基于Ecotect 的瞻園古典園林建筑冬夏日照時(shí)長(zhǎng)的研究

文／張嵩楠 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 碩士研究生

陳 宇 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 教 授（通訊作者）

引言

江南的私家園林建筑技藝精湛，輕巧玲瓏，開(kāi)敞通透，易受外界光照的影響。不同的高寬尺度造就不同的建筑空間，對(duì)陽(yáng)光的接收程度也不同。目前建筑高寬比的研究對(duì)象多為外部空間[1,2]，古典園林建筑的研究方向多為體量、造型等方面[3,4]，文章選擇探究古典園林建筑高寬比和內(nèi)部空間日照時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系，并提出日照時(shí)長(zhǎng)的調(diào)整措施，為該地區(qū)的園林建筑高寬尺度設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究對(duì)象及方法

1.1 研究對(duì)象

南京位于江蘇省西南部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，夏季炎熱，冬季寒冷[5]。瞻園是南京現(xiàn)存歷史最悠久、保存最為完好的明代古典園林建筑群，素有“金陵第一園”之美譽(yù)[6]。經(jīng)過(guò)了三期的整修與擴(kuò)建，瞻園形成了原址、東部、北部和太平天國(guó)歷史博物館嵌合的布局形式（圖1）[7]。

古典園林建筑按功能性質(zhì)可分為觀賞型、實(shí)用型和輔助型三類[4]。其中，觀賞型建筑主要指亭、軒、榭、舫等開(kāi)敞型小型園林建筑，建筑內(nèi)部空間與外部園林空間聯(lián)系密切。文章選擇研究對(duì)象為瞻園小型觀賞型古典園林建筑（以下簡(jiǎn)稱園林建筑），即觀魚(yú)亭、歲寒亭、扇亭、半亭、延輝亭、翼然亭、水邊亭、庭院亭、薇亭、臨風(fēng)軒、春波亭、抱石軒、姊生亭、畫(huà)舫共14 個(gè)園林建筑（圖1）。

圖1 瞻園14 個(gè)園林建筑點(diǎn)位圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

1.2 研究方法

建立只有頂平面和底平面的正四棱柱簡(jiǎn)化模型，導(dǎo)入Ecotect 軟件，接著導(dǎo)入南京地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來(lái)自清華大學(xué)的《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)庫(kù)》）以累積的方式計(jì)算日照時(shí)間，最終得到簡(jiǎn)化模型的平均日照時(shí)長(zhǎng)和累計(jì)日照時(shí)間圖[8]。

2 高寬比特征及分析

2.1 高寬比定義

文章以建筑屋檐最低處下沿至建筑地坪的高度為檐高（H），以建筑平面較寬面的長(zhǎng)度為面闊（L），以檐高與面闊的比值為該建筑的高寬比（H/L）。若建筑平面非矩形，以平行于觀景面的建筑平面最長(zhǎng)直線距離記為該建筑的面闊。

2.2 研究對(duì)象的高寬比特征

經(jīng)調(diào)研可知，瞻園14 個(gè)園林建筑的平均檐高為2.6m，數(shù)值大多集中在2.3 ～2.9m 之間，其中扇亭、半亭、薇亭和臨風(fēng)軒的檐高最低，約為2.3m，畫(huà)舫檐高最高，約為3.9m；平均面闊為4.3m，數(shù)值大多集中在2.6 ～5.0m 之間，其中姊生亭面闊最窄，約為2.6m，抱石軒面闊最寬，約為8m；平均高寬比數(shù)值約為0.7，數(shù)值較為分散，其中抱石軒高寬比數(shù)值最小，約為0.3，畫(huà)舫的高寬比數(shù)值最大，約為1.0（表1）。

表1 瞻園14 個(gè)園林建筑的高寬比特征表（表格來(lái)源：作者自繪）

3 軟件模擬結(jié)果及分析

3.1 模擬結(jié)果

選取處于0.3 ～1.0 之間的、以0.1 為單位遞增的8 個(gè)不同的高寬比數(shù)值序列來(lái)構(gòu)建模型。參考《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50180-2018》中對(duì)位于Ⅳ氣候區(qū)的南京地區(qū)住宅建筑的日照標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合前人研究和氣象科學(xué)知識(shí)[9-11]，文章以大寒日（1 月21 日）和夏至日（6 月21 日）分別為夏冬兩季的日照標(biāo)準(zhǔn)日，以8:00 至16:00 為有效日照時(shí)間帶，模擬得到8 個(gè)模型的冬夏兩季的平均日照時(shí)長(zhǎng)（表2）和累計(jì)日照時(shí)間圖（圖2、圖3）。

