基于回歸分析方法的傳統(tǒng)合院式民居空間氣候適應性研究＊

張鑫 郭菂

不同民族文化區(qū)域中民居的差異在于自然條件造成的文化差異，而在同一民族文化區(qū)域內，民居之間的根本差異往往來自于相同文化在適應不同自然環(huán)境時的同源不同構。合院式民居是我國傳統(tǒng)民居的主要類型之一，遍及不同民族生活區(qū)域，并在面對不同時期或地域的氣候條件中演化出豐富多樣的形式。地理位置相差較遠的傳統(tǒng)合院式民居，在類似的氣候條件下仍具有一定的共性。

1 研究綜述與相關指標

1.1 研究綜述

近幾年，建筑學的研究中引入了量化統(tǒng)計方法。公共建筑的能耗分析方面，趙路輝對不同能耗影響因素進行回歸分析，并根據(jù)學校類建筑能耗預測模型確定能耗基準評價方法；城市設計方面，孫藝通過多元回歸模型揭示了兩者的定量關系并提出改進措施；傳統(tǒng)村落與民居方面，張乾首次運用SPSS軟件的回歸法，分析巷道空間特征與室內外熱環(huán)境的關聯(lián)性，楊濤則構建了合院民居形態(tài)的相關指標，并運用線性相關法，得出氣溫和降水是影響合院民居庭院形態(tài)變化的主要因子，且庭院形態(tài)變化是該地區(qū)的合院民居適應地區(qū)氣候差異的主要途徑。

本文運用了上述文獻中的量化分析原理，在研究范圍上從區(qū)域化轉向全國性，量化方法從單一的線性相關轉向多元回歸，以此分析兩者的相關關系并揭示內在關聯(lián)度，探求各項氣候因子對民居空間組合的解釋形式與力度，并把握其程度與差異。

1.2 民居案例的選擇

案例的選取涉及五大建筑氣候區(qū)并綜合考慮以下三點因素：1）民居所處城市的氣候特征鮮明并兼具地域特征；2）案例的建設年代多處于距今100～150年間，各地區(qū)在此期間的相對氣候變化可忽略，另外該時段的部分民居保存較完整，可提供研究所需的基礎數(shù)據(jù)；3）所選取的案例能相對準確地概括并代表本地區(qū)大部分民居的空間特征（圖1-5）。

1.3 變量指標的構建

（1）自變量——地域氣候

氣象劃分法將一年分為四大時段，由于夏季和冬季的自變量是一年當中的極端值，對民居空間的影響作用大于過渡季。所以，提取并歸納中國氣象數(shù)據(jù)網“中國地面氣候標準值月值數(shù)據(jù)集（1981—2010年）”中的案例城市或相鄰城市的夏季7月和冬季1月的數(shù)值，具體包括累年月平均氣溫、累年月平均相對濕度、累年月平均降水量、累年月平均風速，繪制數(shù)據(jù)如表1所示。

（2）因變量——民居空間要素

空間要素主要包括空間組織、空間形態(tài)與空間界面三方面?？臻g組織體現(xiàn)在總體布局層面，如容積率、室內空間占比、中介空間占比、室外空間占比；空間形態(tài)指各類空間要素的比例，如室內長寬比、室內高寬比、中介高寬比、室外長寬比、室外高寬比；空間界面包含建筑外界面的相關系數(shù)，如體形系數(shù)、屋面坡度、主朝向窗墻比。

2 回歸分析

本章節(jié)主要介紹因變量各空間要素與自變量氣候因子之間的多元回歸分析。由于篇幅有限，僅對同氣候相關度較高的幾類空間要素做具體分析，其余則描述研究結果。

2.1 空間組織的氣候適應性

（1）容積率。氣候因子對容積率有48.4%的解釋力（表2）。方程通過DW檢驗（DW=2.175）及共線性檢驗（VIF＜10），進一步對個體自變量進行檢驗，相關系數(shù)（Beta＞0.30）達標且顯著性（p＜0.05）滿足要求的變量為X冬季平均溫度、X冬季平均降水量。容積率的變化有48.4%的原因由前文分析所歸納的氣候因子引起，同時冬季平均溫度及降水量越大，容積率越大。

