乡村空间形态气候适应性模拟探析——以珠海市唐家湾镇传统村落为例

朱 林

（1.北京理工大学珠海学院设计与艺术学院，广东 珠海 519085；2.韩国又石大学，韩国 全州 55338）

0 引言

唐家湾镇隶属广东省珠海市香洲区，位于香洲区北部、珠江口西岸，地处东经113°07～114°18′、北纬21°4′～22°27′，东临珠江口，与香港大屿山隔海相望，下辖唐家、唐乐、鸡山等16个社区。 唐家湾镇地处北回归线以南，属南亚热带海洋性季风气候，夏冬季候风交替明显，冬无严寒，夏无酷热，年平均气温23.5 ℃，年降雨量2 200～2 300 mm，每年5—7月多出现大雨、暴雨和特大暴雨天气。每到夏季，当地地面太阳辐射产生的热量增大。但是在当地的春夏时节，南方的暖湿气流与北方冷气流相遇形成对流天气，导致阴雨连绵、温度偏低。因沿海地区每年6—10月常受热气旋的侵扰，台风也会影响该地。

唐家湾镇传统村落格局的形成与气候因素密不可分。当地传统民居的建造一般因地制宜，除考虑建筑单体和村落布局的通风与隔热效果之外，还要防止台风侵袭。在没有空调等基础设施的情况下，唐家湾镇居民通过合理化设计来营造满足自身需求的生活环境。这种营造智慧对于当代村落微气候生态环境的改善起着促进作用。基于此，采用当代新技术探析村域格局与建筑设计形式对唐家湾村落生态功能的影响有着重要意义。

1 唐家湾镇传统村落布局与民居类型

唐家湾镇湿热的气候条件和地貌特征促使传统村落在选址上有一定的规律性，即尽可能靠近山、水、田地和交通方便的位置，最理想的是以上条件兼备。为适应潮湿炎热的气候环境，唐家湾镇传统村落绝大部分采用耙齿布局，以加大通风对流，调节气温。耙齿布局虽然是当地一种较为基础且广泛采用的村落布局方式，但这种布局也会根据地形和环境变化形成适应性变体。

1.1 耙齿布局系统

耙齿布局是唐家湾镇最常见的村落空间形态。以此村落规划整齐，民居主要为三合院，巷道设在两列建筑之间，其也是村内的主要交通枢纽。大门开向住宅侧面，村前有小广场（称为埕，可用来晾晒农作物），埕前有池塘（用于农田灌溉、消防防火、养殖鱼虾、储存蓄水等）。村后一般种植树木，可抵挡寒风和防止台风侵袭，还能够美化环境。有的村口有门楼，有设一座者，也有在左、右村口各设门楼者。耙齿布局的村落建筑物相互遮挡，可降低墙面温度，同时阻止热量传入室内。这种紧凑的布局形式适应唐家湾镇的地理气候条件（见图1）。

图1 会同村耙齿布局

1.2 民居类型

1.2.1 竹筒屋民居。竹筒屋因平面布局宛若竹子的形态而得名，很适合南方的气候特征。由于沿街地价昂贵，住宅纵深发展成为居民的首选。竹筒屋通过开敞的厅堂、多个内天井，利用内部通透间隔，使室内空气流畅而凉爽。竹筒屋的大门外一般设有“趟栊门”，既通风，又能保证室内安全（见图2）。

图2 简单式竹筒屋及入口“趟栊门”

1.2.2 明字屋民居。该民居类型平面布局形似“明”字，因此被称为明字屋（见图3）。其优点主要是功能使用方便，平面布局紧凑，通风采光好；缺点是两个独立开间不能分开使用。在唐家湾镇传统村落中，此类住宅形式也较多，有的做成了楼房，以节约用地。

图3 明字屋民居

1.2.3 三室两廊民居。三室两廊民居即三合院住宅，是唐家湾镇传统民居主要的平面布置形式（见图4）。此类居民有3个开间，天井设在厅堂的前面，两旁为廊道，内厅堂居于其平面中间，房的两侧还有厨房和杂物间（可由厨房出入），卧室上面设置阁楼，储存稻谷用。这种建筑方式采光通风较好。

图4 三室两廊民居

2 唐家湾镇传统村落量化模拟分析

唐家湾镇传统村落空间环境的改善，在于如何解决建筑形式与居民生活需求之间的矛盾。此研究选取的案例村落均对唐家湾镇湿热气候具有很好的适应性，通过量化模拟分析传统村落的空间特质。