表2 軟件模擬模型日照時(shí)長(zhǎng)表（表格來(lái)源：作者自繪）

3.2 結(jié)果分析

隨著高寬比數(shù)值的不斷增大，大寒日平均日照時(shí)長(zhǎng)也逐步增長(zhǎng)，即兩者呈正相關(guān)關(guān)系，從模型1（高寬比數(shù)值為0.3）的5.65h 增加到模型5（高寬比數(shù)值為0.7）的8h，并保持8h 滿日照到模型8（高寬比數(shù)值為1.0）。夏至日平均日照時(shí)長(zhǎng)也隨高寬比數(shù)值的增大而增長(zhǎng)，即兩者呈正相關(guān)關(guān)系，從模型1（高寬比數(shù)值為0.3）的平均日照時(shí)長(zhǎng)為2.33h 增加到模型8（高寬比數(shù)值為1.0）的4.77h。

累計(jì)日照時(shí)間圖中，大寒日模型底平面南側(cè)區(qū)域的日照時(shí)長(zhǎng)始終為8h 滿日照，并且隨著模型高寬比數(shù)值的不斷增大，由南到北，滿日照區(qū)域逐步擴(kuò)大，直至鋪滿底平面（圖2）。夏至日模型底平面南側(cè)區(qū)域平均日照時(shí)間最長(zhǎng)，約6 ～8h；東西兩側(cè)平均日照時(shí)長(zhǎng)約為3 ～4h；北側(cè)和中間區(qū)域的日照時(shí)長(zhǎng)較短，約0 ～4h。隨著模型高寬比數(shù)值的不斷增大，東、西兩側(cè)日照區(qū)域不斷向內(nèi)延伸，直至模型底平面中部和北部到達(dá)4h 日照時(shí)長(zhǎng)（圖3）。

圖2 大寒日各模型累計(jì)日照時(shí)間圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖3 夏至日各模型累計(jì)日照時(shí)間圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

根據(jù)模擬結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：當(dāng)園林建筑高寬比不變時(shí)，冬季日照時(shí)長(zhǎng)大于夏季日照時(shí)長(zhǎng)；在一定范圍內(nèi)，園林建筑的日照時(shí)長(zhǎng)與建筑高寬比數(shù)值呈正相關(guān)關(guān)系；園林建筑南側(cè)受到較長(zhǎng)時(shí)間的陽(yáng)光照射，其次是西側(cè)和東側(cè)，北側(cè)陽(yáng)光照射時(shí)間較短。

3.3 等級(jí)劃分

參考相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的建議和建筑使用者的主觀感知，以軟件模擬的平均日照時(shí)長(zhǎng)的數(shù)值為劃分標(biāo)準(zhǔn)，將高寬比不同的模型劃分為三個(gè)等級(jí)：“短日照”“半日照”和“滿日照”等級(jí)（表3）：

表3 “短日照”“半日照”“滿日照”等級(jí)劃分表（表格來(lái)源：作者自繪）

（1）“短日照”等級(jí)是指在8:00 至16:00 之間的8h 內(nèi)，軟件模擬大寒日平均日照時(shí)長(zhǎng)小于7h，且夏至日平均日照時(shí)長(zhǎng)小于3h，即冬夏兩季平均日照時(shí)長(zhǎng)小于5h 的模型。在此等級(jí)中有模型1和2，即園林建筑高寬比數(shù)值處于0.3～0.4之間。根據(jù)累計(jì)日照時(shí)間圖，可以看出此等級(jí)中大寒日時(shí)，模型底平面南側(cè)區(qū)域日照時(shí)間充足，達(dá)到8h，北側(cè)區(qū)域日照較少僅有2 ～4h；夏至日整體日照時(shí)長(zhǎng)較少，模型中間區(qū)域沒(méi)有陽(yáng)光直射，符合游人夏季納涼的需求。

