典型歷史時期晉西窯洞民居光環(huán)境的模擬研究
——以臨縣西灣村為例

于姝亞，石謙飛

(太原理工大學 建筑學院，山西 太原030024)

光環(huán)境是營造室內(nèi)舒適物理環(huán)境的重要組成要素，其對人的心理和生理健康產(chǎn)生著尤為重要的作用.良好的室內(nèi)光環(huán)境能提升工作效率，直接影響對外界信息的接受，同時良好的室內(nèi)光環(huán)境有助于改善睡眠質(zhì)量和緩解壓力，然而過量的天然光環(huán)境也將引起視覺刺激，造成持續(xù)眩光的現(xiàn)象.在傳統(tǒng)窯洞民居營造過程中，蘊含著許多樸素的生態(tài)營建智慧，然而對于傳統(tǒng)窯居光環(huán)境的生態(tài)智慧及其科學演進，缺乏研究與關(guān)注.

目前關(guān)于光環(huán)境對傳統(tǒng)民居的影響，國內(nèi)外眾多學者對建筑室內(nèi)外的光環(huán)境進行了研究，并且取得了諸多研究成果.楊柳柳等人選取蘇州地區(qū)8個公共建筑中庭進行光環(huán)境實測，提出優(yōu)化中庭圍護結(jié)構(gòu)形式的被動式節(jié)能手段[1]；舒暢對蘇州姑蘇區(qū)民居建筑進行了研究，得出窗墻比數(shù)值在城市住宅中自然光環(huán)境節(jié)能的影響[2]；以上研究都是針對建筑光環(huán)境實測的研究.王炎松等人對贛東地區(qū)“縱向天井”家塾型書院與附近民居室內(nèi)自然光的照度進行研究，探究到“縱向天井”家塾性書院室內(nèi)自然光環(huán)境的優(yōu)勢性[3]；何苗等人對晉江市東山村傳統(tǒng)民居的室內(nèi)光環(huán)境進行了模擬實驗，提出適應(yīng)性的優(yōu)化策略[4];王怡等人對傳統(tǒng)窯洞及新型窯洞室內(nèi)環(huán)境做了大量研究，得出窯洞稱得上是節(jié)能建筑，新型窯洞繼承和發(fā)揚了傳統(tǒng)窯洞的優(yōu)點[5]；李嘯雷等人對三門峽市曲村的地坑窯院實地調(diào)研，運用ECOTECT軟件模擬，分析地坑窯院光環(huán)境等自主改良模式[6]；然而總體上看，多數(shù)研究是在確定的時間環(huán)境下，實測光環(huán)境參數(shù)進行分析和比較，提出優(yōu)化策略.但是從時間序列的角度，分析其室內(nèi)光環(huán)境在典型歷史時期的演變研究較少.在隨著時間的變化，窯洞民居的規(guī)模和窯洞單體，都是在不斷適應(yīng)當?shù)貤l件.洞悉到這一動態(tài)變化，進而推論室內(nèi)天然光環(huán)境也隨著時間序列的不同而發(fā)展變化，與當?shù)氐沫h(huán)境相適應(yīng).故而尋求在時間序列下，晉西窯洞民居的演變與光環(huán)境的關(guān)系.基于此，研究晉西窯洞建筑按照時間序列分為4個典型歷史時期，進行光環(huán)境的數(shù)據(jù)對比和定量分析，并將其代表個體在演變進程中的演變形式以窗地比的形式量化，探討其與光環(huán)境的適應(yīng)關(guān)系.

1 研究對象及方法

1.1 研究對象地理概況

西灣村位于呂梁市臨縣磧口鎮(zhèn)，西靠黃河，隔黃河同陜西榆林相望，屬晉西丘陵溝壑區(qū)(圖1).地理坐標為北緯37.95°、東經(jīng)110.98°，屬于半干旱溫帶大陸性季風氣候，四季分明，最多風向為南風和北風，平均降水量502.5 mm，年平均氣溫8～9℃，屬于光氣候分區(qū)中第Ⅲ類光氣候區(qū)，日照較豐富，平均日照時間2 252 h，平均日照率58%.