2.1 量化模拟分析工具

此研究采用VIRVIL和HTB2能量量化模拟软件，对整个村庄及单个建筑进行环境实际性模拟，用于分析全村全年太阳获得热量的测算和模拟结果的可视化。

2.1.1 VIRVIL的概念。VIRVIL可专门计算建筑外表面通过太阳直接辐射获得的热量，并考虑了建筑外表面的倾斜角度，能够模拟建筑各个屋顶的获得热量状况，同时可以测试出坡面屋顶和平面屋顶的光照强度。

2.1.2 HTB2的概念。HTB2是一个计算建筑物得热性能的检测模型软件。VIRVIL是把每个建筑物整合在一个区域范围内。HTB2检测模型软件是计算每个区域范围内的制冷和得热数据，从而可对数据测试的结果作综合性评估。

2.2 村落布局及建筑的气候适应性

唐家湾镇采用的耙齿布局是该村的一种气候适应策略，可以营造比当地自然条件更适合人类居住而且舒适的小气候环境。此研究以黄公庙的建筑为例，分析耙齿布局如何通过院落和街巷有效组织自然通风。人们会根据当地的山湖条件和地形调整空间格局。黄公庙是一座清代的传统建筑。村里的黄公庙和六组三室两廊的民居是典型的岭南特色建筑。当地冬季盛行风集中在西北风10°至东北风30°，以东北风为主，普遍温度低、湿度大；夏季盛行炎热湿润的 东南风。

在此次研究案例中，整个建筑物的布局明显遵循了背山、临水、面向南的传统民居选择标准，北部有森林和小山丘，南部和西部被湖泊包围。耙齿布局形成的空间形态可根据人体舒适度要求和场地自然条件，将风引入建筑环境。夏季主导季风从西南由湖面预冷后进入巷道，并通过大门将自然的凉风引入建筑和中庭，使整个村庄成为一个自然空调系统；冬季主导季风受到北部山体的削弱和预热，纵向道路与主导季风形成夹角，进一步削弱了季风，同时起到提升巷道温度的作用。传统村落巧妙处理自然环境与人居之间的关系，通过巷道对气流进行制热或制冷，营造宜人的小气候。

在此次研究案例中，巷道的建构有2种方式：一种是通过建筑物之间密集的布置形式一条狭窄的通道；另一种是在进入居住空间的一侧留出半室外走廊，从而获得更好的热舒适环境。

此外，耙齿布局也有利于防止沿海台风灾害。平行结构建筑体系的联合支撑功能远比单一建筑稳定，可以最大限度地减少台风造成的破坏和损失。传统村落往往有池塘、明渠、溪流，是一种外部环境自然形成的舒适空调系统，可降低全村的室外温度。另外，周围的绿化也可以遮蔽整个村庄，调节小气候。

2.3 新旧组团形态对比

将传统村落与当代村落空间环境对当地气候适应性作对比分析，可得出一些比较有意义的结论（见表1）。

表1 村落发展模式下空间演化形态与气候适应的关系

2.4 量化模拟分析小结

通过对不同村庄发展模式的分析，可知为什么唐家湾镇传统村落建筑一般安排成一个密集且整齐的布置形式。因为这种方式不仅承载着村庄空间形成的记忆，而且考虑了气候适应性。除了狭窄的小露台、天井和街道，建筑的外墙都被屋顶所庇护，即使在炎热的夏天，也可以保持较低的温度。加之与通风系统相结合，给人带来凉爽的感觉。

单体建筑采用内部开放、外部封闭的形式，使住宅外墙面积小，热辐射影响也小，有利于保持室内微气候的相对稳定。建筑外墙几乎没有窗户，即使有，也是设置在相对较高的位置或规格很小，所以室内采光较差，但隔热效果好。岭南地区的气候适宜多种植物生长。在有条件的情况下，应延续屋前建池塘，池塘边种植树木的建设形式，形成与房屋不可分割的自然生态景观，即使是烈日炎炎，室内也清凉十足，同时可防止台风对房屋的侵袭。

3 唐家湾镇民居屋顶得热和外墙遮阳的气候适应性模拟

从相对宏观的角度来理解和审视村庄的整体状况，即每个建筑在村庄中都是单一的主体，这有助于获得其与周围建筑之间更好的秩序关系。唐家湾镇建筑外围防护结构一般长期处于阳光直射炙烤的状态，因此，降低建筑能耗最有效的方法就是解决遮阳问题。此次模拟主要对唐家湾镇的外墙面遮阳和屋面得热进行系统分析。

3.1 光照强度模拟

唐家湾镇传统民居多采用斜屋顶的形式，可以有效保护木框架和墙体。同时，坡屋倾斜顶面丰富的组合形式，可以形成优美的天际线，视觉效果良好。现代农村民居一般是平面屋顶样式，传统倾斜的坡屋顶形式与之相比，在建筑保温隔热方面具有更多的优势：第一，倾斜屋顶形成的夹角使得建筑屋面只是局部受到太阳的直射，但是平屋顶的整个屋顶面都会受到炙烤；第二，倾斜坡度的屋面能利用不同时段太阳高度角的变化，减少屋面得热，有较好的隔热性能。

