員夢娜,張 敏，劉艷紅

(山西農業(yè)大學林學院，山西 晉中 030801)

1 概述

當今世界，生態(tài)危機幾乎到了一觸即發(fā)的程度[1]。為了建筑、城市、景觀環(huán)境的“可持續(xù)”，建筑學、城市規(guī)劃學、景觀建筑學學科開始了可持續(xù)人類聚居環(huán)境建設的思考[2]。生態(tài)建筑是21 世紀建筑設計發(fā)展的方向[3]。而傳統(tǒng)民居的形成和發(fā)展是人們長期適應當地氣候的產物。其舒適性的提高多依靠被動式措施，對能源資源的依賴較少[4]。因此，對傳統(tǒng)民居的氣候適應性設計語言模式的研究具現(xiàn)實意義，符合生態(tài)建筑的發(fā)展趨勢。

山西省晉中市太谷縣住宅現(xiàn)狀也存在著共性，機械設備如空調的大量使用，能源的浪費，環(huán)境的破壞，甚至對傳統(tǒng)民居的不重視。在傳統(tǒng)民居和現(xiàn)代居住建筑之間架構一座橋梁是可持續(xù)建筑所追求的。經查閱發(fā)現(xiàn)，雖然我國學者已對典型氣候地區(qū)的傳統(tǒng)民居的生態(tài)適應性進行了深入研究，但山西作為我國華北地區(qū)的重要省份之一，對其傳統(tǒng)民居的氣候適應性卻并未進行單獨性研究，具體到晉中市太谷縣更是涉之甚少。

本文首先對晉中市太谷縣地域氣候進行分析，然后通過對所選取的案例——太古縣三多堂進行氣候適應性分析，從而對太谷縣傳統(tǒng)民居的氣候適應性設計語言模式有一個初步的總結。本次研究的案例——三多堂,宅院總占地面積 10 638 m2，建筑面積 6 348 m2，建筑風格整體莊重樸素，由內宅和外宅2部分組成，內套15個小院，3個倒座，3個廳堂，3個主樓，共有房舍277間，是集住宅、生活、議事、娛樂為一體的大型綜合建筑[5]。

2 地域氣候分析

2.1 區(qū)位分析

太谷縣是山西省晉中市的一個地方縣，位于山西省中部，地處晉中盆地東北部，地勢東南重巒疊嶂，而西北一馬平川。其始建于西漢，當時文化商貿發(fā)達，與祁縣平遙共同成為聞名遐邇的晉商故里，境內有諸多晉商大院遺存，以曹家大院和孔祥熙宅院為其代表[6]。明清民國時期，太谷富商巨賈云集，成為山西的金融、商業(yè)中心，固有“旱碼頭”、“小北京”之稱[7]。

2.2 地域氣候分析

太谷縣地理坐標為東經112.55°，北緯37.42°，屬于溫帶大陸性氣候，四季分明。

2.2.1太陽能資源分析

太谷縣年太陽能輻射總量為 5 850～6 680 MJ/m2,相當于日輻射量4.5～5.1 KW·h/m2,為太陽能資源較豐富地區(qū)。傳統(tǒng)民居多依靠被動式采暖，而被動式太陽能采暖建筑要求建筑所在的地域環(huán)境具有較為穩(wěn)定的太陽能資源。太谷縣的太陽能資源相對豐富，符合被動式太陽能采暖設計的基本要求。

2.2.2最佳朝向分析

圖1所示是由軟件Ecotect分析得出的太谷縣建筑的最佳朝向。圖中綠色箭頭的指向表示全年平均曝輻射量最多的朝向是210°，即南偏西30°方向。藍色箭頭的指向表示過冷時間內曝輻射量最多的朝向是195°，即南偏西15°方向；紅色箭頭的指向表示過熱時間內曝輻射量最多的朝向是280°，即西偏北10°方向。黃色箭頭的指向和Compromise表示最佳朝向是190°，即南偏西10°方向。后文中進行三多堂生態(tài)適應性分析可以參考此處分析的建筑最佳朝向。

2.2.3風分析

圖2所示是由軟件Ecotect分析得出的太谷縣當地的風頻分析圖，左邊是夏季的風頻分析圖，右邊是冬季的風頻分析圖。圖中通過顏色的深淺來表示各個風向在一年中盛行的時間，由右上角的圖例可以清晰地看到顏色越淺代表該風向盛行的時間越久，由此可以得出太谷縣夏季盛行偏南季風，冬季盛行偏北季風。建筑在夏季要適當利用風向，以便降低室內的溫度，在冬季則要規(guī)避季風帶來的寒冷。

