晋南黄土台塬区传统聚落室外风环境优化分析*——以稷山县北阳城村为例

文/太原理工大学建筑学院 郭珺芳 石谦飞

0 引言

晋南即山西南部，主要地形为盆地，盆地周边有众多大小山脉呈岛状隆起，展布于黄土台塬之上。台塬区地势平坦、土地肥沃、视野开阔，至今保留诸多极具特色的传统聚落。从气候上看，晋南属于季风气候影响的边缘地区，在全球气候变暖的大背景下，晋南地区的气温呈逐年上升趋势，随着海陆差异变化，直接导致夏季风减弱，晋南地区降水主要依靠夏季风，间接导致晋南地区降水的逐年减少，干旱严重。风环境是衡量人居环境生态性、舒适性的重要指标，合理利用风环境实现通风、降热对改善晋南地区整体人居环境至关重要。

国内外学者对传统聚落室外风环境的研究已取得理论成果。CHU Y C等[1]利用流体力学模型模拟早期村落风环境，表明村庄在原始规划时充分利用街道及不同风场下的建筑布局改善居住风环境。我国学者方焕焕[2]在实地测量基础上利用PHOENICS软件从村落街巷宽度、建筑天井形态及尺度、植物绿化等方面探索徽州地区传统聚落建筑布局及形态对室外风环境的影响；方媛[3]借助CFD对村落夏冬季节风环境进行定量分析和评价，并提出优化意见；张欣宇等[4]运用软件模拟分析，以东北严寒地区传统聚落为研究对象，从聚落规模和空间形态两方面探讨冬季寒风对聚落的影响并提出改善策略；石谦飞等[5]在实地监测基础上通过CFD模拟对晋中地区传统民居冬夏两季的自然通风进行探讨。本文对晋南黄土台塬区北阳城村室外风环境进行研究与数字化模拟分析，探讨在特殊地貌环境下改善传统聚落内部风环境及传统聚落保护发展策略。

1 北阳城村概况

1.1 地形地貌

黄土台塬是被黄土覆盖的台状地，是黄土高原的地貌类型之一，主要分布于关中盆地、汾河谷地、豫西、晋南黄河沿岸。晋南包括运城和临汾两个地区，其中黄土台塬区分布于中条山南麓苗城、平陆一带及峨眉台塬，其中峨眉台塬面积最大。北阳城村属运城市稷山县清河镇，地处汾河下游南岸、稷王山北麓的峨眉台塬区域，海拔高约450m，于2014年入选“中国传统村落”名录。

1.2 气候

运城市稷山县属暖温带大陆性季风气候，四季分明，冬季寒冷干燥，主导风向为西北风；夏季酷热多雨，主导风向为东南风[6]。年平均气温13.5℃，年平均相对湿度为51%～54%。

准确的气象数据有助于提高风环境模拟的真实性[7]。收集2020年度稷山县1，2，6，7，8，12月的风气象数据资料，并以1，2，12月的平均风速为冬季平均风速，得出稷山县冬季主导风向为西北风，平均风速为6.0m/s；取6，7，8月的平均风速为夏季平均风速，得出其夏季主导风向为东南风，平均风速为5.6m/s。

2 北阳城村风环境特征

2.1 总体布局

北阳城村西部地势平坦，东侧及东南侧有峨眉台塬冲沟“阳城沟”。村落坐北朝南，整体地势南高北低，西高东低，高差约2m。

城市内部建筑密度越大，粗糙度系数越大，地面对风造成的摩擦力越大，故风速降低。参考此理论，结合北阳城村总体布局可知，村落整体在东南及西北方向进深较小，且建筑在该方向布局稀疏（见图1）。受阳城沟地形影响，村落东侧及东南侧地势低且空间开阔，夏季有利于来自东南向的气流通过，便于村落整体自然通风。冬季村落西北向建筑密度低、粗糙系数较小，不利于减弱来自西北向的寒风。总体来看，北阳城村的建筑排布有利于夏季自然通风而不利于冬季抵御寒风。

