基于Ecotect 的瞻园古典园林建筑冬夏日照时长的研究

文／张嵩楠 南京农业大学园艺学院 硕士研究生

陈 宇 南京农业大学园艺学院 教 授（通讯作者）

引言

江南的私家园林建筑技艺精湛，轻巧玲珑，开敞通透，易受外界光照的影响。不同的高宽尺度造就不同的建筑空间，对阳光的接收程度也不同。目前建筑高宽比的研究对象多为外部空间[1,2]，古典园林建筑的研究方向多为体量、造型等方面[3,4]，文章选择探究古典园林建筑高宽比和内部空间日照时长的关系，并提出日照时长的调整措施，为该地区的园林建筑高宽尺度设计提供参考。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

南京位于江苏省西南部，属亚热带季风气候，四季分明，夏季炎热，冬季寒冷[5]。瞻园是南京现存历史最悠久、保存最为完好的明代古典园林建筑群，素有“金陵第一园”之美誉[6]。经过了三期的整修与扩建，瞻园形成了原址、东部、北部和太平天国历史博物馆嵌合的布局形式（图1）[7]。

古典园林建筑按功能性质可分为观赏型、实用型和辅助型三类[4]。其中，观赏型建筑主要指亭、轩、榭、舫等开敞型小型园林建筑，建筑内部空间与外部园林空间联系密切。文章选择研究对象为瞻园小型观赏型古典园林建筑（以下简称园林建筑），即观鱼亭、岁寒亭、扇亭、半亭、延辉亭、翼然亭、水边亭、庭院亭、薇亭、临风轩、春波亭、抱石轩、姊生亭、画舫共14 个园林建筑（图1）。

图1 瞻园14 个园林建筑点位图（图片来源：作者自绘）

1.2 研究方法

建立只有顶平面和底平面的正四棱柱简化模型，导入Ecotect 软件，接着导入南京地区的标准气象数据（数据来自清华大学的《中国建筑热环境分析专用气象数据库》）以累积的方式计算日照时间，最终得到简化模型的平均日照时长和累计日照时间图[8]。

2 高宽比特征及分析

2.1 高宽比定义

文章以建筑屋檐最低处下沿至建筑地坪的高度为檐高（H），以建筑平面较宽面的长度为面阔（L），以檐高与面阔的比值为该建筑的高宽比（H/L）。若建筑平面非矩形，以平行于观景面的建筑平面最长直线距离记为该建筑的面阔。

2.2 研究对象的高宽比特征

经调研可知，瞻园14 个园林建筑的平均檐高为2.6m，数值大多集中在2.3 ～2.9m 之间，其中扇亭、半亭、薇亭和临风轩的檐高最低，约为2.3m，画舫檐高最高，约为3.9m；平均面阔为4.3m，数值大多集中在2.6 ～5.0m 之间，其中姊生亭面阔最窄，约为2.6m，抱石轩面阔最宽，约为8m；平均高宽比数值约为0.7，数值较为分散，其中抱石轩高宽比数值最小，约为0.3，画舫的高宽比数值最大，约为1.0（表1）。

表1 瞻园14 个园林建筑的高宽比特征表（表格来源：作者自绘）

3 软件模拟结果及分析

3.1 模拟结果

选取处于0.3 ～1.0 之间的、以0.1 为单位递增的8 个不同的高宽比数值序列来构建模型。参考《城市居住区规划设计标准GB 50180-2018》中对位于Ⅳ气候区的南京地区住宅建筑的日照标准，并结合前人研究和气象科学知识[9-11]，文章以大寒日（1 月21 日）和夏至日（6 月21 日）分别为夏冬两季的日照标准日，以8:00 至16:00 为有效日照时间带，模拟得到8 个模型的冬夏两季的平均日照时长（表2）和累计日照时间图（图2、图3）。

表2 软件模拟模型日照时长表（表格来源：作者自绘）

3.2 结果分析

随着高宽比数值的不断增大，大寒日平均日照时长也逐步增长，即两者呈正相关关系，从模型1（高宽比数值为0.3）的5.65h 增加到模型5（高宽比数值为0.7）的8h，并保持8h 满日照到模型8（高宽比数值为1.0）。夏至日平均日照时长也随高宽比数值的增大而增长，即两者呈正相关关系，从模型1（高宽比数值为0.3）的平均日照时长为2.33h 增加到模型8（高宽比数值为1.0）的4.77h。

