孫　雁 李欣蔚

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典型渝東南土家族聚落夏季風環(huán)境及吊腳樓夏季熱環(huán)境模擬研究*

孫雁 李欣蔚

摘 要渝東南土家族人民生活在氣候濕熱的武陵山區(qū)，當地土家族的聚落在選址布局、空間形態(tài)中反映出利用自然通風進行除濕、降溫的技術策略。本文以典型的渝東南土家民居聚落——黔江后壩鄉(xiāng)為例，利用Ecotect與CFD軟件進行通風模擬研究，分析其利用自然通風進行除濕、降溫的技術經驗，提出有利于組織通風的典型聚落空間形態(tài)，以及其中典型單體——“吊腳樓”的特殊作用。

關鍵詞渝東南；土家族聚落；吊腳樓；自然通風；傳統(tǒng)技術

孫雁， 李欣蔚. 典型渝東南土家族聚落夏季風環(huán)境及吊腳樓夏季熱環(huán)境模擬研究[J]. 西部人居環(huán)境學刊, 2016, 31(02): 96-101.

* 國家自然科學基金資助項目（51108474）

孫 雁： 重慶大學建筑城規(guī)學院，山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室，副教授，282232184@qq.com

李欣蔚：重慶大學建筑城規(guī)學院，碩士研究生

Abstract: The Southeast Chongqing is located in Wuling Mountain area where the climate is hot and humid. Natural ventilation humidification and cooling technology strategy can be found in the site layout and architectural space. In this paper, a typical residential settlement, Houba Village is taken as an example. The paper uses Ecotect with CFD software to analyze natural ventilation humidification and cooling technology experience, in order to put forward the organization of a typical settlement space which is good for ventilation, and analyzes the special role of a typical monomer—Tujia stilted buildings.

0 引 言

渝東南土家族地區(qū)位于湘、鄂、渝、黔四省市交界處的武陵山區(qū)，這里的土家族傳統(tǒng)民居體現了“適者生存”的自然規(guī)律，在人類生產力相對低下的時期，能夠適應氣候的做法才能被保留下來［1］，因而該地積淀了豐富的生態(tài)經驗與傳統(tǒng)智慧。武陵山區(qū)地形地貌多變，全年氣候濕潤，是山地濕熱氣候的典型代表［2］，當地土家族聚落的選址布局、空間形態(tài)反映出利用自然通風進行除濕、降溫的技術策略。對這類聚落的氣候適應性進行深入的分析研究，提煉挖掘其內在的生態(tài)經驗與傳統(tǒng)智慧，對當代建筑設計具有重要的借鑒作用。本文以典型的渝東南土家聚落——黔江后壩鄉(xiāng)為例，利用Ecotect與CFD軟件進行通風模擬研究，分析其利用自然通風進行除濕、降溫的技術經驗，提出利于組織通風的典型聚落空間形態(tài)并驗證其中典型單體——“吊腳樓”的特殊作用。

1 聚落選址朝向

傳統(tǒng)聚落善于對風向、日照、山體、植被、水體等各自然要素進行巧妙利用，通過規(guī)劃布局來減少或消除不利因素的影響。

山體的坡向、坡度及聚落距前山的距離影響了地表對太陽輻射的吸收量，地表的溫度分布和氣流情況。因此在武陵山區(qū)，聚落的朝向并非嚴格遵從“坐北朝南”的習慣，朝向東或西的情況較多［3］。黔江后壩鄉(xiāng)位于兩條山脈之間，聚落坐落在河谷溪流形成的沖積平壩與其后的山體交匯于緩坡臺地上。聚落所在位置海拔750m左右，兩側山脈的垂直高度均在200～300m左右，坡度較陡在30°以上。聚落背山面水，被一條曲折的溪流環(huán)抱，溪流與聚落之間相對開闊的平壩被用作耕地（圖1）。

圖1　后壩鄉(xiāng)聚落周邊環(huán)境情況Fig.1 surrounding environmental conditions of the settlement in Houba Village

