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      傳統(tǒng)院落地域特征的數(shù)理闡釋

      2016-08-23 07:35:38陳泉安蔡鎮(zhèn)鈺
      安徽建筑 2016年3期
      關(guān)鍵詞:院落民居平面

      陳泉安,蔡鎮(zhèn)鈺

      (1.泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司河南分公司,河南 鄭州 450000;2.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,上海 200092)

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      傳統(tǒng)院落地域特征的數(shù)理闡釋

      陳泉安1,蔡鎮(zhèn)鈺2

      (1.泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司河南分公司,河南 鄭州 450000;2.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,上海 200092)

      院落是中國(guó)傳統(tǒng)民居里一個(gè)重要元素,顯現(xiàn)出鮮明的氣候地域特征。文章有別以往對(duì)建筑地域特征的感性描述,嘗試借助數(shù)學(xué)方法對(duì)傳統(tǒng)院落的地域特征進(jìn)行理性地再闡釋?zhuān)瑥亩鵀楝F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)提供可行的借鑒。

      傳統(tǒng)院落;地域特征;數(shù)理分析

      1 傳統(tǒng)院落的地域特征

      眾所周知,從根本上講,人類(lèi)的生存嚴(yán)重依賴于人類(lèi)與周邊各類(lèi)生態(tài)因子形成的和諧關(guān)系,尤其是氣候因子。中國(guó)地域遼闊,地形多變,氣候多樣??傮w來(lái)看,西、北環(huán)陸背山和東、南面海的地理特征決定了中國(guó)主要?dú)夂虻奶厥庑裕合募径嘤辍⒊睗?、炎熱,而冬季干燥、多塵、寒冷,季風(fēng)交替影響,四季變化分明,呈現(xiàn)出典型的大陸性氣候特征。而且,與世界上相同緯度地區(qū)相比,冬季更冷而夏季更熱,嚴(yán)寒與酷暑兩個(gè)氣候極端并存于中國(guó)的廣大地區(qū)。這就要求不同地域的建筑具有一定的應(yīng)變能力,能夠隨氣候而變,從而有效地應(yīng)對(duì)兩種氣候極端的交替考驗(yàn),為人們創(chuàng)造相對(duì)舒適的建筑環(huán)境。這正是形成中國(guó)傳統(tǒng)建筑尤其是傳統(tǒng)民居地域特征形成的重要?jiǎng)恿χ唬鴤鹘y(tǒng)民居中的院落則可以被視為這種地域特征的一個(gè)縮影。

      從地理空間的分布來(lái)看,“院落”廣泛地存在于中國(guó)各地傳統(tǒng)民居之中。在東北民居、北方民居、江浙民居、閩粵民居……里,均可以找到大小不同、風(fēng)姿各異的院落。仔細(xì)觀察就可以發(fā)現(xiàn),這些院落存在著鮮明的地域差別。

      從三維尺度來(lái)看,北方院落(如北京四合院、東北大院、晉中大院等)多呈現(xiàn)平面化的特質(zhì),即豎向尺寸往往要遠(yuǎn)小于平面上至少一個(gè)方向的尺寸;平面兩個(gè)方向的尺寸或者接近,形成近似的正方形,或者大進(jìn)深的縱向院落(圖1);而南方院落中,出現(xiàn)了較多豎向尺寸至少大于一個(gè)平面尺寸的情況,從而形成“井廳”;主院落里橫向尺寸增多也是南方區(qū)別于北方的一個(gè)顯著特點(diǎn)(圖2)。

      圖1 河北蔚縣民居平面

      圖2 江蘇蘇州某宅局部平面

      從院落的界面特征來(lái)看,中國(guó)傳統(tǒng)主院落的4個(gè)界面通??煞譃橐韵?種情況:一面建筑三面墻、三面建筑一面墻或四面為建筑。無(wú)論何種情況,普遍存在著院落到室內(nèi)過(guò)度的“灰”空間——無(wú)柱的檐下空間或有柱的連廊,而“灰”空間的數(shù)量則南北有別——南方“灰”空間的尺寸和數(shù)量明顯較多;從界面材料來(lái)看,南方院落界面更“輕薄”——支摘門(mén)和支摘窗面積加大,甚至一個(gè)界面在夏季可以完全“消失”(圖3)。而北方院落里界面相對(duì)厚重和封閉(圖4),門(mén)、窗面積相對(duì)減少?!?/p>

