傳統(tǒng)院落地域特征的數(shù)理闡釋

陳泉安，蔡鎮(zhèn)鈺

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

院落是中國傳統(tǒng)民居里一個重要元素，顯現(xiàn)出鮮明的氣候地域特征。文章有別以往對建筑地域特征的感性描述，嘗試借助數(shù)學(xué)方法對傳統(tǒng)院落的地域特征進行理性地再闡釋，從而為現(xiàn)代建筑設(shè)計提供可行的借鑒。

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，人類的生存嚴重依賴于人類與周邊各類生態(tài)因子形成的和諧關(guān)系，尤其是氣候因子。中國地域遼闊，地形多變，氣候多樣。總體來看，西、北環(huán)陸背山和東、南面海的地理特征決定了中國主要氣候的特殊性：夏季多雨、潮濕、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，嚴寒與酷暑兩個氣候極端并存于中國的廣大地區(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)對兩種氣候極端的交替考驗，為人們創(chuàng)造相對舒適的建筑環(huán)境。這正是形成中國傳統(tǒng)建筑尤其是傳統(tǒng)民居地域特征形成的重要動力之一，而傳統(tǒng)民居中的院落則可以被視為這種地域特征的一個縮影。

從地理空間的分布來看，“院落”廣泛地存在于中國各地傳統(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小于平面上至少一個方向的尺寸；平面兩個方向的尺寸或者接近，形成近似的正方形，或者大進深的縱向院落（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)別于北方的一個顯著特點（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看，中國傳統(tǒng)主院落的4個界面通常可分為以下3種情況：一面建筑三面墻、三面建筑一面墻或四面為建筑。無論何種情況，普遍存在著院落到室內(nèi)過度的“灰”空間——無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；從界面材料來看，南方院落界面更“輕薄”——支摘門和支摘窗面積加大，甚至一個界面在夏季可以完全“消失”（圖3）。而北方院落里界面相對厚重和封閉（圖4），門、窗面積相對減少。……

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深尺寸，在冬季具有接納陽光的優(yōu)勢，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作用明顯，有效降低太陽對“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)方法進行理性闡釋呢？下文將從4個典型實例入手，建立數(shù)學(xué)分析模型，通過計算和圖表比對，來進一步印證院落地域特征的感性體會。這4個實例（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號地區(qū)），均為當(dāng)?shù)氐湫偷膫鹘y(tǒng)民居形式。

圖5　四個民居實例的地理位置

2　傳統(tǒng)院落地域特征的數(shù)學(xué)分析

在上文的敘述中，陽光是形成傳統(tǒng)院落地域特征的一個重要動力之一，陽光照射的角度和輻射量基本決定了一個地區(qū)的主要氣候特征。本文將以“陽光”作為參照，建立一個簡單的分析模型，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，這有利于得到陽光直接作用，而院落南向界面在平面進深方向形成的投影大小，將有效影響陽光對整個院落的熱作用。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)值與整個院落得到陽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”色部分對陽光形成遮擋，與南側(cè)界面一起控制陽光的投射量。所以“灰”空間的數(shù)量（S1）在整個院落空間（S0）里所占的比例，反映出了“灰”色空間對院落接受陽光數(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）與整個院落得到陽光的熱量也具有近似的相反趨向。

2.2分析的方法和過程

P1、P2和民居的地理緯度及氣候條件　表1

根據(jù)以上定義與計算模型P1=H/D和P2=S1/S0，本文繪制了3種情形的計算簡圖，明確計算數(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算空間S1和 S2（圖6）。計算過程如下。

①依據(jù)以上建立的計算模型，在4個實例中各選取一個院落，用上述方法對要采集數(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對這些部分進行數(shù)據(jù)采集，然后代入計算模型，分別計算P1和P2的數(shù)值，最后形成表1的計算結(jié)果；

③將表1的結(jié)果和4個地區(qū)的相關(guān)氣象指標(biāo)分別制作成曲線圖（見圖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，則說明院落的進深相對較小，院落較易成為正方形或橫向平面。這就從數(shù)學(xué)計算上真實地反映出南北院落平面形狀的差異。

②在1、2號北方高緯度地區(qū)，院落的高深比（P1）和灰度（P2）均比較小，真實地反映出這些地區(qū)冬季對陽光的渴求：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，均有利于陽光對院落和建筑的直接熱作用；而在3、4號南方地區(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)人們常見的“天井”現(xiàn)象。

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

④由4號低緯度地區(qū)，有北回歸線穿過，太陽高度角較大，高深比（P1）的增加對減少陽光的作用相對有限，院落的平面形狀可以多變，而較大的灰度值（P2）對于遮陽來說具有重要意義；但對于3號地區(qū)的蘇州來說，太陽的高度角要小一些，高深比（P1）的增加可以產(chǎn)生較好的成蔭效果，這也是蘇州乃至長三角地區(qū)高墻窄巷、窄院（例如徽州民居）出現(xiàn)的一個重要原因。

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的高度角，控制著地面的氣候狀況，進而影響著傳統(tǒng)院落的空間形態(tài)。

傳統(tǒng)院落的空間本質(zhì)是幾個較小的建筑體量圍繞著一個共享的室外空間。如果把它們放大到現(xiàn)代建筑體量的時候，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花園、步行廣場等。傳統(tǒng)院落的空間形態(tài)對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，這對現(xiàn)代建筑與城市設(shè)計無疑具有一定啟示意義。

在1、2號地區(qū)，縱向進深的平面或東、西、南三個方向的建筑高度較小時，顯然能增加圍合空間在冬季的光照；而在4號地區(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號地區(qū)，橫長的平面或東、西、南三個方向較大的建筑高度，則對酷熱的夏季有利。同時，在3、4號地區(qū)，大面積室外灰空間對于遮陽、遮雨都有裨益，從而使圍合空間更具魅力和活力。

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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，河南濟源人，同濟大學(xué)博士研究生，高級工程師，國家注冊一級建造師。