北京傳統(tǒng)合院居住環(huán)境實(shí)測(cè)模擬及其生態(tài)評(píng)價(jià)
——以爨底下傳統(tǒng)民居為例

農(nóng)麗媚

周浩明

郭繼紅

傳統(tǒng)民居建筑環(huán)境的營造中蘊(yùn)含了很多樸素的生態(tài)營建智慧。然而傳統(tǒng)民居微氣候環(huán)境營造的生態(tài)智慧及其科學(xué)作用，歷來缺乏研究關(guān)注[1-2]。本文以京西爨底下傳統(tǒng)合院民居為例，基于建筑物理工程技術(shù)的實(shí)測(cè)和模擬方法，直觀量化地展示傳統(tǒng)民居建筑室內(nèi)外環(huán)境微氣候的典型特征，驗(yàn)證、豐富并在一定程度上修正以往對(duì)傳統(tǒng)民居建筑環(huán)境性能的主觀感受和定性認(rèn)識(shí)[3-5]，并揭示傳統(tǒng)民居建筑環(huán)境熱工能效原理及其生態(tài)智慧。

北京爨底下傳統(tǒng)村落坐落在北京西郊深山峽谷之間，完好保留了明清以來的聚落空間和建筑形制，成為北京地區(qū)少有的、遺存較為完整的傳統(tǒng)聚落，2012年被列入中國第一批傳統(tǒng)村落名錄。該聚落是當(dāng)代保存最完整的北方山地合院民居群落之一，當(dāng)?shù)氐暮显菏矫窬硬粌H融合了北京四合院和晉中四合院的特點(diǎn)[6]，更是結(jié)合山形地勢(shì)創(chuàng)造出了獨(dú)特的山地合院聚落形制，不僅突破了北京地區(qū)傳統(tǒng)平地四合院的單一類型[7], 也大大豐富了我國北方山地合院民居的多樣化概念，成為我國當(dāng)代北方傳統(tǒng)合院民居的典型代表和活態(tài)文化展示基地。

1 爨底下傳統(tǒng)合院民居營建方式

爨底下村位于老龍頭山向陽坡上，依山而建，層層升高，通過軸線方向、建筑方位、臺(tái)基尺度、基礎(chǔ)形式、區(qū)域聯(lián)系等的變化，成為大坡度山地聚落的典型。村民根據(jù)地理區(qū)位、氣候特點(diǎn)并采用當(dāng)?shù)夭牧蟻斫ㄔ烀窬?，布局小巧多變的農(nóng)家小院融于青山之中。根據(jù)地形高差、太陽高度角、主導(dǎo)風(fēng)向等自然因素來調(diào)節(jié)建筑朝向、間距、門窗的形式、日照時(shí)間、輻射得熱及遮陽陰影等，院落的設(shè)計(jì)盡量朝南，正房的高度設(shè)計(jì)高于前面的其他房間約1m，房間的開間小、進(jìn)深淺，各家各戶院落布局不一的居住環(huán)境也因此獲得了充足的采光、通風(fēng)和良好的視野[8]（圖1）。

由于受到資源條件、財(cái)力物力的限制,整個(gè)爨底下村的傳統(tǒng)山地合院民居充分利用現(xiàn)成的地形地貌，以坡代基，減少土方的開挖和回填，民居建筑全部就地取材。墻體以簡省的“腹里填餡”“外熟里生”的方式砌筑，充分利用了山區(qū)當(dāng)?shù)氐氖?、卵石、黃土、草泥、原木等天然材料。根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同部位不同的用材、厚度、砌筑方式及相應(yīng)傳熱系數(shù)，整理出爨底下民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成及熱工性能分析（表1）。

2 對(duì)典型合院居住環(huán)境微氣候的實(shí)測(cè)

為了詳細(xì)探究爨底下山地合院的居住環(huán)境舒適度及其生態(tài)效率，本文選取村內(nèi)的典型“一”字型院落大五間及四合院作為代表，在冬季最冷月對(duì)其主要房間及室外院落進(jìn)行室內(nèi)外溫度、相對(duì)濕度、采光照度和風(fēng)速等物理環(huán)境熱舒適狀況的連續(xù)測(cè)試。

