建筑遺產(chǎn)中的生態(tài)智慧*
——以白鹿洞書院建筑群的風(fēng)環(huán)境為例

趙志青，章思懿 ，彭亦展

前言

建筑的生態(tài)智慧是指在建筑設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過程中，考慮和應(yīng)用可持續(xù)性原則和環(huán)境友好技術(shù)，以最大程度地減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，并提供健康、舒適和能源高效的環(huán)境[1]。中國(guó)古代建筑師運(yùn)用風(fēng)水技術(shù)在選址建造前對(duì)地形地質(zhì)條件、生態(tài)微氣候環(huán)境、文化和景觀環(huán)境進(jìn)行調(diào)查[2]，其蘊(yùn)含著豐富的生態(tài)智慧。清朝時(shí)期，熊啟凡在《堪輿寫迷》中提到：“山環(huán)地則風(fēng)不得入，氣聚于內(nèi)，外山不足或稀疏，則風(fēng)可入而氣散，氣聚則溫，氣散則寒?！爆F(xiàn)代心理學(xué)認(rèn)為，人們尋求安全感和內(nèi)心平靜的需求源自于他們內(nèi)心深處的地方，這種被某種保護(hù)物所環(huán)繞的感覺的追求，源自于胎兒時(shí)期在子宮中被羊水所包圍的經(jīng)歷[3]。因此，如圖1 所示的理想風(fēng)水提出在選擇住所或設(shè)計(jì)建筑時(shí)，應(yīng)采用封閉空間的概念。這種風(fēng)水布局的本質(zhì)是強(qiáng)調(diào)用龍山和虎山環(huán)繞建筑，并在后方有山或屏風(fēng)，也被稱為風(fēng)水中的“樂山”，其主要目的是創(chuàng)造封閉的空間。

圖1 風(fēng)水布局示意圖

長(zhǎng)期以來中國(guó)風(fēng)水的研究不斷發(fā)展，可分為兩大類別：形勢(shì)派和羅盤派。盡管在學(xué)術(shù)中這兩個(gè)派系常常相互競(jìng)爭(zhēng)，但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為它們應(yīng)該相互補(bǔ)充才是完整的風(fēng)水學(xué)?！渡椒ㄈ珪诽岢隽恕吧襟w為勢(shì)（形勢(shì)）而原則為用（羅盤）”的思想，指出二者之間相互補(bǔ)充。但隨著時(shí)代的發(fā)展，在這兩種思想流派中形勢(shì)派逐漸成為風(fēng)水技術(shù)主流，也被稱為江西派，主張利用自然地形選擇合適的位置，并修建適宜的建筑和墳?zāi)筟4]。

現(xiàn)有的風(fēng)水研究主要關(guān)注于中國(guó)古代居民村莊布局、古典園林和城市規(guī)劃，為理解傳統(tǒng)中國(guó)風(fēng)水建筑的特征和意義提供了重要線索。研究人員通常采用實(shí)地實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算相結(jié)合的方法，探索古建筑內(nèi)外的物理環(huán)境，深入研究其特征和影響。例如，Zhou, Z 等人探討了使用風(fēng)水原理選擇傳統(tǒng)村莊遺址的哲學(xué)調(diào)查了中國(guó)62 個(gè)國(guó)家指定的傳統(tǒng)村莊，展示了中國(guó)古人在創(chuàng)造有利的生活環(huán)境方面的生態(tài)智慧[5]。Gou 等人對(duì)著名的風(fēng)水布局歷史遺址恭王府進(jìn)行了研究，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬，驗(yàn)證了風(fēng)水布局在夏季優(yōu)化了庭院的氣流環(huán)境，從而展示了中國(guó)古人在房屋布局方面的生態(tài)概念[6]。Baratta 等人運(yùn)用現(xiàn)代考古天文學(xué)和考古地貌學(xué)，探討并比較明代3 個(gè)“神圣權(quán)力景觀”的認(rèn)知和象征意義，包括南京的重新規(guī)劃、未完成的鳳凰新城和北京作為新首都的建設(shè)。該研究強(qiáng)調(diào)了與傳統(tǒng)風(fēng)水的“形勢(shì)”和“羅盤”學(xué)派有關(guān)的天文定位和地形磁場(chǎng)方向在這些景觀的感知和象征意義中所起的作用[7]。Giulio Magli 團(tuán)隊(duì)利用衛(wèi)星影像和古地磁數(shù)據(jù)分析對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)“風(fēng)水”進(jìn)行了一般性研究，并開發(fā)了一種簡(jiǎn)單而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?，用于確定此類紀(jì)念碑規(guī)劃中是否使用了磁羅盤[8]。Tang, L 等人對(duì)中國(guó)商甘塘村傳統(tǒng)居住區(qū)周圍的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了定量研究，評(píng)估了聚居點(diǎn)選址、布局、景觀和周圍環(huán)境之間的相互作用，并總結(jié)了可持續(xù)城市規(guī)劃的經(jīng)驗(yàn)，以指導(dǎo)創(chuàng)建適合人類居住數(shù)個(gè)世紀(jì)的可持續(xù)現(xiàn)代生活環(huán)境[9]。