圖1 西灣村窯洞民居現(xiàn)狀Fig.1 Current situation of cave dwellings in Xiwan village

1.2 研究對象的選取

西灣村以“北樓南廳，東西配房”的合院式院落為基本單位，村內(nèi)有許多保留完整的傳統(tǒng)窯洞民居，隨著時間序列的展開，從明末至今，各時期特色的窯洞民居相互交融，是西灣村典型特征.通過實地調(diào)研，將當?shù)馗G洞民居按照時間序列，大致分為4個典型歷史時期，這4個時期的窯洞民居外觀與平面形制如表1和圖2所示.

圖2 典型歷史時期模擬區(qū)域Fig.2 Simulation area in typical historical period

第1典型歷史時期：選取建造于明末時期的窯洞民居“儒公故居”，區(qū)域A作為模擬對象，這是目前村內(nèi)現(xiàn)存僅有的明代窯洞，也是明代時期典型的窯洞民居類型.現(xiàn)狀院內(nèi)保留有石磨和碾盤等生活設(shè)施，磚砌圍墻和大門為清代修建.

第2典型歷史時期：選取了清代的2個典型窯洞民居，區(qū)域B選自清初期的“歲進士下院”，始建于清代1737年，是典型的“北樓南廳，東西配房”的形制.院內(nèi)布局對稱，正房建在1 m的高臺之上，三孔石窯，每孔開間4 m，進深8 m，無根廈檐，正立面是用石條做懸挑構(gòu)件承接檐子，東西廂房都是兩孔磚窯.區(qū)域C選自清中期的四合院，院內(nèi)房屋的布置是完全對稱的，院落為正方形，正房是3孔石窯洞，立面為無根廈檐，東西配房和南廳是3間單坡的木構(gòu)瓦房.

第3典型歷史時期：選取民國時期的窯洞民居，此時期多以單進院落為主，其中區(qū)域D選自“竹苞松茂”院，其屬于“北樓南廳，東西配房”格局的演變形式，根據(jù)院主人商會會長的建造需求采取了 “去北樓”形式.院落門匾上書寫“竹苞松茂”，出自于《詩經(jīng)·小雅·斯干》：“如竹苞矣，如松茂矣.”寓意家門興盛.院落寬敞，是典型的四合院.正房立面有4孔石窯，窯洞式明柱廈檐、高圪臺，最中間的兩孔窯洞之間有一座佛龕，使得窯洞數(shù)為單數(shù).東西廂房各三孔磚窯.倒座是客廳、馬棚和廁所.

表1 歷史時期典型院落表Tab.1 Typical Courtyard in Historical Period

第4典型歷史時期：選自建國之后村民自主建造的窯洞民居，區(qū)域E建造于1970年代的陳家宅院，區(qū)域F選自建造于1990年代的王家宅院，它們不再僅僅是滿足于遮風避雨、抵抗外敵的生存性需求，而是對居住舒適性有了更高的需要.根據(jù)新的生活理念，窯洞民居在建造上更注重現(xiàn)代化和美觀性，窯洞內(nèi)部也疏通了上下水系統(tǒng)和電路系統(tǒng)，主窯中布置了獨立的衛(wèi)生間，更大程度上方便居住，除此，在門窗和材料等細部設(shè)計上也更趨于現(xiàn)代化的審美.

1.3 研究方法

運用現(xiàn)代建筑科學技術(shù)軟件ECOTECT對4個典型歷史時期的6個窯洞民居的正房窯洞區(qū)域進行室內(nèi)光環(huán)境模擬，將窯洞民居營造演變對光環(huán)境的調(diào)整轉(zhuǎn)化為科學化的設(shè)計技術(shù)和方法.通過對其光環(huán)境的模擬和結(jié)果的分析，采取軟件模擬定量分析窯洞民居建造演變對光環(huán)境適應(yīng)的科學機理.

1.3.1 模擬區(qū)域選擇

在4個典型歷史時期的6個典型案例中，正房是作為主臥和廚房的混合功能進行使用，其使用頻率是院落中最高的，也是對光環(huán)境有嚴格要求的房間，因此，本次模擬實驗選取6個案例具有代表性的正房分別簡化為A、B、C、D、E、F 6個區(qū)域模型進行模擬分析(圖2)，即儒公故居正房為區(qū)域A，歲進士正房和四合院正房分別為區(qū)域B和區(qū)域C，竹苞松茂正房為區(qū)域D，陳家宅院和王家宅院的正房分別為區(qū)域E和區(qū)域F.