測(cè)試對(duì)象為老財(cái)主居住的大五間上院和兩個(gè)并排的標(biāo)準(zhǔn)四合院下院。大五間恰好位于以龍頭山為中心的南北軸線的制高點(diǎn)上，海拔高度為650m，上下院約有6m的高差，是村落中居住環(huán)境視野最好的典型民居單元。單體建筑均為抬梁式構(gòu)架體系，間寬2.4m，整個(gè)檐高約2.8m，廊前設(shè)臺(tái)階五級(jí)，檐口高度有3.7～3.9m，臺(tái)階下有2m左右的窄院。下院的正房為三開間，左右?guī)烤鶠閮砷g，間寬、高度更次之，間寬2m，檐高2.4m；倒座的間寬、高度、進(jìn)深均小于正房。

測(cè)試時(shí)間為冬季最冷月：2月10日—12日，天氣晴朗，測(cè)量儀器為溫濕度自記儀、照度儀和熱線風(fēng)速儀，測(cè)試方式采用溫濕度記錄儀進(jìn)行晝夜連續(xù)自動(dòng)記錄，其他儀器均為白天人工記錄測(cè)定，每個(gè)指標(biāo)的測(cè)試時(shí)間間隔都為20min（表2）。實(shí)測(cè)及模擬的目的主要是分析在不使用主動(dòng)式空調(diào)設(shè)備的情況下，對(duì)傳統(tǒng)建筑室內(nèi)環(huán)境是否滿足人體熱舒適要求的議題[9-11]做進(jìn)一步的案例實(shí)證。

2.1 對(duì)大五間的測(cè)評(píng)

對(duì)財(cái)主院大五間的測(cè)試數(shù)據(jù)包括室內(nèi)外溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和采光照度。測(cè)試時(shí)間為冬季最冷月下午時(shí)段從13：00持續(xù)至19：00。測(cè)試點(diǎn)分別布置于屋檐門廊臺(tái)階處、正堂和東側(cè)房中央（圖2）。測(cè)試場(chǎng)地條件包括無任何附加采暖措施，大門保持打開狀態(tài)，窗戶為雙層紙糊，保持關(guān)閉，圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括磚石混合墻體、木架結(jié)構(gòu)及隔斷、泥瓦望板屋面。大五間已久不住人，無人為干擾因素影響。

（1）熱濕環(huán)境

1.技術(shù)上的挑戰(zhàn)。技術(shù)上的挑戰(zhàn)主要分為兩點(diǎn)，一是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上的挑戰(zhàn)，二是速度與性能上的挑戰(zhàn)。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上的挑戰(zhàn)指的是區(qū)塊鏈缺少統(tǒng)一的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，要獲得廣泛的應(yīng)用就需要有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來確保產(chǎn)業(yè)之間有類似的技術(shù)應(yīng)用，各類基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建的平臺(tái)之間的銜接需要基于一定的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)互通性。速度與性能上的挑戰(zhàn)表現(xiàn)為任何分布式數(shù)據(jù)庫本質(zhì)上都比中心化數(shù)據(jù)庫慢，那么區(qū)塊鏈怎樣才能適用于高速、高容量的應(yīng)用場(chǎng)景將是業(yè)內(nèi)首要解決的問題。

溫度測(cè)試顯示（圖3），大五間門廊臺(tái)階處的溫度最高，最高溫度10.7℃，最低溫度3.2℃，接近于室外環(huán)境溫度，下降速度也最快；門內(nèi)廳堂中央的溫度次之，最高達(dá)9.8℃，最低為3.5℃，而側(cè)房的溫度最低，最高溫度8.7℃，最低為3.2℃。下午最暖階段14：00—16：00間的室內(nèi)外溫度都為最高，廳堂室內(nèi)溫度比室外低1℃左右，側(cè)房室外低4℃左右?？傮w而言，室內(nèi)空間和室外環(huán)境的溫度變化趨勢(shì)吻合，特別是18：00太陽落山后，室內(nèi)外溫度都急劇下降并開始接近，室內(nèi)的溫度下降相對(duì)緩和，直至夜間室內(nèi)溫度比室外溫度高。由此可知，爨底下合院民居使用當(dāng)?shù)靥烊徊牧系膰o(hù)結(jié)構(gòu)性能良好，基本符合居民冬季基本生存的御寒保暖需求。