綜上所述，現(xiàn)有研究揭示了古代中國(guó)生態(tài)智慧中建筑風(fēng)水的一些特征，并為未來在這個(gè)領(lǐng)域的探索提供了基礎(chǔ)。然而，目前的研究尚不充分，尤其是在強(qiáng)調(diào)建筑群在整體環(huán)境中的相互關(guān)系和相互影響方面。對(duì)于這一領(lǐng)域的研究亟需更深入的探討，以充分揭示建筑群風(fēng)水布局對(duì)整體環(huán)境的影響。本研究以江西白鹿洞書院為研究對(duì)象，通過計(jì)算流體力學(xué)模擬風(fēng)水布局和非風(fēng)水布局的通風(fēng)情況，多角度對(duì)比并探討江西白鹿洞書院建筑群的風(fēng)水布局對(duì)其通風(fēng)的影響。在低碳目標(biāo)的背景下，這項(xiàng)研究不僅突顯了古代中國(guó)的風(fēng)水生態(tài)智慧，還為建筑遺產(chǎn)優(yōu)化微氣候環(huán)境提供了理論和技術(shù)支持。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

白鹿洞書院建筑群是位于中國(guó)江西省九江市廬山五老峰南麓的古代教育建筑，海拔約260m，是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候。江西省位于中國(guó)的第三氣候帶，屬于長(zhǎng)江以南的低緯度地區(qū)，全年降雨豐富，季節(jié)性變化明顯，天氣復(fù)雜多變。冬季時(shí)，冷空氣經(jīng)常影響廬山地區(qū)，而春季則以對(duì)流性天氣為特征。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶痔峁┑臄?shù)據(jù)，廬山地區(qū)的平均冬季氣溫約為3℃，相對(duì)濕度通常在80%以上。廬山冬季的風(fēng)速較強(qiáng)，平均風(fēng)速為2.5～4.1m/s（表1）。廬山背風(fēng)面風(fēng)速較低，在冬季經(jīng)常出現(xiàn)霧和霾天氣，這會(huì)導(dǎo)致能見度較低，并影響廬山建筑群的風(fēng)環(huán)境。

白鹿洞書院建筑群始建于唐代貞觀年間（公元785～805 年），當(dāng)時(shí)的規(guī)模和布局與現(xiàn)在有所不同。白鹿洞書院正式成為一所學(xué)校是在南唐圣元年間的第四年（公元940 年），而在宋朝淳熙六年（公元1179 年），朱熹任南康知縣時(shí)，書院達(dá)到鼎盛時(shí)期，并得以重建。在過去的千年中，一些建筑已經(jīng)被摧毀，經(jīng)過1980 年到2016 年的修復(fù)工作中，整個(gè)建筑群的主要建筑物已基本恢復(fù)到清代同治《星子縣志》中插圖中的白鹿洞書院規(guī)模（圖2）。

圖2 清代同治《星子縣志》中的白鹿洞書院

如今，白鹿洞書院建筑群占地約13000m2，由5 個(gè)院落群組成（圖3a、3b），分別是文廟群（約1608m2）、仙賢書院群（約1890m2）、白鹿洞書院群（約1390m2）、紫陽(yáng)書院群（約2000m2）和延賓館群（約4180m2），每個(gè)群組都有其獨(dú)特的特點(diǎn)。地形由南向北逐漸上升，建筑群所處地勢(shì)采用典型的龍虎砂風(fēng)水布局。