（2）室內空間占比。氣候因子對室內空間占比僅有5%的解釋力，遠遠低于弱相關要求的30%，不做后續(xù)分析。

（3）中介空間占比。氣候因子對中介空間占比有32.5%的解釋力（表3）。方程通過共線性檢驗且具有顯著性。個別自變量中相關系數(shù)達標且顯著性滿足要求的變量為X冬季平均溫度、X冬季平均降水量。中介空間占比的變化中有32.5%的原因由氣候引起，冬季平均溫度及降水量越大，中介空間占比越大。

表1 不同氣候區(qū)的氣象數(shù)據(jù)值

表2 容積率的回歸分析結果

表3 中介空間占比的回歸分析結果

1 嚴寒地區(qū)典型民居

2 寒冷地區(qū)典型民居

3 夏熱冬冷地區(qū)典型民居

4 夏熱冬暖地區(qū)典型民居

5 溫和地區(qū)典型民居

（4）室外空間占比。氣候因子對室外空間占比有64.3%的解釋力（表4）。方程通過共線性檢驗且具有顯著性。個別自變量中相關系數(shù)達標且顯著性滿足要求的變量為X冬季平均溫度、X冬季平均降水量。室外空間占比的變化中有64.3%的原因由氣候引起，冬季平均溫度及降水量越大，室外空間占比越小。

2.2 空間形態(tài)的氣候適應性

（1）室內長寬比。氣候因子對室內長寬比的解釋力為13%，不滿足相關性。

（2）室內高寬比。氣候因子對室內高寬比的解釋力為9%，不滿足相關性。

（3）中介高寬比。氣候因子對中介高寬比有24%的解釋力，接近弱相關要求的數(shù)值。個別自變量中相關系數(shù)達標且顯著性滿足要求的變量為X冬季平均溫度、X冬季平均降水量。中介高寬比的變化中可能有24%的原因由氣候引起，冬季平均溫度及冬季降水量越大，中介高寬比越小。

（4）室外長寬比。氣候因子對室外長寬比有35.3%的解釋力（表5）。方程通過共線性檢驗且具有顯著性。個別自變量中相關系數(shù)達標且顯著性滿足要求的變量為X冬季平均濕度、X冬季平均降水量。室外長寬比的變化中有35.3%的原因由氣候引起，冬季平均濕度及冬季降水量越大，室外長寬比越大。

（5）室外高寬比。氣候因子對室外高寬比有34.6%的解釋力（表6）。方程通過共線性檢驗且具有顯著性。個別自變量中相關系數(shù)達標且顯著性滿足要求的變量為X冬季平均降水量、X夏季平均風速。室外高寬比的變化中有34.6%的原因由氣候引起，冬季降水量越大，室外高寬比越大；夏季風速越大，室外高寬比越小。

2.3 空間界面的氣候適應性

（1）體形系數(shù)。氣候因子對體形系數(shù)的解釋力為14%，不滿足相關性。

（2）屋面坡度。氣候因子對屋面坡度有25.8%的解釋力，接近弱相關要求的數(shù)值。個別自變量中相關系數(shù)達標且顯著性滿足要求的變量為X冬季平均溫度、X冬季平均降水量。屋面坡度受氣候影響的可能性為25.8%，而冬季平均溫度及降水量越大，屋面坡度可能越?。ù私Y論有待繼續(xù)討論）。