表1 爨底下山地合院民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能

表2 實(shí)測(cè)方式說明

圖1 爨底下傳統(tǒng)山地合院聚落居住環(huán)境微氣候示意圖

圖2 對(duì)爨底下民居院落的測(cè)點(diǎn)布置及說明

由于大五間的室內(nèi)隔斷較少，整體空間比較通透，各部分室內(nèi)相對(duì)濕度趨于一致，因此本文截取正堂的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)代表整體室內(nèi)空間的相對(duì)濕度表現(xiàn)。相對(duì)濕度測(cè)試顯示（圖4），下午時(shí)間段由于氣溫偏高，而相對(duì)濕度比夜間偏低，最低達(dá)到38%以下，但整體濕環(huán)境還是符合人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)濕度30%～70%范圍[10-11]。

（2）風(fēng)環(huán)境

風(fēng)速測(cè)試顯示（圖5），大五間門廊臺(tái)階處的風(fēng)速與室外風(fēng)速相當(dāng)，最高為2.8m/s；而大門內(nèi)廳堂中央的風(fēng)速更為柔和，最高只有約1.5m/s；兩側(cè)房間里的風(fēng)速則基本上保持在0～0.05m/s之間的無風(fēng)狀態(tài)。說明冬季爨底下山地合院民居的避風(fēng)環(huán)境非常良好，室外南面的院落為微風(fēng)，廳堂柔風(fēng)，符合0.1～0.7m/s的人體舒適風(fēng)速指標(biāo)。但側(cè)房幾乎無風(fēng)，若室內(nèi)隔斷較多，則不利于通風(fēng)。冬季主要是抵御西北方向的寒風(fēng)，坐北朝南的朝向、室內(nèi)北墻不開窗、室內(nèi)隔斷較少以及背靠龍頭山的天然優(yōu)勢(shì)都是利于抵御冬季西北寒風(fēng)的設(shè)計(jì)。

（3）光環(huán)境

光環(huán)境方面，大五間也遵從傳統(tǒng)民居“一明兩暗”的布局，中間三個(gè)開間連通成為大的廳堂，大門開敞，兩邊隔窗朝南向。東西兩側(cè)開間為臥房，房門朝廳堂開，只有南側(cè)有窗，因此整體空間的采光分布不均勻，中間廳堂敞亮通透，兩側(cè)臥房內(nèi)較為陰暗，進(jìn)深越深，采光越弱。以采光條件最好的正堂區(qū)域?yàn)槔?，采光照度測(cè)試顯示（圖6），室外晴天陽光充足時(shí)，正堂內(nèi)的光照環(huán)境良好，下午的大部分時(shí)間照度都在50lux以上，光憑天然采光即可滿足生活中人的視野采光需求。

2.2 對(duì)典型四合院落的測(cè)評(píng)

為作進(jìn)一步的對(duì)比，選取典型四合院進(jìn)行室內(nèi)外熱環(huán)境48小時(shí)連續(xù)測(cè)試，但測(cè)試指標(biāo)僅包括溫度和相對(duì)濕度。測(cè)試點(diǎn)分別布置于北側(cè)正房、西廂房、倒座和院落四個(gè)代表空間中央地上1.5m高處（圖2）。與大五間不同的是，此院落是完整規(guī)矩的四合院格局，有人居住和日常打理，每個(gè)房間都配備暖管，通過自燒的煤爐鍋統(tǒng)一采暖。測(cè)試期間北側(cè)正房、西廂房的采暖設(shè)備保持打開，倒座房的采暖設(shè)備關(guān)閉。

從相對(duì)濕度測(cè)試結(jié)果對(duì)比顯示（圖8），測(cè)試點(diǎn)4院落中央的相對(duì)濕度變化幅度較大，顯示了室外相對(duì)濕度的晝夜變化趨勢(shì)。室外相對(duì)濕度有規(guī)律地上升回落，夜間到凌晨之間室外相對(duì)濕度最大，最高達(dá)52%，白天太陽出來溫度上升后，室外相對(duì)濕度開始回落，到下午最暖時(shí)段降幅更大，傍晚17：00左右達(dá)到最低，不到20%，說明此時(shí)段溫度偏冷，環(huán)境也比較干燥。室內(nèi)相對(duì)濕度的變化則相對(duì)穩(wěn)定，落差幅度較小。其中，測(cè)點(diǎn)1北側(cè)正房的室內(nèi)相對(duì)濕度保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，晝夜期間大部分時(shí)段基本維持在40%～46%之間；測(cè)點(diǎn)2西廂房的室內(nèi)相對(duì)濕度與正房相似，晝夜期間大部分時(shí)段基本維持在38%～48%之間，有微弱下降趨勢(shì)，有可能是因?yàn)榍皫讉€(gè)小時(shí)的時(shí)段中屋內(nèi)有人活動(dòng)、用水等產(chǎn)生的影響。測(cè)點(diǎn)3倒座房的室內(nèi)相對(duì)濕度比正房、西廂房稍低，但也保持在35%上下的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

