

當(dāng)代現(xiàn)狀鄉(xiāng)村空間環(huán)境逐漸失去對傳統(tǒng)格局的遵循，主要問題有：村落擴張的趨勢和空心化現(xiàn)象削弱了傳統(tǒng)聚落的整體“空調(diào)效應(yīng)”；聚落空間形態(tài)由統(tǒng)一豐富轉(zhuǎn)向機械單調(diào)；居住景觀由自然趨向于人工，在居住舒適度方面由通過自然調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向依靠人工能源，能耗趨于增加；缺乏交往性活動場所導(dǎo)致村落公共空間功能及界面單一化。

針對這種現(xiàn)狀，聚落空間環(huán)境提升的“整體方法”是鄉(xiāng)村聚落良性發(fā)展的關(guān)鍵。在理解傳統(tǒng)營造智慧“整體觀”的前提下，具體操作上采用尊重大空間格局的局部、漸進方式將鄉(xiāng)村聚落空間復(fù)雜的碎片縫合在一起。在具體實踐中，任何的具體改造措施都應(yīng)當(dāng)在整體觀的前提下進行滿足現(xiàn)代使用功能的環(huán)境提升。在這個前提下，即便使用廉價易得的建筑材料和砌筑手法，通過合理的空間設(shè)計也能取得良好效果。

1）傳統(tǒng)營造智慧中表現(xiàn)出的整體氣候適應(yīng)性策略應(yīng)當(dāng)?shù)靡岳^承。小型聚落或者具有聚落化傾向的群體建筑巧妙實現(xiàn)大尺度內(nèi)的建筑節(jié)約用地、彼此遮陽、調(diào)節(jié)通風(fēng)的方法對于村落人居環(huán)境形態(tài)控制及建筑技術(shù)方面具有比較直接的啟示。例如四川廣元金臺村在地震災(zāi)后重建中面臨安全土地有限的問題，設(shè)計師根據(jù)既有經(jīng)驗將嶺南地區(qū)城鄉(xiāng)常見的密集居住模式融入四川的鄉(xiāng)村環(huán)境中，巧妙解決了問題[10]（圖9）。

2）鄉(xiāng)村空間改造應(yīng)注意平衡自然采光與運行能耗之間的矛盾。當(dāng)代生活方式轉(zhuǎn)變，村落構(gòu)成也逐漸由單一的農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)換為多種產(chǎn)業(yè)融合，正如羅西類型學(xué)所主張，對待歷史中走出來的地域建筑，功能與形式?jīng)]有必然的對應(yīng)關(guān)系[11]，舊村的活化需適當(dāng)植入文創(chuàng)、商業(yè)、民宿、會議、圖書室等新功能，以重新激活聚落空間的豐富性與鄰里交往。誠然傳統(tǒng)空間形式的低碳節(jié)能做法在當(dāng)代依然可以發(fā)揮一定作用，但在保持傳統(tǒng)空間格局的基礎(chǔ)上必須對傳統(tǒng)格局與形式進行合理調(diào)整和完善，才能滿足新功能引入的需求?；浳鱾鹘y(tǒng)聚落及民居在應(yīng)對濕熱環(huán)境條件時普遍犧牲采光的做法已不適應(yīng)當(dāng)代使用需求，因此針對傳統(tǒng)建筑功能的更新和改造設(shè)計中應(yīng)在視覺、流線、采光、通風(fēng)、能耗之間找到最佳平衡點（圖10）。

3）應(yīng)從居住空間、公共空間和景觀空間三方面考慮綜合促進鄉(xiāng)村空間環(huán)境提升。目前粵西鄉(xiāng)村普遍存在的居住空間無序擴張、公共空間極度缺乏、景觀空間日益破碎打破了鄉(xiāng)村聚落既有的系統(tǒng)性和連續(xù)性，破壞了鄉(xiāng)村聚落整體氣候適應(yīng)性特征。有針對性的具體策略應(yīng)側(cè)重于居住空間在占地與占地范圍方面做出指引，處理好鄰里建筑的空間關(guān)系、尋求雙贏的空間布局模式；公共空間注重系統(tǒng)化和重新植入、功能活動和空間的調(diào)整；景觀空間的恢復(fù)則需采用必要的最小限度設(shè)計，強調(diào)具有鄉(xiāng)土氣息的質(zhì)樸景觀，恢復(fù)并完善其綜合利用，通過空間環(huán)境綜合提升形成生產(chǎn)、生態(tài)、生活多功能的復(fù)合場所（圖11）。

圖表來源(Sources of Figures and Table)：

圖1～2、4、10、11由作者繪制；圖3引自參考文獻[4]；圖5、8由作者自攝；圖6引自參考文獻[6]；圖7引自參考文獻[4]；圖9引自參考文獻[9]。表1由作者繪制。