基于气候适应性的传统合院式乡土建筑热力学原型研究.pdf

011233|2023|08建筑学摘要：乡土建筑的热力学考古可以溯源到原始社会和古罗马时期，文章提出“乡土建筑热力学原型”的概念，建立“原型提取-性能分析”的设计分析方法，试图回应不同的气候需求和传统文化需求。以传统建筑的“合院空间”为例，结合生物气候图的研究，分析对应不同气候适应范围的合院空间热力学性能，包括“冷库”“热源”“光调节器”和“加湿器”四种性能类型。通过分类分析的方式，依据天井空间中的光、热和风的能量捕获、能量交换和能量梯度可以进一步进行原型验证和能量优化。Abstract：This paper puts forward the concept of thermodynamic prototype of vernacular architecture,establishes a design analysis method from prototype extraction to performance analysis,and tries to respond to different climate needs and traditional cultural needs.Taking the courtyard space of traditional buildings as an example,combined with the bioclimatic map,the thermodynamic performance of the courtyard space corresponding to different climate adaptation ranges is analyzed,including cold storage,heat source,light regulator and humidifier.Through classified analysis,prototype verification and energy optimization can be further carried out according to the energy capture,energy exchange and energy gradient of light,heat and wind in the patio space.关键词：气候适应；热力学原型；乡土建筑；合院Keywords：climate adaption；thermodynamic prototype；vernacular architecture；courtyard.文何美婷同济大学建筑与城市规划学院博 士李麟学同济大学建筑与城市规划学院教 授博士生导师DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.08.004引言气候和建筑之间的关系，可以在不同的建筑类型和建筑尺度中发生，但从类型上而言，原始建筑和传统建筑中，气候适应性的影响则更为明显。从气候上来说，气候环境越严苛的建筑，其适应气候的外部特征就越显著。气候和地域等物质因素造就了地方特色和当地人的生活习俗，这种特色和习俗也同样反映在传统民居中，包括建造技术、材料、空间组织方式等。1 在热力学视角下的建筑气候观念演进纵观整个人类文明发展，气候与建筑之间的关系一直很亲密，原始的人类社会就建立了对材料、技术、建筑系统和建筑设计以及当地气候的依赖。乡土建筑在某种程度上反映了该地域的气候、人类需求和可持续建筑之间的完美适应，因此可以说这是原始的热力学建筑。从同样的意义上讲，当前的气候适应建筑可以定义为一种进化的乡土建筑。气候观念被时常运用于生物和生活环境的外观形态和进化当中。通过回顾维特鲁威（Vitruvius）到勒柯布西耶（Le Corbusier）的建筑观念的发展，调控气候的手段更多地取决于地域性观念，而且它们不仅是建筑的技术手段，还往往是文化选择的问题1。所有的形态都是适应性的，这意味着一个物种经过几代人的进化，将改变其形态，以更好地适应气候、地形、运动、食物摄取、战斗、交配，以及构成其环境和生活在该环境中的所有无数环境2。