1.3.2 測量標準

晉西地區(qū)在我國的光氣候分區(qū)中屬于第Ⅲ氣候區(qū)，根據(jù)《GB50033-2013建筑采光設(shè)計標準》中第Ⅲ氣候區(qū)光氣候系數(shù)K值為1.00，室外天然光設(shè)計照度值Es為15 000 lx，室外臨界照度值為5 000 lx.根據(jù)《采光測量方法(GB/T5699-2017)》，在模擬實驗中將天空照度模型設(shè)定為全陰天空，全陰天天空只有擴散光，不存在太陽直射光，伴隨著太陽高度角的變化，是室外照度相對比較穩(wěn)定的時間.這6座窯洞民居建筑的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)不同，不具備統(tǒng)一橫向比較的科學性，因此本次實驗選擇采光系數(shù)、照度和采光均勻度作為是否符合國家標準規(guī)定的居住建筑采光要求的評價因子.

根據(jù)建筑《采光測量方法(GB/T5699-2017)》，此次模擬實驗采用科學軟件ECOTECT以網(wǎng)格法均勻布點來獲取室內(nèi)光環(huán)境數(shù)據(jù)，6個區(qū)域模型數(shù)據(jù)采取實際建筑尺寸，建模過程中所有的門窗洞口都設(shè)定為完全開放的狀態(tài)，計算網(wǎng)格放置于距離室內(nèi)地面800 mm的高度，網(wǎng)格數(shù)為500，采取綜合評價室內(nèi)光環(huán)境的三指標：室內(nèi)采光系數(shù)、照度和采光均勻度，來總結(jié)各個區(qū)域的采光情況.

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 采光系數(shù)的計算與分析

根據(jù)GB50033-2013《建筑采光設(shè)計標準》，住宅建筑的臥室、起居室和廚房的側(cè)面采光系數(shù)不應(yīng)低于2.0%，當?shù)氐淖≌瑐?cè)面采光的采光系數(shù)最小值Cmin=標準值×光氣候系數(shù)K(K=1.00)，臥室、起居室、廚房最小采光系數(shù)不得低于2.00%(表2).

表2 住宅建筑側(cè)面采光的采光標準值Tab.2 Daylighting standard values of side lighting of residential buildings

根據(jù)模擬結(jié)果(圖3)得出：區(qū)域A的Cmin=0，區(qū)域B的Cmin=0，區(qū)域C的Cmin=0.2，區(qū)域D的Cmin=2.4，區(qū)域E的Cmin=2.8，區(qū)域F的Cmin=3.6.區(qū)域A、B、C三個區(qū)域不滿足國家規(guī)定的采光設(shè)計標準，而區(qū)域D、E、F三個區(qū)域滿足于國家標準的采光要求.

圖3 區(qū)域的采光系數(shù)模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of regional daylighting coefficient

區(qū)域A和區(qū)域B的采光系數(shù)在靠近窗口的地方較高，區(qū)域C和區(qū)域D采光系數(shù)從窗口向室內(nèi)延伸，采光系數(shù)隨之開始下降，到室內(nèi)4 m深的時候，采光系數(shù)基本已經(jīng)為0，室內(nèi)是無法收到自然采光.而區(qū)域E和區(qū)域F，采光系數(shù)從窗口和室內(nèi)進深最大處逐漸開始降低，過渡平滑和平緩，采光情況較之前4個區(qū)域理想，即區(qū)域A=區(qū)域B<區(qū)域C<區(qū)域D<區(qū)域E<區(qū)域F.

