王肖宇，孟津竹，朱天偉/WANG Xiaoyu, MENG Jinzhu, ZHU Tianwei

1 引言

清福陵位于沈陽(yáng)市東郊，是清太祖努爾哈赤及其皇后葉赫那拉氏的陵墓，為盛京三陵之一。清福陵始建于公元1629年（天聰三年），到公元1651年基本建成。后經(jīng)清朝順治、康熙、乾隆年間的多次修建，形成了規(guī)模宏大、設(shè)施完備的古代帝王陵墓建筑群。初建時(shí)，只稱(chēng)作“先汗陵”或“太祖陵”，崇德元年（1636年）定名為“福陵”，寓意大清江山福運(yùn)長(zhǎng)久[1]。2004年，包括清福陵在內(nèi)的盛京三陵作為明清皇家陵寢的拓展項(xiàng)目被列入世界文化遺產(chǎn)。

建筑熱環(huán)境是指作用在房屋外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的一切熱物理量的總稱(chēng)。熱環(huán)境是用熱輻射、氣溫、濕度及風(fēng)速4個(gè)物理量來(lái)描述的。太陽(yáng)輻射熱是大氣過(guò)程的主要能源，也是建筑熱環(huán)境4個(gè)參量中影響最大的一個(gè)。夏季，對(duì)古建筑防熱來(lái)說(shuō)最不利的情況是在晴天，太陽(yáng)輻射量很大。文物建筑受太陽(yáng)輻射可能造成建筑材料的老化降解（尤其是紫外線輻射），建筑外墻涂料和木構(gòu)架彩畫(huà)在太陽(yáng)輻射作用下也會(huì)發(fā)生褪色現(xiàn)象。太陽(yáng)輻射使固著于文物表面的膠料（如皮膠、桃膠等）發(fā)生老化，進(jìn)而使其黏接固著能力進(jìn)一步降低，造成部分顏料顆粒的脫落。在紫外線的照射下，涂料和彩畫(huà)的某些顏料容易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致顏料變色[2]。太陽(yáng)輻射給文物帶來(lái)的另一個(gè)主要問(wèn)題就是熱，太陽(yáng)光的熱效應(yīng)加速木構(gòu)架彩畫(huà)病害的物理變化和化學(xué)變化的進(jìn)程。白天，在強(qiáng)烈陽(yáng)光照射下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的溫度有時(shí)會(huì)大大高于室外的空氣溫度，文物建筑吸收的所有輻射，都會(huì)轉(zhuǎn)化成熱，其結(jié)果是引起文物建筑表面的熱脹冷縮，干裂起皮或卷曲變形[3]。

本研究以沈陽(yáng)標(biāo)準(zhǔn)氣象年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）數(shù)值模擬和實(shí)際量測(cè)的方法，設(shè)置不同古建筑材料（瓦片、磚石、木材）的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)，模擬清福陵中軸線上的4個(gè)主要古建筑（碑亭、隆恩門(mén)、隆恩殿、明樓）在夏季（7月19日）10點(diǎn)、11點(diǎn)、12點(diǎn)、13點(diǎn)、14點(diǎn)，不同風(fēng)速（1m/s、3m/s、5m/s、8m/s）的太陽(yáng)輻射和溫度升高情況。CFD模擬研究可以為建筑遺產(chǎn)的預(yù)防性保護(hù)提供新的方法和思路。

2 清福陵現(xiàn)存情況與實(shí)際量測(cè)

2.1 文物建筑現(xiàn)存情況

清福陵的布局嚴(yán)謹(jǐn)，層次分明，總面積約19.48萬(wàn)m2，形制為內(nèi)城外郭，由前院、方城和寶城三部分構(gòu)成，自南而北漸次升高。陵寢建筑群保存較為完整，現(xiàn)存古建筑32座，古建筑以神道為中軸線對(duì)稱(chēng)分布，是融滿(mǎn)漢民族特色于一體的皇陵建筑群，既不同于明朝的陵墓，也不同于清朝入關(guān)后建造的陵寢[4]。

