基于回归分析方法的传统合院式民居空间气候适应性研究＊

张鑫 郭菂

不同民族文化区域中民居的差异在于自然条件造成的文化差异，而在同一民族文化区域内，民居之间的根本差异往往来自于相同文化在适应不同自然环境时的同源不同构。合院式民居是我国传统民居的主要类型之一，遍及不同民族生活区域，并在面对不同时期或地域的气候条件中演化出丰富多样的形式。地理位置相差较远的传统合院式民居，在类似的气候条件下仍具有一定的共性。

1 研究综述与相关指标

1.1 研究综述

近几年，建筑学的研究中引入了量化统计方法。公共建筑的能耗分析方面，赵路辉对不同能耗影响因素进行回归分析，并根据学校类建筑能耗预测模型确定能耗基准评价方法；城市设计方面，孙艺通过多元回归模型揭示了两者的定量关系并提出改进措施；传统村落与民居方面，张乾首次运用SPSS软件的回归法，分析巷道空间特征与室内外热环境的关联性，杨涛则构建了合院民居形态的相关指标，并运用线性相关法，得出气温和降水是影响合院民居庭院形态变化的主要因子，且庭院形态变化是该地区的合院民居适应地区气候差异的主要途径。

本文运用了上述文献中的量化分析原理，在研究范围上从区域化转向全国性，量化方法从单一的线性相关转向多元回归，以此分析两者的相关关系并揭示内在关联度，探求各项气候因子对民居空间组合的解释形式与力度，并把握其程度与差异。

1.2 民居案例的选择

案例的选取涉及五大建筑气候区并综合考虑以下三点因素：1）民居所处城市的气候特征鲜明并兼具地域特征；2）案例的建设年代多处于距今100～150年间，各地区在此期间的相对气候变化可忽略，另外该时段的部分民居保存较完整，可提供研究所需的基础数据；3）所选取的案例能相对准确地概括并代表本地区大部分民居的空间特征（图1-5）。

1.3 变量指标的构建

（1）自变量——地域气候

气象划分法将一年分为四大时段，由于夏季和冬季的自变量是一年当中的极端值，对民居空间的影响作用大于过渡季。所以，提取并归纳中国气象数据网“中国地面气候标准值月值数据集（1981—2010年）”中的案例城市或相邻城市的夏季7月和冬季1月的数值，具体包括累年月平均气温、累年月平均相对湿度、累年月平均降水量、累年月平均风速，绘制数据如表1所示。

（2）因变量——民居空间要素

空间要素主要包括空间组织、空间形态与空间界面三方面。空间组织体现在总体布局层面，如容积率、室内空间占比、中介空间占比、室外空间占比；空间形态指各类空间要素的比例，如室内长宽比、室内高宽比、中介高宽比、室外长宽比、室外高宽比；空间界面包含建筑外界面的相关系数，如体形系数、屋面坡度、主朝向窗墙比。

2 回归分析

本章节主要介绍因变量各空间要素与自变量气候因子之间的多元回归分析。由于篇幅有限，仅对同气候相关度较高的几类空间要素做具体分析，其余则描述研究结果。

2.1 空间组织的气候适应性

（1）容积率。气候因子对容积率有48.4%的解释力（表2）。方程通过DW检验（DW=2.175）及共线性检验（VIF＜10），进一步对个体自变量进行检验，相关系数（Beta＞0.30）达标且显著性（p＜0.05）满足要求的变量为X冬季平均温度、X冬季平均降水量。容积率的变化有48.4%的原因由前文分析所归纳的气候因子引起，同时冬季平均温度及降水量越大，容积率越大。

（2）室内空间占比。气候因子对室内空间占比仅有5%的解释力，远远低于弱相关要求的30%，不做后续分析。

（3）中介空间占比。气候因子对中介空间占比有32.5%的解释力（表3）。方程通过共线性检验且具有显著性。个别自变量中相关系数达标且显著性满足要求的变量为X冬季平均温度、X冬季平均降水量。中介空间占比的变化中有32.5%的原因由气候引起，冬季平均温度及降水量越大，中介空间占比越大。

表1 不同气候区的气象数据值

表2 容积率的回归分析结果

表3 中介空间占比的回归分析结果

1 严寒地区典型民居

2 寒冷地区典型民居

3 夏热冬冷地区典型民居

4 夏热冬暖地区典型民居

5 温和地区典型民居

（4）室外空间占比。气候因子对室外空间占比有64.3%的解释力（表4）。方程通过共线性检验且具有显著性。个别自变量中相关系数达标且显著性满足要求的变量为X冬季平均温度、X冬季平均降水量。室外空间占比的变化中有64.3%的原因由气候引起，冬季平均温度及降水量越大，室外空间占比越小。