圖3所示是由軟件Ecotect分析得出的太谷縣當地的風溫分析圖，左邊是夏季的風溫分析圖，右邊是冬季的風溫分析圖。由圖片中右上角的圖例可以看出：藍色—紅色—黃色，代表風溫越來越高。仔細觀察圖3，經由簡單的計算可以得出：太谷縣夏季平均風溫大于23℃，冬季平均風溫大約在10℃以下，即冬季建筑要做好保溫措施或采取被動措施提高室溫。

圖1 太谷縣建筑的最佳朝向分析

圖2 太谷縣風頻分析

圖3 太谷縣風溫分析

2.2.4焓濕圖分析

焓濕圖分析是對地域氣候分析的重要手段和形式，它是在空氣狀態(tài)確定的情況下，確定空氣的4個基本參數，包括溫度、含濕量、大氣壓力和水蒸氣壓力與熱環(huán)境的關系，圖4黃色框代表建筑室內舒適區(qū)范圍，同時可以直觀地看到距離舒適區(qū)的偏離程度不同，人的舒適度會出現(xiàn)不同的變化。

圖4 焓濕圖分析

由圖4可以看出，在太谷縣氣候條件下，建筑的熱舒適區(qū)較小，偏離舒適區(qū)會讓人體感覺到各種各樣的不舒適，必須采取相應的被動措施來增加熱舒適區(qū)范圍[8]。

3 三多堂建筑的氣候適應性分析

無論任何時代，人們的生活方式、居住方式均與自然生態(tài)聯(lián)系在一起。傳統(tǒng)民居是人類基于當地氣候條件和當時有限的生產力水平，適應地域條件，解決自身生存狀況和生活條件需要的產物。其對自然的改造和利用是有限的，其舒適性的提高更多的是依靠被動式措施，對自然界能源的依靠較少。因此相對現(xiàn)代建筑而言，其對生態(tài)環(huán)境的破壞是有限的，且更符合建筑的生態(tài)適應性或可持續(xù)發(fā)展原則。

在歷史長河中，中國的傳統(tǒng)民居既擁有與當地自然環(huán)境和諧共生的共性，又由于不同的地域條件各具特色。本章從空間設計、材料應用、技術應用、結構技術等方面對太谷縣三多堂進行氣候適應性分析，尋求地域氣候與其之間的耦合關系[9]。

3.1 空間設計

曹家是太谷縣曾經的晉商巨富曹氏家族。其在鼎盛時期，在太谷縣北洸村相繼建起了一批布局龐大富麗堂皇的宅院，其中尤以“?！薄暗摗薄皦邸薄办弊中谓ㄔ斓?座大院最具代表性。三多堂就是其中至今仍保存完好的“壽”字形院落，“三多”取的是“多子”、“多福”、“多壽”之意。

三多堂是以組團形式出現(xiàn)的，采取的是合院式布局，院子向內敞開，向外封閉，整個院落由內宅和外宅2部分組成。三多堂整體呈中軸對稱，并嚴格遵守著左右對稱和主次分明的布局方式。整個院落由一條長66 m，寬4.5 m的甬道在空間上分割為2個區(qū)塊，其中靠北的部分是內宅，即主要功能用房，主人的生活區(qū)域；靠南的部分是外宅，即輔助功能用房。院落猶如一座守衛(wèi)森嚴的城堡,在東向、西向、南向各有一座門，南門是主入口，如今常用的是臨街而立的東門，又稱為“吉祥門”[10]。

內宅是由多子、多福、多壽3個子院落構成。這3個子院落均是按二進式四合院布局的，其中二進院落正房分別是供晚輩、當家的、老人居住，廂房則是供仆人或妾所??；一進院落則是辦公、待客之地。外宅則是賬房和戲臺院，供娛樂、雜事之用[11]。

內宅是主要功能用房，應布局在良好的朝向，以獲取最大的日照；外宅是輔助功能用房，其朝向不必放在優(yōu)先考慮的位置。三多堂中：內宅坐北朝南，結合最佳朝向分析，根據太谷縣氣候條件分析得出的建筑最佳朝向為南偏西15°，內宅在朝向上基本滿足要求；外宅則不必考慮那么多，合理即可，故坐南朝北。