根據(jù)2016年10月 – 2018年5月項(xiàng)目組成員的實(shí)地調(diào)研、測(cè)繪和勘察，沈陽(yáng)清福陵的主體建筑雖然保存基本完好，但大部分古建筑普遍存在由于太陽(yáng)輻射造成的破壞侵蝕現(xiàn)象，存在瓦頂、磚墻、木結(jié)構(gòu)干裂；木結(jié)構(gòu)起皮；瓦片、涂料、彩畫(huà)褪色（圖1）等病害。其中，碑亭墻體掉漆，門(mén)框掉漆，隆恩門(mén)券臉石、腰線石、角柱石上紋飾掉漆嚴(yán)重。木門(mén)門(mén)皮掉落嚴(yán)重，露出內(nèi)部材料，底部缺失。隆恩門(mén)樓柱子有多處掉漆，斗拱有劈裂。木頭干裂。彩繪掉色，油漆干裂脫落。隆恩殿外部的柱子有干裂現(xiàn)象；瓦頂局部瓦片掉落，門(mén)窗變形。明樓東西南北4個(gè)方向的木門(mén)都有漆皮掉落的現(xiàn)象，其中南門(mén)破損較為嚴(yán)重[5]。從國(guó)家文物局回復(fù)遼寧省文物局關(guān)于清福陵保護(hù)修繕意見(jiàn)函中記載，清福陵已經(jīng)多次對(duì)文物建筑構(gòu)件進(jìn)行局部修補(bǔ)、添配、剔補(bǔ)、補(bǔ)色，包括木構(gòu)件的修補(bǔ)加固，添配琉璃構(gòu)件修補(bǔ)材料，補(bǔ)配瓦件，補(bǔ)配琉璃瓦顏色，補(bǔ)充文物建筑立面色彩，調(diào)整油飾內(nèi)容等[6]。

1 主要古建筑現(xiàn)狀照片（攝影：王肖宇）

2.2 溫度實(shí)際量測(cè)

沈陽(yáng)位于東北地區(qū)南部，遼寧省中部，地理坐標(biāo)：北緯41°12′～43°02′，東經(jīng) 122°25′～123°48′。沈陽(yáng)地區(qū)年平均氣溫為6～8℃。7月是一年之中最熱的月份，平均氣溫為23～27℃，一月最冷，平均氣溫為-13～-11℃。地面最高溫度出現(xiàn)在7月，為63℃，最低溫度出現(xiàn)在1月，為-38℃，溫度相差101℃。根據(jù)沈陽(yáng)市的典型氣象年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)CSWD1），沈陽(yáng)地區(qū)一年的太陽(yáng)輻射量平均值為13.13MJ/m2，最大值可以達(dá)到29.64MJ/m2（圖2）。太陽(yáng)輻射不僅與地理?xiàng)l件、氣候條件有關(guān)，而且每天隨著太陽(yáng)高度角的變化在同一地點(diǎn)因時(shí)間而異。根據(jù)沈陽(yáng)太陽(yáng)輻射隨時(shí)間的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，在中午13點(diǎn)之后，太陽(yáng)的紫外線強(qiáng)度最大。沈陽(yáng)地區(qū)7月最熱，每日平均氣溫高溫在28～29℃之間，極少低于24℃或超過(guò)32℃。低溫在20～21℃之間，極少低于17℃或超過(guò)24℃。7月的平均風(fēng)速為3.64～3.86m/s，主要風(fēng)向是南風(fēng)。太陽(yáng)輻射（包括可見(jiàn)光和紫外線輻射）整個(gè)月份平均值為18.58MJ/m2[7]。

2019年7月19日天氣晴朗，風(fēng)速較小。項(xiàng)目組成員選取這一天對(duì)沈陽(yáng)清福陵進(jìn)行了古建筑實(shí)地溫度測(cè)量。測(cè)量?jī)x器為溫濕度測(cè)試儀、紅外線測(cè)溫儀和風(fēng)速測(cè)量?jī)x（表1）。項(xiàng)目組實(shí)地測(cè)量了7月19日當(dāng)天10點(diǎn)、11點(diǎn)、12點(diǎn)、13點(diǎn)、14點(diǎn)共5個(gè)時(shí)間點(diǎn)（表2），清福陵古建筑的瓦頂、彩畫(huà)、磚墻、門(mén)窗、臺(tái)階和室外地面共6個(gè)建筑構(gòu)件的表面溫度（表3）。

2 沈陽(yáng)地區(qū)太陽(yáng)日總輻射年變化圖（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[7]）

