基于風環(huán)境模擬的寒冷地區(qū)傳統(tǒng)村落空間優(yōu)化研究
——以北京密云區(qū)潮關(guān)村為例＊

俞天琦 李昊雨

我國住房與城鄉(xiāng)建設部于2013年提出“美麗宜居村莊”概念，2017年黨的十九大報告中提出“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”戰(zhàn)略，中共中央、國務院2018年9月印發(fā)了《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018－2022年）》，十三屆全國人大常委會2021年4月第二十八次會議通過《中華人民共和國鄉(xiāng)村振興促進法》，其核心內(nèi)容均為“宜居宜業(yè)”。由此可見，舒適的室外物理環(huán)境是評判宜居村莊的重要標準之一，適宜的空間優(yōu)化策略是新時期鄉(xiāng)村振興的重要途徑。

北京市密云區(qū)屬于寒冷地區(qū)，冬季盛行東北風，夏季盛行西南風?？傮w地勢較平坦，山體一般為低山和丘陵，有較多河流。該地區(qū)村落主要分布在山體之間的山麓平原地帶，沿河而生。調(diào)查顯示①，密云區(qū)村落春、夏、秋三季風環(huán)境相對適宜，較為突出的問題主要集中在冬季，由于村落較低的建筑密度和低矮的建筑構(gòu)筑物對冬季寒風的遮擋與導向作用微弱，冬季寒風直接影響村民戶外活動的舒適度，同時也影響人體對室外溫度與濕度的感知，加劇不適感?？梢姼纳拼迓涠撅L環(huán)境是室外物理環(huán)境優(yōu)化、創(chuàng)建宜居鄉(xiāng)村的核心內(nèi)容。

因此，本研究以營造舒適冬季風環(huán)境為切入點，通過客觀測量和主觀問卷調(diào)查，遴選影響風環(huán)境的主要因素，提煉村落空間基本模型，利用phonics軟件，從院落布局、街道空間、村落邊界三個層面進行風環(huán)境量化模擬分析，從而提出適用于既有村落形態(tài)更新的風環(huán)境優(yōu)化策略，提升村落冬季室外環(huán)境舒適度，為北方地區(qū)“鄉(xiāng)村振興”提供科學依據(jù)和技術(shù)支持（圖1-3）。

1 搭建適于風環(huán)境模擬的傳統(tǒng)村落空間模型

（1）構(gòu)建基本分析單元

傳統(tǒng)村落民居為典型的合院式民居，由上房、東西廂房、倒座和中心內(nèi)院共同組成。密云區(qū)院落五種形式均廣泛存在，即上房+倒座、上房+東廂房、上房+西廂房、上房+倒座+東廂房、上房+倒座+西廂房，每個院落占地面積約270m2。根據(jù)實際情況，將基本空間模型設定為15m×18m的空間單元，其中正房高4.5m，為雙坡屋頂，倒座及東西廂房高3m，為平屋頂（圖4）。

街道空間由街道兩側(cè)院落圍合而成，沿街的建筑形態(tài)決定了街道空間的形式。密云區(qū)院落組合以行列式為主，即正房山墻相互依靠，開間方向一字排開，道路寬度以5m為主。不同的院落類型組成兩類街道空間形式：一類為封閉式（類型A），道路兩側(cè)均有建筑體量圍合；另一類為開敞式（類型B），道路一側(cè)為建筑，另一側(cè)為低矮院墻或柵欄門。結(jié)合院落布局，能夠形成五種院落和街道對應的空間形式（圖5）。

村落邊界林帶是最先受到氣流影響的部位，設置防風林帶能有效調(diào)節(jié)進入村落內(nèi)部的氣流。密云區(qū)位于地勢平坦的華北平原，根據(jù)當?shù)貥淠镜姆N類、樹齡、樹冠直徑等特征，在模擬分析時，設定林帶高度為15m，寬度為10m。由于村落邊界形式及林帶與村落的距離，對村落內(nèi)部風環(huán)境優(yōu)化的作用不同，因此設計以一個標準院落的面寬（15m）為單位，對15m、30m、45m三種情況進行對比分析（圖6）。

（2）遴選典型村落模型

密云區(qū)古北口鎮(zhèn)潮關(guān)村是當?shù)卣攸c發(fā)展的旅游村落，位于潮河河谷地勢平坦區(qū)域，具有該地區(qū)典型的環(huán)境條件和空間特征。潮關(guān)村東西兩塊主要村落區(qū)域分散布置，相距較遠，村落東側(cè)建筑面積較大，是村落的主要部分。因此，根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，以東側(cè)部分為主進行模擬分析，將村落空間用基本分析單元置換組合，減小運算量，使研究具有一定的普適性。

（3）設置模擬環(huán)境參數(shù)