正如在我国和西方传统建筑中都经常可以见到的合院建筑，合院的结构与形态组织离不开气候的影响，从直观的南北方差异来说，为应对炎热的气候环境，南方的合院组织则更为紧密，而北方合院往往则以宽敞的大院子来获取更多的阳光。建筑与气候一书中就谈到过：“合院既不在建筑外部也不在内部，而是在一个被包围和限定的体块中，在建筑的黑暗和狭窄的空间之外；换言之，它代表了建筑在试图限制开口的同时开放的愿望。”3乡土建筑的热力学考古可以溯源到原始社会和古罗马时期。根据阿巴罗斯所提出的热力学原型4,5，所有的建筑都可以根据该原型及其变体进行创造。对建筑空间的定义会随地域气候的差异而发生改变，根据两种广义的地域气候（寒冷地区和温暖地区）会产生两种基本的建筑原型。通过不同类型学原型和变相，我们能基于物质之间的热力学关系，辨析出将室内与室外的辩证关系物质化的两种方法：那就是热的“源”与“库”，这里也可理解为遮阳房与温室6。实际上，早在人类文明之初的传统乡土建筑中就有反映上述两种热力学原型的情Research on Building Thermodynamic Prototype of Traditional Courtyard based on Climate Adaptability基于气候适应性的传统合院式乡土建筑热力学原型研究012况，分别呈现出合院、人类洞穴、棚屋、风道、热池、暖炕等不同的空间形式。2 原型提取2.1 原型提取与空间结构演绎关于原型和类型的解释，昆西（Quatremere de Quincy）给过一个精妙的定义，“原型”实际上是一种能够被依样复制的物体，而“类型”这个词并不是指被精确复制或模仿的形象，也不是一种作为原型规则的元素。从实际操作角度来看，类型和原型的概念则恰好相反7。类型意味着人们可以根据它去构想出完全不同的作品，而热力学谱系的建构就是基于在类型归纳和划分的基础上，对不同的气候类型提出相应的乡土建筑热力学原型，从而形成多样性和可适应性的设计参考。以合院空间作为乡土建筑热力学原型，进行典型传统空间结构的提取和深入研究，需要考虑合院空间的物理特征和气候适应特征8。合院空间在全球范围的乡土建筑和当代建筑设计中都有体现，是研究传统乡土建筑到当代建筑转化的范本，如欧洲城市住宅。合院在与自身地域文化进行交汇发展的过程中，延伸出了许多不同的形式9。但是合院空间的建造经验是否只是一个浪漫而非理性的策略，其中是否有所隐藏的气候科学和热力学表 1不同气候下的乡土建筑合院空间与空间深度关系图示（表格来源：作者整理绘制）规律值得被设计借鉴？尽管很多文献也指出了庭院的纳阳、避风、遮阳和冬暖夏凉等等的气候效应10-12，但是，建筑内部和合院的温度和微气候环境，目前较多还是采用外部环境气候数据进行评估。由于合院的热力学现象和过程的复杂性，技术量化很难通过外部温度和简单的公式进行计算，那么作为衡量合院热力学性能的空间物理参数是什么？2.2 热力学视角下的传统合院空间关于合院空间的起源众说纷纭，一般认为是起源于古罗马时期的乡村住宅。在公元前2000 年左右的古埃及卡洪城，同样也是外部封闭、中央敞开的合院住宅，也有的人认为合院空间的早期形式起源于地下，位于突尼斯的Matmata地区的地穴民居就是一个典型的例子。其建造就是为了应对恶劣气候和防御外敌入侵，空间的组织和设计很大程度上取决于庭院的位置和形式。在建筑十书描述气候对建筑的影响中，维特鲁威专门研究了院子的形式和功能，包括塔斯坎形式（天井）、科林斯形式（柱廊式）、四柱式、分水式、拱顶式。尽管如此，一直到了 20 世纪，西方才真正将庭院与可持续性和能源相关的建筑科学或技术研究联系起来，但是对于合院热力学特性的相关研究工作，目前来说还是比较少的。从早期原始文明以来，合院形式一直是欧洲地中海和中东地区最普遍的建筑类型，这两个地区的气候特点是温和和干热的气候，气候的采光和通风需求也是原始文明中合院形态产生和普及的最重要原因之一。图 1 是庞贝（Pompeii）古城中的乡村合院式住宅潘萨住宅，其带有两个合院的空间组织形式，发挥着适应不同季节气候的需求。