晋北防御性聚落营造技术的气候适应性
——以天镇县安家皂村为例

石谦飞， 吕 洁

(太原理工大学建筑学院， 太原 030027)

目前对于晋北地区防御性聚落的研究，多为长城周边军事聚落的研究，并集中在历史、地理、建筑等领域。各高校及科研院所的相关科研机构依托国家或省部级科研课题也开展了对明代长城军事聚落与防御体系的研究。吴蓓等[1]对军事聚落的演变方式的相似与差异在沿海防御以及长城防御方面进行了对比。王绚[2]通过对防御性建筑空间进行多角度多方位的剖析，揭示其形态内涵及空间特性，并由此引申探讨了堡寨建筑空间与社会运作的关联；王绚[3]从外围建构、内部组成、细部处理等方面对堡寨聚落的空间内涵与文化个性进行了研究。对防御性聚落的分布情况、现存状态、类型形制、内部结构等虽有了较全面的认识，但在营造技术以及当代利用等方面仍然缺乏系统的研究。武晓宇[4]对晋北边关地域性的营造技艺的研究，提出了对其的传承进行切实的保护方法；郑志明等[5]分析了军事性堡寨传统村落的空间构建特色，对该类型的村落保护发展提供了思路。而对于防御性聚落营造技术的研究，可对山西传统村落营造技术的研究进行补充，完善山西传统民居的研究体系。

安家皂村在明朝时期的村落性质为军堡，后期转变为村堡，是晋北典型的传统村落。现从气候适应性的角度出发，对于晋北村堡营造技术进行研究。安家皂村堡内民居、寺庙等建筑类型多样，生活、生产、防御设施齐全，功能体系完备，是极具地域建筑特质和厚重历史沉淀的防御性聚落营造实例，是研究村堡建设营造和当地民俗风情的重要活态样本。

1 安家皂村概况

安家皂村地处天镇县丘陵边缘地区，背靠黑龙洞山，濒连桑干河平原，土地广阔，水源丰富(图1)。属大陆性季风气候，四季分明。辽宋时期，由永安村更名为安家灶。自宋以来，官府推行榷盐制度，安家皂村土壤富含盐碱，每逢春季，村民就刮土淋卤，烧制盐碱。明代以后，安家灶改名为安家皂村。安家皂村地处边陲，历史上是汉族与北方少数民族杂居之地，战乱频繁，屡遭迁徙。明洪武二十六年，创立了卫所制，安家皂村是天成卫下辖43个堡寨之一，修建了堡寨作为明军驻守养马之地。因此安家皂古堡能够反映明清时期的防御性聚落的特色以及价值。

图1 安家皂村平面示意图Fig.1 Schematic diagram of Anjiazao Village

2 村堡建筑营造技术特点

明朝期间，设立卫所，出于军事编制和设施建制的需要，以“皂”命名的村庄为军马司牧之地。因此在战争期间，安家皂村可归类为军事型防御性聚落。后期战争结束，安家皂村由兵堡转变为民屯，是以居住生活为主，辅以安全防御的村堡类型。

2.1 聚落整体

2.1.1 空间布局

安家皂村堡呈长方形(图2)，南北长约为320 m，东西宽约为210 m。堡墙为沙土结构，环绕整个城堡，堡墙基宽7 m，高15 m，顶宽1.5 m。为利于防守，堡寨的堡门的数量一般较少，一般为一门或两门。村堡不同于军堡，堡门外不设置关城和瓮城，有些村堡虽有瓮城，但规模不及军堡。安家皂堡内沿中轴线建有拱形堡门，街道两旁为民居，其间还建有庙宇楼阁以满足居民祈求平安的心理需求。城堡北端建有真武庙，突显了该村堡的军事功能，南端建有观音殿，反映了居民对于平安健康，风调雨顺的精神追求。