根據(jù)北京城市氣象研究院的數(shù)據(jù)，以冬季主導風向為主，構(gòu)建k—model湍流模型，網(wǎng)格設置為由邊界到模型所在區(qū)域漸變的形式，網(wǎng)格數(shù)量和邊界尺寸視模擬情況而定，分別設置建筑區(qū)域網(wǎng)格和村落整體網(wǎng)格，來流方向與整個村落模型軸向符合。由于村落周邊空曠、環(huán)境相對簡單，因此設計豎向長度為建筑群豎向長度的三倍，計算區(qū)域高度為主要建筑高度的四倍。

2 傳統(tǒng)村落空間模型的風環(huán)境模擬及分析

（1）院落布局風環(huán)境模擬

對基本院落單元風環(huán)境模擬結(jié)果進行分析：當?shù)卮迓浣ㄖ脑郝洳季郑渴冀K位于院落北側(cè)，對冬季東北向主導風具有一定遮擋效果，因此整個院落形成一個較大的風影區(qū)，內(nèi)部風速明顯小于外部，氣流方向相反。院落內(nèi)部正房建筑墻體附近風速最高，且形成東向的細長氣流帶；有東西廂房的院落，其廂房與正房、院墻之間的狹小空間，容易形成低速渦流區(qū)域；無廂房的院落內(nèi)部各區(qū)域風速差別小，但整體風速較大（圖7）。因此，可以根據(jù)院落外部形成的街區(qū)氣候特征，通過有針對性地修建院落圍護體系、種植綠化植被等方法，改善院落內(nèi)部局部風速過高、風場不均勻的問題，有效提升整個院落內(nèi)部空間的舒適性。

（2）道路空間風環(huán)境模擬

對基本道路單元的風環(huán)境模擬結(jié)果進行分析：當?shù)亟ㄖ孕辛惺讲季譃橹?，主要道路均為東西向，因此每個組團東側(cè)入口處的風速大于組團內(nèi)部街道風速，在道路入口出建筑轉(zhuǎn)角往往會出現(xiàn)風速較大的渦流，即“邊角大風”現(xiàn)象。街道上的風速遠遠大于街道兩側(cè)院落內(nèi)部風速，以東西向風流為主。通過對圍合式和開放式兩類街道空間風環(huán)境模擬對比可見：封閉式街道空間風速相對較大，街角處“邊角大風”現(xiàn)象更明顯，街道空間狹管效應更劇烈；開敞式街道由于和院落存在氣流流動，能在開敞處形成較舒適的外部風環(huán)境（圖8）。因此，可以根據(jù)村民使用需求和院落分布情況，結(jié)合村民活動，通過調(diào)節(jié)交叉路口尺度、院落轉(zhuǎn)角形態(tài)、公共建筑院墻高度等方法，將封閉的街道打開，提升道路節(jié)點場所的風環(huán)境舒適性，增添供村民交往的戶外活動場所。

（3）村落邊界林帶風環(huán)境模擬

對村落組團單元的風環(huán)境模擬結(jié)果進行分析：防風林帶對村落風環(huán)境有非常積極的作用，但過大或過小都會降低效果。有效距離在25～35m之間，并形成錯落式布局，擋風效果最好（圖9）。因此，可以根據(jù)當?shù)貑棠颈就撂卣?，選擇適宜品種，在村落邊界種植防風林帶，并在村落邊界處錯落布置，有效降低冬季主導風向進入村落內(nèi)部的氣流速度，改善村落整體風環(huán)境。

1 村落景觀

2 村落空間

3 村落道路

4 院落布局類型示意圖

5 街道空間類型示意圖

6 村落邊界林帶示意圖

3 基于風環(huán)境模擬的潮關(guān)村空間優(yōu)化策略

潮關(guān)村位于北京密云區(qū)古北口鎮(zhèn)西南角，地處陰山西側(cè)南面的山腳，村落沿山腳散列分布。潮河沿山谷在此改變流向，呈弧狀環(huán)繞村落，形成該村東面靠山而其余三面環(huán)水的地形，其東北邊鄰近古北古長城，村域總面積 3.37km2。潮河河谷回環(huán)的地形導致大量高速氣流在此經(jīng)過，村落內(nèi)部風速常年較高，對當?shù)鼐用竦纳町a(chǎn)生了較大影響。通過實地測量及村民訪談，村落風環(huán)境存在以下主要問題：1）村落東側(cè)邊界布局零散，建筑之間距離較大，氣流到達這些位置速度急速升高，有強烈不舒適感；2）潮關(guān)村村民活動站（院落a4）位于村落南都邊緣，其內(nèi)部風速常年不均勻，影響村民使用；3）由于村落中部分建筑之間距離過小，導致這一區(qū)域街道氣流不通暢，不能形成良好的自然通風。根據(jù)調(diào)研，筆者對潮關(guān)村風環(huán)境問題較多的部位設置了實際測量點和模擬測量點（圖10），便于進一步開展優(yōu)化設計，并對改造前后的風環(huán)境進行對比分析。