      以上這些地域特征可以用感性的方式加以注解:北方院落較小的豎向尺寸和較大的進(jìn)深尺寸,在冬季具有接納陽(yáng)光的優(yōu)勢(shì),厚重的界面則增加了冷空氣滲入室內(nèi)的阻力;南方院落較大的豎向尺寸和較多的“灰”空間在炎熱的夏季遮陽(yáng)作用明顯,有效降低太陽(yáng)對(duì)“井廳”的直接熱作用,而大面積可支摘界面以及院落與主入口的通透性又加大了“井廳”的換氣效率,以應(yīng)對(duì)高溫高濕的環(huán)境……

      圖3 江西民居院落的支摘界面

      圖4 晉中民居的大進(jìn)深院落及厚重界面

      那么,這些地域性特征可否用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行理性闡釋呢?下文將從4個(gè)典型實(shí)例入手,建立數(shù)學(xué)分析模型,通過(guò)計(jì)算和圖表比對(duì),來(lái)進(jìn)一步印證院落地域特征的感性體會(huì)。這4個(gè)實(shí)例(圖5)分別位于吉林、北京、蘇州和潮汕地區(qū)(圖中的1、2、3、4號(hào)地區(qū)),均為當(dāng)?shù)氐湫偷膫鹘y(tǒng)民居形式。

      圖5 四個(gè)民居實(shí)例的地理位置

      2 傳統(tǒng)院落地域特征的數(shù)學(xué)分析

      在上文的敘述中,陽(yáng)光是形成傳統(tǒng)院落地域特征的一個(gè)重要?jiǎng)恿χ唬?yáng)光照射的角度和輻射量基本決定了一個(gè)地區(qū)的主要?dú)夂蛱卣?。本文將以“?yáng)光”作為參照,建立一個(gè)簡(jiǎn)單的分析模型,直觀地尋找各地民居院落形態(tài)的與氣候之間的互動(dòng)關(guān)系。

      2.1分析指標(biāo)的選擇和分析模型的建立

      2.1.1院落的高深比(P1)

      由于中國(guó)大陸位于北半球,建筑布置座北朝南的特征明顯,這有利于得到陽(yáng)光直接作用,而院落南向界面在平面進(jìn)深方向形成的投影大小,將有效影響陽(yáng)光對(duì)整個(gè)院落的熱作用。如圖6所示,本文將院落南界面豎向尺寸(H)與院落進(jìn)深尺寸(D)的比值定義為院落的高深比P1,即P1=H/D,其中:H為院落地面到南側(cè)建筑檐口或圍墻頂部的高度;D為南側(cè)建筑檐口或圍墻與北側(cè)建筑檐口在地面投影的距離。高深比(P1)的數(shù)值與整個(gè)院落得到陽(yáng)光的熱量具有近似的相反趨向。

      圖6 院落分析模型的平面、剖面

      2.1.2院落的灰度(P2)

      在院落的4個(gè)界面里,總是有一部分或全部界面處在檐口或連廊之下,具有“灰”空間的特質(zhì)(圖6)。這些“灰”色部分對(duì)陽(yáng)光形成遮擋,與南側(cè)界面一起控制陽(yáng)光的投射量。所以“灰”空間的數(shù)量(S1)在整個(gè)院落空間(S0)里所占的比例,反映出了“灰”色空間對(duì)院落接受陽(yáng)光數(shù)量的影響程度,本文將此比例定義為院落的灰度(P2),即P2=S1/S0,而S0=S1+S2,其中S1等于建筑外墻到檐口地面投影的面積(圖中灰色區(qū)域),S2等于檐口地面投影之間或檐口地面投影與外墻圍合成的“空白”面積(圖中綠色區(qū)域)。灰度(P2)與整個(gè)院落得到陽(yáng)光的熱量也具有近似的相反趨向。

      2.2分析的方法和過(guò)程

      P1、P2和民居的地理緯度及氣候條件 表1

      根據(jù)以上定義與計(jì)算模型P1=H/D和P2=S1/S0,本文繪制了3種情形的計(jì)算簡(jiǎn)圖,明確計(jì)算數(shù)據(jù)的采取范圍,在選定的院落平面和剖面上分別用灰色和綠色劃定計(jì)算空間S1和 S2(圖6)。計(jì)算過(guò)程如下。

      ①依據(jù)以上建立的計(jì)算模型,在4個(gè)實(shí)例中各選取一個(gè)院落,用上述方法對(duì)要采集數(shù)據(jù)的區(qū)域逐一標(biāo)色(圖7);

      圖7a 吉林民居的平面、剖面

      圖7b 北京民居的平面、剖面

      圖7d 潮汕民居的平面、剖面

      ②對(duì)這些部分進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,然后代入計(jì)算模型,分別計(jì)算P1和P2的數(shù)值,最后形成表1的計(jì)算結(jié)果;

      ③將表1的結(jié)果和4個(gè)地區(qū)的相關(guān)氣象指標(biāo)分別制作成曲線圖(見(jiàn)圖8)。

      圖8a 四地民居院落的p1、p2值 

      圖8b 四地平均氣溫(oC)