图2 安家皂古堡示意图Fig.2 Schematic diagram of Anjiazao Castle

2.1.2 街道布局

村堡中间是一条7 m多宽的南北向大街，东西两旁有对称的小巷各5条。图3所示的街道是聚落的骨骼脉络，是重要的基础设施。安家皂村早期有7条主干道，为四纵三横布局。后期新开南北路3条。村堡的街道布局以方便、简洁为主，主要为堡内的居民服务。且在街道的材质选择上，主要以夯土筑路。后期安家皂村才改为砖石路。

图3 安家皂古堡道路分布及节点示意图Fig.3 Road distribution and node diagram of Anjiazao Ancient Castle

2.2 院落整体

安家皂村院落可分为3种格局。

(1)四合院。属于质量较好院落。由正房、厢房、倒座组成(图4)。院落部分较为窄小，起到了防风保温的作用。门外配置石门槛、石鼓、门墩、上马石、拴马桩等。大门口铺设石台阶，台阶以里为门道，两侧有门墩各一个，门墩上安装固定的大门框和闸板。门内设“照壁”，为砖雕造型。

图4 四合院Fig.4 Quadrangle courtyard

(2)土房院：土房院是简化的四合院，多为普通乡民居住，为南北相向两排布局，偶有人家配有东西房(图5)。

图5 土房院Fig.5 Earthen house

(3)窑洞院：院落中质量最低，造价最少的房屋院落。屋顶和墙体较厚，有较强的抗寒防暑功能，冬暖夏凉(图6)。

图6 窑洞院Fig.6 Cave courtyard

2.3 建筑单体

(1)四合院内正房为三开间或五开间。厢房多做三开间，用于居住或储物。倒座也可用于居住和储物，形制按院落大小和使用需求而定，间数与正房相同。结构设计合理，使用“四梁八柱”构造，由顶柱、横梁、檩条支成骨架，然后垒墙。取得功名的人家房屋顶上建有“五脊六兽”等装饰。建筑用料较好，木材全部为上乘的松杄木。正房全部双檩双梯，出檐挑飞，有的甚至前檐一排三道檩条，称为“实垛三”。根基全部使用条石垒砌，墙体绝大部分为砖灰结构。也有部分使用砖灰的墙体，如内软外硬或穿鞋戴帽墙体。墙体一般外墙37 cm厚，间墙24 cm厚。门窗在明末清初为方八块结构，清代中期为海棠池的格式。

(2)土房院建房不使用砖瓦等原材料，墙体用土夯成或用土坯垒成，椽、檀使用杨柳木材，房顶用泥土压实。

(3)窑洞房除门窗外，全部不用木料和砖瓦，墙体用沙土夯成或用砂墼(未烧的砖坯)垒成，因其顶承重较大，墙体厚度一般约为1 m。窑顶用秸秆和泥土料制成的辋墼碹成。

3 村堡建筑营造技术的气候适应性

气候对于一个村落的营造技术有着莫大的影响，包括村落的选址、规划，院落的布局以及单体建筑的建设。安家皂村地处倾斜平原区，土地广阔。属北温带大陆性季风气候，冷热分季明显，昼夜温差明显。春季少雨，风多且大，温度回升快；夏季短暂；秋季降温迅速，气候凉爽；冬季雨雪稀少，寒冷干燥。

3.1 气温与降水适应性影响

3.1.1 气温特征适应性

安家皂村秋季气温开始降低,冷空气侵入，风速增大,冬季受大陆高压区控制,高压中心位于蒙古西部，盛行西北风,常发生剧烈降温和大风。以气温稳定通过≤0 ℃为冬季,一般持续135 d,一月平均气温≤-10 ℃的严冬期可达3个月。多年平均气温为7.5 ℃,一月平均气温-10 ℃，极端最低气温为-38 ℃(2010年1月5日)。8—12月份,每月以6.2 ℃左右降温,为最大降温期(图7)。

安家皂村多风少雨，早晚温差较大。在院落的布局以及建筑材料的使用中，更加注意防风保暖。安家皂村民居以四合院、土房院以及窑洞院为主。四合院内部院落空间较小，减少风的进入。建筑以单层为主，三面围墙做厚实墙体。不同的建筑材料有着不同的物理特性，建筑除了门窗部分使用木材外，其余均用砖、土等为主要材料。土房院与窑洞院主要使用土料(图8、表1)，夏季起到隔热的作用，冬季则能够吸收太阳辐射的热量，对室内温度进行调节，起到保温作用。

