大理白族民居自然通風研究

王波，張軍

（云南大學建筑與規(guī)劃學院）

1 引言

大理地區(qū)至今保存的白族民居以漢式白族民居為主。漢式白族民居是中原漢文化與大理本土文化相結合、演化再創(chuàng)造的產(chǎn)物，在白族民居中占有十分重要的地位[1]。其中漢式合院又因地理環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展水平等方面的不同而存在不同的建筑類型，從總體上看，白族漢式合院建筑大致以分為以下幾種類型：“兩坊一耳”“兩坊兩耳”“三坊一照壁”“四合五天井”以及類似“六合同春”的重院建筑等[2]。

喜洲白族民居，是大理民居建筑的縮影與精粹，也是云南民居建筑的典型代表。與傳統(tǒng)的漢式合院不同，喜洲白族民居在傳統(tǒng)漢式民居建筑的基礎上，融入了自己的文化特色，形成了特色鮮明的白族民居。喜洲一帶西臨蒼山，東臨洱海，依山傍水，其正房和院落一般坐西朝東，這樣可以使得院落和正房視野開闊、陽光充足。白族民居大門一般布置在東北角，“三坊一照壁”的建筑形式中正房和照壁相對應，可以有效地適應當?shù)仫L大的特點，避免西南風直接吹進大門[3]。但是，高大的照壁和廂房在阻擋了大風的侵擾的同時，也為民居的室內(nèi)通風帶來了一定的不便。在這種背景下，基于CFD計算方法，通過計算機模擬其通風情況，有助于分析其室內(nèi)通風的原理，為白族民居的發(fā)展提供一定的指導。

2 研究對象

2.1 白族民居發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)實地調(diào)研，近代新建白族民居主要以“兩坊一耳”“兩坊兩耳”和“三坊一照壁”的形式為主。因此，本文選取這三種類型的建筑形式作為研究對象。

兩坊一耳型，由正坊三間房、一側的耳房以及院落一側的廂房組成“L”型平面構圖，耳房與廂房山墻形成了“漏角天井”。正坊正對照壁，廂房正對院墻（見圖1）。兩坊兩耳型比兩坊一耳型多了一側的耳房（見圖2）。

圖1 兩坊一耳

圖2 兩坊兩耳

三坊一照壁合院建筑是白族傳統(tǒng)民居的典型院落，主要由正坊三間房、兩側耳房以及院落兩側的廂房組成“U”型平面，兩側廂房山墻與耳房形成兩側的“漏角天井”，正坊正對照壁，兩側廂房相對（見圖 3）[4]。

圖3 三坊一照壁

現(xiàn)代建造的白族民居大多數(shù)不留“漏角天井”，直接將耳房砌滿西南和東南兩角（見圖4）。

2.2 研究區(qū)域氣候條件

大理市地處低緯度高原地帶，屬北亞熱帶高原季風氣候，冬暖夏涼，日照充足。壩區(qū)最熱月7月平均氣溫20.1℃，最冷月1月平均氣溫8.7℃。

由于沒有可以直接使用的邊界條件，故本次研究收集了2015年～2017年大理地區(qū)3a的氣象數(shù)據(jù)。通過分析發(fā)現(xiàn)，大理地區(qū)的風向并沒有季節(jié)分布規(guī)律，風向西南偏西為主導風向，平均風速為2.9m/s。

3 計算機模擬

本次研究采用的風環(huán)境模擬軟件為Phoencis，該軟件能夠直接導入SketchUp、3dmax等建模軟件建立的復雜模型，可直接導入氣象數(shù)據(jù)作為邊界條件。

模擬采用標準k-ε湍流模型，計算域X軸、Y軸方向的大小為模型的4倍，Z軸方向的大小為模型的3倍。網(wǎng)格劃分采用自定義設置，模型內(nèi)部采用加密網(wǎng)格，網(wǎng)格長寬高都控制在1m以內(nèi)，以保證模擬的精確性。氣象數(shù)據(jù)采用2015年～2017年統(tǒng)計的大理地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，模擬迭代次數(shù)設置為1500次。

模擬使用的模型分別為傳統(tǒng)和新建的“兩坊一耳”、“兩坊兩耳”和“三坊一照壁”，其中“兩坊一耳”和“兩坊兩耳”包括廂房在南側和北側的兩種類型。模型的建立遵循白族民居的實際情況，建筑坐西朝東，一般為兩層，一層層高一般為2.7m，二層檐口處高5m，總高度6.5m。正房開間一般為4m，次房開間3.6m，進深4.6m。外墻不開窗，所有房間均面向院落開門窗。