（1）增建構(gòu)筑物，調(diào)節(jié)院落內(nèi)部風影區(qū)

選取問題較突出的村民活動站院落（院落a4）進行空間優(yōu)化設計，院落內(nèi)部的建筑圍合方式及圍合程度會影響局部風環(huán)境。因此，在保證院落位置和外部輪廓整體不變的基礎上，對院落a4進行空間細化，在院落內(nèi)部迎風方向增設輔助性功能用房，在風場不均勻處，利用植被、構(gòu)筑物形成不同高度的豎向劃分，使其變?yōu)樾〕叨瓤臻g復合而成的院落，從而改善風環(huán)境。優(yōu)化后公共空間分為大小兩部分，尺度小的公共空間風速相對優(yōu)化前減小很多，可以進行較為私密、活動范圍小的公共活動；較大的一部分公共空間相對優(yōu)化之前風環(huán)境也有所改善。從現(xiàn)狀情況與優(yōu)化后各院落內(nèi)部風速最大值對比數(shù)據(jù)可見，優(yōu)化后院落內(nèi)部的最大風速大部分均明顯下降（圖11-13）。

（2）開拓道路節(jié)點，提升公共空間舒適度

選擇位于組團核心區(qū)的街道b3進行優(yōu)化設計。在潮關(guān)村現(xiàn)狀情況中，村落中部部分街道由于兩邊建筑形式各樣、街道尺度較小、空間狹窄導致氣流不通暢，存在很多風影區(qū)和風速過快的區(qū)域，體感較差。因此，在保證街道尺度和兩邊民居院落位置和輪廓不變的基礎上，對街道空間進行定點調(diào)整。通過沿街加入宣傳板、花架、圍欄等面狀設施，以及局部加建的方法，起到導風板的作用，從而使氣流在街道空間的運動更加穩(wěn)定。街道a3—h3改造后最大風速折線更趨于平緩，a、c、h測點位于街道入口處，風速基本無變化，b、d、g測點位于街道內(nèi)部，風速降低。由此可見，改造后街道空間風環(huán)境更加均勻,“邊角大風”的情況減弱，氣流運動通暢，人的體表舒適度隨之提高（圖14-16）。

（3）形成錯落布局，降低邊界氣流速度

村落邊界空間形式是影響村落整體風環(huán)境的重要因素。在村落邊界合理種植防風林帶，并形成錯落布局，可以有效降低進入村落內(nèi)部的氣流速度，改善風環(huán)境。潮關(guān)村村落邊界單一，且沒有任何導風、防風措施。因此，建議在村落東側(cè)邊界空間種植常綠喬木，結(jié)合周圍地形特點，種植寬度為10m，長度為50m。通過模擬可見，村落內(nèi)部整體風環(huán)境均有很大改善（圖17-19）。

7 院落單元風環(huán)境模擬云圖

8 街道空間風環(huán)境模擬云圖

9 村落邊界林帶風環(huán)境模擬10 潮關(guān)村整體風速云圖

11 院落空間改造示意12 各院落測點改造前后風速對比13 院落a4 改造前后風環(huán)境對比

14 街道空間改造示意15 各街道測點改造前后風速對比16 街道e3—f3 改造前后風環(huán)境對比

17 村落邊界空間改造示意18 村落邊界空間各測點改造前后風速對比19 村落邊界空間改造前后風環(huán)境對比

4 結(jié)語

村落空間的風環(huán)境對居民的日常生活有很大影響，良好的風環(huán)境是保證人們室內(nèi)外活動舒適、健康的根本。通過對北京市密云區(qū)傳統(tǒng)村落進行調(diào)查、監(jiān)測、模擬研究，對傳統(tǒng)村落的院落布局、街道空間、邊界林帶等影響因素的單元模型進行量化分析，以潮關(guān)村為例進行實證研究，提出增建構(gòu)筑物，調(diào)節(jié)院落內(nèi)部風影區(qū)；開拓道路節(jié)點，提升公共空間舒適度；形成錯落布局，降低邊界氣流速度等傳統(tǒng)村落空間風環(huán)境優(yōu)化策略，以期提升寒冷地區(qū)傳統(tǒng)村落的宜居性和舒適性，為村落更新改造提供科學的依據(jù)和適宜的方法。

圖片來源

1-3作者自攝

4-19作者自繪

注釋

① 課題組在近兩年的時間里，走訪密云區(qū)11個村落，對各個村落建設、村落形態(tài)、規(guī)模、宅基地面積、冬季風環(huán)境以及村民對風環(huán)境主觀評價等內(nèi)容進行深入調(diào)研。