鄉(xiāng)村空間形態(tài)氣候適應(yīng)性模擬探析
——以珠海市唐家灣鎮(zhèn)傳統(tǒng)村落為例

朱 林

（1.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院設(shè)計與藝術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519085；2.韓國又石大學(xué)，韓國 全州 55338）

0 引言

唐家灣鎮(zhèn)隸屬廣東省珠海市香洲區(qū)，位于香洲區(qū)北部、珠江口西岸，地處東經(jīng)113°07～114°18′、北緯21°4′～22°27′，東臨珠江口，與香港大嶼山隔海相望，下轄唐家、唐樂、雞山等16個社區(qū)。 唐家灣鎮(zhèn)地處北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，夏冬季候風(fēng)交替明顯，冬無嚴(yán)寒，夏無酷熱，年平均氣溫23.5 ℃，年降雨量2 200～2 300 mm，每年5—7月多出現(xiàn)大雨、暴雨和特大暴雨天氣。每到夏季，當(dāng)?shù)氐孛嫣栞椛洚a(chǎn)生的熱量增大。但是在當(dāng)?shù)氐拇合臅r節(jié)，南方的暖濕氣流與北方冷氣流相遇形成對流天氣，導(dǎo)致陰雨連綿、溫度偏低。因沿海地區(qū)每年6—10月常受熱氣旋的侵?jǐn)_，臺風(fēng)也會影響該地。

唐家灣鎮(zhèn)傳統(tǒng)村落格局的形成與氣候因素密不可分。當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居的建造一般因地制宜，除考慮建筑單體和村落布局的通風(fēng)與隔熱效果之外，還要防止臺風(fēng)侵襲。在沒有空調(diào)等基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，唐家灣鎮(zhèn)居民通過合理化設(shè)計來營造滿足自身需求的生活環(huán)境。這種營造智慧對于當(dāng)代村落微氣候生態(tài)環(huán)境的改善起著促進(jìn)作用?；诖?，采用當(dāng)代新技術(shù)探析村域格局與建筑設(shè)計形式對唐家灣村落生態(tài)功能的影響有著重要意義。

1 唐家灣鎮(zhèn)傳統(tǒng)村落布局與民居類型

唐家灣鎮(zhèn)濕熱的氣候條件和地貌特征促使傳統(tǒng)村落在選址上有一定的規(guī)律性，即盡可能靠近山、水、田地和交通方便的位置，最理想的是以上條件兼?zhèn)洹檫m應(yīng)潮濕炎熱的氣候環(huán)境，唐家灣鎮(zhèn)傳統(tǒng)村落絕大部分采用耙齒布局，以加大通風(fēng)對流，調(diào)節(jié)氣溫。耙齒布局雖然是當(dāng)?shù)匾环N較為基礎(chǔ)且廣泛采用的村落布局方式，但這種布局也會根據(jù)地形和環(huán)境變化形成適應(yīng)性變體。

1.1 耙齒布局系統(tǒng)

耙齒布局是唐家灣鎮(zhèn)最常見的村落空間形態(tài)。以此村落規(guī)劃整齊，民居主要為三合院，巷道設(shè)在兩列建筑之間，其也是村內(nèi)的主要交通樞紐。大門開向住宅側(cè)面，村前有小廣場（稱為埕，可用來晾曬農(nóng)作物），埕前有池塘（用于農(nóng)田灌溉、消防防火、養(yǎng)殖魚蝦、儲存蓄水等）。村后一般種植樹木，可抵擋寒風(fēng)和防止臺風(fēng)侵襲，還能夠美化環(huán)境。有的村口有門樓，有設(shè)一座者，也有在左、右村口各設(shè)門樓者。耙齒布局的村落建筑物相互遮擋，可降低墻面溫度，同時阻止熱量傳入室內(nèi)。這種緊湊的布局形式適應(yīng)唐家灣鎮(zhèn)的地理氣候條件（見圖1）。

圖1 會同村耙齒布局

1.2 民居類型

1.2.1 竹筒屋民居。竹筒屋因平面布局宛若竹子的形態(tài)而得名，很適合南方的氣候特征。由于沿街地價昂貴，住宅縱深發(fā)展成為居民的首選。竹筒屋通過開敞的廳堂、多個內(nèi)天井，利用內(nèi)部通透間隔，使室內(nèi)空氣流暢而涼爽。竹筒屋的大門外一般設(shè)有“趟櫳門”，既通風(fēng)，又能保證室內(nèi)安全（見圖2）。

圖2 簡單式竹筒屋及入口“趟櫳門”

1.2.2 明字屋民居。該民居類型平面布局形似“明”字，因此被稱為明字屋（見圖3）。其優(yōu)點(diǎn)主要是功能使用方便，平面布局緊湊，通風(fēng)采光好；缺點(diǎn)是兩個獨(dú)立開間不能分開使用。在唐家灣鎮(zhèn)傳統(tǒng)村落中，此類住宅形式也較多，有的做成了樓房，以節(jié)約用地。