4 模擬結果分析

4.1 新舊民居通風效果對比分析

白族民居由于缺乏科學的指導，新民居的建設主要依賴民間流傳下來的經(jīng)驗，人們?yōu)榱嗽黾臃块g的使用面積，有些民居不再保留西北和西南兩側的“漏角天井”，直接將耳房建滿西北和西南兩角作儲物間使用。針對目前存在的現(xiàn)狀，本研究首先對比分析有無天井的兩種民居，歸納出室內(nèi)通風與天井之間的關系。

考慮到白族民居緊密的建筑布局特點，本次研究模型大門處于關閉狀態(tài)，其余門窗皆處于開啟狀態(tài)，研究分析界面為一層樓板以上1.5m處的平面。

圖5、圖6分別為傳統(tǒng)“三坊一照壁”和新建無天井“三坊一照壁”在一層1.5m處的空氣齡云圖和風速矢量圖。從圖中可以看出，傳統(tǒng)“三坊一照壁”由于天井的存在，室外風通過天井流入院落，在院落北側碰到來自院落上空的室外風轉而流向南側廂房的各個房間，而來自院落上空的室外風在來自天井處的室外風的作用下流向北側的廂房和天井，極大的改善了院落、以及各房間的風環(huán)境。而無天井的“三坊一照壁”只能通過屋頂室外風的風壓通風形成新、舊風的交換，室內(nèi)通風效果不佳，位于南側廂房的房間自然通風效果很差。

圖4 大理白族新民居

圖5 “三坊一照壁”空氣齡云圖

圖6 “三坊一照壁”風速矢量圖

在環(huán)洱海地區(qū)，0.8m/s～1.7m/s為最適宜人體的舒適度的風速范圍[5]。大理地區(qū)的大風風向以西南偏西風為主，傳統(tǒng)“三坊一照壁”不僅能夠通過天井引入的西南偏西的室外風，提高室內(nèi)的通風效果，而且能夠有效的降低風速，將風速控制在人體最適宜的風速范圍之內(nèi)。而新建“三坊一照壁” 無法有效的引入室外風，院落和室內(nèi)的風速都低于人體適宜的風速范圍之內(nèi)。因此，傳統(tǒng)的“三坊一照壁”通風效果要明顯優(yōu)于新建無天井的“三坊一照壁”。

傳統(tǒng)“兩坊兩耳”除了一層正坊的一間房間通風效果不如新建無天井的“兩坊兩耳”，其余房間的通風效果均優(yōu)于新建無天井的“兩坊兩耳”（見圖7）。傳統(tǒng)“兩坊一耳”的所有房間的通風效果均優(yōu)于新建無天井的“兩坊一耳”（見圖8）。盡管這兩類傳統(tǒng)民居的通風效果比新建民居好一點，但差別不大，主要原因是這兩種類型的新舊民居引入室外風的方式相同，院落北側上空的室外風通過風壓通風流入院內(nèi)，形成回流流向各個房間（見圖9）。而位于北側的天井只能通過熱壓通風改善相鄰耳房的通風效果，并不能起到引入室外風的效果。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)白族民居的室內(nèi)通風效果要比新建無天井的白族民居好。其中“三坊一照壁”的室內(nèi)通風效果跟天井存在著密不可分的關系，而“兩坊兩耳”、“兩坊一耳”的天井能改善相鄰耳房的通風效果，對其余房間通風效果的影響較小。

4.2 天井位置對通風效果的影響分析

根據(jù)實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，“兩坊兩耳”和“兩坊一耳”不僅有廂房位于北側的一種形式，還有少數(shù)廂房位于南側的建筑形式。