2.2 采光均勻度的分析

采光均勻度是對采光系數(shù)跨度的評定，在區(qū)域A和區(qū)域B的采光分析中，采光系數(shù)的變化范圍在0%～60%，變化幅度為60%，整體室內(nèi)照度分布不均勻.區(qū)域C的采光系數(shù)變化范圍在0.2%～20.2%，變化幅度為20%，其中0.2%～2.2%占30%.區(qū)域D的系數(shù)變化范圍在0%～20%，變化幅度為20%，其中0%～2.0%占0.4%.區(qū)域E的系數(shù)變化范圍為2.8%～22.8%，變化幅度為20%.區(qū)域F的系數(shù)范圍3.6%～23.6%，變化幅度為20%.

從采光均勻度來說，區(qū)域A和區(qū)域B的采光系數(shù)跨度較大，區(qū)域C、D、E、F跨度幅度都為20%，采光均勻度區(qū)域A和區(qū)域B較差，其余區(qū)域一致，即區(qū)域A=區(qū)域B<區(qū)域C=區(qū)域D=區(qū)域E=區(qū)域F.

2.3 照度的分析

在典型歷史時期的窯洞民居區(qū)域分別設(shè)置500個計算點，根據(jù)全陰天自然采光照度模擬圖(圖4)，可以得出，區(qū)域A照度值小于300 lx的計算點占整個區(qū)域的85.10%，區(qū)域B照度值小于300 lx的計算點占整個區(qū)域的84.38%，區(qū)域C占71.20%，區(qū)域D為40%，區(qū)域E占38.2%和區(qū)域F照度小于300 lx的計算點占整個區(qū)域的36.50%，對比6個區(qū)域照度低于300 lx的計算點所占比，其動態(tài)走向是呈下降趨勢.由此可見，其照度情況是有所好轉(zhuǎn)的，而且最小照度在6個區(qū)域的動態(tài)走向是在逐漸上升的，最大照度值也是在不斷增大的.數(shù)值說明其照度值是在時間序列下是不斷提高的.整體室內(nèi)自然光環(huán)境是在不斷改善，窯洞民居對光環(huán)境的適應(yīng)性也是呈有利的動態(tài)趨勢演變.

圖4 區(qū)域的照度模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of regional illuminance

由照度分析圖(表3)可看出，區(qū)域A和區(qū)域B的照度比較分散，而且最小照度和最大照度跨度相距太大，整體室內(nèi)照度較低，房間深度較大，整體采光較差.區(qū)域C和區(qū)域D相較區(qū)域A和B而言，靠近采光口的照度較高，距離采光口較遠的地方照度較差，但是采光均勻度稍微有所提升.區(qū)域E和區(qū)域F兩個的照度，明顯比前者更好，房間采光均勻度較高.從照度的角度來看，6個區(qū)域的照度情況，建國之后區(qū)域E和區(qū)域F的照度情況是最好的，民國時期的區(qū)域D和清代的區(qū)域C照度情況次之，清代的區(qū)域B和明代的區(qū)域A照度情況最差.

表3 模擬區(qū)域最小、最大照度和≤300 lx的百分比Tab.3 Percent of minimum and maximum illumination and ≤ 300 lx in simulated area

2.4 ECOTECT模擬結(jié)果總結(jié)

從以上6個典型歷史時期的區(qū)域室內(nèi)自然采光分布情況來看，采光系數(shù)、照度和采光均勻度三個數(shù)值綜合起來可得：1970的區(qū)域E和1990年區(qū)域F的室內(nèi)自然情況是最好的，民國時期的區(qū)域D和清中期的區(qū)域C次之，清早期的區(qū)域B和明代的區(qū)域A最差，即區(qū)域A<區(qū)域B<區(qū)域C<區(qū)域D<區(qū)域E<區(qū)域F.

3 典型歷史時期晉西窯洞民居的量化分析

3.1 窯洞民居規(guī)模的量化演變

在時間序列下，六個典型歷史時期區(qū)域的窯洞民居規(guī)模(表4)是在減小，由測量數(shù)值可知，區(qū)域A和區(qū)域B的正房規(guī)模是大致相同的，區(qū)域C相較于區(qū)域A、B在規(guī)模上是減少的，而區(qū)域D的規(guī)模則是最大的，區(qū)域E和F是所有模型里規(guī)模最小的.其中區(qū)域A、區(qū)域B、區(qū)域C為三開間，區(qū)域D為四開間,區(qū)域E和區(qū)域F也是三開間.從整體上來看，不管是進深還是面寬，兩個數(shù)值都是在減小，故而窯洞民居的規(guī)模是在呈遞減的狀態(tài)，這大致可以理解為是由于村落建成區(qū)域用地緊張所導(dǎo)致的現(xiàn)象.