1 北阳城村总平面

2.2 街巷布局

街巷既是传统聚落空间形态骨架，又是聚落内部建筑组群的间隙，在聚落整体风环境中担任“通风廊道”的角色，使气流在聚落内部的流通得到有效引导。北阳城村南北向“Y”形大街和东西向主街贯穿村落，有助于风沿主街通过，避免风停滞形成静风区或漩涡，来自不同方向的风通过主街被引流至内部巷道，促进风的流通与循环。因此，贯穿村落的主街可加强村落的自然通风，有利于村落整体风环境的形成。

北阳城村中心区域内民居密集，大部分街巷宽1.5～2.0m，小尺度街巷使建筑之间相互遮挡，街巷处于建筑阴影中，导致院落内外产生温差，形成热压，更有利于通风。由于建筑遮挡，大部分墙面避免了太阳直射，可见北阳城村密集的建筑布局兼具遮阳与通风双重优势[8]。

3 风环境模拟概述

3.1 研究方法

通过长期实践，计算机流体力学CFD模拟软件因其模拟数据仿真度高而被广泛应用。在CFD众多软件种类中，PHOENICS软件具有诸多优势。

1）接口多样性 能与SketchUp、CAD、Revit、3Dmax等常用建模软件良好对接。

2）软件开放性 用户可获取部分源程序自行编辑公式与算法，以更精确地描述风环境指标。

3）自动性强 PHOENICS软件可自动控制收敛、自动划分疏密不同的网格和自动加密等，提高了软件工作效率。

4）多模块选择性 软件可提供各个研究领域的专用模块以满足不同用户需求。

5）后处理功能强 计算结果功能强大，如图像法（矢量图、云图和流线图等）能直观呈现模拟结果的数值和关系。在Result文件中存储各个模拟结果，使用者可对数据进行研究分析。

本次模拟选用操作较简单、效率较高的PHOENICS软件对北阳城村室外风环境进行模拟研究及数据、结果分析，主要分为前处理、迭代计算和后处理3个步骤。

3.2 风环境评价标准

目前，国内外对建筑周边风环境缺乏统一的评价标准，基本以离地面1.5m的风速为基准。我国广泛应用的风速评价标准为GB/T 50378-2019《绿色建筑评价标准》；国际上主要采用风速比评估法、风速概率统计评估法和相对舒适度评估法，其中相对舒适度评估方法通过对行人活动进行分类，并以人行高度处（1.5m）的蒲福风级为基础，用舒适、可以忍受、不舒适、危险4种感受评价行人的相对舒适度。

本文结合北阳城村四季气候变化特点，根据我国评价标准及国外相对舒适度评估法，对村落内部距地面1.5m的冬季、夏季室外风环境进行评价（见表1）。夏季为避免局部区域出现静风导致闷热，人行高度处风速应大于0.6m/s。

表1 北阳城村室外风环境相对舒适度评价

3.3 模型建立

1）根据谷歌卫星地图和实地调研绘制村落模型，以此为基础设定风场模型。在建模时对村落建筑进行整合简化处理，以便直观突出主要街巷的风环境（见图2，3）。

2 原有村落布局

3 简化后的村落布局

2）在PHOENICS软件中选取FLAIR模块进行模拟，由于风场受地面、低矮树木等影响，本次模拟设定风场为梯度风场，湍流模型采用模拟精度高且较常用的k-ε模型。

3）基于软件对计算区域要求和实际村落模型大小，确定水平计算域面积为1600m×2000m，竖向风场高度为3H，即15.0m，风场计算高度为1.5m。风向及风速选用冬季6.0m/s的西北风，夏季5.6m/s的东南风。

4 北阳城村室外风环境模拟分析

4.1 冬季

由风速模拟可知，北阳城村北侧和西侧扩建区由于建筑分散且迎风面无遮挡，导致周边区域风速较大，加速建筑内部热量流失，不利于冬季抵御寒风。村落中心区内风速最大的区域为东堡巷北侧，约3.75m/s，其次为中心湖泊区、东西向主街两侧、村委前广场区域和东侧入口区域，风速为1.5～2.5m/s，该区域室外风环境相对舒适度（以下简称“舒适度”）均为寒冷可以忍受。其他街巷端部由于狭道效应获得加速风，风速约1.5m/s，舒适度为寒冷舒适，但街巷中部易出现静风区。