圖3（3a：白鹿洞書院建筑群現(xiàn)狀分布圖；3b：白鹿洞書院建筑群現(xiàn)狀平面圖）

1.2 研究方法

1.2.1 CFD 模擬

在目前的研究案例中，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬已被廣泛應(yīng)用于研究不同尺度建筑的物理環(huán)境，包括城市、社區(qū)、建筑單元和其內(nèi)部區(qū)域。這種技術(shù)可以定量分析建筑物周圍的氣流動(dòng)態(tài)，識(shí)別潛在的氣流問題，如湍流、回流和局部低壓區(qū)域，并為設(shè)計(jì)師優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)和能源利用效率提供有價(jià)值的信息。此外，CFD 模擬還可以模擬污染物擴(kuò)散、煙霧運(yùn)動(dòng)和熱輻射等問題，為評(píng)估建筑安全性和舒適性提供科學(xué)依據(jù)[10]。Hu K 等人分析了中國(guó)住宅密度與風(fēng)環(huán)境之間的關(guān)系。計(jì)算機(jī)模擬顯示建筑密度與室外風(fēng)速比之間存在負(fù)相關(guān)，與平均空氣年齡之間存在正相關(guān)，為改善高密度住宅區(qū)的風(fēng)環(huán)境提供了指導(dǎo)[11]。Liu S 等人利用風(fēng)信息和CFD 模擬研究了建筑對(duì)城市風(fēng)流的影響。研究表明，周圍建筑物的細(xì)節(jié)對(duì)預(yù)測(cè)風(fēng)流至關(guān)重要，模擬應(yīng)使用半徑至少是目標(biāo)建筑物長(zhǎng)度尺度的3 倍的詳細(xì)建筑結(jié)構(gòu)，可以作為預(yù)測(cè)城市建筑周圍氣流的實(shí)用指南[12]。Zhong J 等人評(píng)估了中國(guó)惠州一個(gè)翻新建筑項(xiàng)目的熱舒適性，發(fā)現(xiàn)夏季的熱舒適性不理想，原因是風(fēng)速緩慢和通風(fēng)不良。采用CFD 模擬技術(shù)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示，增加風(fēng)口（天井開口）的尺寸以及新開口的絕對(duì)風(fēng)壓差和現(xiàn)有開口的風(fēng)壓之間的差異可以提高通風(fēng)效率[13]。綜上所述，CFD 模擬技術(shù)在綠色建筑評(píng)價(jià)體系的多個(gè)研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，并已在實(shí)際實(shí)踐中得到驗(yàn)證，因此本文將使用CFD 模擬技術(shù)研究白鹿洞書院建筑群的冬季風(fēng)環(huán)境，驗(yàn)證其風(fēng)水生態(tài)智慧。

1.2.2 對(duì)比研究

采用對(duì)比研究的方法探索白鹿洞書院建筑群風(fēng)水布局中的生態(tài)智慧。為了進(jìn)行科學(xué)對(duì)比研究，提出了一種不遵循風(fēng)水原則的布局模式，稱為“非風(fēng)水布局”，比較這兩種布局在風(fēng)環(huán)境影響下的庭院風(fēng)環(huán)境性能。

非風(fēng)水布局是對(duì)龍虎砂原始風(fēng)水布局的改變。如圖4a所示，兩種布局的關(guān)鍵區(qū)別在于將白鹿洞書院建筑物移至原來位置以南約849.26 foot（258.85m）的較為平坦區(qū)域。在原始布局中，根據(jù)谷歌高程地圖數(shù)據(jù)，建筑群的地面作為基點(diǎn)，樂山的高度約為352m，龍山的高度約為292m，虎山的高度約為234m。這三座山巧妙地環(huán)繞建筑群，形成了完整的龍虎砂風(fēng)水格局。然而在非風(fēng)水布局中，周圍的山勢(shì)變得平緩，沒有高聳的圍擋，建筑群所在地塊的山體凸起不超過建筑群的高度（約13.2m）。根據(jù)圖4b 所示，非風(fēng)水布局的地勢(shì)格局為當(dāng)?shù)爻Ｒ姷囊郎蕉ㄐ问?，具有典型的代表性。在失去了山體的環(huán)繞之后，非風(fēng)水布局喪失了傳統(tǒng)風(fēng)水理論中“藏風(fēng)聚氣”的功能，與那些在建造時(shí)未充分考慮風(fēng)水格局的日常建筑群相似，這種布局呈現(xiàn)出了一種相對(duì)普遍的特征。通過二者對(duì)比，不僅揭示了風(fēng)水布局在建筑設(shè)計(jì)中的獨(dú)特性，同時(shí)為比較研究提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