图7 安家皂村年平均气温Fig.7 Annual mean temperature of Anjiazao Village

图8 生土墙体材料Fig.8 Raw earth wall material

表1 建筑材料特性及示意图

3.1.2 降水特征适应性

安家皂村年平均降水量约为400 mm，年降雨天数79 d，最多为96 d，最少为64 d；极端年最大降雨量672.1 mm，极端年最少降雨量227 mm。降雨集中在6—8月份，7月最多。本地蒸发量大于降水量，5、6月份蒸发量最大，大于260 mm；1月、12月蒸发量最小，平均约为40 mm，历年蒸发量为降水量的4倍多，尤其是春季和初夏差值最大，干旱特别严重(图9)。

图9 安家皂村平均降水量与平均湿度Fig.9 Average precipitation and average humidity in Anjiazao Village

在安家皂村落选址时，居民生活对于水源有着基本要求，因此，村落选在了桑干河附近，地处富水区。在村落内部，由于地下水位较浅，居民可在院中挖水井，以满足日常生活需求。

3.2 热环境适应性影响

3.2.1 太阳辐射影响

安家皂村冬至日的太阳高度角为26°34′。年平均日照数在2 600～3 000 h,按季节划分：春季759.6 h,夏季769.4 h,秋季为668 h,冬季607.5 h。日照对于建筑的院落形式以及建筑的排布有着重要的影响。而太阳辐射是日照的主要来源。在建造院落与建筑单体时，居民对于太阳辐射及其方位，建筑形态以及院落形态等因素关联性的考虑，在进行营造时保证了冬季采光保暖效果[6]。

图10 大寒日四合院各时段日照情况Fig.10 Insolation conditions of quadrangle courtyards in different periods on Major Cold Day

图10为安家皂村四合院在大寒日各时段的日照情况。一天内中午(12：00)时段太阳入射角最大，所以厢房并不遮挡正房的采光。而上午(9：00)、下午(15：00)的入射角虽然较小，厢房对于正房的采光影响也较小，但是对于夏季西晒有着一定的有利影响，其能够遮挡一定的太阳光以减少正房内部热量的积累，调节内部温度。在院落建造时，由于太阳方位角以及太阳高度角的变化，房屋组合接近正南正北排列，并且根据安家皂村的实际太阳高度角进行修建。安家皂村冬季寒冷，居民获得采光与热量的方式大多都通过太阳照射，因此，偏南的方向是民居建筑的最佳朝向[7-9]。

选择村内院落尺度适中的有倒座四合院为例，图11为冬季大寒日院落地面太阳辐射累计值计算图，图12为各时段院落主体太阳辐射累计值计算图。可以看出，院落的内部热辐射适中，在冬季也能保持较高的辐射量。因此四合院这种围合方式，在安家皂村这个寒冷地区的堡寨中，不仅对于私密性以及防卫性有所保障，也能够维持冬季院落的温度，提高居民的舒适度。如图13所示，由于厢房的遮挡，局部太阳辐射较弱，但能够保证一定量的太阳辐射的进入，能够对室内热环境起到一定的作用。根据各房正立面的辐射状况来看，厢房与倒座的太阳辐射较弱，因此多用做储物。

图11 院落地面太阳辐射累计值计算图Fig.11 Calculation diagram of cumulative solar radiation on the ground of the courtyard

图12 各时段院落主体太阳辐射累计值计算Fig.12 Calculation of cumulative solar radiation value of courtyard main body in each period

图13 院落内各建筑正立面太阳辐射累计值计算图Fig.13 Calculation diagram of cumulative solar radiation values of front facades of each building in the courtyard