2.2 空间形态的气候适应性

（1）室内长宽比。气候因子对室内长宽比的解释力为13%，不满足相关性。

（2）室内高宽比。气候因子对室内高宽比的解释力为9%，不满足相关性。

（3）中介高宽比。气候因子对中介高宽比有24%的解释力，接近弱相关要求的数值。个别自变量中相关系数达标且显著性满足要求的变量为X冬季平均温度、X冬季平均降水量。中介高宽比的变化中可能有24%的原因由气候引起，冬季平均温度及冬季降水量越大，中介高宽比越小。

（4）室外长宽比。气候因子对室外长宽比有35.3%的解释力（表5）。方程通过共线性检验且具有显著性。个别自变量中相关系数达标且显著性满足要求的变量为X冬季平均湿度、X冬季平均降水量。室外长宽比的变化中有35.3%的原因由气候引起，冬季平均湿度及冬季降水量越大，室外长宽比越大。

（5）室外高宽比。气候因子对室外高宽比有34.6%的解释力（表6）。方程通过共线性检验且具有显著性。个别自变量中相关系数达标且显著性满足要求的变量为X冬季平均降水量、X夏季平均风速。室外高宽比的变化中有34.6%的原因由气候引起，冬季降水量越大，室外高宽比越大；夏季风速越大，室外高宽比越小。

2.3 空间界面的气候适应性

（1）体形系数。气候因子对体形系数的解释力为14%，不满足相关性。

（2）屋面坡度。气候因子对屋面坡度有25.8%的解释力，接近弱相关要求的数值。个别自变量中相关系数达标且显著性满足要求的变量为X冬季平均温度、X冬季平均降水量。屋面坡度受气候影响的可能性为25.8%，而冬季平均温度及降水量越大，屋面坡度可能越小（此结论有待继续讨论）。

（3）主朝向窗墙比。气候因子对主朝向窗墙比的解释力为5%，不满足相关性（图6）。

3 合院式民居空间与气候相关性的探讨

根据量化结果，将空间要素受气候的影响效应按强度分为四类。总体来说，空间组织受气候影响最多，空间形态其次，空间界面受气候影响较小（图7）。

3.1 容积率与室外空间占比受气候影响最多

冬季温度和冬季降水量对容积率呈正向影响，对室外空间占比呈负向影响。

夏热冬冷地区的冬季降水量最为突出，如长三角一带，冬季降雨量大、温度低、空气湿冷。民居多为两层，居住空间位于楼上以防潮；又由于人口密度大、民居占地面积小，导致容积率增大；同时较大的降水量降低了室外空间的功能性，庭院的大小仅需满足室内的通风与采光。

反观冬季降水量较小的严寒地区，冬季温度最低，空气较为干燥。为了获得更多的日照以提高民居室内舒适度，建筑单体分散布置；该地区的民居占地面积较大，但生活空间需求较小，因此容积率相应减小。较小的降水量增加了室外空间的功能性，多数民居的庭院都具有生产及生活需求，如在院内种植蔬菜，借适量的冬雪达到保温效果等。

冬季温度最高的夏热冬暖地区，冬季降水量也较大。该地区气候同夏热冬冷地区相似，民居空间也有可类比之处，如较大的降水量同样需要降低室外空间面积。较大的容积率使室内与中介空间密度较高，此时将室外空间分散布置或增加庭院个数，都有利于建筑的采光与通风。

6 影响民居空间要素的气候因子

7 地域气候对民居空间要素的影响效应

3.2 中介空间占比、室外长宽比、室外高宽比受气候影响较多

除夏季风速对室外高宽比呈负向影响外，其余相关气候因子对该三项空间要素呈正相关。

冬季平均温度和降水量对中介空间占比呈正向影响，意味着冬季温度和冬季降水量较大的地区，中介空间占比较大。从数据来看，冬季温度和冬季降水量的趋势并非完全相同，总体而言，严寒及寒冷地区的冬季温度和降水量都较小，另外三个气候区虽有一定差异，但两者较为均衡。北方两个气候区对遮雨的需求较小，相反较低的冬季温度导致室内舒适度下降，而较高的太阳高度角迫使出檐宽度减小，导致中介空间占比降低。

冬季平均湿度呈“W”趋势，即夏热冬冷地区湿度最大，严寒地区与温和地区中的部分城市湿度也较大。该曲线同降水量的峰值基本相同，都位于夏热冬冷地区，但整体波动较小。严寒及寒冷地区的多数民居室外长宽比较小，以方形和纵向合院为主，除受气候影响外，还因为北方的合院同时承载着日常生活的需求。对南方几个气候区的民居来说，冬季平均降水量较大，庭院不能容纳更多的生产、生活行为，更多