圖7 “兩坊兩耳”空氣齡云圖

圖8 “兩坊一耳”空氣齡云圖

圖9 風速矢量圖

圖10 “兩坊兩耳”和“兩坊一耳”空氣齡圖和風速矢量圖

圖10 為廂房位于南側的傳統(tǒng)“兩坊兩耳”和 “兩坊一耳”在一層1.5m處的空氣齡云圖和風速矢量圖。從圖上可以看出，廂房位于南側的“兩坊兩耳”的通風效果比廂房位于北側的“兩坊兩耳”通風效果要好，主要是因為天井在南側時可以有效的引入從天井上空吹來的偏西南風，提高院落南側的通風效果。而院落北側上空的室外風通過風壓通風流入院落，有效的提高了院落北側的風速，改善了院落北側各房間的通風效果。廂房位于南側的“兩坊一耳”的通風效果反而比廂房位于北側的“兩坊一耳”的通風效果稍差，主要是因為天井在南側時雖然可以有效的引入從天井上空吹來的偏西南風，但是由于院落面積較小，從院落北側上空流入的室外風在院落東北角處形成回流，無法有效的流入房間，所以無法像廂房位于北側的“兩坊兩耳”一樣通過增加來自天井處的室外風改善室內(nèi)的通風效果。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，對于院落面積較大的“兩坊兩耳”，天井位于西南角時可以有效地改善室內(nèi)的自然通風效果；對于院落面積較小的“兩坊一耳”，天井位于西南側時會削弱院落北側上空室外風的流入，反而會降低院落和各個房間的通風效果。

4.3 白族民居通風原理分析

圖11為傳統(tǒng)“三坊一照壁”天井處1-1和2-2截面處的風速矢量圖，從圖中可以看出，來自天井上空的室外風壓強較大，而背風面的坡屋頂風壓相對較小，室外風向斜下方運動，在碰到兩側廂房的山墻后流入天井和院落。

當南側沒有廂房時，來自西南角耳房上空的室外風受阻于院落底部的上升氣流，無法流入院落。西南角沒有天井的“兩坊兩耳”和“兩坊一耳”只能通過院落北側上空室外風的風壓通風引入室外風（見圖12）。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，大理白族民居引入室外風的方法主要有兩種：通過西南側天井引入室外風；通過院落北側上空室外風的風壓送風引入室外風。大理白族民居的天井作用與其他地方合院的天井作用不同，其他合院的天井主要依賴天井內(nèi)的熱壓通風來達到新舊風的替換，而大理白族民居由于其耳房高度低于兩側廂房高度，流經(jīng)耳房上空的室外風在碰到廂房山墻的阻擋后流入天井，在風壓送風的作用下流向院落及周邊房間。

5 結語

本研究主要針對大理白族民居的發(fā)展現(xiàn)狀，通過模擬分析各類白族傳統(tǒng)民居和新民居的室內(nèi)通風情況，總結了各類民居室內(nèi)通風效果的優(yōu)點與缺點，分析了影響室內(nèi)通風情況的各個條件，得出以下幾個結論：

①對于三類新舊白族民居而言，傳統(tǒng)白族民居的室內(nèi)通風效果要比新建無天井的白族民居好。其中“三坊一照壁”的室內(nèi)通風效果受天井的影響較大，傳統(tǒng)“三坊一照壁”的室內(nèi)通風效果遠優(yōu)于新建無天井的“三坊一照壁”。而“兩坊兩耳”、“兩坊一耳”的室內(nèi)通風效果受天井的影響較小，新建“兩坊兩耳”、“兩坊一耳”的室內(nèi)通風效果跟傳統(tǒng)“兩坊兩耳”、“兩坊一耳”的室內(nèi)通風效果差距不大。

圖11 “三坊一照壁”1-1、2-2截面風速矢量圖

圖12 “兩坊兩耳”2-2、3-3截面風速矢量圖

②廂房與天井位于院落南側的“兩坊兩耳”的通風效果要比廂房與天井位于院落北側的“兩坊兩耳”的通風效果好。而廂房與天井位于院落南側的“兩坊一耳”的通風效果比廂房與天井位于院落北側的“兩坊一耳”的通風效果稍差。

③大理白族民居引入室外風的方法主要有兩種：通過西南側天井引入室外風；通過院落北側上空室外風的風壓送風引入室外風。通過西南側天井引入室外風主要是由于其耳房高度低于兩側廂房高度，流經(jīng)耳房上空的室外風在碰到廂房山墻的阻擋后流入天井，在風壓送風的作用下流向院落及周邊房間。

大理白族民居在漫長的歷史中，形成了良好的氣候適宜性。但由于缺乏深入的研究和科學的論證，一些可以利用和發(fā)揚的經(jīng)驗并未得到充分的發(fā)掘。本文探討了三種類型的新舊白族民居與天井的關系，分析了其通風原理，得出以上結論，希望可以為今后大理白族民居的保護和更新提供一定的指導意見。