累计日照时间图中，大寒日模型底平面南侧区域的日照时长始终为8h 满日照，并且随着模型高宽比数值的不断增大，由南到北，满日照区域逐步扩大，直至铺满底平面（图2）。夏至日模型底平面南侧区域平均日照时间最长，约6 ～8h；东西两侧平均日照时长约为3 ～4h；北侧和中间区域的日照时长较短，约0 ～4h。随着模型高宽比数值的不断增大，东、西两侧日照区域不断向内延伸，直至模型底平面中部和北部到达4h 日照时长（图3）。

图2 大寒日各模型累计日照时间图（图片来源：作者自绘）

图3 夏至日各模型累计日照时间图（图片来源：作者自绘）

根据模拟结果，可以得出以下结论：当园林建筑高宽比不变时，冬季日照时长大于夏季日照时长；在一定范围内，园林建筑的日照时长与建筑高宽比数值呈正相关关系；园林建筑南侧受到较长时间的阳光照射，其次是西侧和东侧，北侧阳光照射时间较短。

3.3 等级划分

参考相关领域学者的建议和建筑使用者的主观感知，以软件模拟的平均日照时长的数值为划分标准，将高宽比不同的模型划分为三个等级：“短日照”“半日照”和“满日照”等级（表3）：

表3 “短日照”“半日照”“满日照”等级划分表（表格来源：作者自绘）

（1）“短日照”等级是指在8:00 至16:00 之间的8h 内，软件模拟大寒日平均日照时长小于7h，且夏至日平均日照时长小于3h，即冬夏两季平均日照时长小于5h 的模型。在此等级中有模型1和2，即园林建筑高宽比数值处于0.3～0.4之间。根据累计日照时间图，可以看出此等级中大寒日时，模型底平面南侧区域日照时间充足，达到8h，北侧区域日照较少仅有2 ～4h；夏至日整体日照时长较少，模型中间区域没有阳光直射，符合游人夏季纳凉的需求。

（2）“半日照”等级是指大寒日平均日照时长在7～8h之间，且夏至日平均日照时长在3～4h之间，即冬夏两季平均日照时长在5 ～6h 之间的模型。在此等级中有模型3、4 和5，即园林建筑高宽比数值处于0.5 ～0.7 之间。根据累计日照时间图，可以看出此等级中大寒日时模型底平面大部分区域日照时间充足达到8h，仅北侧较小区域日照时长为4 ～6h；夏至日中部偏北区域日照时长为1 ～2h，南部和西部有4 ～6h 的日照。

（3）“满日照”等级是指大寒日平均日照时长为8h，且夏至日平均日照时长大于等于4h，即冬夏两季平均日照时长大于或等于6h 的模型。在此等级中有模型6、7 和8，即建筑高宽比数值处于0.8 ～1.0 之间。根据累计日照时间图，可以看出此等级中大寒日时模型底平面全部区域的日照时间达到8h；夏至日整体日照时长较多，其中中部偏北区域日照较少但也有3 ～4h 日照，东、西侧区域太阳斜射有4 ～5h 的日照时长，南侧区域日照时长达到6 ～8h。

总体来讲，对于软件设定的模拟南京地区场地而言，“半日照”等级（高宽比数值处于0.5～0.7之间）的模型空间更能满足游人在园林建筑空间中对阳光的需求和使用；而“短日照”等级（高宽比数值处于0.3 ～0.4 之间）的模型空间冬季日照时长较短；“满日照”等级（高宽比数值处于0.8～1.0之间）的夏季日照时间过长。

4 实证分析

4.1 划分调研对象等级

根据模型的等级划分标准，将瞻园内14 个园林建筑进行分类（表3）：

（1）处于“短日照”等级的园林建筑数量最少，共2 个，为临风轩和抱石轩。临风轩东西面连廊有墙体，南侧有屏风相隔，北侧观景，整体空间较为荫蔽，夏日阴凉，但冬季寒冷（图4a）。抱石轩是一座东、西、南三面通透的敞轩，位于假山上，抬高的地势能俯瞰园中碧水奇石、亭台廊榭，也便于接受更多的阳光（图4b）。轩前垂柳夏季枝叶茂密遮挡阳光，冬季落叶不遮挡阳光。