圖3 明字屋民居

1.2.3 三室兩廊民居。三室兩廊民居即三合院住宅，是唐家灣鎮(zhèn)傳統(tǒng)民居主要的平面布置形式（見圖4）。此類居民有3個開間，天井設(shè)在廳堂的前面，兩旁為廊道，內(nèi)廳堂居于其平面中間，房的兩側(cè)還有廚房和雜物間（可由廚房出入），臥室上面設(shè)置閣樓，儲存稻谷用。這種建筑方式采光通風(fēng)較好。

圖4 三室兩廊民居

2 唐家灣鎮(zhèn)傳統(tǒng)村落量化模擬分析

唐家灣鎮(zhèn)傳統(tǒng)村落空間環(huán)境的改善，在于如何解決建筑形式與居民生活需求之間的矛盾。此研究選取的案例村落均對唐家灣鎮(zhèn)濕熱氣候具有很好的適應(yīng)性，通過量化模擬分析傳統(tǒng)村落的空間特質(zhì)。

2.1 量化模擬分析工具

此研究采用VIRVIL和HTB2能量量化模擬軟件，對整個村莊及單個建筑進(jìn)行環(huán)境實際性模擬，用于分析全村全年太陽獲得熱量的測算和模擬結(jié)果的可視化。

2.1.1 VIRVIL的概念。VIRVIL可專門計算建筑外表面通過太陽直接輻射獲得的熱量，并考慮了建筑外表面的傾斜角度，能夠模擬建筑各個屋頂?shù)墨@得熱量狀況，同時可以測試出坡面屋頂和平面屋頂?shù)墓庹諒?qiáng)度。

2.1.2 HTB2的概念。HTB2是一個計算建筑物得熱性能的檢測模型軟件。VIRVIL是把每個建筑物整合在一個區(qū)域范圍內(nèi)。HTB2檢測模型軟件是計算每個區(qū)域范圍內(nèi)的制冷和得熱數(shù)據(jù)，從而可對數(shù)據(jù)測試的結(jié)果作綜合性評估。

2.2 村落布局及建筑的氣候適應(yīng)性

唐家灣鎮(zhèn)采用的耙齒布局是該村的一種氣候適應(yīng)策略，可以營造比當(dāng)?shù)刈匀粭l件更適合人類居住而且舒適的小氣候環(huán)境。此研究以黃公廟的建筑為例，分析耙齒布局如何通過院落和街巷有效組織自然通風(fēng)。人們會根據(jù)當(dāng)?shù)氐纳胶l件和地形調(diào)整空間格局。黃公廟是一座清代的傳統(tǒng)建筑。村里的黃公廟和六組三室兩廊的民居是典型的嶺南特色建筑。當(dāng)?shù)囟臼⑿酗L(fēng)集中在西北風(fēng)10°至東北風(fēng)30°，以東北風(fēng)為主，普遍溫度低、濕度大；夏季盛行炎熱濕潤的 東南風(fēng)。

在此次研究案例中，整個建筑物的布局明顯遵循了背山、臨水、面向南的傳統(tǒng)民居選擇標(biāo)準(zhǔn)，北部有森林和小山丘，南部和西部被湖泊包圍。耙齒布局形成的空間形態(tài)可根據(jù)人體舒適度要求和場地自然條件，將風(fēng)引入建筑環(huán)境。夏季主導(dǎo)季風(fēng)從西南由湖面預(yù)冷后進(jìn)入巷道，并通過大門將自然的涼風(fēng)引入建筑和中庭，使整個村莊成為一個自然空調(diào)系統(tǒng)；冬季主導(dǎo)季風(fēng)受到北部山體的削弱和預(yù)熱，縱向道路與主導(dǎo)季風(fēng)形成夾角，進(jìn)一步削弱了季風(fēng)，同時起到提升巷道溫度的作用。傳統(tǒng)村落巧妙處理自然環(huán)境與人居之間的關(guān)系，通過巷道對氣流進(jìn)行制熱或制冷，營造宜人的小氣候。

在此次研究案例中，巷道的建構(gòu)有2種方式：一種是通過建筑物之間密集的布置形式一條狹窄的通道；另一種是在進(jìn)入居住空間的一側(cè)留出半室外走廊，從而獲得更好的熱舒適環(huán)境。