河谷為南北走向，聚落整體坐東朝西，處于山體的西坡。當太陽位于聚落正南方向時，聚落南端建筑的南側山墻受陽光直射，其他建筑由于互遮陽作用，所受日照較少。由2015年6月21日的陰影分布圖可知，從10∶15—17∶30聚落所在位置可受到直接太陽輻射，其余時間則處于陰影區(qū)。由6月21日正午13∶00時的太陽輻射吸收量分布圖可知，太陽輻射吸收量由山谷、山坡到山頂依次升高，山坡與谷底下墊面材質基本相同（均有植被完全覆蓋），必然導致山坡較山谷升溫更快，形成從山谷吹向山坡的“谷風”。谷風的平均速度約2～4m/s，有時可達7～10m/s。谷風所達厚度一般約為谷底以上500～1000m［4］。在山區(qū)無持續(xù)主導風向時，可認為白天該聚落所受到的小氣候風為“谷風”，可簡化為垂直吹向建筑正面的來風。森林及水體等“冷源”距離聚落較遠，在此可忽略林源風和水陸風的作用（圖2）。

圖2　2015年6月21日聚落周邊環(huán)境太陽輻射及陰影分析Fig.2 solar radiation and shadow analysis of the settlement (2015-06-21）

2 聚落空間形態(tài)

該聚落是先房后巷自然生長而來的［5］。建筑布局順應等高線，與自然融為一體。建筑基地為山體與平壩間的緩坡地帶。緩坡被人工平整為三級臺地，每級臺地間的高差在3m左右。建筑以兩處“三合水”院落為主體，由“一字型”單體相連，位于最高的第一級臺地上。三合水廂房的吊腳及聚落北端的一座“一字型”單體在下方的第二級臺地上。最前排的兩處“一字型”房屋在第三級臺地上。總體來說，建筑單體與開敞院壩、巷道等外部空間有機的組織在一起，自由中存在著秩序，且分布在不同高度的臺地上，沿坡地走勢排列（圖3）。

圖3　聚落照片及平面圖Fig.3 pictures and plan of the settlement

3 聚落自然通風模擬分析

3.1 提出問題

（1）聚落先房后巷，自然生長而成的外部空間如院壩、巷道等對通風各有怎樣的作用，以及兩者之間是否存在協同作用。

（2）建筑單體分布在三級高差較大的臺地上，導致了前后排建筑間明顯的屋脊高度差。這對于前后排建筑的通風有怎樣的影響。

3.2 計算區(qū)域及風向的選擇

以整個聚落建筑群的體量為參考，聚落東西向寬為30～40m，南北向長為約114m，跨越的垂直高度為12m。前面的農田地帶最寬處寬度為100m，背后山體距山腳的垂直高度約為252m。農田地帶較為寬闊，在建筑群層面可不考慮對面山體及山腳溪流的影響。為使氣流與聚落建筑部分充分作用，計算區(qū)域前表面與聚落之間包括了20m寬度的平壩地帶。計算區(qū)域兩側面與建筑外側墻體相隔20m。為了體現出背后山體地形對風環(huán)境的影響，計算區(qū)域高度為90m，包含了50m高的背后山體區(qū)域。研究最終選擇了長140m、寬170m、高90m的區(qū)域作為分析區(qū)域（圖4a）。

該聚落在無持續(xù)主導風向下，所受到的最基本的小氣候風為“山谷風”。進行分析的時刻為13∶00，即白天溫度最高時。聚落所受到的主要來風為山谷迎面吹來的谷風。根據當地氣候資料，夏季黔江地區(qū)風力基本在1～2級［6］。所以將虛擬風速設為1m/s，風向為垂直于聚落迎面吹向背后山體（西風）。