（2）“半日照”等級(jí)是指大寒日平均日照時(shí)長(zhǎng)在7～8h之間，且夏至日平均日照時(shí)長(zhǎng)在3～4h之間，即冬夏兩季平均日照時(shí)長(zhǎng)在5 ～6h 之間的模型。在此等級(jí)中有模型3、4 和5，即園林建筑高寬比數(shù)值處于0.5 ～0.7 之間。根據(jù)累計(jì)日照時(shí)間圖，可以看出此等級(jí)中大寒日時(shí)模型底平面大部分區(qū)域日照時(shí)間充足達(dá)到8h，僅北側(cè)較小區(qū)域日照時(shí)長(zhǎng)為4 ～6h；夏至日中部偏北區(qū)域日照時(shí)長(zhǎng)為1 ～2h，南部和西部有4 ～6h 的日照。

（3）“滿日照”等級(jí)是指大寒日平均日照時(shí)長(zhǎng)為8h，且夏至日平均日照時(shí)長(zhǎng)大于等于4h，即冬夏兩季平均日照時(shí)長(zhǎng)大于或等于6h 的模型。在此等級(jí)中有模型6、7 和8，即建筑高寬比數(shù)值處于0.8 ～1.0 之間。根據(jù)累計(jì)日照時(shí)間圖，可以看出此等級(jí)中大寒日時(shí)模型底平面全部區(qū)域的日照時(shí)間達(dá)到8h；夏至日整體日照時(shí)長(zhǎng)較多，其中中部偏北區(qū)域日照較少但也有3 ～4h 日照，東、西側(cè)區(qū)域太陽(yáng)斜射有4 ～5h 的日照時(shí)長(zhǎng)，南側(cè)區(qū)域日照時(shí)長(zhǎng)達(dá)到6 ～8h。

總體來(lái)講，對(duì)于軟件設(shè)定的模擬南京地區(qū)場(chǎng)地而言，“半日照”等級(jí)（高寬比數(shù)值處于0.5～0.7之間）的模型空間更能滿足游人在園林建筑空間中對(duì)陽(yáng)光的需求和使用；而“短日照”等級(jí)（高寬比數(shù)值處于0.3 ～0.4 之間）的模型空間冬季日照時(shí)長(zhǎng)較短；“滿日照”等級(jí)（高寬比數(shù)值處于0.8～1.0之間）的夏季日照時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

4 實(shí)證分析

4.1 劃分調(diào)研對(duì)象等級(jí)

根據(jù)模型的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將瞻園內(nèi)14 個(gè)園林建筑進(jìn)行分類（表3）：

（1）處于“短日照”等級(jí)的園林建筑數(shù)量最少，共2 個(gè)，為臨風(fēng)軒和抱石軒。臨風(fēng)軒東西面連廊有墻體，南側(cè)有屏風(fēng)相隔，北側(cè)觀景，整體空間較為蔭蔽，夏日陰涼，但冬季寒冷（圖4a）。抱石軒是一座東、西、南三面通透的敞軒，位于假山上，抬高的地勢(shì)能俯瞰園中碧水奇石、亭臺(tái)廊榭，也便于接受更多的陽(yáng)光（圖4b）。軒前垂柳夏季枝葉茂密遮擋陽(yáng)光，冬季落葉不遮擋陽(yáng)光。

圖4 瞻園14 個(gè)園林建筑平面及周邊環(huán)境平面圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

（2）處于“半日照”等級(jí)的有5 個(gè)，為觀魚(yú)亭、扇亭、薇亭、翼然亭和延輝亭。觀魚(yú)亭觀景面朝西，南側(cè)連廊，東側(cè)連軒，南、北、西三面通透（圖4c）。夏季太陽(yáng)入射角度較高，與亭相連的廊和軒擋住東、南兩側(cè)炙熱的陽(yáng)光，亭內(nèi)涼爽舒適；冬季太陽(yáng)入射角度較低時(shí)，陽(yáng)光從西、南兩側(cè)的屋檐下方射入亭內(nèi)，為游人提供溫暖。扇亭觀景面朝東，是一座獨(dú)立的扇面亭，雖然位于西假山山頂，但南、北、西三側(cè)密林環(huán)繞，亭子常年處于高大常綠喬木的樹(shù)蔭下，四季涼爽，東側(cè)弧形觀景面外視線較為開(kāi)闊，以便接受上午的陽(yáng)光（圖4d）。薇亭南北朝向，南側(cè)栽植高大常綠喬木遮擋陽(yáng)光，東西兩側(cè)的陽(yáng)光被院墻和廊檐遮擋，但作為組景和通行為主要功能的門(mén)亭，日照問(wèn)題無(wú)須苛責(zé)（圖4e）。同樣是觀景面朝南的翼然亭和延輝亭則受到陽(yáng)光的較強(qiáng)照射。翼然亭地勢(shì)的抬高和南側(cè)開(kāi)敞的草坪空間，都使亭子接收了更多的陽(yáng)光照射，好在其周?chē)贾昧藛坦嗄竞椭檬谝欢ǔ潭壬掀鸬秸陉?yáng)的效果（圖7f）。延輝亭東北側(cè)緊挨院墻，但其整體上較為通透，在陽(yáng)光入射方向上沒(méi)有植物和假山置石遮擋（圖4g）。