此外，耙齒布局也有利于防止沿海臺風(fēng)災(zāi)害。平行結(jié)構(gòu)建筑體系的聯(lián)合支撐功能遠(yuǎn)比單一建筑穩(wěn)定，可以最大限度地減少臺風(fēng)造成的破壞和損失。傳統(tǒng)村落往往有池塘、明渠、溪流，是一種外部環(huán)境自然形成的舒適空調(diào)系統(tǒng)，可降低全村的室外溫度。另外，周圍的綠化也可以遮蔽整個村莊，調(diào)節(jié)小氣候。

2.3 新舊組團(tuán)形態(tài)對比

將傳統(tǒng)村落與當(dāng)代村落空間環(huán)境對當(dāng)?shù)貧夂蜻m應(yīng)性作對比分析，可得出一些比較有意義的結(jié)論（見表1）。

表1 村落發(fā)展模式下空間演化形態(tài)與氣候適應(yīng)的關(guān)系

2.4 量化模擬分析小結(jié)

通過對不同村莊發(fā)展模式的分析，可知為什么唐家灣鎮(zhèn)傳統(tǒng)村落建筑一般安排成一個密集且整齊的布置形式。因為這種方式不僅承載著村莊空間形成的記憶，而且考慮了氣候適應(yīng)性。除了狹窄的小露臺、天井和街道，建筑的外墻都被屋頂所庇護(hù)，即使在炎熱的夏天，也可以保持較低的溫度。加之與通風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合，給人帶來涼爽的感覺。

單體建筑采用內(nèi)部開放、外部封閉的形式，使住宅外墻面積小，熱輻射影響也小，有利于保持室內(nèi)微氣候的相對穩(wěn)定。建筑外墻幾乎沒有窗戶，即使有，也是設(shè)置在相對較高的位置或規(guī)格很小，所以室內(nèi)采光較差，但隔熱效果好。嶺南地區(qū)的氣候適宜多種植物生長。在有條件的情況下，應(yīng)延續(xù)屋前建池塘，池塘邊種植樹木的建設(shè)形式，形成與房屋不可分割的自然生態(tài)景觀，即使是烈日炎炎，室內(nèi)也清涼十足，同時可防止臺風(fēng)對房屋的侵襲。

3 唐家灣鎮(zhèn)民居屋頂?shù)脽岷屯鈮φ陉柕臍夂蜻m應(yīng)性模擬

從相對宏觀的角度來理解和審視村莊的整體狀況，即每個建筑在村莊中都是單一的主體，這有助于獲得其與周圍建筑之間更好的秩序關(guān)系。唐家灣鎮(zhèn)建筑外圍防護(hù)結(jié)構(gòu)一般長期處于陽光直射炙烤的狀態(tài)，因此，降低建筑能耗最有效的方法就是解決遮陽問題。此次模擬主要對唐家灣鎮(zhèn)的外墻面遮陽和屋面得熱進(jìn)行系統(tǒng)分析。

3.1 光照強(qiáng)度模擬

唐家灣鎮(zhèn)傳統(tǒng)民居多采用斜屋頂?shù)男问?，可以有效保護(hù)木框架和墻體。同時，坡屋傾斜頂面豐富的組合形式，可以形成優(yōu)美的天際線，視覺效果良好?，F(xiàn)代農(nóng)村民居一般是平面屋頂樣式，傳統(tǒng)傾斜的坡屋頂形式與之相比，在建筑保溫隔熱方面具有更多的優(yōu)勢：第一，傾斜屋頂形成的夾角使得建筑屋面只是局部受到太陽的直射，但是平屋頂?shù)恼麄€屋頂面都會受到炙烤；第二，傾斜坡度的屋面能利用不同時段太陽高度角的變化，減少屋面得熱，有較好的隔熱性能。

根據(jù)實際光照強(qiáng)度模擬測試所得，唐家灣鎮(zhèn)村落民居建筑屋頂坡度越大，保溫和隔熱性能越好。以永豐村屋頂為例，現(xiàn)代平面屋頂建筑年太陽總輻照度為1 200～1 300 kW?h/m；傳統(tǒng)有一定傾斜坡度的屋頂年太陽總輻照度約為1 100 kW?h/m；茅草屋頂年太陽總輻照度約為1 000 kW?h/m。

以唐樂村為例，村落的傳統(tǒng)格局基本完整，新建部分也遵循村落的整體格局。傳統(tǒng)的建筑形式是三室兩廊的坡面屋頂，而現(xiàn)代鄉(xiāng)村民居則是多層平面屋頂形式。通過比較，在地基面積大致相同的情況下，老村落采用少量的平面屋頂和傳統(tǒng)三室兩廊的坡屋頂形式。測試平屋頂面積為112.32 m，坡面屋頂面積為110.64 m。