圖4　聚落分析模型的建立Fig.4 analysis model of the settlement

3.3 簡化的分析模型與邊界條件的設置

為了將運算量控制在切實可行的范圍內，提取地形模型的坡度及分臺、建筑群布局等重要信息，過濾掉地形起伏等細節(jié)信息和較為微觀的建筑信息，此處不考慮吊腳和閣樓等空間的透空面，統(tǒng)一視為封閉。聚落坐落在山體（陡坡地，坡度為31.5°）與平壩交界處的3級緩坡臺地上，上級臺地和中間臺地高度相差3m，中間和下級臺地高度相差2.25m，建立計算區(qū)域（圖4b）。通過gambit前處理軟件繪制網格（圖4c），采用TGird非結構網格，緊鄰建筑的區(qū)域局部加密網格，尺寸為0.5m，其余區(qū)域網格尺寸為3m。將最上面一級臺地的相對高度設為0。并設置邊界條件，計算區(qū)域的前面、左右面為進風面，上面和后面為出流面，其他表面包括建筑，臺地和山體均設為墻面，將距最上一級臺地10m高度處來流風速設為1m/s。

3.4 建筑群體尺度的風環(huán)境分析

在從下到上三級臺地上空分別建立3個不同高度的水平面進行分析，三個水平面距最近的地面高度均為1.5m。

自然形成的巷道對加速巷內的通風起到了重要的作用。由z=-3.75m平面與Z=-1.5m平面可知，前排中央的“一字形”正屋與其北側的廂房之間的巷道風速為1.26～1.35m/s。Z=-1.5m平面中，東北角的“一字形”正屋與緊鄰廂房之間的巷道風速為1.17～1.26m/s。即使巷道兩端均處于漩渦區(qū)，風速在0.1m/s以下，而巷道中間則有0.451～0.63m/s的持續(xù)來風（圖5）。

圖5　聚落平面風速矢量圖Fig.5 plane velocity vectors of the settlement

同時，分層臺地使不同高度上的建筑都能受到直接來風，盡可能地降低前排建筑的阻擋作用。傳統(tǒng)的L形與三合院的民居圍合出了院壩空間，如z=1.5m平面上L形單體與南北向廂房所圍成的U形院落，來風平行于院壩周圍墻體流動，兩側面風速為1.17～1.35m/s，正屋前表面風速為0.46～0.63m/s。土家人夏天經常乘涼的檐下空間風環(huán)境較為理想，當面向庭院坐在檐下時，會不時有涼風從人的側面吹過，較為舒適。

圖6　聚落剖面風速矢量圖Fig.6 sectional velocity vectors of the settlement

選擇3處典型截面進行分析，當建筑間距較密，高度相差不大時（圖6a）來風受到前排建筑的阻擋沿屋頂向上偏轉，從建筑上空加速流過，風速達1.53～1.62m/s，后排建筑周邊風速均在0.63m/s以下，并未受到主要來風。街巷空間氣流向上流動風速為0.54～0.61m/s，而非流向周圍建筑和行人。

這個問題在平原地區(qū)較為突出［7］。解決方法是調整前后排建筑的屋脊高度差和距離。在圖6c中，前后排建筑的屋脊高度差為5.5m，地平層高度差為3m，水平方向間距為10m。來風越過前排建筑剛好吹向后排建筑的廂房，主要使用空間位置風速為1～1.26m/s，一部分氣流在建筑形體的影響下向下偏轉，吹向庭院空間，風速為0.9～1.08m/s，這樣建筑室內外空間都能獲得良好的通風。當用地有限，前后排建筑間距較近時（圖6b），可以通過增大前后排屋脊高度差改善通風，前后排建筑間距為6.3m，但屋脊高度差較大為3m。越過前排建筑的來風直接吹向后排建筑的閣樓，風速為0.98～1.08m/s。風受到阻擋后向下偏轉流向街巷，風速為0.54～0.45m/s，行人能感受到風的吹拂，同時土家傳統(tǒng)民居“吊腳樓”下部懸空，可使經過的氣流加速樓板下表面的散熱。

3.5 結 論

院壩、巷道等外部空間對通風有著不可或缺的作用。巷道的作用在于加速和組織通風，當氣流由開闊地帶直接流入狹窄的巷道時，風速增大，符合文丘里原理［8］。巷道兩側建筑出檐深遠，使巷道較為涼爽。當巷道一端（如內院）空氣流速較慢時，氣壓較高；一端（如聚落外部）空氣流速較快時，氣壓較低。此時巷道中會形成由高壓端流向低壓端的持續(xù)氣流，即通過巷道組織通風。

