基于风环境模拟的寒冷地区传统村落空间优化研究——以北京密云区潮关村为例＊

俞天琦 李昊雨

我国住房与城乡建设部于2013年提出“美丽宜居村庄”概念，2017年党的十九大报告中提出“乡村振兴战略”战略，中共中央、国务院2018年9月印发了《乡村振兴战略规划（2018－2022年）》，十三届全国人大常委会2021年4月第二十八次会议通过《中华人民共和国乡村振兴促进法》，其核心内容均为“宜居宜业”。由此可见，舒适的室外物理环境是评判宜居村庄的重要标准之一，适宜的空间优化策略是新时期乡村振兴的重要途径。

北京市密云区属于寒冷地区，冬季盛行东北风，夏季盛行西南风。总体地势较平坦，山体一般为低山和丘陵，有较多河流。该地区村落主要分布在山体之间的山麓平原地带，沿河而生。调查显示①，密云区村落春、夏、秋三季风环境相对适宜，较为突出的问题主要集中在冬季，由于村落较低的建筑密度和低矮的建筑构筑物对冬季寒风的遮挡与导向作用微弱，冬季寒风直接影响村民户外活动的舒适度，同时也影响人体对室外温度与湿度的感知，加剧不适感。可见改善村落冬季风环境是室外物理环境优化、创建宜居乡村的核心内容。

因此，本研究以营造舒适冬季风环境为切入点，通过客观测量和主观问卷调查，遴选影响风环境的主要因素，提炼村落空间基本模型，利用phonics软件，从院落布局、街道空间、村落边界三个层面进行风环境量化模拟分析，从而提出适用于既有村落形态更新的风环境优化策略，提升村落冬季室外环境舒适度，为北方地区“乡村振兴”提供科学依据和技术支持（图1-3）。

1 搭建适于风环境模拟的传统村落空间模型

（1）构建基本分析单元

传统村落民居为典型的合院式民居，由上房、东西厢房、倒座和中心内院共同组成。密云区院落五种形式均广泛存在，即上房+倒座、上房+东厢房、上房+西厢房、上房+倒座+东厢房、上房+倒座+西厢房，每个院落占地面积约270m2。根据实际情况，将基本空间模型设定为15m×18m的空间单元，其中正房高4.5m，为双坡屋顶，倒座及东西厢房高3m，为平屋顶（图4）。

街道空间由街道两侧院落围合而成，沿街的建筑形态决定了街道空间的形式。密云区院落组合以行列式为主，即正房山墙相互依靠，开间方向一字排开，道路宽度以5m为主。不同的院落类型组成两类街道空间形式：一类为封闭式（类型A），道路两侧均有建筑体量围合；另一类为开敞式（类型B），道路一侧为建筑，另一侧为低矮院墙或栅栏门。结合院落布局，能够形成五种院落和街道对应的空间形式（图5）。

村落边界林带是最先受到气流影响的部位，设置防风林带能有效调节进入村落内部的气流。密云区位于地势平坦的华北平原，根据当地树木的种类、树龄、树冠直径等特征，在模拟分析时，设定林带高度为15m，宽度为10m。由于村落边界形式及林带与村落的距离，对村落内部风环境优化的作用不同，因此设计以一个标准院落的面宽（15m）为单位，对15m、30m、45m三种情况进行对比分析（图6）。

（2）遴选典型村落模型

密云区古北口镇潮关村是当地政府重点发展的旅游村落，位于潮河河谷地势平坦区域，具有该地区典型的环境条件和空间特征。潮关村东西两块主要村落区域分散布置，相距较远，村落东侧建筑面积较大，是村落的主要部分。因此，根据调研数据，以东侧部分为主进行模拟分析，将村落空间用基本分析单元置换组合，减小运算量，使研究具有一定的普适性。

（3）设置模拟环境参数

根据北京城市气象研究院的数据，以冬季主导风向为主，构建k—model湍流模型，网格设置为由边界到模型所在区域渐变的形式，网格数量和边界尺寸视模拟情况而定，分别设置建筑区域网格和村落整体网格，来流方向与整个村落模型轴向符合。由于村落周边空旷、环境相对简单，因此设计竖向长度为建筑群竖向长度的三倍，计算区域高度为主要建筑高度的四倍。

2 传统村落空间模型的风环境模拟及分析

（1）院落布局风环境模拟

对基本院落单元风环境模拟结果进行分析：当地村落建筑的院落布局，正房始终位于院落北侧，对冬季东北向主导风具有一定遮挡效果，因此整个院落形成一个较大的风影区，内部风速明显小于外部，气流方向相反。院落内部正房建筑墙体附近风速最高，且形成东向的细长气流带；有东西厢房的院落，其厢房与正房、院墙之间的狭小空间，容易形成低速涡流区域；无厢房的院落内部各区域风速差别小，但整体风速较大（图7）。因此，可以根据院落外部形成的街区气候特征，通过有针对性地修建院落围护体系、种植绿化植被等方法，改善院落内部局部风速过高、风场不均匀的问题，有效提升整个院落内部空间的舒适性。

（2）道路空间风环境模拟

对基本道路单元的风环境模拟结果进行分析：当地建筑以行列式布局为主，主要道路均为东西向，因此每个组团东侧入口处的风速大于组团内部街道风速，在道路入口出建筑转角往往会出现风速较大的涡流，即“边角大风”现象。街道上的风速远远大于街道两侧院落内部风速，以东西向风流为主。通过对围合式和开放式两类街道空间风环境模拟对比可见：封闭式街道空间风速相对较大，街角处“边角大风”现象更明显，街道空间狭管效应更剧烈；开敞式街道由于和院落存在气流流动，能在开敞处形成较舒适的外部风环境（图8）。因此，可以根据村民使用需求和院落分布情况，结合村民活动，通过调节交叉路口尺度、院落转角形态、公共建筑院墙高度等方法，将封闭的街道打开，提升道路节点场所的风环境舒适性，增添供村民交往的户外活动场所。