表1 清福陵熱環(huán)境測(cè)試儀器

表2 2019年7月19日清福陵實(shí)地天氣情況

表3 2019年7月19日清福陵文物建筑實(shí)測(cè)溫度

3 研究方法與模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 建立模型

本研究運(yùn)用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）軟件[8]對(duì)清福陵16處古建筑進(jìn)行夏季太陽(yáng)輻射和熱環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)。根據(jù)項(xiàng)目組成員的實(shí)地測(cè)繪圖紙，首先在CFD軟件中建立清福陵16個(gè)古建筑的簡(jiǎn)略模型（圖3）。為了將運(yùn)算量控制在切實(shí)可行的范圍內(nèi)，僅提取建筑模型的重要信息，過(guò)濾掉屋頂起伏、欄桿雕飾等較為微觀的建筑信息。古建筑室外地面鋪砌的磚石也是需要保護(hù)的建筑遺產(chǎn)，也對(duì)其建立了模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。本文僅針對(duì)清福陵中軸線上4個(gè)主要古建筑（碑亭、隆恩門(mén)、隆恩殿、明樓）的不同位置、不同材料、不同風(fēng)速設(shè)定參數(shù)，進(jìn)行太陽(yáng)輻射和熱環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)。

3 沈陽(yáng)清福陵7月19日13點(diǎn)太陽(yáng)位置（模擬建立模型）

3.2 參數(shù)設(shè)置

為了使氣流與建筑主體模型充分作用，同時(shí)控制運(yùn)算量，將計(jì)算區(qū)域設(shè)為長(zhǎng)1200m、寬400m、高70m的長(zhǎng)方體區(qū)域。選用Viscous model（粘性模型）設(shè)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 Ray Tracing選項(xiàng)，加載沈陽(yáng)地理數(shù)據(jù)（Longitude123.27.5，Latitude41.44.6，Timezone+8），輻射時(shí)間定義為沈陽(yáng)地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象年夏至日（7月19日）10點(diǎn)、11點(diǎn)，12點(diǎn)、13點(diǎn)、14點(diǎn)，室外溫度采用實(shí)測(cè)氣溫，設(shè)置3種不同古建筑材料（瓦片、磚石、木材）的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)[9]（表4）。模擬不同風(fēng)速（1m/s、3m/s、5m/s、8m/s）的情況下，記錄清福陵中軸線上的4個(gè)主要古建筑（碑亭、隆恩門(mén)、隆恩殿、明樓）的太陽(yáng)輻射和溫度升高情況。

表4 清福陵的溫度模擬分析材料熱工參數(shù)（王肖宇基于參考文獻(xiàn)[9]繪制）

4 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

4.1 實(shí)測(cè)溫度與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)項(xiàng)目組2019年7月19日的實(shí)測(cè)溫度與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)主要古建筑瓦頂、磚墻、臺(tái)階、室外地面在12點(diǎn)、13點(diǎn)、14點(diǎn)的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量溫度最為接近，平均相差5℃ 以?xún)?nèi)。古建筑瓦頂、磚墻、臺(tái)階、室外地面實(shí)際測(cè)量大都在太陽(yáng)直接輻射之下，沒(méi)有遮擋的情況下與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)相差較?。欢緲?gòu)架門(mén)窗和彩畫(huà)實(shí)際量測(cè)點(diǎn)如果在瓦頂和墻體形成的陰影中，有遮擋的情況下與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)相差稍大（圖4）；隆恩門(mén)實(shí)測(cè)溫度的位置石門(mén)框沒(méi)有遮擋、不在陰影中，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)相差較小。

4.2 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

清福陵4個(gè)主要古建筑（碑亭、隆恩門(mén)、隆恩殿、明樓）的不同位置、不同材料、不同風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下。

（1）太陽(yáng)輻射和熱環(huán)境能夠?qū)ι蜿?yáng)清福陵建筑遺產(chǎn)造成破壞侵蝕。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度（Solar mediation intensity）是表示太陽(yáng)輻射強(qiáng)弱的物理量，稱(chēng)為太陽(yáng)輻射量，單位是W/m2。建筑遺產(chǎn)表面溫度升高與太陽(yáng)輻射量（輻射熱）、周?chē)h(huán)境對(duì)流換熱、建筑自身導(dǎo)熱系數(shù)都密切相關(guān)[3]。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越大，建筑溫度升高越多，對(duì)建筑遺產(chǎn)造成的破壞侵蝕越大。4個(gè)主要古建筑（碑亭、隆恩門(mén)、隆恩殿、明樓）在7月19日13點(diǎn)，風(fēng)速為1m/s時(shí)，木構(gòu)架的門(mén)窗彩畫(huà)的太陽(yáng)輻射量大于磚石的墻體臺(tái)階和瓦片的屋頂。隆恩門(mén)的木構(gòu)架彩畫(huà)的太陽(yáng)輻射量最大，達(dá)到2546.31W/m2，溫度升高值最大，達(dá)到311.48K（38.33℃）。碑亭的磚石墻體太陽(yáng)輻射量最小，達(dá)到2374.08W/m2，瓦片的屋頂溫度升高值最小，達(dá)到304.28K（31.13℃）（表5、圖5）。