这些住宅也被称为天井住宅（Patio），其空间组织形式是通过一个中央开敞空间（只有上部朝天空的一面敞开）作为标志，建筑内部空间依靠这个合院来接收光线和空气。内部中央空间作为主要的建筑元素，发挥着其他空间元素的组织和生活场景营造的作用，也就是说，合院既是住宅的核心，也是日常活动的中心。目前，从热力学和气候适应性方面分析合院的空间形态特征，采用较多的物理参数是“空间深度”指标（P），表示合院立面高度与平面宽度的比值（h/a），即合院空间的剖面尺度关系，开口与外部环境的联系程度。表 1 展示了不同气候类型中的乡土建筑中，合院空间的空间深度关系，该物理参数可以根据空间上的量化为空间的热性能进行评价、验证和优化，并且已经被验证与太阳辐射、风环境等气候响应有密切关系，但根据不同的气候条件与地理环境有着不同的标准13。根据空间深度，合院可以被大致分为两类：第一种类型的合院空间底部宽度低于其高度，类似于广东民居和上海里弄中的狭窄天井，可以部分或完全打开，常见于气候较为炎热的地区，从西班牙、北非、中东到我国南方都可以看到；第二种类型则来源于围墙所围合出的庭院，即宽度比高度要大，这在伊斯兰的城市民居和北方寒冷城市中都经常可以看到。与第一种类型相比，第二种类型更容易接受到太阳辐射。这两种类型的建筑都有面向合院中庭的开口，外部有可以与相邻的建筑相连的墙体，形成紧凑的城市结构，减少太阳辐射和通过墙体表面的热损失。空间深度参数对分析合院热力学具有重要的意义，因为它们不仅在一定程度上决定了城市的结构组织，并且还以一种非常显著的方式确定了半开放的外部空间的微气候以及在这些空间中的能量行为，上述比例还说明了这些空间与外部能量相关的方式，并影响了它们的内部气候特征。3 性能分析合院具有气候适应性和社会适应性的双重因素。在社会适应性方面，合院往往呈现出共享性、社会性和家庭性的空间场景特征，在乡土建筑中一般承担着最重要的宗教庆典活动或家庭聚会，同时还是接待客人的地方。合院的空间结构以内外空间的连续关系为基础，与凉廊、廊道等缓冲的中间空间相衔接，自然产生了和内部家庭私人空间相差很大的环境。合院图 1庞贝住宅和古罗马时期合院住宅示意图（图片来源：作者改绘）013233|2023|08建筑学作为开放的外部空间，多功能性和灵活性的特点使该空间具有弹性，能够适应气候变化和社会变化14,15。接下来，文章结合奥戈雅（Olgyay）的生物气候图，提出合院的热力学性能与气候适应性、关联性策略，具体包括合院的自然通风、建筑蓄热、蒸发冷却、遮阳和被动式冷却等，其中，受到合院的几何形状、与合院交叉的空气流动以及立面和风的强度等因素影响。3.1“冷库”：合院空间中的通风性能合院可以利用自然通风和机械通风冷却进行空气冷却和净化（图 2）。天井和庭院空间就是空气处理系统，具有降低温度的热力学性能，空气通过有限的外部合院空间进行流动和循环，结合喷泉或池塘的设计，可以进一步蒸发冷却空气。如果将其与遮阳结构系统、植被、被动式太阳能利用等相结合，则可以进一步提高其有效性。因此，合院空间就是一个“冷库”，可以将冷空气进行储存然后将其分配到周围空间中，同时作为调控新鲜空气进行通风的入口。3.2“热源”：合院空间中的蓄热与夜间通风性能建筑蓄热与夜间通风，主要是基于包围合院的墙体材料的热力学性能（图 3）。院子作为建筑的中心，日间正午的时候，太阳会到达院子的上方，太阳高度角较高，此时院子作为建筑外部空间是最为炎热的16。建筑墙体和屋顶材料的热惯性和蓄热能力，可以使得建筑内部保持不同于室外气候温度的凉爽；到了晚上，合院中已经冷却的空气从蓄热的墙体间接加热，然后上升，而夜间的冷空气逐渐替换室内的热空气。3.3“光调节器”：合院空间中的纳阳与遮阳性能建筑的遮阳与纳阳，合院住宅的居民会根据一天或不同季节当中的太阳位置和高度的变化，在合院中选择能够提供遮阳或纳阳的不同空间进行使用（图 4）。在一些阿拉伯的传统住宅中，夏季居住的空间位于底层，冬季的空间位于楼上，楼层高度较低，以限制热量损失。有的甚至在炎热的季节使用地下空间，而在寒冷的季节使用顶层或院落，以享受到温暖的冬季阳光。很多乡土的例子已经向我们展示了如何提高合院的气候效率，在遮阳方面使用的系统和设备包括：屏风、遮阳篷、屋檐、外廊、棚架、植物等。