琴江水師旗營的街巷風環境模擬研究

金偉 石峰

(廈門大學建筑與土木工程學院 福建廈門 361005)

傳統民居是我國建筑體系中的一個重要組成部分，其蘊含的傳統哲學、美學與自然科學思想仍然值得當代人去學習和研究。人們對建筑環境品質要求的不斷提高推動了建筑科學的發展，但過于依賴機械設備來控制建筑環境也導致了過度的能源消耗，因此建筑師們逐漸開始從傳統建筑中提取生態氣候設計經驗，并將其運用于現代綠色建筑的設計中[1-2]。

近年來，傳統聚落的氣候適應性研究逐漸增多，如張乾研究了鄂東南地區的聚落空間特征與氣候適應性的關聯[3];梁建、翟靜、張博和曹萌萌分別對坡地型、溝谷型、平地型和靠山型四種不同地形條件下的傳統聚落環境空間形態的氣候適應性特點做了研究[4][5][6][7];童志勇等人對云南邊地聚落生態適應性進行了研究[8]。同時，運用計算機模擬的方法進行的研究有:林波榮等人運用 CFD方法對傳統四合院民居風環境進行了數值模擬，研究了不同合院形式的中國傳統四合院民居在建筑設計上適宜冬季風環境的策略[9];趙彬等人運用 CFD方法對建筑群風環境進行了數值模擬仿真和優化設計[10];林晨運用 CFD方法對自然通風條件下傳統民居室內外風環境進行了研究[11]。

福州市琴江村是由滿族軍營發展而成的聚落，在類型上與上述研究對象有著明顯的差異，在聚落選址、街巷空間、建筑布局等方面都有著鮮明的特征，形成了其獨特的微氣候環境，有必要對其氣候適應性方面的特點進行深入研究。

1 研究對象

本研究以清代琴江水師旗營的街巷格局為研究對象，分析其街巷空間形態對聚落風環境的影響。琴江水師旗營地處長樂市西北部洋嶼半島，閩江南岸，始建于清代。雍正六年，福州駐防軍副都統阿爾賽上書請求雍正皇帝:“以洋嶼去海不遠，密邇省城，既可扼守三江，又可與閩安成犄角之勢”[12]，選定洋嶼為福州駐防三江口水師旗營營盤。雍正七年(1729年)，朝廷先從駐福州的老四旗抽調512名行營旗兵，后又從駐扎于閩安漢軍綠營抽調100名水手做教習，三江口水師旗營正式成立。至辛亥革命后，水師旗營逐漸成為一個居民村落，發展為現狀的琴江村，保存有一部分的歷史建筑和街巷格局(圖1)。

琴江村所處地區屬亞熱帶海洋性季風氣候，全年溫濕多雨，四季溫和，夏長無酷暑，冬短少霜雪。多年平均氣溫為19.3℃，極端最高氣溫37.8℃(出現于1995年9月8日)，極端最低氣溫為-1.3℃(出現于1963年1月27)，全年無霜期高達332天，實際有霜日數累計平均26天，年日照時數累計平均達1837小時，全年主導風向為東北風，夏季多偏南風，冬季多偏北風，全年平均風速為2.7m/s。琴江村常年受風害影響，主要由臺風引起，多出現在夏秋兩季，平均每年5次，多數出現在7月中旬至9月下旬。

圖1 清代琴江水師旗營格局

2 琴江水師旗營的街巷特征

琴江水師旗營(以下簡稱“旗營”)地勢東高西低，有東西兩座小山，旗營西側為“鯉魚山”，旗營內有“炮山”。旗營內的基本高程為3m左右，周邊田地的高程為2.5m左右。據《福州駐防志》記載，旗營的圍墻共有“二里零三分”(約合 1200m)，城周長約1000m，高3m，寬1m，有東、西、南、北4個城門。旗營內有首里街、真武街、承惠街、玄壇廟巷、淳樸巷、大街、泗洲街、高坎街、陽春街、帥正街、協府口、太平里等12條街巷(圖2～4)。大街是旗營的主干道，街寬5m，連通北門與將軍衙門，兩邊基本上都是兵房，以大街為中軸線呈基本對稱的形態。旗營內南北走向與東西走向的街巷相互穿插，街巷建筑整齊劃一，布局巧妙，外人進入街巷內宛如置身八卦陣中，故又稱“旗人八卦城”。旗營中保存較完整的街巷現只剩首里街半條，又稱“旗人街”，寬3.2m，東西走向，為石板鋪砌。旗營東西兩側建筑物布局差異較大，西側建筑物布局規則，街道中存在明顯的主次等級關系;東側不存在明顯的中心建筑和中軸街道，在地形上受到炮山限制，建筑物與街道布局較為自由靈活。

