晉南黃土臺塬區(qū)傳統(tǒng)聚落室外風(fēng)環(huán)境優(yōu)化分析*
——以稷山縣北陽城村為例

文/太原理工大學(xué)建筑學(xué)院 郭珺芳 石謙飛

0 引言

晉南即山西南部，主要地形為盆地，盆地周邊有眾多大小山脈呈島狀隆起，展布于黃土臺塬之上。臺塬區(qū)地勢平坦、土地肥沃、視野開闊，至今保留諸多極具特色的傳統(tǒng)聚落。從氣候上看，晉南屬于季風(fēng)氣候影響的邊緣地區(qū)，在全球氣候變暖的大背景下，晉南地區(qū)的氣溫呈逐年上升趨勢，隨著海陸差異變化，直接導(dǎo)致夏季風(fēng)減弱，晉南地區(qū)降水主要依靠夏季風(fēng)，間接導(dǎo)致晉南地區(qū)降水的逐年減少，干旱嚴(yán)重。風(fēng)環(huán)境是衡量人居環(huán)境生態(tài)性、舒適性的重要指標(biāo)，合理利用風(fēng)環(huán)境實現(xiàn)通風(fēng)、降熱對改善晉南地區(qū)整體人居環(huán)境至關(guān)重要。

國內(nèi)外學(xué)者對傳統(tǒng)聚落室外風(fēng)環(huán)境的研究已取得理論成果。CHU Y C等[1]利用流體力學(xué)模型模擬早期村落風(fēng)環(huán)境，表明村莊在原始規(guī)劃時充分利用街道及不同風(fēng)場下的建筑布局改善居住風(fēng)環(huán)境。我國學(xué)者方煥煥[2]在實地測量基礎(chǔ)上利用PHOENICS軟件從村落街巷寬度、建筑天井形態(tài)及尺度、植物綠化等方面探索徽州地區(qū)傳統(tǒng)聚落建筑布局及形態(tài)對室外風(fēng)環(huán)境的影響；方媛[3]借助CFD對村落夏冬季節(jié)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行定量分析和評價，并提出優(yōu)化意見；張欣宇等[4]運(yùn)用軟件模擬分析，以東北嚴(yán)寒地區(qū)傳統(tǒng)聚落為研究對象，從聚落規(guī)模和空間形態(tài)兩方面探討冬季寒風(fēng)對聚落的影響并提出改善策略；石謙飛等[5]在實地監(jiān)測基礎(chǔ)上通過CFD模擬對晉中地區(qū)傳統(tǒng)民居冬夏兩季的自然通風(fēng)進(jìn)行探討。本文對晉南黃土臺塬區(qū)北陽城村室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究與數(shù)字化模擬分析，探討在特殊地貌環(huán)境下改善傳統(tǒng)聚落內(nèi)部風(fēng)環(huán)境及傳統(tǒng)聚落保護(hù)發(fā)展策略。

1 北陽城村概況

1.1 地形地貌

黃土臺塬是被黃土覆蓋的臺狀地，是黃土高原的地貌類型之一，主要分布于關(guān)中盆地、汾河谷地、豫西、晉南黃河沿岸。晉南包括運(yùn)城和臨汾兩個地區(qū)，其中黃土臺塬區(qū)分布于中條山南麓苗城、平陸一帶及峨眉臺塬，其中峨眉臺塬面積最大。北陽城村屬運(yùn)城市稷山縣清河鎮(zhèn)，地處汾河下游南岸、稷王山北麓的峨眉臺塬區(qū)域，海拔高約450m，于2014年入選“中國傳統(tǒng)村落”名錄。

1.2 氣候

運(yùn)城市稷山縣屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬季寒冷干燥，主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)；夏季酷熱多雨，主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)[6]。年平均氣溫13.5℃，年平均相對濕度為51%～54%。

準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)有助于提高風(fēng)環(huán)境模擬的真實性[7]。收集2020年度稷山縣1，2，6，7，8，12月的風(fēng)氣象數(shù)據(jù)資料，并以1，2，12月的平均風(fēng)速為冬季平均風(fēng)速，得出稷山縣冬季主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)，平均風(fēng)速為6.0m/s；取6，7，8月的平均風(fēng)速為夏季平均風(fēng)速，得出其夏季主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)，平均風(fēng)速為5.6m/s。

