典型渝东南土家族聚落夏季风环境及吊脚楼夏季热环境模拟研究*

孙　雁 李欣蔚



典型渝东南土家族聚落夏季风环境及吊脚楼夏季热环境模拟研究*

孙雁 李欣蔚

摘 要渝东南土家族人民生活在气候湿热的武陵山区，当地土家族的聚落在选址布局、空间形态中反映出利用自然通风进行除湿、降温的技术策略。本文以典型的渝东南土家民居聚落——黔江后坝乡为例，利用Ecotect与CFD软件进行通风模拟研究，分析其利用自然通风进行除湿、降温的技术经验，提出有利于组织通风的典型聚落空间形态，以及其中典型单体——“吊脚楼”的特殊作用。

关键词渝东南；土家族聚落；吊脚楼；自然通风；传统技术

孙雁， 李欣蔚. 典型渝东南土家族聚落夏季风环境及吊脚楼夏季热环境模拟研究[J]. 西部人居环境学刊, 2016, 31(02): 96-101.

* 国家自然科学基金资助项目（51108474）

孙 雁： 重庆大学建筑城规学院，山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，副教授，282232184@qq.com

李欣蔚：重庆大学建筑城规学院，硕士研究生

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

渝东南土家族地区位于湘、鄂、渝、黔四省市交界处的武陵山区，这里的土家族传统民居体现了“适者生存”的自然规律，在人类生产力相对低下的时期，能够适应气候的做法才能被保留下来［1］，因而该地积淀了丰富的生态经验与传统智慧。武陵山区地形地貌多变，全年气候湿润，是山地湿热气候的典型代表［2］，当地土家族聚落的选址布局、空间形态反映出利用自然通风进行除湿、降温的技术策略。对这类聚落的气候适应性进行深入的分析研究，提炼挖掘其内在的生态经验与传统智慧，对当代建筑设计具有重要的借鉴作用。本文以典型的渝东南土家聚落——黔江后坝乡为例，利用Ecotect与CFD软件进行通风模拟研究，分析其利用自然通风进行除湿、降温的技术经验，提出利于组织通风的典型聚落空间形态并验证其中典型单体——“吊脚楼”的特殊作用。

1 聚落选址朝向

传统聚落善于对风向、日照、山体、植被、水体等各自然要素进行巧妙利用，通过规划布局来减少或消除不利因素的影响。

山体的坡向、坡度及聚落距前山的距离影响了地表对太阳辐射的吸收量，地表的温度分布和气流情况。因此在武陵山区，聚落的朝向并非严格遵从“坐北朝南”的习惯，朝向东或西的情况较多［3］。黔江后坝乡位于两条山脉之间，聚落坐落在河谷溪流形成的冲积平坝与其后的山体交汇于缓坡台地上。聚落所在位置海拔750m左右，两侧山脉的垂直高度均在200～300m左右，坡度较陡在30°以上。聚落背山面水，被一条曲折的溪流环抱，溪流与聚落之间相对开阔的平坝被用作耕地（图1）。

图1　后坝乡聚落周边环境情况Fig.1 surrounding environmental conditions of the settlement in Houba Village

河谷为南北走向，聚落整体坐东朝西，处于山体的西坡。当太阳位于聚落正南方向时，聚落南端建筑的南侧山墙受阳光直射，其他建筑由于互遮阳作用，所受日照较少。由2015年6月21日的阴影分布图可知，从10∶15—17∶30聚落所在位置可受到直接太阳辐射，其余时间则处于阴影区。由6月21日正午13∶00时的太阳辐射吸收量分布图可知，太阳辐射吸收量由山谷、山坡到山顶依次升高，山坡与谷底下垫面材质基本相同（均有植被完全覆盖），必然导致山坡较山谷升温更快，形成从山谷吹向山坡的“谷风”。谷风的平均速度约2～4m/s，有时可达7～10m/s。谷风所达厚度一般约为谷底以上500～1000m［4］。在山区无持续主导风向时，可认为白天该聚落所受到的小气候风为“谷风”，可简化为垂直吹向建筑正面的来风。森林及水体等“冷源”距离聚落较远，在此可忽略林源风和水陆风的作用（图2）。