圖2 琴江村大街現狀

圖3 琴江村首里街現狀

圖4 琴江村淳樸巷現狀

3 CFD模擬

計算機流體力學數值模擬(CFD)是研究建筑風環境的重要方法，它是在計算機上以流體力學方程為基礎，對建筑內部以及周圍的風場和熱環境進行離散求解，能夠建立復雜的建筑模型，對眾多的影響因子進行對比分析，有效降低實驗的經濟與時間成本[13]。本研究所采用的CFD模擬軟件為Phoenics，該軟件能夠準確模擬環境中的壓力場，溫度場以及風場。

本研究的以清代旗營格局為模擬對象，其街巷格局與現狀的琴江村有一定差別，對旗營和周邊的小山等重要地形特征進行建模(圖5)。根據日本建筑協會AIJ所推薦的計算區域范圍，模擬水平邊界要大于以目標建筑為中心，半徑大于5H的水平范圍，上方計算區域要大于3H(圖5)。依據實際情況，村落北面為閩江的開闊水面，在日本建筑協會AIJ建議的5種不同的地況分類中，本研究所采用的地面粗糙指數a設定為0.1[14]。模擬中的湍流模型采用雷諾平均納維—斯托克斯方程及k-ε閉合模式(RANS equations with k-ε turbulence closure)。由于網格生成質量對計算精度與穩定性影響很大[15]，在模型中由于城墻的厚度過小，網格難以捕捉，因此在網格設置時適當縮小外部模擬范圍，提高城墻及旗營內部區域的網格數量。模擬時所用網格數為392×355×12，在模型區域網格密度被控制在約每立方米一個網格。

圖5 風環境模擬模型

研究中共設置了三種不同的風向來模擬旗營的風環境，包括:偏北風(冬季主導風向)，偏南風(夏季主導風向)，東北風(全年主導風向)。為了利于對比，三種情況下的初始風速均設置為常年最大風速5.5m/s，同時也作為外部水平邊界的設置參數。通過軟件的后運算處理功能可查得模擬計算流量分別為4.781×107m3、4.780×107m3，4.517×107m3 和4.516×107m3計算流量的誤差率均為0.2%，模擬結果能夠滿足本次測試的誤差要求，可見本次模擬中的網格設置是可行的。

4 結果與分析

表一所示為模擬所得旗營內12條主要街道在三種不同風向下的街道中心風速，(圖6)所示為所選風速測點。(圖7)所示為三種不同風向下旗營1.5m高度處的風速分布圖。

表1 第三組模型的風速特征值

圖6 風速測點位置

4.1 街巷布局對風環境的影響

三種風向下旗營內的平均風速分別為:偏北風時1.89m/s，偏南風時 1.85m/s，東風時 1.72m/s。三種情況下旗營東側街道內的風速均小于旗營西側街道內的風速。可見旗營東側的通風效果要弱于西側的通風效果，而且對來自東面海洋方向的風有明顯的削弱作用。造成這種現象的原因在于旗營東側的建筑和街巷分布較西側而言更加散亂，這會形成散亂的氣流，氣流在未經組織的情況下相互干擾，影響整個旗營的通風效果。炮山的存在也是影響東側街巷通風效果的原因之一，氣流經過炮山形成的渦流對旗營東側的風場造成不利的影響。旗營選擇這種街巷布局形式主要是出于對夏季防風的考慮:琴江村在夏季受臺風影響嚴重，減少臺風的影響是旗營街巷布局時主要考慮的因素之一。

圖7 風速分布圖

旗營西側街巷的通風效果優于旗營東側，泗洲街、大街、淳樸巷和太平里四條街巷的通風效果在所有街巷中最好。在街巷組織上泗洲街、大街、淳樸巷處于南北大門的連接線上，且三條街在東西方向上開口少，形成了三條南北向的通風道，能夠適應夏季主導風向偏南風，提高旗營在夏季高溫時的通風散熱效果。