圖4（4a：風(fēng)水布局與非風(fēng)水布局區(qū)位圖；圖4b：風(fēng)水布局與非風(fēng)水布局環(huán)境對(duì)比圖）

為了研究這兩種布局，使用了Sketchup 軟件創(chuàng)建了基于風(fēng)水和非風(fēng)水布局科學(xué)原理的模型。本研究中的比較地形是在相同的地理區(qū)域、具有相似的氣候特征和其他因素的風(fēng)水和非風(fēng)水布局之間進(jìn)行的。區(qū)別在于建筑物周圍的山體是否構(gòu)成龍虎砂的風(fēng)水元素。為確保模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了田野調(diào)研，獲取了相關(guān)研究數(shù)據(jù)，包括建筑物的具體尺寸和周圍的山脈地勢(shì)情況。為滿足PHOENICS 軟件運(yùn)算風(fēng)環(huán)境的要求，在建立模型時(shí)省略了白鹿洞書院的細(xì)微構(gòu)建，如柱梁和柱廊之間的支撐系統(tǒng)。

1.2.3 戶外實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行的戶外試驗(yàn)旨在調(diào)查白鹿洞書院建筑群中實(shí)測(cè)和模擬風(fēng)速之間的耦合關(guān)系，以確定模擬數(shù)據(jù)的可靠性。為了獲得準(zhǔn)確的風(fēng)速測(cè)量值，本研究使用Kestrel 4500 手持氣象站作為測(cè)量工具。戶外試驗(yàn)期間的天氣條件：多云、東北風(fēng)，氣溫在2°C至5°C之間，相對(duì)濕度在65%至72%之間。為了確?？煽康慕Y(jié)果，根據(jù)文獻(xiàn)[14，15]所建議采用了多人同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)并持續(xù)一定時(shí)間以獲得平均風(fēng)速的方法。6 名人員同時(shí)在同一庭院的6 個(gè)不同點(diǎn)測(cè)量風(fēng)速，每秒記錄1 次風(fēng)速值，每次記錄1 分鐘，取平均值作為該時(shí)刻的測(cè)量風(fēng)速。并重復(fù)多次這個(gè)方法以獲得準(zhǔn)確的平均值。為了覆蓋廣泛的位置范圍，在白鹿洞書院建筑群內(nèi)的12 個(gè)組中選擇了69 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量（圖5）。每個(gè)測(cè)量值都是所選點(diǎn)的平均風(fēng)速。風(fēng)速測(cè)量從上午8 點(diǎn)持續(xù)到下午5 點(diǎn)，以確保測(cè)量在不同的風(fēng)況和不同的時(shí)間進(jìn)行。綜上，此次戶外試驗(yàn)以嚴(yán)謹(jǐn)和系統(tǒng)的方式進(jìn)行，以獲得準(zhǔn)確可靠的風(fēng)速測(cè)量值。