院壩的作用在于組織通風，當外界來風進入一側對外開敞的院壩時，氣流沿院壩周圍的墻壁流動，院壩中心形成漩渦區(qū)，風速最小，這樣使院壩角落處的巷道口有足夠的初始風速，檐下空間的風環(huán)境也較為理想。聚落內部的院壩無直接來風進入，風速較低，但通過巷道和外界連通時，起到了為巷道的一端提供高壓的作用，使院壩中不斷有空氣通過巷道被吸出。

建筑群高低錯落的排列方式有利于前后排建筑間的通風。前后排建筑屋脊高度差不明顯時，風受到前排建筑的阻擋，向上偏轉后，后排建筑如果與前排建筑間距在3.75倍建筑高度之內（假設前后排建筑高度相等）［9］，則處于風影區(qū)之中，不受直接來風，通風較差。當前排建筑屋脊高度與后排建筑檐口高度接近時，后排建筑的閣樓山墻處于前排建筑的風影區(qū)范圍之外，可受直接來風作用，土家傳統(tǒng)民居有閣樓山墻不完全封閉的做法，改善了建筑內部的通風。

綜上，在不同高度的臺地上建房，增大前后排房屋的屋脊高度差，風從前排建筑屋脊上方向上偏轉，仍能被后排建筑攔截，通過山面透空的閣樓空間引入建筑內部。風被后排建筑攔截后少部分向下偏轉流入街巷空間，配合巷道對風速的增強作用，風環(huán)境良好。L形及U形建筑自然圍合形成院壩，可使風沿院壩四周各表面吹過，創(chuàng)造涼爽的檐下空間。

4 聚落中的典型建筑單體——“吊腳樓”的溫度模擬分析

聚落中的典型建筑單體，大多是有單邊廂房“L”型的“鑰匙頭”和一正兩廂的“三合水”。其正屋建在人工找平的小塊平地上，廂房垂直正屋，架空形成吊腳樓。廂房伸出部分皆架空，靠柱子支撐，因而產生了多種利于通風的半室外空間，如吊腳、外廊、閣樓等，既有一部分界面的圍合，空氣又可在其中自由流動不受阻礙，這樣的處理對除濕極為有利，保證了居住空間的通風干燥［10］。

由于吊腳空間與主要使用空間完全由樓板隔開而無直接的空氣流動，吊腳空間通風的主要作用在于促進使用空間的散熱與除濕。因此，下文在室內溫度方面對吊腳樓進行分析。

4.1 典型單體吊腳樓的提取與問題的提出

從上面的后壩鄉(xiāng)聚落中提取典型的吊腳樓單體單獨進行研究，其主要的組成空間包括吊腳空間（出挑樓板下方形成的半室外空間）、轉千子（出挑部分建筑空間周圍環(huán)繞的檐廊）、閣樓空間及建筑主要使用空間，前三者即為半室外空間或稱為輔助空間，它們存在的主要的目的是為了使主要使用空間更為舒適［11］。要探究的問題是上述半室外空間是否能使主要使用空間適應夏季濕熱氣候，達到降溫、通風隔熱的目的，以及它們各是如何起作用的。同時通過計算機CFD軟件進行輔助分析。

保留吊腳樓的外圍護結構，門窗設為完全開啟，坡屋面與使用空間之間由樓板隔開形成閣樓，出檐及思檐予以保留。廂房的朝向為南北向，將它的室內部分平均分成2個尺寸、開洞方式及上部閣樓情況完全相同的房間1、2。區(qū)別在于房間1為出挑部分，底部完全懸空，距地面高度為3m。建筑一層層高3.6m，屋頂出檐長度為1.2m，坡度為0.5。四周有一圈寬為1m的轉千子圍繞。而房間2未出挑，底部直接落在水泥地面上。通過比較，綜合分析這2個房間在同時受到太陽輻射時的溫度分布情況及風環(huán)境情況，得知吊腳空間是否對改善居室熱環(huán)境有所幫助，以及吊腳空間、檐下及外廊空間，閣樓空間對降溫隔熱各是如何起作用的（圖7）。