（3）處于“滿日照”等級(jí)的園林建筑數(shù)量最多，共7個(gè)，為歲寒亭、半亭、水邊亭、庭院亭、春波亭、姊生亭和畫(huà)舫。歲寒亭觀景面朝東，而半亭觀景面朝西，兩亭皆處于高大常綠喬木樹(shù)冠組成的“屋頂”下，但其觀景面都留有通透的視野接受斜射的陽(yáng)光（圖4h、i）。水邊亭和庭院亭的觀景面朝東，畫(huà)舫主要朝北，東、西兩側(cè)為輔，三亭主要是依靠相鄰的建筑和墻體遮擋南側(cè)的直射的陽(yáng)光，但選擇接受東、西某側(cè)的陽(yáng)光（圖4g、k、l）。畫(huà)舫內(nèi)樣式復(fù)雜的掛落和枋不僅裝飾了舫內(nèi)景致，也遮擋了檐下部分陽(yáng)光，相當(dāng)于降低了檐高。而對(duì)于主觀景面朝南的春波亭和姊生亭，四面通透的單體式造型可從各個(gè)角度接收陽(yáng)光的照射，雖然在東、西、北三側(cè)皆有植物或假山等園林要素遮擋，但夏日南側(cè)直射的陽(yáng)光依舊給亭子的使用帶來(lái)了不便（圖4m、n）。

4.2 調(diào)整園林建筑日照時(shí)長(zhǎng)的措施

由于建筑材料的限制和建筑美學(xué)的要求，園林建筑的高寬比會(huì)出現(xiàn)較大或較小的極值，這時(shí)就可以通過(guò)改變建筑形態(tài)和周邊環(huán)境因素等方法，在一定范圍內(nèi)調(diào)整內(nèi)部空間的日照時(shí)長(zhǎng)。

增加園林建筑日照時(shí)長(zhǎng)的措施如下：（1）對(duì)于建筑形態(tài)而言，可設(shè)天窗，屋頂山墻面開(kāi)窗，檐角起翹，減少枋、掛落、雀替等構(gòu)件的使用，選擇較細(xì)的柱子，少設(shè)墻體，增設(shè)門(mén)窗，觀景面優(yōu)先設(shè)置為南方，其次是西方和東方；（2）對(duì)于周邊環(huán)境而言，可抬高地勢(shì)，選擇單體式布局，遠(yuǎn)離其他建筑，遠(yuǎn)離假山置石，減少植物栽植，優(yōu)先選用落葉喬木和灌木、地被等低矮植物。

減少園林建筑日照時(shí)長(zhǎng)的措施如下：（1）對(duì)于建筑形態(tài)而言，可增設(shè)墻體，少開(kāi)門(mén)窗，增加枋、掛落、雀替等構(gòu)件的使用，觀景面優(yōu)先選擇北方，其次是東方和西方；（2）對(duì)于周邊環(huán)境而言，可選擇降低建筑所處地勢(shì)，與其他建筑相接，靠近假山置石，多栽植植物等，優(yōu)先選用高大常綠喬木。

結(jié)語(yǔ)

文章調(diào)研分析了瞻園園林建筑的高寬比、形態(tài)、功能和周邊環(huán)境的特征，運(yùn)用軟件模擬技術(shù)研究瞻園園林建筑的日照情況。文章為瞻園園林建筑研究提供了數(shù)據(jù)和資料支持，為研究古典園林建筑提供新的研究方向和理論依據(jù)，也為該地區(qū)的園林建筑高寬尺度設(shè)計(jì)提供參考。