以西安市张百万故居为例，通过测绘得出了张百万故居比例关系，利用Design Builder软件进一步定量分析不同比例下，张百万故居自然采光和庭院通风间的关系，探讨庭院长宽比达到特定最优值时可以实现最佳的通风和采光效果。 1 研究对象及方法 1.1 研究对象 本研究以位于西安市车丈沟村的张百万传统民居为研究对象。陕西传统窄院通常是以轴线为主的“一正两厢”式布局，即坐北朝南的正房和左右两侧厢房，多为两进院和三进院，遵从了传统的礼制和等级思想，层次分明，整个院子宽度由位于轴线的正厅房开间宽度决定。 房屋布局如张百万故居的中小型宅院面宽多为9~10 m，左右两厢房的进深一般不超过3 m，中间庭院宽度为3~4 m，这种布局可以使整个民居的阴影面积增加，相较于其他室外温度体感温度也较凉爽，庭院也有下沉的区域便于排水。 车丈沟村所在的区域位于山麓，地形有高差且大致呈东西分布，此处的大多数民居都是区别于传统的坐北朝南，而是适应地形的坐东朝西，现存的院子为一进院、有一间厅房、两间厦房、一间门房，厅房后面的二进院是作为民居的备用扩建场地。 在房屋布局上位于东西轴线上房间为双坡屋顶，南北的两厦房为单坡顶，且坡顶的坡度也有所不同。 张百万屋顶坡度如图1所示。 图1 张百万屋顶坡度示意 根据民居实测数据和现场调研得出相关数据，场地的入口在西南角，整个房屋因地形原因有高差处理，具有4个高差且由西向东逐级提高，以入口的位置为基准，一进院的位置相较于地面入口的位置高0.8 m，位于轴线的厅房比庭院高0.5m，第二进院比厅房高1.2 m。因为年代久远且民居经历过坍塌，左右两厦房均是后期维修新建，布局左右对称且为砖混结构，门房为清代建筑且基本构造保持不变。门房、左右两厦房的檐下高度均为3 m，门房进深4 m左右，门房墙上设置1个窗户，窗户上檐距地面距离2.8 m左右，窗户下檐距地面1 m左右，窗墙比为0.17。两厦房进深2.7 m左右，厦房墙上设置2个窗户，窗墙比为0.14，民居的窗户和门均向室内开，室内墙体表面均为白色涂料，室内屋顶为PVC吊顶。从平面上庭院的长宽为1∶2.5，从立面上厦房高∶厦房宽∶院子宽比为3∶2.7∶3.4。庭院左右两通道宽度为0.9 m，入口宽度为2.8 m左右。 张百万庭院平面如图2所示。 图2 张百万庭院平面示意/cm 1.2 研究方法 目前对于建筑物理环境测试的方法大致分为现场测试和计算机模拟技术两种方法，现场测试时间周期长，其具有机器损坏等不确定因素较多，前期成本投入较大；而计算机模拟这种方法可以节省多方面成本，将风环境直观地以图表化的形式呈现出场地风场变化，通过进行定量的研究可为研究提供依据。 本研究采用建筑性能分析软件Design builder中的CFD模块模拟分析了庭院风场环境，结合监测点的速度变化数据和风场平面图综合比较分析；运用Daylighting模块模拟分析了室内空间的采光情况，以采光系数（daylight factor，DF)作为评价指标，对所评价房间平均采光系数进行比较分析。 2 模型建立及环境参数设置 2.1 模型建立 基于实地调研的数据绘制张百万故居平面图，利用Design builder软件建立三维模拟模型，由于历史时间问题出现的壁面粗糙采光不均等不可抗力的误差可忽略不计。 张百万故居模型如图3所示。 图3 张百万故居模型示意 2.2 模拟参数设置 西安市总日照时数1 700.6~2 827.2 h，根据GB/T 50033—2013《建筑采光设计标准》的规定，西安市住宅建筑采光标准值见表1。 表1 采光标准值 房间进深根据工况不同距离，采光按照最不利条件选取CIE全阴天模型对房间进行均匀布点，网格间距为0.3 m，室内材料设定相应的反射系数，室内材料选择如下：240 mm实心砖墙+水泥砂浆+白色涂料，地面根据民居现状选择如下：地面砖+水泥砂浆；室内吊顶材料如下：聚苯乙烯泡沫板及PVC吊顶。 西安市地处寒冷地区，夏季风和冬季风风向一致且风向频率最高的是东北风（NE），占冬季风向13 %，夏季风向19 %，全年风向14 %，因为传统民居通风受温度因素影响较小，热压通风影响较小，因此选择主导风向东北风（NE），入口速度为2 m/s作为边界条件，在计算过程中采用k-ε湍流模型为数学模型，计算空间采用大于建筑高度、宽度和长度的3倍进行计算。 以室外活动频繁的区域为主要布点依据，并且为了通风数据的准确性，以1.5 m分别在中间堂屋（A点）、院子天井（B点）、院子（C点）和入口（D点）布置监测点。 