2 北陽城村風(fēng)環(huán)境特征

2.1 總體布局

北陽城村西部地勢平坦，東側(cè)及東南側(cè)有峨眉臺塬沖溝“陽城溝”。村落坐北朝南，整體地勢南高北低，西高東低，高差約2m。

城市內(nèi)部建筑密度越大，粗糙度系數(shù)越大，地面對風(fēng)造成的摩擦力越大，故風(fēng)速降低。參考此理論，結(jié)合北陽城村總體布局可知，村落整體在東南及西北方向進(jìn)深較小，且建筑在該方向布局稀疏（見圖1）。受陽城溝地形影響，村落東側(cè)及東南側(cè)地勢低且空間開闊，夏季有利于來自東南向的氣流通過，便于村落整體自然通風(fēng)。冬季村落西北向建筑密度低、粗糙系數(shù)較小，不利于減弱來自西北向的寒風(fēng)?？傮w來看，北陽城村的建筑排布有利于夏季自然通風(fēng)而不利于冬季抵御寒風(fēng)。

1 北陽城村總平面

2.2 街巷布局

街巷既是傳統(tǒng)聚落空間形態(tài)骨架，又是聚落內(nèi)部建筑組群的間隙，在聚落整體風(fēng)環(huán)境中擔(dān)任“通風(fēng)廊道”的角色，使氣流在聚落內(nèi)部的流通得到有效引導(dǎo)。北陽城村南北向“Y”形大街和東西向主街貫穿村落，有助于風(fēng)沿主街通過，避免風(fēng)停滯形成靜風(fēng)區(qū)或漩渦，來自不同方向的風(fēng)通過主街被引流至內(nèi)部巷道，促進(jìn)風(fēng)的流通與循環(huán)。因此，貫穿村落的主街可加強(qiáng)村落的自然通風(fēng)，有利于村落整體風(fēng)環(huán)境的形成。

北陽城村中心區(qū)域內(nèi)民居密集，大部分街巷寬1.5～2.0m，小尺度街巷使建筑之間相互遮擋，街巷處于建筑陰影中，導(dǎo)致院落內(nèi)外產(chǎn)生溫差，形成熱壓，更有利于通風(fēng)。由于建筑遮擋，大部分墻面避免了太陽直射，可見北陽城村密集的建筑布局兼具遮陽與通風(fēng)雙重優(yōu)勢[8]。

3 風(fēng)環(huán)境模擬概述

3.1 研究方法

通過長期實踐，計算機(jī)流體力學(xué)CFD模擬軟件因其模擬數(shù)據(jù)仿真度高而被廣泛應(yīng)用。在CFD眾多軟件種類中，PHOENICS軟件具有諸多優(yōu)勢。

1）接口多樣性 能與SketchUp、CAD、Revit、3Dmax等常用建模軟件良好對接。

2）軟件開放性 用戶可獲取部分源程序自行編輯公式與算法，以更精確地描述風(fēng)環(huán)境指標(biāo)。

3）自動性強(qiáng) PHOENICS軟件可自動控制收斂、自動劃分疏密不同的網(wǎng)格和自動加密等，提高了軟件工作效率。

4）多模塊選擇性 軟件可提供各個研究領(lǐng)域的專用模塊以滿足不同用戶需求。

5）后處理功能強(qiáng) 計算結(jié)果功能強(qiáng)大，如圖像法（矢量圖、云圖和流線圖等）能直觀呈現(xiàn)模擬結(jié)果的數(shù)值和關(guān)系。在Result文件中存儲各個模擬結(jié)果，使用者可對數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。

本次模擬選用操作較簡單、效率較高的PHOENICS軟件對北陽城村室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬研究及數(shù)據(jù)、結(jié)果分析，主要分為前處理、迭代計算和后處理3個步驟。

3.2 風(fēng)環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)外對建筑周邊風(fēng)環(huán)境缺乏統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，基本以離地面1.5m的風(fēng)速為基準(zhǔn)。我國廣泛應(yīng)用的風(fēng)速評價標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 50378-2019《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》；國際上主要采用風(fēng)速比評估法、風(fēng)速概率統(tǒng)計評估法和相對舒適度評估法，其中相對舒適度評估方法通過對行人活動進(jìn)行分類，并以人行高度處（1.5m）的蒲福風(fēng)級為基礎(chǔ)，用舒適、可以忍受、不舒適、危險4種感受評價行人的相對舒適度。

本文結(jié)合北陽城村四季氣候變化特點(diǎn)，根據(jù)我國評價標(biāo)準(zhǔn)及國外相對舒適度評估法，對村落內(nèi)部距地面1.5m的冬季、夏季室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評價（見表1）。夏季為避免局部區(qū)域出現(xiàn)靜風(fēng)導(dǎo)致悶熱，人行高度處風(fēng)速應(yīng)大于0.6m/s。