3.2 材料應用

建筑材料的氣候適應性表現(xiàn)在“就地取材”和“因地制宜”,即材料取之當地以及材料對當地氣候有所應答，太谷縣的傳統(tǒng)民居主要注重材料的夏季隔熱和冬季保溫性能。這樣不僅可以最大限度地減少對生態(tài)環(huán)境和系統(tǒng)的破壞，而且還具有一定的生態(tài)補償性和還原性。

經現(xiàn)場調研得出，三多堂采用最多的建筑材料是磚、瓦和木材。

磚和瓦的原材料均是泥土，而太谷縣地處黃土高原，泥土是最不缺少的。建筑材料全部來源于自然，有利于降低造價、節(jié)約能源，并且這些材料可以重新回歸自然，可以做到不污染環(huán)境。太谷地區(qū)土層深厚，結構緊密，黏土粘結力較好，導熱系數小。實心黏土磚和瓦是外墻和屋頂的主要材料。由于原材料的物理性能，其熱惰性較大并且做得極為厚重，減少了由于圍護結構帶來的熱損失，保證了室內溫度的穩(wěn)定。

三多堂的房屋結構采取的是木構架，故木材也是主要應用材料之一。山西地處黃河中游東岸，明清時期也曾是林木森郁之地，故而木材資源豐富，可謂是取之自然，用之自然，減少運輸，節(jié)約造價。另一方面，木材易于加工，適應性強，有較強的抗震性能。木材具有多孔性，其導熱系數相對較低，且其熱容量也較大，這些性能對維持室內溫度的穩(wěn)定有很大的作用[12]。

3.3 技術應用

3.3.1保溫隔熱

1)建筑墻體厚度

除主宅中主樓的墻體厚度較為特殊，大于500 mm厚之外，其他無論是廂房還是外宅中的輔助用房，其外墻厚度均為500 mm。磚與土砌筑的實墻體保溫隔熱性能良好，500 mm的厚度能很好地減少室內外的熱交換和晝夜溫差帶來的影響。

2)籠布和窗紙

籠布是尋常人家在蒸饅頭或蒸包子時為避免其粘在箅子上而在箅子上鋪的一層布。窗紙則淺而易懂，即糊在窗上的紙。在對三多堂進行現(xiàn)場調研時發(fā)現(xiàn)，有些窗戶上有籠布的痕跡，而有些則粘有破舊的窗紙。經導游的一番講解以及自己的一些思考，對這些現(xiàn)象有了深刻的理解。

籠布的氣密性比窗紙好得多，夏季在窗戶上貼上籠布，既可以避免太陽直射，又可以保證通風。而在冬季在窗戶外糊上窗紙，可在一定程度上減少冷空氣灌入，減少熱交換。

3)窗墻比

住宅南向的墻以及廂房面向院內的墻，其窗墻比大約為 1∶1，這樣的比例既能保證建筑室內可以獲得充足的日照，又可以在一定程度上保證室內的熱環(huán)境。圖5即在軟件Ecotect中同等條件下或同樣的參數下僅調節(jié)窗墻比(即從一般住宅建筑 1∶2的窗墻比動態(tài)調節(jié)到 1∶1)，其建筑室內舒適區(qū)范圍會相應的增大(黃線框是調節(jié)之前的舒適區(qū)范圍，紅色框是調節(jié)之后的舒適區(qū)范圍)。

4)火炕

在調研過程中發(fā)現(xiàn)，多壽院主樓一層的臥室有一個火炕，通過秸稈、樹枝等燃燒后產生的熱流經過炕的煙道將熱量帶給炕，從而達到保暖的作用。這是北方地區(qū)常見的冬季保暖方式，對提高室內熱舒適度是一個十分有效的措施。

3.3.2采光通風

1)臺基

在調研過程中發(fā)現(xiàn)，在三多堂的院子里，早上 9∶00—10∶00以及下午 3∶00—4∶00 均可以感受到陽光的照耀，但是將測量的院落進深數據導入模型中進行日照模擬發(fā)現(xiàn)，其院落進深并不能達到滿足獲得如此日照的要求。其根本原因是日照模擬時，三多堂的室內標高是統(tǒng)一標準，而事實上三多堂的室內標高由南至北逐漸升高，其采取的手段就是不斷升高的臺基，這樣做不僅可以滿足日照，而且提高了土地的利用率，并且利用地勢可以進行有效地排水，同時臺基還可以達到防潮的作用[13]。