图2　2015年6月21日聚落周边环境太阳辐射及阴影分析Fig.2 solar radiation and shadow analysis of the settlement (2015-06-21）

2 聚落空间形态

该聚落是先房后巷自然生长而来的［5］。建筑布局顺应等高线，与自然融为一体。建筑基地为山体与平坝间的缓坡地带。缓坡被人工平整为三级台地，每级台地间的高差在3m左右。建筑以两处“三合水”院落为主体，由“一字型”单体相连，位于最高的第一级台地上。三合水厢房的吊脚及聚落北端的一座“一字型”单体在下方的第二级台地上。最前排的两处“一字型”房屋在第三级台地上。总体来说，建筑单体与开敞院坝、巷道等外部空间有机的组织在一起，自由中存在着秩序，且分布在不同高度的台地上，沿坡地走势排列（图3）。

图3　聚落照片及平面图Fig.3 pictures and plan of the settlement

3 聚落自然通风模拟分析

3.1 提出问题

（1）聚落先房后巷，自然生长而成的外部空间如院坝、巷道等对通风各有怎样的作用，以及两者之间是否存在协同作用。

（2）建筑单体分布在三级高差较大的台地上，导致了前后排建筑间明显的屋脊高度差。这对于前后排建筑的通风有怎样的影响。

3.2 计算区域及风向的选择

以整个聚落建筑群的体量为参考，聚落东西向宽为30～40m，南北向长为约114m，跨越的垂直高度为12m。前面的农田地带最宽处宽度为100m，背后山体距山脚的垂直高度约为252m。农田地带较为宽阔，在建筑群层面可不考虑对面山体及山脚溪流的影响。为使气流与聚落建筑部分充分作用，计算区域前表面与聚落之间包括了20m宽度的平坝地带。计算区域两侧面与建筑外侧墙体相隔20m。为了体现出背后山体地形对风环境的影响，计算区域高度为90m，包含了50m高的背后山体区域。研究最终选择了长140m、宽170m、高90m的区域作为分析区域（图4a）。

该聚落在无持续主导风向下，所受到的最基本的小气候风为“山谷风”。进行分析的时刻为13∶00，即白天温度最高时。聚落所受到的主要来风为山谷迎面吹来的谷风。根据当地气候资料，夏季黔江地区风力基本在1～2级［6］。所以将虚拟风速设为1m/s，风向为垂直于聚落迎面吹向背后山体（西风）。

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

3.3 简化的分析模型与边界条件的设置

为了将运算量控制在切实可行的范围内，提取地形模型的坡度及分台、建筑群布局等重要信息，过滤掉地形起伏等细节信息和较为微观的建筑信息，此处不考虑吊脚和阁楼等空间的透空面，统一视为封闭。聚落坐落在山体（陡坡地，坡度为31.5°）与平坝交界处的3级缓坡台地上，上级台地和中间台地高度相差3m，中间和下级台地高度相差2.25m，建立计算区域（图4b）。通过gambit前处理软件绘制网格（图4c），采用TGird非结构网格，紧邻建筑的区域局部加密网格，尺寸为0.5m，其余区域网格尺寸为3m。将最上面一级台地的相对高度设为0。并设置边界条件，计算区域的前面、左右面为进风面，上面和后面为出流面，其他表面包括建筑，台地和山体均设为墙面，将距最上一级台地10m高度处来流风速设为1m/s。

3.4 建筑群体尺度的风环境分析

在从下到上三级台地上空分别建立3个不同高度的水平面进行分析，三个水平面距最近的地面高度均为1.5m。

自然形成的巷道对加速巷内的通风起到了重要的作用。由z=-3.75m平面与Z=-1.5m平面可知，前排中央的“一字形”正屋与其北侧的厢房之间的巷道风速为1.26～1.35m/s。Z=-1.5m平面中，东北角的“一字形”正屋与紧邻厢房之间的巷道风速为1.17～1.26m/s。即使巷道两端均处于漩涡区，风速在0.1m/s以下，而巷道中间则有0.451～0.63m/s的持续来风（图5）。