表1 北陽城村室外風(fēng)環(huán)境相對舒適度評價

3.3 模型建立

1）根據(jù)谷歌衛(wèi)星地圖和實地調(diào)研繪制村落模型，以此為基礎(chǔ)設(shè)定風(fēng)場模型。在建模時對村落建筑進(jìn)行整合簡化處理，以便直觀突出主要街巷的風(fēng)環(huán)境（見圖2，3）。

2 原有村落布局

3 簡化后的村落布局

2）在PHOENICS軟件中選取FLAIR模塊進(jìn)行模擬，由于風(fēng)場受地面、低矮樹木等影響，本次模擬設(shè)定風(fēng)場為梯度風(fēng)場，湍流模型采用模擬精度高且較常用的k-ε模型。

3）基于軟件對計算區(qū)域要求和實際村落模型大小，確定水平計算域面積為1600m×2000m，豎向風(fēng)場高度為3H，即15.0m，風(fēng)場計算高度為1.5m。風(fēng)向及風(fēng)速選用冬季6.0m/s的西北風(fēng)，夏季5.6m/s的東南風(fēng)。

4 北陽城村室外風(fēng)環(huán)境模擬分析

4.1 冬季

由風(fēng)速模擬可知，北陽城村北側(cè)和西側(cè)擴(kuò)建區(qū)由于建筑分散且迎風(fēng)面無遮擋，導(dǎo)致周邊區(qū)域風(fēng)速較大，加速建筑內(nèi)部熱量流失，不利于冬季抵御寒風(fēng)。村落中心區(qū)內(nèi)風(fēng)速最大的區(qū)域為東堡巷北側(cè)，約3.75m/s，其次為中心湖泊區(qū)、東西向主街兩側(cè)、村委前廣場區(qū)域和東側(cè)入口區(qū)域，風(fēng)速為1.5～2.5m/s，該區(qū)域室外風(fēng)環(huán)境相對舒適度（以下簡稱“舒適度”）均為寒冷可以忍受。其他街巷端部由于狹道效應(yīng)獲得加速風(fēng)，風(fēng)速約1.5m/s，舒適度為寒冷舒適，但街巷中部易出現(xiàn)靜風(fēng)區(qū)。

由風(fēng)壓模擬可知，村落周邊最大風(fēng)壓區(qū)域為西北向迎風(fēng)面，約6.2Pa；最小風(fēng)壓區(qū)域為東南向背風(fēng)面，約-6.5Pa。村落內(nèi)部最大風(fēng)壓區(qū)域為中心湖泊東南側(cè)，約3.8Pa，中心區(qū)內(nèi)其他大部分街巷的風(fēng)壓值為0～1.0Pa，較為舒適。

綜上可知，冬季，北陽城村中心區(qū)域由于建筑布局緊密規(guī)則，整體風(fēng)環(huán)境較為穩(wěn)定舒適；北側(cè)和西側(cè)擴(kuò)建區(qū)由于建筑數(shù)量少且分布分散，不利于抵御冬季寒風(fēng)，尤其是西北向房間外側(cè)風(fēng)壓較大，易引發(fā)建筑室內(nèi)的冷風(fēng)滲透。因此在村落后期規(guī)劃時可通過合理的建筑布局或局部遮擋改善冬季風(fēng)環(huán)境。

4.2 夏季

由風(fēng)速模擬可知，村落北側(cè)和西側(cè)擴(kuò)建區(qū)的大部分活動場地均達(dá)3.5m/s以上風(fēng)速，故在此不重點(diǎn)研究。村落主要區(qū)域夏季風(fēng)速最大區(qū)域為迎風(fēng)向的東南角區(qū)域，風(fēng)速約4.2m/s；其次為東側(cè)入口處和小學(xué)西側(cè)區(qū)域，風(fēng)速約3.0m/s；村委前廣場區(qū)域、中心湖泊區(qū)域風(fēng)速可達(dá)2.0m/s。從街巷層面看，東西向主街兩側(cè)和東北側(cè)東堡巷風(fēng)速最大，約2.0m/s。部分巷道端部由于狹道效應(yīng)獲得加速風(fēng)，但總體風(fēng)速與巷道寬度呈正比，稍寬的巷道風(fēng)速約1.0m/s，較窄的巷道風(fēng)速接近0。根據(jù)舒適度評價可知，除窄巷的靜風(fēng)區(qū)，村落中心大部分區(qū)域夏季均能滿足居民不同活動的舒適度要求。