2)南北不一的窗洞

三多堂院北凌空而起三座樓宅，由西至東連成一列，總長66 m，寬8 m，高17 m，北立面無任何窗戶，坐北而立，以厚度大于1.2 m的墻體抵擋著冬季偏北季風的侵襲，而南立面面向院內，窗墻比1∶1，保證了建筑的采光面積以及室內的熱舒適性。

圖5 三多堂焓濕圖(窗墻比由1:2調到1∶1)

3)內向型的圍合空間

三多堂整體看就像是一座城堡，四周堅不可摧。這一方面是由于人的安全意識形成的，另一方面，內向型的空間既可以避免風沙對院內的侵襲，同時院內又可以形成一個單獨的微型氣候區(qū)(圖6)。

3.4 結構設計

3.4.1屋頂構造

在構造措施方面，三多堂的屋頂構造是坡屋頂，結構采用的是抬梁式木構架，匠人在建造房屋時，先將結構搭建出來，再砌墻體，屋頂的重量傳給木構架，木構架再傳給柱子，柱子最后傳給地面。在這個過程中墻體是不承受任何重量的。古代的“墻倒屋不塌”之說就是這個原理，這也是三多堂能保存至今的原因。這種結構體系既沒有現(xiàn)代建筑中構造柱和圈梁之間“熱橋效應”問題，又使木構架和屋頂之間形成一個熱量緩沖空間，從而保證建筑的保溫隔熱。

坡屋頂檐口的出挑也恰到好處，能使陽光在冬季盡可能地照射到室內，從而提高室內溫度；而在夏季可以規(guī)避陽光的直射，使室內保持清爽。

圖6 三多堂院內風循環(huán)

3.4.2雕花式石柱礎

三多堂中所有柱子均有柱礎，且采用的材料是石頭。石頭本身重量比木頭要大，故石制柱礎避免了結構上的頭重腳輕的缺點，增加了結構的抗震性能。同時木頭存在易潮的特點，石制柱礎可起到防潮的目的。

3.4.3主樓不同的墻體厚度

主宅的主樓一層墻體厚度為1.6 m，二層墻體1.4 m，三層墻體1.2 m，逐層遞減，利用橋梁力學的原理提高了建筑的穩(wěn)固性，增強了抗震性能。同時厚重的墻體又避免了冬季風沙的侵襲，保證了室內的舒適性。

3.5 三多堂室內舒適度分析

將空間設計、材料應用、技術應用、結構設計中提到的所有被動性措施參數全部在Ecotect軟件中設置，以多福院主樓一層為例，分析其最冷天室內溫度和最熱天室內溫度是否適宜。

根據室內空氣質量國家標準，最適宜人的室內溫度：冬季溫度18～25℃較為舒適，夏季溫度23～28℃較為舒適。圖7和圖8中紫線代表室內溫度，藍色虛線代表建筑室外溫度，由此可以得出，最熱天建筑室外溫度大約在18～34℃之間波動，而經過被動措施的調節(jié)，多福院一樓的室內溫度大約在26～29℃之間波動，平均溫度約為24.8℃，基本滿足標準舒適溫度；最冷天建筑室外溫度大約在零下15～15℃之間波動，而經過被動措施的調節(jié)，室內溫度平均在18.5℃，雖在舒適范圍內，相對來說溫度略微低。總而言之，三多堂采取的建筑被動性措施基本適應當地的氣候[14]。

圖7 最熱天7月9日小時溫度曲線

圖8 最冷天1月5日小時溫度曲線

4 建筑設計語言模式建構

以三多堂為例的太谷縣傳統(tǒng)民居的氣候適應性語言模式并不是特別高深的理論，這是當地的傳統(tǒng)民居在長期實踐中總結出來的適應太谷縣地域氣候的方法。通過這些簡單經濟的方法，達到室內舒適度分析中的室內舒適溫度。這些被動節(jié)能技術是人、建筑、自然完美和諧的結果。針對前述對三多堂的氣候適應性分析，對太谷縣傳統(tǒng)民居的被動性措施進行設計語言模式的初步總結。

4.1 設計語言模式一：主宅坐北朝南

主宅作為主要功能用房，采取坐北朝南的布局方式。在冬季,太陽高度角較小，住宅的門窗朝南，可以讓更多的太陽光線射入室內，從而提高室內的溫度；在夏季，太陽高度角增大，太陽從門窗射入的光線較少，同時可以避開盛夏季節(jié)最熱時段太陽光的直射，從而使室內保持一定的涼意。坐北朝南不僅是為了采光，同時也為了在隆冬季節(jié)讓建筑起到避風、保暖的作用，以此來加強室內在各個時段、各個季節(jié)的舒適度。