模擬結(jié)果表明，相對于坡面屋頂，平屋頂形式獲得的熱量更多。通過對住宅頂部各側(cè)面進(jìn)行分析，坡面屋頂可以給周圍帶來更多的遮擋面積。從光照強(qiáng)度來看，南面屋頂?shù)牡脽崃磕昶骄底畲?，其次是東西，北面最小。經(jīng)測試，平面屋頂?shù)哪昶骄栞椪斩葹?1 029.98 kW?h/m，坡面屋頂建筑南面的年平均太陽輻照度最高為1 037.23 kW?h/m。綜合考慮，坡面屋頂年平均太陽輻照度為929.78 kW?h/m。因此，平面屋頂建筑的年平均太陽輻射強(qiáng)度約為113 837 kW?h，而坡面屋頂建筑的年平均太陽輻射強(qiáng)度約為102 149 kW?h，占比約為88.9%。

由于唐家灣鎮(zhèn)夏熱冬暖，所以采暖需求相對不重要，制冷需求必須著重考慮。從年度數(shù)據(jù)反映，此住宅形式制冷需求量少。在平面屋頂情況下，試驗區(qū)年總制冷需求量為401 436 kW?h；三室兩廊情況下，試驗區(qū)年總制冷需求量為346 783 kW?h。

3.2 遮陽效果模擬

唐家灣鎮(zhèn)傳統(tǒng)民居從屋頂上凸出的外墻為建筑裝飾的關(guān)鍵部分，有美麗的形狀和各種各樣的圖案。這種建筑形式不僅僅是為了美觀，還具有實用功能。這種高于屋頂?shù)耐鈮ΨQ為防火密封山墻，在發(fā)生火災(zāi)時可以防止火勢蔓延。除了防火外，還可以通過在山墻之間產(chǎn)生陰影和相互遮擋來減少墻體的熱量。從2020年7月31日09:00—16:00的投影模擬結(jié)果來看，這個時段是居民戶外勞作時間，室內(nèi)人少，烽火山墻對屋頂?shù)恼谘诿嫘?，因此室?nèi)溫度提高對人們影響不大；在09:00之前和16:00之后遮陽效果最好，可有效削弱室內(nèi)溫度上升（見圖5）。

圖5 08:00—17:00居民室外時間與外墻陰影面積示意圖

無論是垂直山脊還是防火山墻，都能對巷道形成相互遮掩隱藏的空間。據(jù)實際觀測所得，山墻與道路巧妙配合，在08:00—10:00和15:00—17:00可形成大面積的陰影，能有效減少墻體得熱。而10:00—15:00山墻仍可覆蓋整個道路，從而在夏季保持道路涼爽，形成宜人的通道風(fēng)。

以黃公廟二院主樓為例，其現(xiàn)狀幾乎完全被破壞，計劃將其改造為會議室。由于會議室使用頻繁，屬于用戶長時間停留的空間，因而將新建的會議室設(shè)置為空調(diào)區(qū)。設(shè)計者應(yīng)考慮在濕熱季節(jié)使用空調(diào)，在非濕熱季節(jié)使用空間的自然通風(fēng)。在設(shè)計初期，引入建筑性能仿效的方法，通過實時動態(tài)仿效的手段，探索各種設(shè)計措施在建筑功能性和舒適性方面的表現(xiàn)，從而優(yōu)化建筑設(shè)計。通過仿效對比多種方案下的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和建筑形式，證明建筑空間形式對建筑使用后的運(yùn)行能耗影響較大（見表2）。如果在建筑開始設(shè)計時，其空間形態(tài)遠(yuǎn)未達(dá)到最優(yōu)平衡點(diǎn)，那么這些局部優(yōu)化方法的節(jié)能效果尤其有限，無論是采取一些遮陽措施，還是調(diào)整窗墻比及圍護(hù)結(jié)構(gòu)，都于事無補(bǔ)。

表2 會議室方案改造的能耗率比較分析

研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)空間形態(tài)的氣候適應(yīng)性在建筑改造、延續(xù)傳統(tǒng)形態(tài)并注入新功能的當(dāng)代仍能發(fā)揮作用。設(shè)計師應(yīng)該深入理解被動式、低碳、低技術(shù)的設(shè)計智慧，將其運(yùn)用到當(dāng)代設(shè)計中。

4 結(jié)語

唐家灣鎮(zhèn)傳統(tǒng)村落普遍的耙齒布局是一種充分利用當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鞯拇迓湟?guī)劃與設(shè)計策略。村落空間的整體形態(tài)布局實現(xiàn)了相互遮陽和自然通風(fēng)，同時，村落中的綠植和邊界水系，起到進(jìn)一步調(diào)節(jié)小氣候的作用。傳統(tǒng)村落規(guī)劃和建筑營造技術(shù)，特別是節(jié)約土地、節(jié)省能耗、節(jié)約材料、低碳運(yùn)行、防止污染等舉措在當(dāng)今建設(shè)新建筑時具有極大的應(yīng)用價值，也為其他地區(qū)解決類似問題提供借鑒。