圖7　典型吊腳樓單體模型的提取及簡化模型建立Fig.7 extraction and simplified models of the typical stilted building

4.2 參數及邊界條件設置

為了使來去氣流與建筑主體模型充分作用，同時控制運算量，將計算區(qū)域設為長30m、寬24m、高15m的長方體區(qū)域，并將前面、左面和右面設為進風面，后面和頂面設為出風面，其他各表面設置為墻面。各表面的熱工參數設置如表1［12］。

表1　“吊腳樓”的溫度模擬分析材料熱工參數Tab.1 material thermal parameters in temperature simulation analysis

邊界條件設置：Viscous model（粘性模型）設置中采用k-epsilon（2 eqn）RNG模式湍流模型。輻射模型選擇discrete ordinate（DO）模型，Solar Load中選擇Solar RayTracing選項，加載重慶地理數據（Lon gitude106.5，Latitude29.6，Timezone+8），輻射日期為2015年6月21日，時間為13∶00，空氣濕度設為62％，初始溫度設置為27℃。風向及風速的設置與前述聚落一致為西向來風，速度為1m/s。

4.3 吊腳樓溫度分布情況分析

由圖8a溫度分析圖可知，下部懸空的房間1室內平均氣溫為305.5k（32.35℃）。未懸空的房間2室內平均氣溫為306.19k （33.04℃），在圍護結構的其他條件都相同時，出挑樓板下方有持續(xù)來風的“吊腳樓”（房間1）的室內溫度比樓板未懸空時（房間2）更低。

吊腳樓四周的檐廊形成了室內外間的緩沖空間，由圖8b、圖8c可知，寬1m的出檐能為檐廊和房間1、2的外墻面遮擋太陽輻射，如圖8c中，未被遮蓋的地表氣溫為328.08k（54.93℃），被出檐遮擋的地表溫度為319.51k（46.36℃）。由于下部懸空，四周開敞度更高，檐廊上表面溫度僅為312.47k（39.32℃）。出檐則為檐下地表面遮擋太陽輻射，使之溫度較未被遮擋的地表溫度低。

居住空間上部樓板與坡屋頂之間形成的閣樓層可看作一個空氣間層。檐下不設封檐可使該空氣間層實現通風散熱。利用閣樓空間的空氣形成隔熱層。將屋頂向下傳遞的熱量一部分阻隔在閣樓空間中，使閣樓下方的居住空間獲得較閣樓部分更涼爽的居住環(huán)境。

此外，除了利用半室外空間遮陽通風，隔熱的經驗還體現在建筑材料的選擇方面，其中以武陵山區(qū)特有的地產建筑材料如木材、石材、土磚的應用最為普遍。民居多采用全木結構體系，輔以青石基礎及瓦屋面。竹、木是很好的阻熱材料，在炎熱的夏季，可以避免因圍護結構直接吸收太陽熱輻射造成的室內溫度過高的問題［13］。

圖8　吊腳樓溫度分析Fig.8 temperature simulation analysis of stilted buildings

4.4 結 論

吊腳空間、檐下空間、外廊空間、閣樓空間等一系列半室外輔助空間對于適應夏季濕熱氣候是有幫助的。吊腳空間利用懸空樓板遮蔽了太陽輻射，使懸空樓板下方的吊腳空間較室外未受遮蔽的空間更為涼爽，并可獲得持續(xù)通風，促進懸空樓板的散熱，使樓板上方的主要使用空間熱量不易積存，溫度較低。屋檐則為建筑墻體和檐下的地面遮擋太陽輻射，使主要使用空間的圍護結構外表面溫度不至過高，從而降低主要使用空間的熱量。外廊空間位于挑出部分的主要使用空間周圍可以通過出檐為圍護結構遮擋太陽輻射，同時外廊空間下部的樓板懸空，可通過自然通風加速散熱。閣樓空間相當于一個空氣間層，位于屋面和主要使用空間的樓板之間，通過空氣為主要使用空間隔熱，并通過不設封檐的檐下空間通風散熱?？偠灾?，半室外輔助空間相當于主要使用空間周圍附著的隔熱層，通過遮陽降溫、通風散熱等措施，使部分熱量不能被傳遞到主要使用空間，從而改善了主要使用空間的夏季熱環(huán)境。