3 典型合院室內(nèi)外居住環(huán)境微氣候模擬

在上述實(shí)測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用ECOTECT軟件模擬民居院落在全年典型季節(jié)的日照陰影遮擋軌跡及采光通風(fēng)情況，以進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證和對(duì)比分析。

3.1 日照及陰影遮擋狀況模擬

模擬結(jié)果顯示（圖9），夏至日午時(shí)太陽高度角的位置較高，大出檐的屋頂發(fā)揮了極大的遮陽防曬作用，保證了屋面窗臺(tái)大部分都處于陰影遮擋范圍。因此，夏季合院整體室內(nèi)外環(huán)境的溫度不至于過高，涼爽舒適。相比而言，冬至日午時(shí)太陽高度角的位置比較低，對(duì)合院民居的日曬則是斜射的軌跡。依據(jù)地勢(shì)高差的原因，北側(cè)大五間的前面無任何建筑物遮擋，因此得到了最大幅度的太陽直接輻射，整個(gè)居室內(nèi)的輻射得熱效果、采光效果極佳，因此相對(duì)比較溫暖敞亮。四合院落中，北側(cè)正房的日照狀況較佳，東西廂房只獲得局部時(shí)段的日照輻射，庭院由于有南側(cè)倒座的遮擋，也只獲得局部日照，倒座由于其自身位置、門窗的設(shè)計(jì)等原因獲得的日照最弱，因此輻射得熱和采光環(huán)境都不理想。

3.2 采光及光環(huán)境模擬

北京地處第三光氣候分區(qū)，室外臨界照度值為：6500lx，采用CIE全陰天模式。整個(gè)院落冬至日的室內(nèi)外采光梯度模擬結(jié)果顯示，大五間正房的天然采光環(huán)境最為優(yōu)良。最大原因是因?yàn)榇笪彘g有5.9m的地勢(shì)高差，地基比前面建筑還高，因此前面向陽處無任何遮擋。而南面向陽墻面上開啟較大的窗口，“窗墻比”較大，因而窗口下區(qū)域的采光系數(shù)最高，為15%左右，光線向室內(nèi)延伸，廳堂室內(nèi)能夠獲得足夠的自然采光，側(cè)房內(nèi)離窗口最遠(yuǎn)的室內(nèi)角落也能獲得一定程度的自然采光。

3.3 通風(fēng)及風(fēng)環(huán)境模擬

北京地區(qū)冬季主要風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，夏季主要風(fēng)向?yàn)闁|南向[12-13]，該村落處于京西山谷地帶風(fēng)，還有山谷風(fēng)的混合作用。通過總結(jié)分析1960—1990年間的北京地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，得出平均風(fēng)速約為 3.4 m/s。采用ECOTECT第三方Winair插件對(duì)爨底下典型山地合院的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析，在模擬過程中選取冬至日西北風(fēng)工況。模擬結(jié)果顯示（圖10），夏至日假定室外22℃、室內(nèi)20℃，東南風(fēng)4m/s的工況下，大五間的風(fēng)環(huán)境處于舒適區(qū)域，室內(nèi)風(fēng)速處在2.4m/s的微風(fēng)舒適區(qū)，前面四合院的庭院和東南側(cè)的門洞則處于風(fēng)場(chǎng)較大區(qū)域，達(dá)到3.3m/s以上，東西廂房和倒座基本處于靜風(fēng)狀態(tài)。冬至日假定室外6℃、室內(nèi)8℃、西北風(fēng)4m/s的工況下，大五間的風(fēng)場(chǎng)較弱，保持在0.8m/s的弱風(fēng)以下，前面四合院的庭院和門洞的風(fēng)場(chǎng)相對(duì)較高，最高達(dá)到3m/s。但是由于有背靠龍頭山的天然屏障，即便西北風(fēng)再大，整體的院落室內(nèi)外所受風(fēng)力風(fēng)速都不會(huì)太大，僅有院落外東西向的巷道為受風(fēng)主要區(qū)域。

4 基于數(shù)據(jù)比較的生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)