圖5 戶外實(shí)驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)示意圖

1.3 風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為確保評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性和實(shí)用性，主要參考中國(guó)綠色建筑評(píng)價(jià)體系來制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)對(duì)可持續(xù)性和環(huán)境友好性的追求與風(fēng)水概念有許多相似之處，提供了建筑設(shè)計(jì)的具體要求和指導(dǎo)，使其成為一種更科學(xué)、更系統(tǒng)的方法。將風(fēng)水與綠色建筑相結(jié)合可以為可持續(xù)發(fā)展提供新的思路和解決方案，同時(shí)保留傳統(tǒng)文化特征。相關(guān)研究表明，將綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法與風(fēng)水相結(jié)合可以提高能源效率、室內(nèi)環(huán)境舒適度和建筑整體外觀，對(duì)可持續(xù)建筑的發(fā)展有積極的影響[16，17]。因此，本文探討了將風(fēng)水概念與綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合在現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值。在人行處風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)中，采用了1.5m 高度以上的測(cè)量數(shù)據(jù)[18]。此外，我們還考慮了房屋前后風(fēng)壓差因素，這是基于綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50378-2019，中國(guó)）和建筑環(huán)境總則（GB 55016-2021，中國(guó)）建立的，以便更好地評(píng)估通風(fēng)情況。其中風(fēng)壓：夏季75%以上的房屋的前后風(fēng)壓差＞0.5Pa。為了防止冬季冷空氣的滲透，建議確保建筑物的迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間的表面風(fēng)壓差不小于0.5pa，不大于5pa；風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)如下：

①平靜風(fēng)區(qū)域的比例是指風(fēng)速在0 m/s 到0.5 m/s 之間的區(qū)域與總評(píng)估區(qū)域的比例。

②舒適室外風(fēng)速區(qū)域的比例是指風(fēng)速在0.5 m/s 到2.0 m/s 之間的區(qū)域與總評(píng)估區(qū)域的比例。

③強(qiáng)風(fēng)速室外區(qū)域的比例是指風(fēng)速大于2.0 m/s 的區(qū)域與總評(píng)估區(qū)域的比例。

④是否有渦旋或高風(fēng)區(qū)域的存在情況。

2 風(fēng)環(huán)境模擬細(xì)節(jié)

PHOENICS 適用于室外風(fēng)環(huán)境模擬研究[19]，本次CFD 模擬設(shè)置和模型如下。研究考慮了3 種不同的湍流模型進(jìn)行敏感性分析：標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型1 （Std k-ε）、k-ε模型2（RNG k-ε）及k-ε 模型3（Rel k-ε）分別進(jìn)行速度與力耦合模擬[20]。為了增強(qiáng)計(jì)算精度，采用了小尺度網(wǎng)格設(shè)置。PHOENICS 的自動(dòng)收斂檢測(cè)功能確保了模擬結(jié)果的合理收斂，達(dá)到了10-5的收斂精度。為了設(shè)置模擬區(qū)域的網(wǎng)格，我們將其分為中心區(qū)域（細(xì)網(wǎng)格）、山區(qū)（中等網(wǎng)格）和沒有物理實(shí)體的周邊區(qū)域（粗網(wǎng)格）。邊界的長(zhǎng)度、寬度和高度是模型高度的5 倍，網(wǎng)格數(shù)量根據(jù)軟件描述和研究者經(jīng)驗(yàn)逐漸增加，直到計(jì)算誤差收斂。不同區(qū)域的網(wǎng)格尺寸因不同的計(jì)算精度要求而異，如下所示：

在XY 方向，研究對(duì)象的中心區(qū)域網(wǎng)格尺寸為1.5m×1.5m，周圍山區(qū)的網(wǎng)格尺寸為3m×3m，沒有物理模型實(shí)體的邊緣區(qū)域的粗網(wǎng)格尺寸為6m×6m。在Z軸方向上，帶建筑物和沒有建筑物的區(qū)域的網(wǎng)格尺寸分別設(shè)置為1m 和3m。添加觀測(cè)面，并在1.5m 的高度處加密網(wǎng)格以提高計(jì)算精度和模擬效率。沿著風(fēng)入口（Y 和X軸），網(wǎng)格段大小從粗（6m）變?yōu)橹械龋?m）再到細(xì)（1m），然后再回到粗（6m），具體取決于所需的計(jì)算精度。細(xì)網(wǎng)格和粗網(wǎng)格區(qū)域之間的拉伸比為1.2，并向建筑物方向收縮網(wǎng)格。總共有884.8 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格段（圖6）。模擬選擇冬季平均風(fēng)速為3.8 m/s 的東北風(fēng)作為流入邊界條件，并根據(jù)《民用建筑采暖通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012，中國(guó)）和白鹿洞書院建筑群現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)況設(shè)置邊界條件。迭代次數(shù)設(shè)為2500 次，并由于研究對(duì)象位于山區(qū)，選擇郊區(qū)地面粗糙度指數(shù)。