3.2.2 建筑围护结构影响

围护结构能够维持建筑内部的热环境稳定性，在室外温度波动较大时，能够稳定室内温度，使室内的温度达到能够维持人体所需的标准。

(1)窗户：《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 26—2018)中规定严寒地区南向窗墙面积比限制为0.45。安家皂村民居的窗墙比约为0.48。大面积的开窗能大量接收太阳辐射以及光照，在维持屋内照明条件的同时，提高屋内的温度。窗户是房间保温的重点部分，但其热阻与其他围护结构相比非常小，因此，居民多设双层窗户，以减少冷空气的进入和热量的传递，增加房屋的保温性能。

(2)墙体：民居墙体部分采用加厚墙体，所有墙体采用生土烧制的砖，里层是土坯，外层是黄土烧制的砖，减少了热量的传递。当清晨与夜晚的气温升高或降低时，热惰性大的生土材料不能很快的导热，因此室内的温度变化不会有较大的起伏，并且在白天可以吸收热量，晚上向屋内传递热量，起到了保温的作用(图14)。

图14 墙体构造Fig.14 Wall structure

图15 四合院屋顶构造Fig.15 Roof structure of quadrangle courtyard

(3)屋顶：由图11可以看出，在整个院落中，屋顶接收的太阳辐射最为强烈。四合院民居屋顶采用砖瓦材料，瓦片颜色较深，可以大面积的吸收太阳辐射。如图15所示，四合院屋顶铺设黏土层，而窑洞房的屋顶则采用秸秆与泥土的组合，均起到了一定的保温作用。

3.2.3 室内取暖设施

安家皂村用于居民居住的四合院以及窑洞内一般设有炕。炕的长度与屋内开间宽度相等。火炕一般由砖垒砌，下设烟道，有烟口和灶口。灶口添柴，烟口排烟。灶口与灶台相连，可以利用做饭时烧柴的热量使火炕发热。火炕位于窗下，冬季可以对冷空气起到一定的预热，而火炕本身的热量可以传递到屋内各地，提高了室内的温度。在冬季，烧炕的房间内温度可以达到15 ℃以上。由此可见，烧炕是维持室内舒适度的重要生活设施[10-12]。

3.3 风环境适应性影响

本地风向以北风、西北风为主导风向,夏季多为南风和东南风,春冬季多为西北风。一年四季4、5月风速最大，均3.9 m/s以上；8月份最小，在1.9 m/s以下。一日内,夜间到次日凌晨风速小,日出前尤其小，日出后渐强,下午13:00—15：00最大,之后渐减。选择村内院落尺度适中的无倒座四合院为一号院落，院落尺度较小的无倒座四合院为二号院落，院落尺度适中的有倒座四合院为三号院落(图15)，利用Phoenics流体力学软件进院落内部风环境分析，以探究院落营造技术的适应性。安家皂村地处晋北，冬季以西北风为主导风向，因此分析时以西北风为模拟风向[13-16]。图16为院落平面示意图。

图16 院落平面示意图Fig.16 Schematic diagram of the courtyard

3.3.1 村落建筑布局

风环境是一个村落布局的重要因素。利用自然风且正确引导自然风，有利于村落内获得良好的风环境以及自然通风，在建筑排布中，适应当地的排布方式能够有助于处理好自然环境与人造建筑的关系，能够恰当的利用自然环境为人类服务。

建筑的排布方式主要有并列式、错列式、斜列式、自由式以及周边式。以院落为一个单元，且在堡寨式聚落之中院落排列整齐，安家皂村院落布局为常见的并列式的排列方式。图17、图18分别为在5.0 m/s的西北风场下，室外1.5 m高度处的风速云图以及风压云图。可以看出，在并列式的排布方式下，村落内部的风速较低，风压风场分布均匀，降低了冬季西北风场对于村落的影响，利于居民居住环境的保温效果。此地夏季主导风为东南风，在主导风的上风向，一般布置厢房以及倒座，与正房相比较窄且较矮，有利于气流的进入，能够保证夏季室内通风流畅。