风速监测点平面示意如图4所示。 图4 风速监测点平面示意 3 工况及结果分析 3.1 工况分析 考虑到张百万故居的庭院面积有限和空间尺度的舒适感，以0.2 m的步长改变庭院宽度，共设置8种工况进行室内采光和庭院风环境模拟，工况3为张百万故居原有庭院尺寸的模型。庭院通风研究的工况设置见表2。风速分布图选取1.5 m高度处的截面，对监测点速度进行提取，并分析不同工况下院落空间的风速变化。因厅房东面重新修缮，只留有一扇门大小的洞口，因此对庭院整体的风速影响较大，所有工况的院内整体风速较小，整体处于低速区。 表2 庭院通风研究的工况设置 m 张百万故居的整体庭院较小，而传统的窄院设计通常遮阳庇荫，以缩短日照时间来减少太阳辐射的直射，使庭院处于阴影之中，室内光环境整体情况较差。门房的DF为0 %~5 %，南北两厦房的DF为0 %~10 %。工况总结见表3。 表3 工况总结 3.2 结果分析 针对堂屋的风速监测点，工况8（室内进深3.2 m）的风速最高，速度为0.37 m/s；房屋的高度∶庭院宽度为1∶0.8。 天井监测点的风速，工况4（室内进深2.8 m）的风速最高，速度为0.18 m/s；房屋的高度∶庭院宽度为1∶1.01。 入口监测点的风速，工况2（室内进深2.6 m）的风速最高，速度为0.22 m/s；房屋的高度∶庭院宽度为1∶1.20。 院子监测点的角度，工况7（室内进深3.1 m）的风速最高，速度为0.19 m/s；房屋的高度∶庭院宽度为1∶0.87。 根据规范JGJ/T 338—2014 《建筑工程风洞试验方法标准》中的风速比法，张百万故居主导风向下的平均风速比都不大于1.2，为了规避天井所在区域的涡流区，以及在功能上庭院为张百万故居的主要活动中心，以及人类对其聚居地最大限度地接触（自然、社会等）的基本需要，要保证所处庭院时视线避免堵塞和庭院尺度的舒适感，所以在通风条件下首要考虑庭院的风速，对于东西向的张百万民居来说，房屋高度和庭院宽度比例在1∶0.87为最佳。 监测点风速曲线如图5所示。 图5 监测点风速曲线 通过采光系数的分析，在采光上院落长宽比能够有效控制室内采光系数，从而改善室内光环境。在所有工况中，门房进深始终保持不变，南北厦房进深发生改变，南北厦房室内采光程度强弱和房间进深基本呈正相关，房间进深越大，室内天然采光程度就越好；门房进深保持不变，但是随着庭院距离变小，采光程度越差，呈负相关关系。 根据GB/T 50033—2013《建筑采光设计标准》的规定，DF指标下侧面的采光系数不低于2 %。从北厦房的平均采光系数来看，工况3~工况8均满足此条件，最高采光系数是工况8，平均系数为2.65 %，房屋高度∶庭院宽度为1∶0.80。 从南厦房的平均采光系数来看，工况6~工况8都满足此条件，最高的采光系数是工况8，平均系数为2.41 %，房屋的高度：庭院宽度为1∶0.80。 从门房的平均采光系数来看，整体都没有达到标准的采光系数，取最高采光系数为工况1（庭院3.8 m）和工况2（庭院3.6 m），平均系数最为0.30 %，房屋高度∶庭院宽度为1∶1.3。 门房所有工况中的最大平均采光系数（0.30 %）和最小平均采光系数（0.28 %）的差值为0.02 %，基本上采光程度无明显变化。 结合分析室内情况，工况6~工况8采光模拟在一定程度上都满足采光条件，工况6、工况7、工况8的房屋高度和庭院宽度的比分别为1∶0.93、1∶0.87、1∶0.80。 平均采光系数曲线如图6所示。 图6 平均采光系数曲线 4 结束语 本研究针对坐东朝西的张百万故居在基于原有布局的情况下，改变不同庭院宽度后对庭院风环境和室内天然采光进行计算机模拟。在采光方面，相关数据得出改变距离一个变量的情况下，随着庭院宽度距离的缩短与南北两厦房采光程度呈现正相关关系，与门房（西）呈现负相关关系，庭院距离每缩小0.2 m，北厦房整体室内平均采光系数约以0.13 %增加；南厦房在工况5后采光程度逐渐稳定，室内天然采光平均系数增加约0.14 %。在通风方面，工况7（室内进深3.1 m，庭院进深2.6 m）符合通风情况。 因此，工况7（室内进深3.1 m，庭院进深2.6 m）为张百万故居的理想数据模型，房屋高度和庭院宽度比例为1∶0.87，但结合实际考虑庭院宽度和排水情况，工况5（室内进深2.9 m，庭院3 m）房屋高度和庭院宽度比为1∶1的模型更适合。 基于此，为关中地区东西朝向的窄院民居布局优化提供借鉴意义，模拟可在一定程度上改善庭院通风质量，创造更加宜人的居住环境。