圖6 CFD 模擬網(wǎng)格情況

3 建筑遺產(chǎn)的生態(tài)智慧

3.1 實(shí)測(cè)與模擬值耦合

為了驗(yàn)證CFD 模擬的可靠性，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)地測(cè)量了69 個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速，并與模擬值呈現(xiàn)在折線圖上（圖7）。根據(jù)測(cè)量當(dāng)天的天氣預(yù)報(bào)，白鹿洞書院建筑群附近的平均風(fēng)速在0.26～1.57 m/s 之間。在CFD模擬中，我們將采用從氣象局獲得的當(dāng)?shù)囟镜闹鲗?dǎo)風(fēng)向及3.8 m/s 的風(fēng)速作為入流邊界條件。因此，在圖表中，大多數(shù)模擬值都大于測(cè)量值。圖8所示的回歸分析圖表明，模型1R2值為0.8969、模型2R2值為0.7885 以及模型3R2值為0.8718。根據(jù)R2越接近1 表示測(cè)量值和模擬值之間越相近，可以得出結(jié)論，本次PHOENICS 模型1 模擬的風(fēng)速值與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值高度相關(guān)。CFD 模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合證明了PHOENICS 在庭院風(fēng)環(huán)境模擬方面的適用性。

圖7 測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值與模擬值

圖8 測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值與模擬值耦合分析

如圖8 中模型1 耦合數(shù)值所示，測(cè)量值和模擬值之間存在線性關(guān)系，其回歸方程為y =1.0218x - 0.226?；貧w方程表明，測(cè)量值是模擬值的0.87 倍。回歸分析圖上的R2值為0.8969。為了進(jìn)一步分析圖7 中測(cè)量值與模型1 的兩個(gè)變量之間的關(guān)系，我們使用Pearson 相關(guān)分析方法。如表2 所示，模擬值和實(shí)測(cè)值呈現(xiàn)出強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.947，進(jìn)一步證明了本次風(fēng)水布局的CFD 模擬數(shù)據(jù)的科學(xué)有效性。

表2 測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值與模擬值皮爾遜相關(guān)分析

表1九江星子縣2012～2021 年氣象數(shù)據(jù)

3.2 建筑群風(fēng)環(huán)境分析

為了研究生態(tài)智慧的風(fēng)水布局對(duì)白鹿洞書院建筑群的影響，提出使用PHOENICS 軟件對(duì)上文所提到的兩個(gè)模型進(jìn)行CFD 模擬：一個(gè)是采用風(fēng)水布局的模型（模擬a），另一個(gè)是非風(fēng)水布局的模型（模擬b）。模擬得到了兩個(gè)模型中的風(fēng)速和風(fēng)壓分布情況，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

3.2.1 夏季風(fēng)環(huán)境

夏季模擬的結(jié)果表明（圖9、10），風(fēng)水布局對(duì)白鹿洞書院建筑群的前后風(fēng)壓產(chǎn)生了一定的影響。在夏季風(fēng)水布局中庭院的風(fēng)壓閾值為0-0.50 Pa 至1.31 Pa（圖5 A-K），每個(gè)庭院的風(fēng)壓分布呈規(guī)律性地從西北向東南逐漸減小。主要建筑物（圖5 中的建筑庭院）的前后風(fēng)壓差為0.75 Pa 至1.5 Pa，符合超過75%的住宅的前后風(fēng)壓差＞0.5 Pa 的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。非風(fēng)水布局庭院的風(fēng)壓閾值為-3.00 Pa 至1.38 Pa（圖5A-K）。在禮圣殿周圍（圖5 H 庭院的建筑）的最低負(fù)壓為-3.00 Pa。負(fù)風(fēng)壓逐漸增加至朱子祠周圍的正壓，并且最南端的P 庭院完全為正壓。朱子祠的兩個(gè)主要建筑（圖5 中A 庭院的建筑）庭院的建筑和崇德祠（圖5 中L 庭院的建筑）的前后風(fēng)壓差小于0.5 Pa，其他主要的13 處建筑物的壓差大于0.5 Pa（占總主要建筑的86.7%），符合評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，即超過75%的建筑前后風(fēng)壓差＞0.5 Pa。此外，模擬結(jié)果表明，風(fēng)水布局和非風(fēng)水布局的住宅前后風(fēng)壓差均優(yōu)于本研究的風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)水布局（包括所有主要建筑）比非風(fēng)水布局（包括86.7%的主要建筑）更有利于室內(nèi)通風(fēng)。