的是对气候的适应。因此在保证主体建筑面宽的情况下，应尽可能减小庭院进深，增大室外高宽比，而且高窄庭院空间有利于通风、降低湿度，能够提高居住的舒适度。

表4 室外空间占比的回归分析结果

表5 室外长宽比的回归分析结果

表6 室外高宽比的回归分析结果

3.3 屋面坡度、中介高宽比受气候影响较少

屋面坡度、中介高宽比的回归分析结果接近弱相关。以屋面坡度为例，现有经验及研究认为，坡度同气候呈一定相关性，即南方由于降水量较大，需要较大坡度来排泄雨水以免对屋面造成破坏，反之降水量较小的北方坡度较小。然而，严寒地区的冬季雪荷载同样会对屋顶产生较大的破坏，屋顶坡度相应也会较大。但该认知同本文量化结果有一定差别，除了对民居的选取与测量的差异外，材料与构造也是影响坡度系数的关键，如不同的屋面材料采用不同的屋面坡度，因为瓦的摩擦系数会影响屋顶坡度。在降水量很大的福建泉州地区，其古建筑的屋顶坡度相对于同时期北方建筑较缓，一个主要原因就是本地陶瓦质地较好，不像普通小青瓦纳阳容易渗水，故对屋顶坡度的要求不是太高，只需保证不积水即可。由此可见，对量化结果的分析应加入多维度的思考。

3.4 其余空间要素基本不受气候影响

室内空间占比、室内长宽比、室内高宽比、体形系数与主朝向窗墙比基本不受气候的影响。其中前三类空间要素均与室内空间有关。室内是民居生活的主要用房，涉及装饰与生活习惯，因此更多考虑的是文化风俗；而且除材料因素外，室内空间的舒适度多依赖于中介空间与室外空间，比如作为室内外过渡空间的中介，夏季可遮阳遮雨，冬季可缓冲风速，而庭院又影响室内的采光与通风。后两类空间要素属于空间界面类型，且体形系数与窗墙比都属于现代研究所提出的计算方法，可能并不适用于传统民居的研究。

4 研究结论

虽然合院式民居的各类空间要素同气候变化有一定相关性，但不能一概而论。从回归分析的结果可知，气候因子对空间要素的变化并没有100%的解释力，即气候并不是影响合院式民居空间差异的唯一因素。不同地域的民居借助建筑形式调节空间舒适度，显性地表达了环境作用机制下的性能意义。民居形式选择的自由度受到气候条件的制约，气候严苛的地方限制作用更加凸显，反之适宜的气候对住宅的限制作用较小，而社会、文化等其他因素对民居形式的影响更为突出；处于不同地理纬度居民的不同生产方式和生活习惯影响建筑的形式和发展，最终的建筑形态往往是在地域文化因素与气候因素相互交织作用下的综合产物。

＊ 本研究得到国家重点研发计划“经济发达地区传承中华建筑文脉的绿色建筑体系”（2017YFC0702500）之课题“经济发达地区传统建筑文化中的绿色设计理念、方法及其传承研究”（2017YFC0702501）、国家自然科学基金面上项目（51978140）资助。

1-7作者自绘

表1-6作者自绘

① 当因变量仅受单项自变量影响时，线性相关可以分析两两之间的相关关系；当因变量同时受多种自变量的影响时，回归分析可以研究该因变量同全部自变量的相关关系，从而厘清不同自变量对该项因变量的影响效应与强度。

② 《民用建筑设计通则》将中国分为七个主气候区，由于Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅵ区及Ⅶ区可归为严寒地区和寒冷地区，且本研究范围主要位于中国东部，因此在下文的研究中简单归纳为五大气候区。

③竺可桢先生曾提出：“在近五千年中，每一个四百至八百年的期间里，可以分出五十至一百年为周期的小循环……气候的波动是全世界性的。”可知，虽然全球气候在一定时期内会发生整体性变化，但是各地区在距今100～150 年间的相对气候变化在本研究中可以忽略，因此使用今天的气象数据与所选取年代的民居进行研究分析是可行的。

④ 从空中降下的雨、雪、冰雹等，气象部门统称为“降水现象”。本文仅在对屋面坡度的研究中考虑雪压的影响，其余按照降水量研究。

⑤ 文中自变量编号排序中理应出现的X（地形）、X～X（冬夏两季的风向及频率）在回归计算过程中因共线性问题已被剔除，故文中未出现。