3.4“加湿器”：合院空间中的蒸发冷却性能合院中设置水塘在很多中国传统民居中都可以看到（图 5），实际上这是通过直接蒸发冷却的被动式系统进行降温17。因为水的蒸发从环境中吸收热量，从而降低了空气的温度，使得空气密度增大，冷空气向下沉并被引入与其相连的建筑空间。另外，在庭院里的树木和植物也扮演着重要的角色，可以帮助诱导和输送湿润的气流，在炎热的气候条件下还能提供阴凉，植物的蒸腾作用还能进一步增湿、冷却空气。结语气候适应性分析，是一项应当尽早应用于建筑设计早期阶段的工具。在利用生物气候图的基础上，对能量需求进行基本的判定，并结合建筑空间原型选择相应能量策略的方法。热力学设计通过结合气候适应和能量需求的分析，在早期设计阶段则可以形成基本符合能量需求、舒适性和建筑师设计意图的建筑形体。“乡土建筑热力学原型”，作为建筑设计在回应不同气候能量需求和传统文化需求下的设计工具，是为了提出一种新的建筑思考观念和设计方法；同时，对乡土建筑外部环境的能量属性给予更多的关注，将更加有利于我们对传统建筑形式和空间的支配和塑造，并为建筑师认识建筑界面的能量变化与建筑材料的关系，建立更清晰的认知框架，以能量作为线索，对乡土建筑在适应气候变化与响应热舒适性上，进行建筑形式、材料选择和功能组织的系统性提升。参考文献：1维特鲁威(Vitruvii).建筑十书M.高履泰,译.北京:中国建筑工业出版社,1986.2Christopher Williams.Origins of Form:The Shape of Natural and Man-made Things:Why They Came to Be the Way They Are and How They ChangeM.London:Architectural Book Publishing,2013.3Alexandroff G,Alexandroff J.Architectures et ClimatsM.Paris:Berger-Levrault(Architectures),1982.4李麟学.热力学建筑原型 环境调控的形式法则J.时代建筑,2018(03):36-41.5伊纳吉阿巴罗斯,周渐佳.室内“源”与“库”J.时代建筑,2015(02):17-21.6Iaki balos.Sinks and Sources:Toward a Thermodynamic MateriaismJ.Solid Harvard GSD series:Interior Matters,2017(47):38-49.7阿尔多罗西.城市建筑学M.北京:中国建筑工业出版社,2006.8王新征.合院原型的地区性M.北京:清华大学出版社,2014.9郑媛,王竹,钱振澜,等.基于地区气候的绿色建筑“原型-转译”营建策略以新加坡绿色建筑为例J.南方建筑,2020(01):28-34.10贾小叶.庭院的气候适应性设计策略研究D.北京建筑工程学院,2009.11田银城.传统民居庭院类型的气候适应性初探D.西安建筑科技大学,2013.12李麟学.气候建构 黄河口生态旅游区游客服务中心J.时代建筑,2014:108-115.13Juan Manuel Rojas Fernandez,Carmen Gai An Marin(Director),Enrique D.Fernandez Nieto.Thermodynamics of Mediterranian CourtyardsD.Univeridad De Sevilla,2017.14张彤.环境调控的建筑学自治与空间调节设计策略J.建筑师,2019(06):4-5.15何美婷.基于气候适应性的乡土建筑热力学谱系与设计方法研究D.同济大学,2021.16阿巴罗斯.建筑热力学与美M.上海:同济大学出版社,2015.17陶思旻.热力学视角下的气候建筑原型方法研究D.同济大学,2020.图 2合院的自然通风与气候适应性（图片来源：作者自绘）图 3合院及周边建筑蓄热与夜间通风（图片来源：作者自绘）图 4合院的纳阳与遮阳（图片来源：作者自绘）图 5合院的蒸发冷却与气候适应性（图片来源：作者自绘）