圖9 CFD 模擬風(fēng)水布局風(fēng)速風(fēng)壓云圖（9a：夏季風(fēng)水布局的風(fēng)速云圖；9b：夏季風(fēng)水布局的風(fēng)壓云圖）

圖10 CFD 模擬非風(fēng)水布局風(fēng)速風(fēng)壓云圖（10a：夏季非風(fēng)水布局的風(fēng)速云圖；10b：夏季非風(fēng)水布局的風(fēng)壓云圖）

3.2.2 冬季風(fēng)環(huán)境

冬季模擬的結(jié)果表明，風(fēng)水布局對(duì)白鹿洞書院建筑群的風(fēng)速分布產(chǎn)生了一定的影響。在冬季兩種布局中庭院中的最大風(fēng)速分別為1.83 m/s 和2.2 m/s。大多數(shù)采用風(fēng)水布局的庭院的平均風(fēng)速低于不采用風(fēng)水布局的庭院，表明風(fēng)水布局可以有效降低冬季庭院內(nèi)的風(fēng)速及減少?gòu)?qiáng)風(fēng)區(qū)等不良風(fēng)區(qū)的面積占比。

利用PHOENICS 軟件進(jìn)行了CFD 模擬，得到了冬季期間風(fēng)速等值線圖和舒適風(fēng)速剖面圖，分別對(duì)風(fēng)水庭院布局和非風(fēng)水庭院布局進(jìn)行了研究（圖11、12）。通過比較研究發(fā)現(xiàn)，冬季期間風(fēng)水庭院的平均風(fēng)速低于非風(fēng)水庭院?；貧w方程表明，每個(gè)風(fēng)水庭院的平均風(fēng)速比非風(fēng)水庭院低1.824 倍，R2值為0.843，表明擬合良好。這些結(jié)果的主要原因是風(fēng)水布局中的青龍和白虎山的阻擋，削弱了強(qiáng)勁的冬季風(fēng)，而非風(fēng)水布局缺少這些阻礙物，導(dǎo)致庭院內(nèi)的風(fēng)速增加。冬季期間，風(fēng)水庭院中舒適風(fēng)速區(qū)的比例高于非風(fēng)水庭院。風(fēng)水布局中，庭院C 的舒適風(fēng)速區(qū)比例最高，為99%，而非風(fēng)水布局中，庭院A的比例最高，為90%。舒適風(fēng)速區(qū)比例最低的庭院是庭院K，分別為53%和47%。根據(jù)圖11，舒適風(fēng)速區(qū)的比例與兩種布局之間存在線性關(guān)系，擬合良好。根據(jù)模擬結(jié)果得到的所有庭院的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，所有風(fēng)水庭院中舒適風(fēng)速區(qū)的比例為87%，而非風(fēng)水布局中為71%。這表明風(fēng)水布局為冬季使用者提供了更大的舒適風(fēng)速區(qū)。

圖11 CFD模擬風(fēng)速云圖（11a：冬季風(fēng)水布局的風(fēng)速云圖；11b：冬季非風(fēng)水布局的風(fēng)速云圖）

圖12 模擬風(fēng)壓云圖（12a：冬季風(fēng)水布局的風(fēng)壓云圖；12b：冬季非風(fēng)水布局的風(fēng)壓云圖）

在對(duì)庭院風(fēng)環(huán)境進(jìn)行比較研究后，發(fā)現(xiàn)按照風(fēng)水布局排列的庭院中，從北向南平均風(fēng)速逐漸降低，這主要是由于冬季的主風(fēng)向結(jié)合建筑群的高度排列。因此，在庭院中，低矮的南方建筑和高聳的北方建筑的風(fēng)水布局有利于冬季通風(fēng)。位于北方的庭院平均風(fēng)速高于位于南方的庭院。風(fēng)速矢量圖顯示，兩種類型的庭院布局中沒有明顯的渦旋或無風(fēng)區(qū)，符合風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，按照風(fēng)水布局排列的兩種類型的庭院中舒適風(fēng)速區(qū)的比例高于非風(fēng)水布局。風(fēng)水庭院的布局在冬季提供了更舒適的室外環(huán)境，驗(yàn)證了古代中國(guó)人在建筑規(guī)劃時(shí)考慮風(fēng)水布局的生態(tài)智慧。