表4 模擬區(qū)域平面規(guī)模表Tab.4 Plane scale table in simulated area

續(xù)表4

模擬區(qū)域平面圖平面面積/m2模擬區(qū)域平面圖平面面積/m2區(qū)域C清中期 四合院109.80區(qū)域F1990年代王家宅院73.80

3.2 窯洞立面的開窗洞口的量化

隨著時間的推移，區(qū)域A和區(qū)域B的開窗洞口面積是最小(表5)，區(qū)域A的三間正房的窯臉形式是一致的，區(qū)域B最中間的窯臉異于兩側(cè)窯臉，而區(qū)域D的窯臉面積是最大的，建國之后的窯洞民居區(qū)域E和區(qū)域F在窯臉上開啟了較大的窗洞來進行采光.采光的窗洞相對較大時，室內(nèi)能夠獲取到更加充足的自然采光，與此同時，區(qū)域E和區(qū)域F的窯臉形式是一致的，相較前四個區(qū)域的開窗面積更大，窯臉更圓潤.從整體趨勢上來看，開窗洞口在時間序列中的演變是呈上升的趨勢的.

表5 模擬區(qū)域立面開窗洞口面積Tab.5 Area of window openings in the facade of simulated area

3.3 窗地比

將窯洞民居的開窗洞口面積與該窯洞民居地面面積相比，可得到窯洞民居的窗地比(表6)，其數(shù)值可以影響到窯洞民居的室內(nèi)天然光水平，根據(jù)氣候區(qū)窗地比標準為1/5可以評定窯洞民居是否達到窗地比的標準值.綜合判斷窯洞民居規(guī)模隨著時間演變的數(shù)值在逐漸減小，而窯洞民居的開窗洞口的數(shù)值是逐漸增大的，其比值是呈現(xiàn)上升的趨勢.由表6可得出，隨著時間的推移，案例區(qū)域的窗地比在逐漸增大，從區(qū)域A的0.13在區(qū)域C達到標準值0.2之后，區(qū)域D、區(qū)域E和區(qū)域F更是較標準值大.故此判斷，在時間演變過程中，窯臉的開窗洞口與建筑地面的比值是在逐漸上升的.隨著窗地比的增大，窯洞民居的自然采光情況是在呈現(xiàn)動態(tài)上升的趨勢.

表6 模擬區(qū)域窗地比與標準值Tab.6 Window-ground ratio and standard value of simulated area

根據(jù)ECOTEC軟件的室內(nèi)天然光環(huán)境仿真模擬，得出在時間演變下，晉西窯洞民居的室內(nèi)光環(huán)境條件在平穩(wěn)提升；從晉西窯洞民居本身出發(fā)，以量化的形式，從窯洞民居的規(guī)模和窯洞民居立面開窗洞口兩個數(shù)據(jù)，得出晉西窯洞民居的窗地比數(shù)值在時間推移下是在增大的，室內(nèi)自然采光條件得到了相應(yīng)的改善.通過模擬和實測數(shù)據(jù)對比，共同得出晉西窯洞民居在歷史演變過程中，其對光環(huán)境的適應(yīng)是主動的和穩(wěn)步提升的.

4 結(jié)語

在典型歷史時期晉西窯洞民居的室內(nèi)天然采光情況是在不斷提升，有了更多適應(yīng)性，其窯居規(guī)模數(shù)值減小和窯臉的開窗洞口數(shù)值增大，使得窗地比數(shù)值相對增大，室內(nèi)獲得了較多的自然光，與此同時形成了立面特有的窗洞開口形式和遮陽方式.傳統(tǒng)窯洞的營造是在非常有限的客觀基礎(chǔ)上對光環(huán)境形成了主動適應(yīng)，其代價極低，適應(yīng)效率高，滿足了居民的基本生活需要，因此，在當代建筑的光環(huán)境營造方面具有較好的參考作用.