图5　聚落平面风速矢量图Fig.5 plane velocity vectors of the settlement

同时，分层台地使不同高度上的建筑都能受到直接来风，尽可能地降低前排建筑的阻挡作用。传统的L形与三合院的民居围合出了院坝空间，如z=1.5m平面上L形单体与南北向厢房所围成的U形院落，来风平行于院坝周围墙体流动，两侧面风速为1.17～1.35m/s，正屋前表面风速为0.46～0.63m/s。土家人夏天经常乘凉的檐下空间风环境较为理想，当面向庭院坐在檐下时，会不时有凉风从人的侧面吹过，较为舒适。

图6　聚落剖面风速矢量图Fig.6 sectional velocity vectors of the settlement

选择3处典型截面进行分析，当建筑间距较密，高度相差不大时（图6a）来风受到前排建筑的阻挡沿屋顶向上偏转，从建筑上空加速流过，风速达1.53～1.62m/s，后排建筑周边风速均在0.63m/s以下，并未受到主要来风。街巷空间气流向上流动风速为0.54～0.61m/s，而非流向周围建筑和行人。

这个问题在平原地区较为突出［7］。解决方法是调整前后排建筑的屋脊高度差和距离。在图6c中，前后排建筑的屋脊高度差为5.5m，地平层高度差为3m，水平方向间距为10m。来风越过前排建筑刚好吹向后排建筑的厢房，主要使用空间位置风速为1～1.26m/s，一部分气流在建筑形体的影响下向下偏转，吹向庭院空间，风速为0.9～1.08m/s，这样建筑室内外空间都能获得良好的通风。当用地有限，前后排建筑间距较近时（图6b），可以通过增大前后排屋脊高度差改善通风，前后排建筑间距为6.3m，但屋脊高度差较大为3m。越过前排建筑的来风直接吹向后排建筑的阁楼，风速为0.98～1.08m/s。风受到阻挡后向下偏转流向街巷，风速为0.54～0.45m/s，行人能感受到风的吹拂，同时土家传统民居“吊脚楼”下部悬空，可使经过的气流加速楼板下表面的散热。

3.5 结 论

院坝、巷道等外部空间对通风有着不可或缺的作用。巷道的作用在于加速和组织通风，当气流由开阔地带直接流入狭窄的巷道时，风速增大，符合文丘里原理［8］。巷道两侧建筑出檐深远，使巷道较为凉爽。当巷道一端（如内院）空气流速较慢时，气压较高；一端（如聚落外部）空气流速较快时，气压较低。此时巷道中会形成由高压端流向低压端的持续气流，即通过巷道组织通风。

院坝的作用在于组织通风，当外界来风进入一侧对外开敞的院坝时，气流沿院坝周围的墙壁流动，院坝中心形成漩涡区，风速最小，这样使院坝角落处的巷道口有足够的初始风速，檐下空间的风环境也较为理想。聚落内部的院坝无直接来风进入，风速较低，但通过巷道和外界连通时，起到了为巷道的一端提供高压的作用，使院坝中不断有空气通过巷道被吸出。

建筑群高低错落的排列方式有利于前后排建筑间的通风。前后排建筑屋脊高度差不明显时，风受到前排建筑的阻挡，向上偏转后，后排建筑如果与前排建筑间距在3.75倍建筑高度之内（假设前后排建筑高度相等）［9］，则处于风影区之中，不受直接来风，通风较差。当前排建筑屋脊高度与后排建筑檐口高度接近时，后排建筑的阁楼山墙处于前排建筑的风影区范围之外，可受直接来风作用，土家传统民居有阁楼山墙不完全封闭的做法，改善了建筑内部的通风。