由風(fēng)壓模擬可知，村落周邊最大風(fēng)壓區(qū)域為東南向迎風(fēng)面，村落內(nèi)部最大風(fēng)壓區(qū)域為東側(cè)入口處、村委前廣場西側(cè)、中心湖泊區(qū)域北側(cè)及小學(xué)西側(cè)區(qū)域，約3.0Pa，最小風(fēng)壓區(qū)域為中心湖泊東南角。大部分街巷的風(fēng)壓值皆為正值，為0～1.0Pa?？梢姶迓湎募镜淖匀煌L(fēng)情況良好。

綜上可知，北陽城村南北長東西窄的布局有利于夏季自然通風(fēng)。村民最喜聚集的東側(cè)入口與村委前廣場風(fēng)環(huán)境良好。部分自然通風(fēng)良好的區(qū)域未被有效利用，故在村落后期規(guī)劃改造時，可據(jù)此增加村民活動廣場，創(chuàng)造更舒適的居住環(huán)境。

5 聚落內(nèi)部風(fēng)環(huán)境現(xiàn)存問題及優(yōu)化策略

1）北陽城村因東、南側(cè)受陽城沖溝地形限制無法過多建設(shè)，村落后期建設(shè)主要沿主街向北側(cè)和西北側(cè)的平坦地帶擴(kuò)張，但由于擴(kuò)張區(qū)域不均衡、缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，導(dǎo)致兩側(cè)擴(kuò)張區(qū)建筑排布稀疏且無規(guī)則。西北向是村落冬季的迎風(fēng)面，故布局不利于冬季抵御寒風(fēng)?？紤]到村落南北向不宜過長，否則會擴(kuò)大生活半徑，影響村民生活便利性，故針對抵御冬季寒風(fēng)問題，村落在后期建設(shè)時可著重規(guī)劃西北側(cè)，使建筑有序、規(guī)則擴(kuò)張，進(jìn)而提高該區(qū)域建筑密度?？煽紤]在北側(cè)和西側(cè)種植高大樹木以減弱冷空氣強(qiáng)度，提高片區(qū)居民冬季居住舒適度（見圖4）。同時加強(qiáng)該片區(qū)民居的門窗氣密性，并采取相應(yīng)措施保證冬季室內(nèi)采暖。

4 北陽城村風(fēng)環(huán)境優(yōu)化策略示意

2）室外是村民活動的主要場所，雖然村落夏季風(fēng)環(huán)境整體良好，但現(xiàn)有布局對風(fēng)環(huán)境的利用不理想。目前，村落人群主要集聚地和休閑廣場僅為村委前廣場及村落東側(cè)入口處，不便于居住在南北兩端的村民來此區(qū)域活動。故應(yīng)結(jié)合夏季風(fēng)環(huán)境，適當(dāng)增加小廣場以改善村民生活。根據(jù)夏季風(fēng)速與風(fēng)壓模擬可知，村落東南角、西南角空地、小學(xué)西側(cè)、東堡巷北側(cè)等區(qū)域自然通風(fēng)良好，適合作為村民活動廣場。以上區(qū)域分布于村落四周，輻射范圍大，可大幅提高村民聚集活動的便利性。

3）作為夏季迎風(fēng)面的村落東側(cè)，空間開闊、視野空曠，且有古城遺址，但環(huán)境臟亂差，不僅影響夏季進(jìn)入村落自然風(fēng)的質(zhì)量，也影響環(huán)境美觀度。鑒于此，可沿村落東側(cè)及南側(cè)外圍種植低矮灌木或樹木，以提高該區(qū)域的綠化率。

6 結(jié)語

北陽城村作為晉南黃土臺塬區(qū)域極具代表性的傳統(tǒng)聚落，既有普遍性又有獨(dú)特性。本文在現(xiàn)場調(diào)研基礎(chǔ)上結(jié)合PHOENICS風(fēng)環(huán)境模擬分析，從總體布局風(fēng)環(huán)境和街巷布局風(fēng)環(huán)境角度出發(fā)，總結(jié)北陽城村室外風(fēng)環(huán)境現(xiàn)狀，歸納優(yōu)化室外風(fēng)環(huán)境策略，對晉南黃土臺塬區(qū)傳統(tǒng)聚落改造及村鎮(zhèn)規(guī)劃具有重要參考價值，為傳統(tǒng)聚落保護(hù)與發(fā)展規(guī)劃的擬定提供新思路。