根据实际光照强度模拟测试所得，唐家湾镇村落民居建筑屋顶坡度越大，保温和隔热性能越好。以永丰村屋顶为例，现代平面屋顶建筑年太阳总辐照度为1 200～1 300 kW•h/m；传统有一定倾斜坡度的屋顶年太阳总辐照度约为1 100 kW•h/m；茅草屋顶年太阳总辐照度约为1 000 kW•h/m。

以唐乐村为例，村落的传统格局基本完整，新建部分也遵循村落的整体格局。传统的建筑形式是三室两廊的坡面屋顶，而现代乡村民居则是多层平面屋顶形式。通过比较，在地基面积大致相同的情况下，老村落采用少量的平面屋顶和传统三室两廊的坡屋顶形式。测试平屋顶面积为112.32 m，坡面屋顶面积为110.64 m。

模拟结果表明，相对于坡面屋顶，平屋顶形式获得的热量更多。通过对住宅顶部各侧面进行分析，坡面屋顶可以给周围带来更多的遮挡面积。从光照强度来看，南面屋顶的得热量年平均值最大，其次是东西，北面最小。经测试，平面屋顶的年平均太阳辐照度为 1 029.98 kW•h/m，坡面屋顶建筑南面的年平均太阳辐照度最高为1 037.23 kW•h/m。综合考虑，坡面屋顶年平均太阳辐照度为929.78 kW•h/m。因此，平面屋顶建筑的年平均太阳辐射强度约为113 837 kW•h，而坡面屋顶建筑的年平均太阳辐射强度约为102 149 kW•h，占比约为88.9%。

由于唐家湾镇夏热冬暖，所以采暖需求相对不重要，制冷需求必须着重考虑。从年度数据反映，此住宅形式制冷需求量少。在平面屋顶情况下，试验区年总制冷需求量为401 436 kW•h；三室两廊情况下，试验区年总制冷需求量为346 783 kW•h。

3.2 遮阳效果模拟

唐家湾镇传统民居从屋顶上凸出的外墙为建筑装饰的关键部分，有美丽的形状和各种各样的图案。这种建筑形式不仅仅是为了美观，还具有实用功能。这种高于屋顶的外墙称为防火密封山墙，在发生火灾时可以防止火势蔓延。除了防火外，还可以通过在山墙之间产生阴影和相互遮挡来减少墙体的热量。从2020年7月31日09:00—16:00的投影模拟结果来看，这个时段是居民户外劳作时间，室内人少，烽火山墙对屋顶的遮掩面小，因此室内温度提高对人们影响不大；在09:00之前和16:00之后遮阳效果最好，可有效削弱室内温度上升（见图5）。

图5 08:00—17:00居民室外时间与外墙阴影面积示意图

无论是垂直山脊还是防火山墙，都能对巷道形成相互遮掩隐藏的空间。据实际观测所得，山墙与道路巧妙配合，在08:00—10:00和15:00—17:00可形成大面积的阴影，能有效减少墙体得热。而10:00—15:00山墙仍可覆盖整个道路，从而在夏季保持道路凉爽，形成宜人的通道风。

以黄公庙二院主楼为例，其现状几乎完全被破坏，计划将其改造为会议室。由于会议室使用频繁，属于用户长时间停留的空间，因而将新建的会议室设置为空调区。设计者应考虑在湿热季节使用空调，在非湿热季节使用空间的自然通风。在设计初期，引入建筑性能仿效的方法，通过实时动态仿效的手段，探索各种设计措施在建筑功能性和舒适性方面的表现，从而优化建筑设计。通过仿效对比多种方案下的建筑围护结构和建筑形式，证明建筑空间形式对建筑使用后的运行能耗影响较大（见表2）。如果在建筑开始设计时，其空间形态远未达到最优平衡点，那么这些局部优化方法的节能效果尤其有限，无论是采取一些遮阳措施，还是调整窗墙比及围护结构，都于事无补。

表2 会议室方案改造的能耗率比较分析

研究结果表明，传统空间形态的气候适应性在建筑改造、延续传统形态并注入新功能的当代仍能发挥作用。设计师应该深入理解被动式、低碳、低技术的设计智慧，将其运用到当代设计中。

4 结语

唐家湾镇传统村落普遍的耙齿布局是一种充分利用当地气候特征的村落规划与设计策略。村落空间的整体形态布局实现了相互遮阳和自然通风，同时，村落中的绿植和边界水系，起到进一步调节小气候的作用。传统村落规划和建筑营造技术，特别是节约土地、节省能耗、节约材料、低碳运行、防止污染等举措在当今建设新建筑时具有极大的应用价值，也为其他地区解决类似问题提供借鉴。