综上，在不同高度的台地上建房，增大前后排房屋的屋脊高度差，风从前排建筑屋脊上方向上偏转，仍能被后排建筑拦截，通过山面透空的阁楼空间引入建筑内部。风被后排建筑拦截后少部分向下偏转流入街巷空间，配合巷道对风速的增强作用，风环境良好。L形及U形建筑自然围合形成院坝，可使风沿院坝四周各表面吹过，创造凉爽的檐下空间。

4 聚落中的典型建筑单体——“吊脚楼”的温度模拟分析

聚落中的典型建筑单体，大多是有单边厢房“L”型的“钥匙头”和一正两厢的“三合水”。其正屋建在人工找平的小块平地上，厢房垂直正屋，架空形成吊脚楼。厢房伸出部分皆架空，靠柱子支撑，因而产生了多种利于通风的半室外空间，如吊脚、外廊、阁楼等，既有一部分界面的围合，空气又可在其中自由流动不受阻碍，这样的处理对除湿极为有利，保证了居住空间的通风干燥［10］。

由于吊脚空间与主要使用空间完全由楼板隔开而无直接的空气流动，吊脚空间通风的主要作用在于促进使用空间的散热与除湿。因此，下文在室内温度方面对吊脚楼进行分析。

4.1 典型单体吊脚楼的提取与问题的提出

从上面的后坝乡聚落中提取典型的吊脚楼单体单独进行研究，其主要的组成空间包括吊脚空间（出挑楼板下方形成的半室外空间）、转千子（出挑部分建筑空间周围环绕的檐廊）、阁楼空间及建筑主要使用空间，前三者即为半室外空间或称为辅助空间，它们存在的主要的目的是为了使主要使用空间更为舒适［11］。要探究的问题是上述半室外空间是否能使主要使用空间适应夏季湿热气候，达到降温、通风隔热的目的，以及它们各是如何起作用的。同时通过计算机CFD软件进行辅助分析。

保留吊脚楼的外围护结构，门窗设为完全开启，坡屋面与使用空间之间由楼板隔开形成阁楼，出檐及思檐予以保留。厢房的朝向为南北向，将它的室内部分平均分成2个尺寸、开洞方式及上部阁楼情况完全相同的房间1、2。区别在于房间1为出挑部分，底部完全悬空，距地面高度为3m。建筑一层层高3.6m，屋顶出檐长度为1.2m，坡度为0.5。四周有一圈宽为1m的转千子围绕。而房间2未出挑，底部直接落在水泥地面上。通过比较，综合分析这2个房间在同时受到太阳辐射时的温度分布情况及风环境情况，得知吊脚空间是否对改善居室热环境有所帮助，以及吊脚空间、檐下及外廊空间，阁楼空间对降温隔热各是如何起作用的（图7）。

图7　典型吊脚楼单体模型的提取及简化模型建立Fig.7 extraction and simplified models of the typical stilted building

4.2 参数及边界条件设置

为了使来去气流与建筑主体模型充分作用，同时控制运算量，将计算区域设为长30m、宽24m、高15m的长方体区域，并将前面、左面和右面设为进风面，后面和顶面设为出风面，其他各表面设置为墙面。各表面的热工参数设置如表1［12］。

表1　“吊脚楼”的温度模拟分析材料热工参数Tab.1 material thermal parameters in temperature simulation analysis

边界条件设置：Viscous model（粘性模型）设置中采用k-epsilon（2 eqn）RNG模式湍流模型。辐射模型选择discrete ordinate（DO）模型，Solar Load中选择Solar RayTracing选项，加载重庆地理数据（Lon gitude106.5，Latitude29.6，Timezone+8），辐射日期为2015年6月21日，时间为13∶00，空气湿度设为62％，初始温度设置为27℃。风向及风速的设置与前述聚落一致为西向来风，速度为1m/s。