4.2 設計語言模式二：適宜厚度的維護結構

建筑的墻體采用的是磚石結構，其保溫隔熱性能和蓄熱能力較為良好。主宅中主樓是整個三多堂建筑群中最靠北的墻體，常年經受著太谷縣冬季偏北季風的侵襲，設計者構思奇妙，以拔地而起的長66 m，高17 m的墻體作為一道屏障，使院內免受季風的侵襲；同時為了保證室內的溫度和出于結構的需要，一、二、三層的墻體厚度自下而上分別設計為1.6 m，1.4 m和1.2 m。這是整個三多堂建筑群中最厚重的墻體，其余墻體則均為500 mm。根據不同的情況將不同位置的墻體設計為適宜的厚度，這種手法值得借鑒，如此既保證了冬季的保溫，又保證了夏季的隔熱，使室內有一個舒適的熱環(huán)境。

4.3 設計語言模式三：內向型封閉空間

在宅院四周，建筑的墻和建筑斷開后的短墻相連接，外圍的建筑大多采用內向型的單坡屋頂，這些垂直元素即臺基、墻體、屋頂，形成了一個四面封閉的內向型空間，私密性極強，且越到院落中心其私密感越強，符合且滿足著使用者內心的安全感。建筑門窗洞口均面向院內開啟，院內的土壤、空氣、水缸等形成了特有的微型環(huán)境，而院內和院落上空由于氣壓差產生的風對流則形成了院落的風環(huán)境。

4.4 設計語言模式四：自南至北逐漸升高的臺基

利用不同高度的臺基造成整個宅院的建筑由南至北的室內地坪差，主宅的房屋室內地坪統(tǒng)一比外宅高，這樣不僅可以使主宅在冬季獲得良好的日照，有利于被動式采暖，而且有效縮短了房屋之間的間距，提高了庭院的土地利用率。同時，抬高的地坪形成了由北至南的排水，主宅的積水可以排到甬道，甬道利用西高東低的地勢再排入外面的街道，解決了主宅的排水問題。

4.5 設計語言模式五：南大北無的窗洞

三多堂的北墻無窗戶，而南墻的窗墻比為1∶1，這是前人根據其生活經驗所采取的傳統(tǒng)民居的建筑設計措施。無窗戶的北墻有效地阻擋了冬季寒風的侵襲；南窗則可以使室內在冬季獲取充分的日照，增大室內的天然采光面積，保證了室內的熱環(huán)境，提高了居住舒適度，減少冬季的建筑能耗。

4.6 設計語言模式六：夏籠布冬窗紙

利用籠布和窗紙的不同性能——即籠布的氣密性比窗紙要好。二者都是在日常生活中常見的材料，且簡單易操作。夏季在窗戶上糊上籠布，既保證了室內外的通風，又避免了陽光的直射；冬季在窗戶上糊上窗紙，則保溫隔風。

4.7 設計語言模式七：火炕

火炕是北方傳統(tǒng)民居中常見的采暖方式。太谷縣的冬季寒冷而漫長，故三多堂中也出現(xiàn)了該種取暖方式。火炕解決了起居問題的同時，又通過炕面散發(fā)的熱量保證室內的溫度。其原理是將植物燃燒的余熱循環(huán)利用，達到能源多次利用的目的，十分環(huán)保，符合現(xiàn)代建筑中強調的“生態(tài)”思想，可以利用現(xiàn)代技術將其改良加以利用[15]。

傳統(tǒng)民居是先祖經過不斷的實踐和經驗積累創(chuàng)造的一種建筑形式，是建筑、人和自然和諧共生的產物。傳統(tǒng)民居的氣候適應性是指建筑在不同的氣候條件下，二者產生一種相互適應的狀況，是建筑和地域性氣候相互耦合的過程。對傳統(tǒng)民居氣候適應性的研究喚起了傳統(tǒng)建筑中的生態(tài)思想，以及對傳統(tǒng)建筑技術的繼承和發(fā)揚，現(xiàn)代民居建筑的設計要對其“去其糟粕，取其精華”，多采取被動性措施，極力營造出耗能少，對生態(tài)環(huán)境破壞力小，且熱舒適度高的室內環(huán)境。