（3）主朝向窗墻比。氣候因子對主朝向窗墻比的解釋力為5%，不滿足相關性（圖6）。

3 合院式民居空間與氣候相關性的探討

根據(jù)量化結果，將空間要素受氣候的影響效應按強度分為四類?？傮w來說，空間組織受氣候影響最多，空間形態(tài)其次，空間界面受氣候影響較?。▓D7）。

3.1 容積率與室外空間占比受氣候影響最多

冬季溫度和冬季降水量對容積率呈正向影響，對室外空間占比呈負向影響。

夏熱冬冷地區(qū)的冬季降水量最為突出，如長三角一帶，冬季降雨量大、溫度低、空氣濕冷。民居多為兩層，居住空間位于樓上以防潮；又由于人口密度大、民居占地面積小，導致容積率增大；同時較大的降水量降低了室外空間的功能性，庭院的大小僅需滿足室內的通風與采光。

反觀冬季降水量較小的嚴寒地區(qū)，冬季溫度最低，空氣較為干燥。為了獲得更多的日照以提高民居室內舒適度，建筑單體分散布置；該地區(qū)的民居占地面積較大，但生活空間需求較小，因此容積率相應減小。較小的降水量增加了室外空間的功能性，多數(shù)民居的庭院都具有生產及生活需求，如在院內種植蔬菜，借適量的冬雪達到保溫效果等。

冬季溫度最高的夏熱冬暖地區(qū)，冬季降水量也較大。該地區(qū)氣候同夏熱冬冷地區(qū)相似，民居空間也有可類比之處，如較大的降水量同樣需要降低室外空間面積。較大的容積率使室內與中介空間密度較高，此時將室外空間分散布置或增加庭院個數(shù)，都有利于建筑的采光與通風。

6 影響民居空間要素的氣候因子

7 地域氣候對民居空間要素的影響效應

3.2 中介空間占比、室外長寬比、室外高寬比受氣候影響較多

除夏季風速對室外高寬比呈負向影響外，其余相關氣候因子對該三項空間要素呈正相關。

冬季平均溫度和降水量對中介空間占比呈正向影響，意味著冬季溫度和冬季降水量較大的地區(qū)，中介空間占比較大。從數(shù)據(jù)來看，冬季溫度和冬季降水量的趨勢并非完全相同，總體而言，嚴寒及寒冷地區(qū)的冬季溫度和降水量都較小，另外三個氣候區(qū)雖有一定差異，但兩者較為均衡。北方兩個氣候區(qū)對遮雨的需求較小，相反較低的冬季溫度導致室內舒適度下降，而較高的太陽高度角迫使出檐寬度減小，導致中介空間占比降低。

冬季平均濕度呈“W”趨勢，即夏熱冬冷地區(qū)濕度最大，嚴寒地區(qū)與溫和地區(qū)中的部分城市濕度也較大。該曲線同降水量的峰值基本相同，都位于夏熱冬冷地區(qū)，但整體波動較小。嚴寒及寒冷地區(qū)的多數(shù)民居室外長寬比較小，以方形和縱向合院為主，除受氣候影響外，還因為北方的合院同時承載著日常生活的需求。對南方幾個氣候區(qū)的民居來說，冬季平均降水量較大，庭院不能容納更多的生產、生活行為，更多

的是對氣候的適應。因此在保證主體建筑面寬的情況下，應盡可能減小庭院進深，增大室外高寬比，而且高窄庭院空間有利于通風、降低濕度，能夠提高居住的舒適度。

表4 室外空間占比的回歸分析結果

表5 室外長寬比的回歸分析結果

表6 室外高寬比的回歸分析結果

3.3 屋面坡度、中介高寬比受氣候影響較少

屋面坡度、中介高寬比的回歸分析結果接近弱相關。以屋面坡度為例，現(xiàn)有經驗及研究認為，坡度同氣候呈一定相關性，即南方由于降水量較大，需要較大坡度來排泄雨水以免對屋面造成破壞，反之降水量較小的北方坡度較小。然而，嚴寒地區(qū)的冬季雪荷載同樣會對屋頂產生較大的破壞，屋頂坡度相應也會較大。但該認知同本文量化結果有一定差別，除了對民居的選取與測量的差異外，材料與構造也是影響坡度系數(shù)的關鍵，如不同的屋面材料采用不同的屋面坡度，因為瓦的摩擦系數(shù)會影響屋頂坡度。在降水量很大的福建泉州地區(qū)，其古建筑的屋頂坡度相對于同時期北方建筑較緩，一個主要原因就是本地陶瓦質地較好，不像普通小青瓦納陽容易滲水，故對屋頂坡度的要求不是太高，只需保證不積水即可。由此可見，對量化結果的分析應加入多維度的思考。