4.3 吊脚楼温度分布情况分析

由图8a温度分析图可知，下部悬空的房间1室内平均气温为305.5k（32.35℃）。未悬空的房间2室内平均气温为306.19k （33.04℃），在围护结构的其他条件都相同时，出挑楼板下方有持续来风的“吊脚楼”（房间1）的室内温度比楼板未悬空时（房间2）更低。

吊脚楼四周的檐廊形成了室内外间的缓冲空间，由图8b、图8c可知，宽1m的出檐能为檐廊和房间1、2的外墙面遮挡太阳辐射，如图8c中，未被遮盖的地表气温为328.08k（54.93℃），被出檐遮挡的地表温度为319.51k（46.36℃）。由于下部悬空，四周开敞度更高，檐廊上表面温度仅为312.47k（39.32℃）。出檐则为檐下地表面遮挡太阳辐射，使之温度较未被遮挡的地表温度低。

居住空间上部楼板与坡屋顶之间形成的阁楼层可看作一个空气间层。檐下不设封檐可使该空气间层实现通风散热。利用阁楼空间的空气形成隔热层。将屋顶向下传递的热量一部分阻隔在阁楼空间中，使阁楼下方的居住空间获得较阁楼部分更凉爽的居住环境。

此外，除了利用半室外空间遮阳通风，隔热的经验还体现在建筑材料的选择方面，其中以武陵山区特有的地产建筑材料如木材、石材、土砖的应用最为普遍。民居多采用全木结构体系，辅以青石基础及瓦屋面。竹、木是很好的阻热材料，在炎热的夏季，可以避免因围护结构直接吸收太阳热辐射造成的室内温度过高的问题［13］。

图8　吊脚楼温度分析Fig.8 temperature simulation analysis of stilted buildings

4.4 结 论

吊脚空间、檐下空间、外廊空间、阁楼空间等一系列半室外辅助空间对于适应夏季湿热气候是有帮助的。吊脚空间利用悬空楼板遮蔽了太阳辐射，使悬空楼板下方的吊脚空间较室外未受遮蔽的空间更为凉爽，并可获得持续通风，促进悬空楼板的散热，使楼板上方的主要使用空间热量不易积存，温度较低。屋檐则为建筑墙体和檐下的地面遮挡太阳辐射，使主要使用空间的围护结构外表面温度不至过高，从而降低主要使用空间的热量。外廊空间位于挑出部分的主要使用空间周围可以通过出檐为围护结构遮挡太阳辐射，同时外廊空间下部的楼板悬空，可通过自然通风加速散热。阁楼空间相当于一个空气间层，位于屋面和主要使用空间的楼板之间，通过空气为主要使用空间隔热，并通过不设封檐的檐下空间通风散热。总而言之，半室外辅助空间相当于主要使用空间周围附着的隔热层，通过遮阳降温、通风散热等措施，使部分热量不能被传递到主要使用空间，从而改善了主要使用空间的夏季热环境。

5 经验总结及展望

传统土家族聚落采用依山就势、高低错落的布局方式，“吊脚楼”部分架空，轻盈灵活的建造方式对自然通风、除湿、降温有所帮助。土家民居正是利用这些传统的经验智慧经受住了自然的考验，一步步发展到今天。这种原始的地域建筑在技术水平上因地制宜，充分利用地方资源，巧妙合理地利用本地传统建筑技术，从而达到了良好生态效果［14］。

如今，“新农村建设为传统聚落的保护和发展带来了重大机遇。但是，有些村镇领导急功近利，重发展轻保护，使得旧村镇改造与古村落保护的矛盾日益突出，导致了古村落的严重破坏和消亡。［15］”民族地区乡村建设中普遍存在过分偏重经济性及外部风貌的问题，仅仅提取了传统建筑的外观形貌符号，而它们的布局方式、空间特征与利用方式中蕴含的生存智慧被抛弃了。调节室内环境过于依赖于设备，既不利于节约能源，又给居民带来沉重的经济负担。适应当地气候环境的、低技术的地方主义建筑实践具有重要的借鉴价值，山区的居住建筑应顺应山势进行布局，并合理控制前后排建筑的屋面高度差，采取前低后高、前窄后宽的方式排列。布局上采取错列式、斜列式及结合地形特点的自由式等方式，有利于各建筑单体通风。同时，在建筑单体设计上结合地形，利用错层、吊脚、出挑等方式，形成封闭程度不同的半室外空间，如廊空间、吊脚空间等，既能提高空间体验的丰富性，又能起到帮助主要使用空间通风散热的作用。此外，通风阁楼也是一种有效的“低技术”的降温、隔热通风手段，它同时也符合乡村地区居民的生活方式。