（3）村落边界林带风环境模拟

对村落组团单元的风环境模拟结果进行分析：防风林带对村落风环境有非常积极的作用，但过大或过小都会降低效果。有效距离在25～35m之间，并形成错落式布局，挡风效果最好（图9）。因此，可以根据当地乔木本土特征，选择适宜品种，在村落边界种植防风林带，并在村落边界处错落布置，有效降低冬季主导风向进入村落内部的气流速度，改善村落整体风环境。

1 村落景观

2 村落空间

3 村落道路

4 院落布局类型示意图

5 街道空间类型示意图

6 村落边界林带示意图

3 基于风环境模拟的潮关村空间优化策略

潮关村位于北京密云区古北口镇西南角，地处阴山西侧南面的山脚，村落沿山脚散列分布。潮河沿山谷在此改变流向，呈弧状环绕村落，形成该村东面靠山而其余三面环水的地形，其东北边邻近古北古长城，村域总面积 3.37km2。潮河河谷回环的地形导致大量高速气流在此经过，村落内部风速常年较高，对当地居民的生活产生了较大影响。通过实地测量及村民访谈，村落风环境存在以下主要问题：1）村落东侧边界布局零散，建筑之间距离较大，气流到达这些位置速度急速升高，有强烈不舒适感；2）潮关村村民活动站（院落a4）位于村落南都边缘，其内部风速常年不均匀，影响村民使用；3）由于村落中部分建筑之间距离过小，导致这一区域街道气流不通畅，不能形成良好的自然通风。根据调研，笔者对潮关村风环境问题较多的部位设置了实际测量点和模拟测量点（图10），便于进一步开展优化设计，并对改造前后的风环境进行对比分析。

（1）增建构筑物，调节院落内部风影区

选取问题较突出的村民活动站院落（院落a4）进行空间优化设计，院落内部的建筑围合方式及围合程度会影响局部风环境。因此，在保证院落位置和外部轮廓整体不变的基础上，对院落a4进行空间细化，在院落内部迎风方向增设辅助性功能用房，在风场不均匀处，利用植被、构筑物形成不同高度的竖向划分，使其变为小尺度空间复合而成的院落，从而改善风环境。优化后公共空间分为大小两部分，尺度小的公共空间风速相对优化前减小很多，可以进行较为私密、活动范围小的公共活动；较大的一部分公共空间相对优化之前风环境也有所改善。从现状情况与优化后各院落内部风速最大值对比数据可见，优化后院落内部的最大风速大部分均明显下降（图11-13）。

（2）开拓道路节点，提升公共空间舒适度

选择位于组团核心区的街道b3进行优化设计。在潮关村现状情况中，村落中部部分街道由于两边建筑形式各样、街道尺度较小、空间狭窄导致气流不通畅，存在很多风影区和风速过快的区域，体感较差。因此，在保证街道尺度和两边民居院落位置和轮廓不变的基础上，对街道空间进行定点调整。通过沿街加入宣传板、花架、围栏等面状设施，以及局部加建的方法，起到导风板的作用，从而使气流在街道空间的运动更加稳定。街道a3—h3改造后最大风速折线更趋于平缓，a、c、h测点位于街道入口处，风速基本无变化，b、d、g测点位于街道内部，风速降低。由此可见，改造后街道空间风环境更加均匀,“边角大风”的情况减弱，气流运动通畅，人的体表舒适度随之提高（图14-16）。

（3）形成错落布局，降低边界气流速度

村落边界空间形式是影响村落整体风环境的重要因素。在村落边界合理种植防风林带，并形成错落布局，可以有效降低进入村落内部的气流速度，改善风环境。潮关村村落边界单一，且没有任何导风、防风措施。因此，建议在村落东侧边界空间种植常绿乔木，结合周围地形特点，种植宽度为10m，长度为50m。通过模拟可见，村落内部整体风环境均有很大改善（图17-19）。

7 院落单元风环境模拟云图

8 街道空间风环境模拟云图

9 村落边界林带风环境模拟10 潮关村整体风速云图

11 院落空间改造示意12 各院落测点改造前后风速对比13 院落a4 改造前后风环境对比

14 街道空间改造示意15 各街道测点改造前后风速对比16 街道e3—f3 改造前后风环境对比

17 村落边界空间改造示意18 村落边界空间各测点改造前后风速对比19 村落边界空间改造前后风环境对比

4 结语

村落空间的风环境对居民的日常生活有很大影响，良好的风环境是保证人们室内外活动舒适、健康的根本。通过对北京市密云区传统村落进行调查、监测、模拟研究，对传统村落的院落布局、街道空间、边界林带等影响因素的单元模型进行量化分析，以潮关村为例进行实证研究，提出增建构筑物，调节院落内部风影区；开拓道路节点，提升公共空间舒适度；形成错落布局，降低边界气流速度等传统村落空间风环境优化策略，以期提升寒冷地区传统村落的宜居性和舒适性，为村落更新改造提供科学的依据和适宜的方法。

图片来源

1-3作者自摄

4-19作者自绘

注释

① 课题组在近两年的时间里，走访密云区11个村落，对各个村落建设、村落形态、规模、宅基地面积、冬季风环境以及村民对风环境主观评价等内容进行深入调研。