      圖8c 四地平均風(fēng)速(m/s)

      圖8d 四地相對(duì)濕度(%)

      2.3分析的結(jié)果

      ①院落高深比(P1)反映了院落體形關(guān)系:在北方,高深比(P1)較小,則院落進(jìn)深較大,在平面上較易形成正方形或縱向的院落;而南方的高深比(P1)較大,則說(shuō)明院落的進(jìn)深相對(duì)較小,院落較易成為正方形或橫向平面。這就從數(shù)學(xué)計(jì)算上真實(shí)地反映出南北院落平面形狀的差異。

      ②在1、2號(hào)北方高緯度地區(qū),院落的高深比(P1)和灰度(P2)均比較小,真實(shí)地反映出這些地區(qū)冬季對(duì)陽(yáng)光的渴求:院落南側(cè)界面豎向尺寸不大,其他界面附著的“灰”空間較少,均有利于陽(yáng)光對(duì)院落和建筑的直接熱作用;而在3、4號(hào)南方地區(qū),院落較大的高深比(P1)反映出豎向尺寸較大的空間特征,甚至出現(xiàn)人們常見(jiàn)的“天井”現(xiàn)象。

      ③在3、4號(hào)南方地區(qū),院落灰度(P2)均比較大,“灰”空間面積較大,加強(qiáng)了遮陽(yáng)作用,有利于減少陽(yáng)光對(duì)院落和建筑的直接熱作用,對(duì)降低院落小環(huán)境溫度有利。

      ④由4號(hào)低緯度地區(qū),有北回歸線穿過(guò),太陽(yáng)高度角較大,高深比(P1)的增加對(duì)減少陽(yáng)光的作用相對(duì)有限,院落的平面形狀可以多變,而較大的灰度值(P2)對(duì)于遮陽(yáng)來(lái)說(shuō)具有重要意義;但對(duì)于3號(hào)地區(qū)的蘇州來(lái)說(shuō),太陽(yáng)的高度角要小一些,高深比(P1)的增加可以產(chǎn)生較好的成蔭效果,這也是蘇州乃至長(zhǎng)三角地區(qū)高墻窄巷、窄院(例如徽州民居)出現(xiàn)的一個(gè)重要原因。

      3 傳統(tǒng)院落空間地域特征的現(xiàn)代意義

      在本文的分析中,緯度的高低決定了太陽(yáng)的高度角,控制著地面的氣候狀況,進(jìn)而影響著傳統(tǒng)院落的空間形態(tài)。

      傳統(tǒng)院落的空間本質(zhì)是幾個(gè)較小的建筑體量圍繞著一個(gè)共享的室外空間。如果把它們放大到現(xiàn)代建筑體量的時(shí)候,就成為典型的現(xiàn)代共享空間,例如由基于建筑圍合著的一個(gè)花園、步行廣場(chǎng)等。傳統(tǒng)院落的空間形態(tài)對(duì)地理緯度的敏感反映與現(xiàn)代生態(tài)分析手段(例如日照分析軟件)得到的結(jié)果高度契合,這對(duì)現(xiàn)代建筑與城市設(shè)計(jì)無(wú)疑具有一定啟示意義。

      在1、2號(hào)地區(qū),縱向進(jìn)深的平面或東、西、南三個(gè)方向的建筑高度較小時(shí),顯然能增加圍合空間在冬季的光照;而在4號(hào)地區(qū),圍合空間的平面形態(tài)和周邊建筑的高度似乎已經(jīng)不太重要;在3號(hào)地區(qū),橫長(zhǎng)的平面或東、西、南三個(gè)方向較大的建筑高度,則對(duì)酷熱的夏季有利。同時(shí),在3、4號(hào)地區(qū),大面積室外灰空間對(duì)于遮陽(yáng)、遮雨都有裨益,從而使圍合空間更具魅力和活力。

      [1]李秋香,羅德胤,賈珺.北方民居[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

      [2]陸元鼎,楊谷生.中國(guó)民居建筑(上卷)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2004.

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      [6]荊其敏,張麗安.中外傳統(tǒng)民居[M].天津:百花文藝出版社,2004.

      [7]呂愛(ài)民.應(yīng)變建筑觀的建構(gòu)[J].新建筑,2002(4).

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      [11]張晴原,JoeHuang.中國(guó)建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

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      TU241.5

      A

      1007-7359(2016)03-0010-04

      10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.002

      陳泉安(1968-),男,河南濟(jì)源人,同濟(jì)大學(xué)博士研究生,高級(jí)工程師,國(guó)家注冊(cè)一級(jí)建造師。

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