图17 院落排布风速图Fig.17 Wind speed distribution diagram of courtyard

图18 院落排布风压图Fig.18 Wind pressure diagram of courtyard arrangement

3.3.2 院落组合布局

图19(a)为一号院落在5.0 m/s的西北风场下，该院落室外1.5 m高度处的风速云图。可以看出，对于院落整体，室外最低风速出现在院落东南角处以及院落内部，风速约为0.8 m/s。最高风速出现在西北角以及正房墙角处，约为2.8 m/s。院落内部风速基本在2.0 m/s以下。图19(b)为一号院落为在5.0 m/s的西北风场下，该院落室外1.5 m高度处的风压云图。可以看出，院落最大风压分布在西部以及西北角，约为4.1 Pa。最小风压分布在东部以及院落内部，约为-2.0 Pa。主要压力分布在西北部，以及正房的北部。在冬季时，对于院落整体来说，院落外部与院落内部压差减小，但还是高于5 Pa，这对冬季室内防止冷风的渗透有不利影响。

图19 一号院落风速、风压云图Fig.19 Wind speed and wind pressure cloud map of No.1 courtyard

在院落的建造中，适宜的院落宽度对于风的引导以及风压调节有着有利影响。根据一号院落(图19)和二号院落(图20)的对比可以看出，院落空间窄，院落内部风速更低，风压也较低。根据一号院落与三号院落(图21)的对比可以得出，有倒座与无倒座的院落也有着一定的差异。有倒座的院落内部风速更低，风压更加稳定均匀。对于不利的气候的危害，能够通过空间的紧密围合而改善。相对封闭的院落受外界环境的影响较小，而院落内部可以通过开敞部分交换空气，使院落内得到较好的空气质量。院落窄长的围合庭院可以减弱以西北风风向为主导的冷风对其的影响，也可适当减少建筑的热损失。而夏季打开门窗后，也可迎接东南风向的自然风，有利于建筑内部的自然通风。而院落入口处设置的影壁，在冬季能够阻止冷风倒灌，也起到了一定的保温作用。

图20 二号院落风压云图Fig.20 Wind speed and wind pressure cloud map of No.2 courtyard

图21 三号院落风压云图Fig.21 Wind speed and wind pressure cloud map of No.3 courtyard

3.3.3 建筑单体的营建

图22、图23为一号院落在5.0 m/s的西北风场下，该院落室外1.5 m高度处的风速云图以及风压云图剖面图。由剖面图可见，单坡屋顶对于风速也有一定的影响，在单坡屋顶附近的风速有明显的降低，约为1.3 m/s。因此，单坡屋顶的形式，能够诱导自然风通过院落，对冬季保温也起到了一定的作用。院落内外的风压有一定的差值，利于自然通风。

图22 一号院落风速云图剖面图Fig.22 Wind speed nephogram section of No.1 courtyard

图23 一号院落风压云图剖面图Fig.23 Wind pressure nephogram section of No.1 courtyard

建筑墙体的厚度加厚，以及保温材料的使用对于室内保温起到了非常大的效果，建筑物本体遮挡了大部风量，整体的通风状况良好。院落内部风速较低，在冬季西北风场下，可保持较高的温度，有利于冬季防风保暖，山墙部分由于风速较高，温度降低，则采用了加厚的墙面，以保证室内温度适宜。对于民居的主体建筑来说，处于北面的正房，相较于厢房和倒座，在整个院落出于较高的位置，能够遮挡西北风的侵袭，使整个院落处于风影区，营造出较稳定的院落环境。而建筑的背面基本不开窗，阻止了冷风进入室内。

4 讨论与启示

4.1 安家皂村堡营造策略

4.1.1 村落选址因地制宜

居民在村落选址与聚落的朝向，与降水少、气温低的气候相呼应。安家皂村地形平稳且资源丰富，能够使村落微气候以及温度得到适宜的调节。村落建筑坐北朝南，可起到冬季避风夏季纳风的作用。且能够达到冬季纳阳的最大效果。街巷布局整齐，基本呈纵横排列。利于引导自然风的流动，保持村落中良好的自然风环境。随着聚落不断地发展，村落的职能不断地变化，村落的气候生态系统也不断维持着动态平衡，体现了气候适应性以及自然环境的协调共生性。