可見，旗營街巷的街巷布局既考慮到了極端情況下的防風措施，又結合了夏季盛行風風向，保證了旗營的通風效率。

4.2 街巷走向對風環境的影響

在旗營內除三條主要街巷為南北走向外，其余均為東西走向，這主要是由于考慮到日照的因素，這種街巷走向可以使大部分建筑物呈現南北朝向的格局。在夏季主導風向下，旗營中心的3條南北向街道的風速分別為1.11m/s，4.12m/s和2.40m/s，相同狀態下東西向的承惠街、太平里和協府口的風速分別為0.9m/s、1.71m/s和1.79m/s。南北向街道由于面朝夏季主導風向，因而風速較大，而主要的東西向街道由于面朝城門與村外連通，也能獲得較好的通風效果。旗營內的街道組織方式避免了中心區位置過深造成的風影現象，保證了旗營在夏季主導風向上的通風效果，并且平衡了建筑物在通風與日照之間的矛盾。

在冬季，由于琴江村地處夏熱冬暖地區，保溫要求相對較低，且可以通過關閉北向城門的方式阻擋北向寒風。在臺風天較為常見的東風情況下，旗營東側的街巷內風速較大，但由于城墻和炮山的遮擋，旗營西側南北向主街道風速較小，有利于保護旗營內的將軍衙門等主要建筑及街道。

5 結論

本研究通過對古琴江水師旗營在各季節主導風向下的風環境模擬和分析得出以下結論:

(1)旗營整體的通風效果良好，風環境較為均勻，并未在局部出現過大的風速。

(2)旗營內西側的炮山和城墻等對東側建筑形成遮擋，有利于保護內部的主要街道和重要建筑。

(3)旗營內以南北向街道為主街道，東西向街道與之穿插交錯的街巷空間形態，能夠保證旗營內的中心區域具有良好的通風效果。

琴江村清代水師旗營的街巷空間通過合理的布局，在風環境方面很好的適應了當地的地理氣候環境，本研究通過對琴江村清代水師旗營街巷形態與建筑風環境的關系進行研究，得出的結論可供建筑和規劃設計人員作為參考。

[1]V Olgyay，A Olayay.Design with climate:bioclimatic approach to architectural regionalism[M].Princeton，NJ，USA:Princeton University Press，1963.

[2]Givoni B.Climate considerations in building and urban design[M].New York，USA:John Wiley ＆ Sons，1998.

[3]張乾.聚落空間特征與氣候適應性的關聯研究_以鄂東南地區為例[D].華中科技大學博士學位論文，2012.

[4]梁健，坡地型傳統聚落環境空間形態的氣候適應性特點初探[D].西安建筑科技大學碩士學位論文，2014.

[5]翟靜，溝谷型傳統聚落環境空間形態的氣候適應性特點初探[D].西安建筑科技大學碩士學位論文，2014.

[6]張博，平地型傳統聚落環境空間形態的氣候適應性特點初探[D].西安建筑科技大學碩士學位論文，2014.

[7]曹萌萌，靠山型傳統聚落環境空間形態的氣候適應性特點初探[D].西安建筑科技大學碩士學位論文，2014.

[8]童志勇，李曉丹.傳統邊地聚落生態適應性研究及啟示解讀云南和順鄉[J].新建筑，2005，04.

[9]林波榮，王鵬，趙彬，等.傳統四合院民居風環境的數值研究模擬[J].建筑學報，2002，05:47-48.

[10]趙彬，李先庭，林波榮等.建筑群風環境的數值模擬仿真優化設計[J].城市規劃匯刊，2002，02.

[11]林晨.自然通風條件下傳統民居室內外風環境研究[D].西安建筑科技大學博士學位論文，2006.

[12]徐景熹，魯曾煜，施廷樞.乾隆福州府志[M]//世紀出版集團:上海書店出版社，2000.

[13]村上周三.CFD與建筑環境設計[M].朱清宇，譯，北京:建筑工業出版社，2007.

[14]Boulard T，Haxaire R，Lamrani M A，et al.Characterization and modeling of the fluxes induced by natural ventilation in a greenhouse[J].Journal of Agricultural Engineering Research，1999，74:135-144.

[15]王衛國，徐敏，蔣維媚.建筑物附近氣流特征及湍流擴散的模擬實驗[J].空氣動力學報，1999.