（2）太陽(yáng)輻射量與太陽(yáng)高度角有很大關(guān)系。相同材料情況下，太陽(yáng)高度角越大，太陽(yáng)輻射量越大。實(shí)驗(yàn)?zāi)M相同材料不同位置的熱環(huán)境，同樣是磚石材料，結(jié)果顯示，在7月19日13點(diǎn)，4個(gè)主要古建筑南向墻面同一標(biāo)高處20個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值，臺(tái)階位置（傾斜角度與13點(diǎn)太陽(yáng)角度形成夾角最大）的太陽(yáng)輻射量比地面位置和墻體位置（傾斜角度與13點(diǎn)太陽(yáng)角度形成夾角最?。┒级?。碑亭臺(tái)階位置比地面位置的太陽(yáng)輻射量多26.96W/m2，比墻體位置多52.98W/m2；隆恩門(mén)臺(tái)階位置比地面位置太陽(yáng)輻射量多40.02W/m2，比墻體位置多31.46W/m2；隆恩殿臺(tái)階位置比地面位置太陽(yáng)輻射量多64.72W/m2， 比墻體位置多26.03W/m2；明樓臺(tái)階位置比地面位置太陽(yáng)輻射量多59.24W/m2，比墻體位置多131.59W/m2（表6、圖6）。

4 主要古建筑實(shí)測(cè)溫度與模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 主要古建筑太陽(yáng)輻射和溫度模擬結(jié)果

6 主要古建筑太陽(yáng)輻射量和太陽(yáng)高度角的關(guān)系（ 3-6 繪制：王肖宇 ）

（3）相同位置不同材料的太陽(yáng)輻射量不同，溫度升高值不同。設(shè)定4個(gè)主要古建筑墻體同一位置，同一標(biāo)高處20個(gè)測(cè)試點(diǎn)材料分別為瓦片、磚石、木材進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示，在7月19日13點(diǎn)，木材比瓦片的太陽(yáng)輻射量和溫度升高值大；瓦片比磚石的太陽(yáng)輻射量和溫度升高值大。在同一位置，碑亭木材比瓦片的太陽(yáng)輻射量多8.61 W/m2，溫度高0.1 ℃；比磚石多54.42W/m2，溫度高0.57 ℃；隆恩門(mén)木材比瓦片的太陽(yáng)輻射量多10.09 W/m2，溫度高0.13℃；比磚石多60.23W/m2，溫度高0.7 ℃；隆恩殿木材比瓦片的太陽(yáng)輻射量多13.84W/m2，溫度高0.2℃；比磚石多78.90W/m2，溫度高1.09℃；明樓木材比瓦片的太陽(yáng)輻射量多8.21W/m2，溫度高0.07℃；比磚石多52.25W/m2，溫度高0.54℃（表7、圖 7）。

（4）一定的風(fēng)速可以改善建筑太陽(yáng)輻射和熱環(huán)境[10]。實(shí)驗(yàn)?zāi)M4個(gè)主要古建筑在風(fēng)速為3m/s、5m/s和8m/s時(shí)的太陽(yáng)輻射和熱環(huán)境情況。結(jié)果顯示，在7月19日13點(diǎn)，風(fēng)速在3m/s時(shí)，4個(gè)古建筑的太陽(yáng)輻射量平均值達(dá)到2454.13W/m2，溫度平均值311.39K（38.24℃）。風(fēng)速在5m/s時(shí)，4個(gè)古建筑的太陽(yáng)輻射量平均值達(dá)到2433.51W/m2，溫度平均值310.66K（37.51℃）。風(fēng)速在8m/s時(shí)，4個(gè)古建筑的太陽(yáng)輻射量平均值達(dá)到2401.83W/m2，溫度平均值310.15K（37℃）（圖5）。相比較風(fēng)速在3m/s的情況，風(fēng)速在5m/s時(shí)，太陽(yáng)輻射量降低20.62W/m2，溫度降低0.73℃；風(fēng)速在8m/s時(shí)，降低52.3W/m2，溫度降低1.24℃（表8、圖8）。