結(jié)語(yǔ)

白鹿洞書院建造過程中應(yīng)用了蘊(yùn)含生態(tài)智慧的風(fēng)水技術(shù)，旨在為使用者提供健康、舒適和能源高效的環(huán)境。本研究為了探尋建筑遺產(chǎn)中的生態(tài)智慧，以運(yùn)用了龍虎砂風(fēng)水布局的江西白鹿洞書院研究對(duì)象，對(duì)其建筑群的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析。研究中在同一區(qū)域的非龍虎砂風(fēng)水格局地塊上提出了一個(gè)非風(fēng)水布局模型將其進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。同時(shí)通過數(shù)據(jù)分析建立了建筑群風(fēng)環(huán)境的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)行科學(xué)研究，將計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。通過比較風(fēng)水和非風(fēng)水布局之間的風(fēng)速和風(fēng)壓數(shù)值，得出以下結(jié)論：

本研究通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和PHOENICS 數(shù)值模擬的回歸耦合以及皮爾遜相關(guān)分析，充分驗(yàn)證了PHOENICS 在CFD 模擬中的適用性，確保了模擬結(jié)果的可靠性。在此基礎(chǔ)上，CFD 模擬結(jié)果顯示，夏季時(shí)風(fēng)水布局的主要房屋前后風(fēng)壓差表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，占比利于通風(fēng)的房屋高于非風(fēng)水布局13.3%，對(duì)于夏季建筑群通風(fēng)的優(yōu)化具有實(shí)際應(yīng)用意義。而在冬季，非風(fēng)水庭院的風(fēng)速平均值約為風(fēng)水布局的1.842 倍，而風(fēng)水布局則呈現(xiàn)出相對(duì)較低的平均風(fēng)速，為冬季戶外活動(dòng)提供了更為宜人的條件。通過對(duì)主房屋前后風(fēng)壓差的評(píng)估，結(jié)果顯示，87.6%的風(fēng)水布局中的主房屋符合冬季室內(nèi)通風(fēng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，相比非風(fēng)水布局增加了12.3%。因此，風(fēng)水布局在優(yōu)化主房屋的冬季室內(nèi)通風(fēng)方面表現(xiàn)更為有效。此外，龍虎砂風(fēng)水布局為白鹿洞書院建筑群創(chuàng)造了更大面積的舒適風(fēng)速區(qū)域，相較于非風(fēng)水布局增加了18%。而非風(fēng)水布局中的強(qiáng)風(fēng)區(qū)域則是風(fēng)水布局的四倍，進(jìn)一步突顯了風(fēng)水布局中“藏風(fēng)聚氣”的特點(diǎn)。

研究結(jié)果突顯了古代中國(guó)人在生態(tài)智慧方面的運(yùn)用，驗(yàn)證了風(fēng)水布局對(duì)建筑群庭院風(fēng)環(huán)境的改善作用。建筑群物理環(huán)境是綜合作用的結(jié)果，風(fēng)環(huán)境僅是其中重要因素之一。盡管如此，風(fēng)環(huán)境的改善有利于整個(gè)建筑群的物理環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化提升，為低碳背景下的建筑遺產(chǎn)微氣候環(huán)境研究提供了實(shí)際意義。

圖、表來源

圖1：作者基于《堪輿寫迷》中插圖改繪；

圖2：作者基于清代同治《星子縣志》中插圖改繪；

圖3 ～5：作者基于實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行整理繪制；

圖6：作者基于實(shí)驗(yàn)過程中步驟圖進(jìn)行整理繪制；

圖7、8：作者基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理繪制；

圖9 ～12：作者基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖進(jìn)行整理繪制；

表1：作者基于當(dāng)?shù)貧庀缶肢@取數(shù)據(jù)進(jìn)行整理繪制；

表2：作者基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理繪制。