3.4 其余空間要素基本不受氣候影響

室內空間占比、室內長寬比、室內高寬比、體形系數(shù)與主朝向窗墻比基本不受氣候的影響。其中前三類空間要素均與室內空間有關。室內是民居生活的主要用房，涉及裝飾與生活習慣，因此更多考慮的是文化風俗；而且除材料因素外，室內空間的舒適度多依賴于中介空間與室外空間，比如作為室內外過渡空間的中介，夏季可遮陽遮雨，冬季可緩沖風速，而庭院又影響室內的采光與通風。后兩類空間要素屬于空間界面類型，且體形系數(shù)與窗墻比都屬于現(xiàn)代研究所提出的計算方法，可能并不適用于傳統(tǒng)民居的研究。

4 研究結論

雖然合院式民居的各類空間要素同氣候變化有一定相關性，但不能一概而論。從回歸分析的結果可知，氣候因子對空間要素的變化并沒有100%的解釋力，即氣候并不是影響合院式民居空間差異的唯一因素。不同地域的民居借助建筑形式調節(jié)空間舒適度，顯性地表達了環(huán)境作用機制下的性能意義。民居形式選擇的自由度受到氣候條件的制約，氣候嚴苛的地方限制作用更加凸顯，反之適宜的氣候對住宅的限制作用較小，而社會、文化等其他因素對民居形式的影響更為突出；處于不同地理緯度居民的不同生產方式和生活習慣影響建筑的形式和發(fā)展，最終的建筑形態(tài)往往是在地域文化因素與氣候因素相互交織作用下的綜合產物。

＊ 本研究得到國家重點研發(fā)計劃“經濟發(fā)達地區(qū)傳承中華建筑文脈的綠色建筑體系”（2017YFC0702500）之課題“經濟發(fā)達地區(qū)傳統(tǒng)建筑文化中的綠色設計理念、方法及其傳承研究”（2017YFC0702501）、國家自然科學基金面上項目（51978140）資助。

1-7作者自繪

表1-6作者自繪

① 當因變量僅受單項自變量影響時，線性相關可以分析兩兩之間的相關關系；當因變量同時受多種自變量的影響時，回歸分析可以研究該因變量同全部自變量的相關關系，從而厘清不同自變量對該項因變量的影響效應與強度。

② 《民用建筑設計通則》將中國分為七個主氣候區(qū)，由于Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅵ區(qū)及Ⅶ區(qū)可歸為嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)，且本研究范圍主要位于中國東部，因此在下文的研究中簡單歸納為五大氣候區(qū)。

③竺可楨先生曾提出：“在近五千年中，每一個四百至八百年的期間里，可以分出五十至一百年為周期的小循環(huán)……氣候的波動是全世界性的?！笨芍?，雖然全球氣候在一定時期內會發(fā)生整體性變化，但是各地區(qū)在距今100～150 年間的相對氣候變化在本研究中可以忽略，因此使用今天的氣象數(shù)據(jù)與所選取年代的民居進行研究分析是可行的。

④ 從空中降下的雨、雪、冰雹等，氣象部門統(tǒng)稱為“降水現(xiàn)象”。本文僅在對屋面坡度的研究中考慮雪壓的影響，其余按照降水量研究。

⑤ 文中自變量編號排序中理應出現(xiàn)的X（地形）、X～X（冬夏兩季的風向及頻率）在回歸計算過程中因共線性問題已被剔除，故文中未出現(xiàn)。