表5 古建筑不同材料20個(gè)測(cè)試點(diǎn)的太陽(yáng)輻射量和溫度平均值

表6 古建筑相同材料（磚石）不同位置20個(gè)測(cè)試點(diǎn)的太陽(yáng)輻射量和溫度平均值

表7 古建筑相同位置（墻體）不同材料20個(gè)測(cè)試點(diǎn)的太陽(yáng)輻射量和溫度平均值

5 結(jié)論

本研究運(yùn)用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）數(shù)值模擬和實(shí)際量測(cè)的方法，設(shè)置不同古建筑材料（瓦片、磚石、木材）的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)，模擬了清福陵中軸線上的4個(gè)主要古建筑（碑亭、隆恩門(mén)、隆恩殿、明樓）在夏季（7月19日）10點(diǎn)、11點(diǎn)、12點(diǎn)、13點(diǎn)、14點(diǎn)不同風(fēng)速（1m/s、3m/s、5m/s、8m/s）的太陽(yáng)輻射和溫度升高情況。經(jīng)過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，整理出以下結(jié)論：（1）實(shí)際量測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果在建筑構(gòu)件無(wú)遮擋的情況下較為接近，模擬數(shù)據(jù)可以作為參考。CFD模擬研究可以為建筑遺產(chǎn)的預(yù)防性保護(hù)提供新的方法和思路；（2）太陽(yáng)輻射和熱環(huán)境能夠?qū)ι蜿?yáng)清福陵建筑遺產(chǎn)造成破壞侵蝕。在7月19日13點(diǎn)，隆恩門(mén)的木構(gòu)架彩畫(huà)的太陽(yáng)輻射量最大，達(dá)到2546.31W/m2，溫度升高值最大，達(dá)到311.48K （38.33℃）?？赡茉斐山ㄖ牧系睦匣到?、褪色、變色、熱脹冷縮、干裂起皮或卷曲變形；（3）太陽(yáng)輻射量與太陽(yáng)高度角有很大關(guān)系。相同材料情況下，太陽(yáng)高度角越大，太陽(yáng)輻射量越大。在7月19日13點(diǎn)，臺(tái)階位置（傾斜角度與13點(diǎn)太陽(yáng)角度形成夾角最大）的太陽(yáng)輻射量大于地面位置和墻體位置；（4）相同位置不同材料的太陽(yáng)輻射量不同，溫度升高值不同。在7月19日13點(diǎn)，木材接收到的太陽(yáng)輻射量最大，溫度升高值最多；（5）一定的風(fēng)速可以改善建筑太陽(yáng)輻射和熱環(huán)境。相比7月19日13點(diǎn)，風(fēng)速在3m/s的情況，風(fēng)速在5m/s時(shí)，太陽(yáng)輻射量降低20.62W/m2，溫度降低0.73℃；風(fēng)速在8m/s時(shí)，降低52.3W/m2，溫度降低1.24℃。

表8 古建筑相同位置（瓦頂）不同風(fēng)速20個(gè)測(cè)試點(diǎn)的太陽(yáng)輻射量和溫度平均值

通過(guò)預(yù)測(cè)性分析研究夏季太陽(yáng)輻射和熱環(huán)境對(duì)建筑遺產(chǎn)造成的破壞侵蝕，可以及時(shí)地提出相應(yīng)的建筑遺產(chǎn)的重點(diǎn)構(gòu)件和重點(diǎn)部位的預(yù)防加固措施。例如，可以加固屋頂、墻體、地面、臺(tái)基、臺(tái)階的材料；對(duì)門(mén)窗、柱子、斗拱的裂縫、脫皮、磨損進(jìn)行填補(bǔ)，重新涂漆，對(duì)彩畫(huà)顏料滲透加固[11]。栽種適量綠植可以在夏季遮擋部分陽(yáng)光，通過(guò)植物蒸騰作用減少建筑遺產(chǎn)的輻射面積，降低周?chē)h(huán)境溫度[12]。這些都是本研究的后續(xù)工作。

7 主要古建筑相同位置不同材料的太陽(yáng)輻射量和溫度值圖

8 主要古建筑不同風(fēng)速的太陽(yáng)輻射量和溫度值

（7.8 繪制：王肖宇）

注釋

1）來(lái)源于清華大學(xué)和中國(guó)氣象局的數(shù)據(jù)，是國(guó)內(nèi)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，包括氣溫、水平面總輻射強(qiáng)度或法向直射輻射強(qiáng)度、水平面散射輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度、云量、降雨量