5 經驗總結及展望

傳統(tǒng)土家族聚落采用依山就勢、高低錯落的布局方式，“吊腳樓”部分架空，輕盈靈活的建造方式對自然通風、除濕、降溫有所幫助。土家民居正是利用這些傳統(tǒng)的經驗智慧經受住了自然的考驗，一步步發(fā)展到今天。這種原始的地域建筑在技術水平上因地制宜，充分利用地方資源，巧妙合理地利用本地傳統(tǒng)建筑技術，從而達到了良好生態(tài)效果［14］。

如今，“新農村建設為傳統(tǒng)聚落的保護和發(fā)展帶來了重大機遇。但是，有些村鎮(zhèn)領導急功近利，重發(fā)展輕保護，使得舊村鎮(zhèn)改造與古村落保護的矛盾日益突出，導致了古村落的嚴重破壞和消亡。［15］”民族地區(qū)鄉(xiāng)村建設中普遍存在過分偏重經濟性及外部風貌的問題，僅僅提取了傳統(tǒng)建筑的外觀形貌符號，而它們的布局方式、空間特征與利用方式中蘊含的生存智慧被拋棄了。調節(jié)室內環(huán)境過于依賴于設備，既不利于節(jié)約能源，又給居民帶來沉重的經濟負擔。適應當地氣候環(huán)境的、低技術的地方主義建筑實踐具有重要的借鑒價值，山區(qū)的居住建筑應順應山勢進行布局，并合理控制前后排建筑的屋面高度差，采取前低后高、前窄后寬的方式排列。布局上采取錯列式、斜列式及結合地形特點的自由式等方式，有利于各建筑單體通風。同時，在建筑單體設計上結合地形，利用錯層、吊腳、出挑等方式，形成封閉程度不同的半室外空間，如廊空間、吊腳空間等，既能提高空間體驗的豐富性，又能起到幫助主要使用空間通風散熱的作用。此外，通風閣樓也是一種有效的“低技術”的降溫、隔熱通風手段，它同時也符合鄉(xiāng)村地區(qū)居民的生活方式。

20世紀以來，這類富有地域特色的傳統(tǒng)建筑受到廣泛的重視，在理論與實踐上歷經大量探索，逐漸演變成為地方主義建筑。如印度建筑師查爾斯·柯里亞，在本土原始建筑的基礎上提出的“管式住宅”、“開敞空間”等概念以利用自然的遮陽與通風的效果，在欠發(fā)達的炎熱干燥地區(qū)有效地改善了居住環(huán)境，節(jié)約了能源［16］。相比之下，我國有關傳統(tǒng)生態(tài)技術的建筑實踐剛剛起步，源自渝東南土家族傳統(tǒng)民居的生態(tài)智慧，可被應用于西部鄉(xiāng)村建筑的生態(tài)實踐中。

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圖表來源：

圖1：改繪自谷歌地球衛(wèi)星圖

圖2、4-8：作者繪制

圖3：改繪自周亮. 渝東南土家族民居及其傳統(tǒng)技術研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2005: 47.

表1：諾伯特·萊希納. 建筑師技術設計指南[M]. 張利, 周玉鵬, 湯玉揚, 等, 譯. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2004: 255.

（編輯：袁李姝）

Researches on Summer Natural Ventilation Technologies of Tujia Minority Settlements and Summer Thermal Environment of Stilted Buildings in Southeast Chongqing

SUN Yan, LI Xinwei

Keywords:Southeast Chongqing; Tujia Minority Settlements; Tujia Stilted Buildings; Natural Ventilation; Traditional Technologies

中圖分類號TU834.1

文獻標識碼B

文 章 編 號2095-6304（2016）02-0096-06

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20160218

作者簡介

收稿日期：2015-10-06