從溫度橫向比較上看，大五間和四合院正房、廂房、倒座各個(gè)不同位置房間的熱工性能呈現(xiàn)出差異化的表征，原因是多方面的：采暖的有無是直接原因，房間位置和朝向也對(duì)熱工環(huán)境產(chǎn)生影響，門窗開啟的位置和大小直接影響到太陽輻射得熱量的大小，頻繁的開關(guān)門也會(huì)造成室內(nèi)熱量的流失而影響室內(nèi)熱環(huán)境。

從相對(duì)濕度橫向比較上看，在下午最暖時(shí)段室外溫度達(dá)到最高、室外相對(duì)濕度降到最低時(shí)，倒座房的室內(nèi)相對(duì)濕度也跟著略有降低，說明倒座房的室內(nèi)環(huán)境氣密性不夠理想。而正房與西廂房由于有持續(xù)采暖，室內(nèi)溫度較高，但是室內(nèi)相對(duì)濕度也保持在較高的穩(wěn)定狀態(tài)，最大原因可能是這兩間房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性比較好。值得肯定的是，在冬季偏干冷的季節(jié)里，即便室外相對(duì)濕度變化幅度較大，四合院內(nèi)所有房間的室內(nèi)相對(duì)濕度指標(biāo)都保持在30%～70%的人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，不至于太干，也不至于太濕。排除了人為因素的干擾，獲得這樣的舒適效果原因可能跟周圍的山林局部氣候及建筑本身圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密閉性有關(guān)。

從采光和通風(fēng)橫向比較上看，爨底下山地合院民居巧妙利用山坡地形的地勢(shì)高差提升正房地基，又抬高正房室內(nèi)凈高，有些建筑還特意抬高前檐口高度，使整體室內(nèi)空間和室外庭院都獲得良好的采光和通風(fēng)條件。同時(shí)室內(nèi)布局通透敞亮，進(jìn)深小，利于通風(fēng)換氣[14]，也利于天然采光。

對(duì)測(cè)試模擬結(jié)果的綜合比較可知,爨底下山地聚落通過聚落周圍的山水格局環(huán)境、聚落本身的空間結(jié)構(gòu)、街巷及民居環(huán)境的形態(tài)組合、合院民居個(gè)體單元形態(tài)構(gòu)成的生態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)，來調(diào)整傳統(tǒng)民居的室內(nèi)外溫濕度、太陽輻射、照度、風(fēng)速、風(fēng)向變化等，從而對(duì)傳統(tǒng)居住環(huán)境舒適性產(chǎn)生極大的促進(jìn)作用。

圖3 大五間的溫度測(cè)試結(jié)果

圖4 大五間正堂的室內(nèi)相對(duì)濕度測(cè)試結(jié)果

圖6 大五間正堂的采光照度測(cè)試結(jié)果

結(jié)語

圖7 典型四合院的溫度測(cè)試結(jié)果

圖8 典型四合院的相對(duì)濕度測(cè)試結(jié)果

圖9 冬至日上下兩院日照及陰影變化軌跡

圖10 冬至日上下兩院室內(nèi)外通風(fēng)環(huán)境模擬

綜上，北京爨底下傳統(tǒng)民居的微氣候環(huán)境營造體系是一個(gè)完整的生態(tài)適應(yīng)系統(tǒng)，在結(jié)合地理環(huán)境、適應(yīng)氣候條件、民居靈活組合布局、地方材料使用、結(jié)構(gòu)及性能保障等營建技藝方面都體現(xiàn)了良好的生態(tài)哲學(xué)。聚落的地理環(huán)境極富特色，充分利用了地勢(shì)高差變化，不僅提高了院落建筑的布局密度,有效地節(jié)約建房土地，也為各家各戶的院落居住環(huán)境提供了充足的采光通風(fēng)條件、良好的視野以及更多的冬季太陽輻射得熱。當(dāng)然，客觀而言，和我國其他地區(qū)優(yōu)秀的傳統(tǒng)民居一樣[15-17]，這些營建技藝所創(chuàng)造的建筑物理環(huán)境即便無法達(dá)到現(xiàn)代住宅的舒適標(biāo)準(zhǔn)，卻是建立在當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)刭Y源環(huán)境和技術(shù)條件都非常有限的客觀基礎(chǔ)上，依據(jù)生態(tài)被動(dòng)原則形成的適應(yīng)性策略，因此生態(tài)代價(jià)極低，生態(tài)適應(yīng)效率極高，能巧妙地滿足人們的基本生存生活需要，因而對(duì)當(dāng)今建筑的生態(tài)環(huán)境營造仍然具有非常好的參考作用。

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