4.1.2 建筑空间的适应性

院落排布整齐，且院落的长宽比为1∶1～2∶1，这样的布局可以获取最大的采光纳阳的效果，院落内部适宜的尺度，入口照壁的设置，能够最大程度的维持院内风环境以及热环境稳定性。建筑物门窗全部做双层，其余三面都由厚墙维护。而屋内大多设有烧火炕，用于取暖，也能够加强冬季室内温度的维持。院落内正房比厢房较高，阻挡冬季风的侵略，而屋顶的形制，能够诱导局部气流，保证院落内部以及建筑物的内部的风环境稳定。

4.1.3 建筑材料的适应性

民居建筑材料上除了门窗用木材以外，其余部分使用土、砖等保温效果好以及方便取材的建筑材料。由于泥土有着下渗的特点，有裂缝时，可以自然愈合，不仅可以防止雨水的滴漏，也确保房屋完整性。砖、土材料热惰性强，导热性差，白天房屋接受了阳光的照射并将热量储存在材料中，夜间则开始向内传递吸收的热量，保持室内的舒适度。

4.2 村落建设的启示

4.2.1 顺应自然环境，调节生态气候

安家皂村的营建能够适应当地自然条件的特性：聚落选址在背山面水，资源丰富且风热环境较为优越的地带，充分利用周边资源。例如利用草料肥美，自然资源的丰富性，成为军屯中司牧军马之地。村落的排布方式也顺应军事制度且满足风环境的稳态。院落内部通过尺度的调整以及建筑的围合方式保证院落内部微气候的稳定。对于建筑材料的选择以及建筑构造的方式保证室内生活的舒适度。

4.2.2 汲取地域文化，传承地域文脉

安家皂村作为晋北的传统村落，且作为村堡建筑，其建筑布局以及局部的建筑构造都受气候条件以及制度条件的制约，在建造的过程中，不仅需要适应当地独特的气候，又要满足其文化特性，因此形成了独特的晋北地域文化风格。如独特的墙体结构以及屋顶形式等，都凝聚着独特的晋北地域文脉。而村落空间以及安家皂古堡的内部空间，都能够展现出当地人文特性的发展以及对于现代社会进步的适应性。因此，对于安家皂村的发展来说，不仅需要保护当地建筑特色，还应该对其地域特性进行再利用，增强与当代社会的互动性。

4.2.3 发展生态建筑，满足可持续要求

在村落的营建过程中，从村落的选址，建筑的布局，以及建筑的建造中，充分利用了自然条件，最大程度地满足了居民的生产生活条件，创造了适宜的生态环境。如建筑材料多使用当地普遍的木材、生土以及石材，不仅起到了好的保温效果，而且减少了营造过程中的成本。村落建设与城市不同，乡村的建设需要成本低且满足可持续生态发展的营造手法，对于本地良好的生态资源，应该加以利用，并融入当地军事防御文化。建设具有可持续发展特色的独特的乡村地域文化。

5 结论

(1)安家皂村作为晋北典型的村堡，将军事聚落以及生活聚落的性质进行融合，形成了独特的村堡风格。从建筑单体到院落形态再到聚落的布局，晋北防御性聚落具有多元的技术价值、经济价值以及人文价值。不同于其他类型的传统村落，晋北防御性聚落是在边防冲突以及战争历史事件下形成的产物。经历了缓慢的演变与沉淀，目前其防御性特性已经消失。随着国家乡村振兴政策的实施，推动了村堡房屋改造和更新。因此，在保护与更新中如何保留和利用原有民居营建智慧，就成为一个值得重视的研究课题。

(2)传统民居营造技术是古时候社会生产性的活动，经过了大量的实践和改良，能够不断地发展和进步。而在现有社会背景下，传统民居营造技术具有较大的局限性，只应用于一部分特殊的项目中，例如历史建筑或文保建筑的修缮中。但是大量的传统建筑的修缮以及民居建筑的保护需要将地方特有的营造技术应用在其中。因此对于营造技术的发掘整理以及应用推广，将有利于地方性营造技术的传承与延续。将其与现代生活相结合，又可引入部分现代的功能，不失为一种创新的保护方法。