由风压模拟可知，村落周边最大风压区域为西北向迎风面，约6.2Pa；最小风压区域为东南向背风面，约-6.5Pa。村落内部最大风压区域为中心湖泊东南侧，约3.8Pa，中心区内其他大部分街巷的风压值为0～1.0Pa，较为舒适。

综上可知，冬季，北阳城村中心区域由于建筑布局紧密规则，整体风环境较为稳定舒适；北侧和西侧扩建区由于建筑数量少且分布分散，不利于抵御冬季寒风，尤其是西北向房间外侧风压较大，易引发建筑室内的冷风渗透。因此在村落后期规划时可通过合理的建筑布局或局部遮挡改善冬季风环境。

4.2 夏季

由风速模拟可知，村落北侧和西侧扩建区的大部分活动场地均达3.5m/s以上风速，故在此不重点研究。村落主要区域夏季风速最大区域为迎风向的东南角区域，风速约4.2m/s；其次为东侧入口处和小学西侧区域，风速约3.0m/s；村委前广场区域、中心湖泊区域风速可达2.0m/s。从街巷层面看，东西向主街两侧和东北侧东堡巷风速最大，约2.0m/s。部分巷道端部由于狭道效应获得加速风，但总体风速与巷道宽度呈正比，稍宽的巷道风速约1.0m/s，较窄的巷道风速接近0。根据舒适度评价可知，除窄巷的静风区，村落中心大部分区域夏季均能满足居民不同活动的舒适度要求。

由风压模拟可知，村落周边最大风压区域为东南向迎风面，村落内部最大风压区域为东侧入口处、村委前广场西侧、中心湖泊区域北侧及小学西侧区域，约3.0Pa，最小风压区域为中心湖泊东南角。大部分街巷的风压值皆为正值，为0～1.0Pa。可见村落夏季的自然通风情况良好。

综上可知，北阳城村南北长东西窄的布局有利于夏季自然通风。村民最喜聚集的东侧入口与村委前广场风环境良好。部分自然通风良好的区域未被有效利用，故在村落后期规划改造时，可据此增加村民活动广场，创造更舒适的居住环境。

5 聚落内部风环境现存问题及优化策略

1）北阳城村因东、南侧受阳城冲沟地形限制无法过多建设，村落后期建设主要沿主街向北侧和西北侧的平坦地带扩张，但由于扩张区域不均衡、缺乏统一规划，导致两侧扩张区建筑排布稀疏且无规则。西北向是村落冬季的迎风面，故布局不利于冬季抵御寒风。考虑到村落南北向不宜过长，否则会扩大生活半径，影响村民生活便利性，故针对抵御冬季寒风问题，村落在后期建设时可着重规划西北侧，使建筑有序、规则扩张，进而提高该区域建筑密度。可考虑在北侧和西侧种植高大树木以减弱冷空气强度，提高片区居民冬季居住舒适度（见图4）。同时加强该片区民居的门窗气密性，并采取相应措施保证冬季室内采暖。

4 北阳城村风环境优化策略示意

2）室外是村民活动的主要场所，虽然村落夏季风环境整体良好，但现有布局对风环境的利用不理想。目前，村落人群主要集聚地和休闲广场仅为村委前广场及村落东侧入口处，不便于居住在南北两端的村民来此区域活动。故应结合夏季风环境，适当增加小广场以改善村民生活。根据夏季风速与风压模拟可知，村落东南角、西南角空地、小学西侧、东堡巷北侧等区域自然通风良好，适合作为村民活动广场。以上区域分布于村落四周，辐射范围大，可大幅提高村民聚集活动的便利性。

3）作为夏季迎风面的村落东侧，空间开阔、视野空旷，且有古城遗址，但环境脏乱差，不仅影响夏季进入村落自然风的质量，也影响环境美观度。鉴于此，可沿村落东侧及南侧外围种植低矮灌木或树木，以提高该区域的绿化率。

6 结语

北阳城村作为晋南黄土台塬区域极具代表性的传统聚落，既有普遍性又有独特性。本文在现场调研基础上结合PHOENICS风环境模拟分析，从总体布局风环境和街巷布局风环境角度出发，总结北阳城村室外风环境现状，归纳优化室外风环境策略，对晋南黄土台塬区传统聚落改造及村镇规划具有重要参考价值，为传统聚落保护与发展规划的拟定提供新思路。