图4 瞻园14 个园林建筑平面及周边环境平面图（图片来源：作者自绘）

（2）处于“半日照”等级的有5 个，为观鱼亭、扇亭、薇亭、翼然亭和延辉亭。观鱼亭观景面朝西，南侧连廊，东侧连轩，南、北、西三面通透（图4c）。夏季太阳入射角度较高，与亭相连的廊和轩挡住东、南两侧炙热的阳光，亭内凉爽舒适；冬季太阳入射角度较低时，阳光从西、南两侧的屋檐下方射入亭内，为游人提供温暖。扇亭观景面朝东，是一座独立的扇面亭，虽然位于西假山山顶，但南、北、西三侧密林环绕，亭子常年处于高大常绿乔木的树荫下，四季凉爽，东侧弧形观景面外视线较为开阔，以便接受上午的阳光（图4d）。薇亭南北朝向，南侧栽植高大常绿乔木遮挡阳光，东西两侧的阳光被院墙和廊檐遮挡，但作为组景和通行为主要功能的门亭，日照问题无须苛责（图4e）。同样是观景面朝南的翼然亭和延辉亭则受到阳光的较强照射。翼然亭地势的抬高和南侧开敞的草坪空间，都使亭子接收了更多的阳光照射，好在其周围布置了乔灌木和置石，在一定程度上起到遮阳的效果（图7f）。延辉亭东北侧紧挨院墙，但其整体上较为通透，在阳光入射方向上没有植物和假山置石遮挡（图4g）。

（3）处于“满日照”等级的园林建筑数量最多，共7个，为岁寒亭、半亭、水边亭、庭院亭、春波亭、姊生亭和画舫。岁寒亭观景面朝东，而半亭观景面朝西，两亭皆处于高大常绿乔木树冠组成的“屋顶”下，但其观景面都留有通透的视野接受斜射的阳光（图4h、i）。水边亭和庭院亭的观景面朝东，画舫主要朝北，东、西两侧为辅，三亭主要是依靠相邻的建筑和墙体遮挡南侧的直射的阳光，但选择接受东、西某侧的阳光（图4g、k、l）。画舫内样式复杂的挂落和枋不仅装饰了舫内景致，也遮挡了檐下部分阳光，相当于降低了檐高。而对于主观景面朝南的春波亭和姊生亭，四面通透的单体式造型可从各个角度接收阳光的照射，虽然在东、西、北三侧皆有植物或假山等园林要素遮挡，但夏日南侧直射的阳光依旧给亭子的使用带来了不便（图4m、n）。

4.2 调整园林建筑日照时长的措施

由于建筑材料的限制和建筑美学的要求，园林建筑的高宽比会出现较大或较小的极值，这时就可以通过改变建筑形态和周边环境因素等方法，在一定范围内调整内部空间的日照时长。

增加园林建筑日照时长的措施如下：（1）对于建筑形态而言，可设天窗，屋顶山墙面开窗，檐角起翘，减少枋、挂落、雀替等构件的使用，选择较细的柱子，少设墙体，增设门窗，观景面优先设置为南方，其次是西方和东方；（2）对于周边环境而言，可抬高地势，选择单体式布局，远离其他建筑，远离假山置石，减少植物栽植，优先选用落叶乔木和灌木、地被等低矮植物。

减少园林建筑日照时长的措施如下：（1）对于建筑形态而言，可增设墙体，少开门窗，增加枋、挂落、雀替等构件的使用，观景面优先选择北方，其次是东方和西方；（2）对于周边环境而言，可选择降低建筑所处地势，与其他建筑相接，靠近假山置石，多栽植植物等，优先选用高大常绿乔木。

结语

文章调研分析了瞻园园林建筑的高宽比、形态、功能和周边环境的特征，运用软件模拟技术研究瞻园园林建筑的日照情况。文章为瞻园园林建筑研究提供了数据和资料支持，为研究古典园林建筑提供新的研究方向和理论依据，也为该地区的园林建筑高宽尺度设计提供参考。