20世纪以来，这类富有地域特色的传统建筑受到广泛的重视，在理论与实践上历经大量探索，逐渐演变成为地方主义建筑。如印度建筑师查尔斯·柯里亚，在本土原始建筑的基础上提出的“管式住宅”、“开敞空间”等概念以利用自然的遮阳与通风的效果，在欠发达的炎热干燥地区有效地改善了居住环境，节约了能源［16］。相比之下，我国有关传统生态技术的建筑实践刚刚起步，源自渝东南土家族传统民居的生态智慧，可被应用于西部乡村建筑的生态实践中。

参考文献：

[1] 冯维波. 渝东南土家族山地传统民居聚落的空间特征探析[J]. 华中建筑, 2014 (01): 150-153.

[2] I·L·麦克哈格. 设计结合自然[M]. 芮经纬, 译. 北京: 中国建筑工业出版社, 1992: 57.

[3] 周亮. 渝东南土家族民居及其传统技术研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2005: 47.

[4] 石谦飞, 赵磊磊. 山西晋中地区传统民居风环境数值模拟与评价——以灵石王家大院为例[J]. 四川建筑科学研究, 2013(02): 367-371.

[5] 徐可. 渝东南土家传统民居的地域特质与现代启示[D]. 重庆: 重庆大学, 2005: 45.

[6] 中国气象局气象信息中心气象资料室. 中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2005: 148.

[7] 李涛. 关中窄院民居庭院空间的自然通风定量分析[J]. 西安建筑科技大学学报（自然科学版）, 1993 (S1): 11-19.

[8] 王沛, 曹跃君. 传统民居的自然通风设计探讨[J]. 四川建筑科学研究, 2012(02): 283-286.

[9] 何熹. 闽粤条形民居自然通风的量化分析及现代应用[D]. 天津: 天津大学, 2012: 22.

[10] 汪东升. 江南水乡传统民居自然通风的分析、评价与改善[D]. 安徽: 合肥工业大学, 2013: 16.

[11] 陈杰锋. 潮汕传统村落街巷与民居空间系统的自然通风组织研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2014: 16.

[12] 诺伯特·莱希纳. 建筑师技术设计指南[M].张利, 周玉鹏, 汤玉扬, 等, 译. 北京: 中国建筑工业出版社, 2004: 255.

[13] 覃琳. 土家建筑[M]. 长春: 吉林文史出版社, 2013: 21.

[14] 闵天怡, 张彤. 苏州地区乡土民居“开启”要素的气候适应性浅析[J]. 西部人居环境学刊, 2015, 30(02): 23-35.

[15] 戴志坚. 福建古村落保护的困惑与思考[J].南方建筑, 2014(04): 70-74.

[16] OLGYAY V. Design with Climate: Bioclimatic Approach to Architectural Regionalism[M]. Princeton: Princeton University Press, 1963: 10.

图表来源：

图1：改绘自谷歌地球卫星图

图2、4-8：作者绘制

图3：改绘自周亮. 渝东南土家族民居及其传统技术研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2005: 47.

表1：诺伯特·莱希纳. 建筑师技术设计指南[M]. 张利, 周玉鹏, 汤玉扬, 等, 译. 北京:中国建筑工业出版社, 2004: 255.

（编辑：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

中图分类号TU834.1

文献标识码B

文 章 编 号2095-6304（2016）02-0096-06

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20160218

作者简介

收稿日期：2015-10-06