建筑遗产中的生态智慧*——以白鹿洞书院建筑群的风环境为例

赵志青，章思懿 ，彭亦展

前言

建筑的生态智慧是指在建筑设计、建设和运营过程中，考虑和应用可持续性原则和环境友好技术，以最大程度地减少对环境的负面影响，并提供健康、舒适和能源高效的环境[1]。中国古代建筑师运用风水技术在选址建造前对地形地质条件、生态微气候环境、文化和景观环境进行调查[2]，其蕴含着丰富的生态智慧。清朝时期，熊启凡在《堪舆写迷》中提到：“山环地则风不得入，气聚于内，外山不足或稀疏，则风可入而气散，气聚则温，气散则寒。”现代心理学认为，人们寻求安全感和内心平静的需求源自于他们内心深处的地方，这种被某种保护物所环绕的感觉的追求，源自于胎儿时期在子宫中被羊水所包围的经历[3]。因此，如图1 所示的理想风水提出在选择住所或设计建筑时，应采用封闭空间的概念。这种风水布局的本质是强调用龙山和虎山环绕建筑，并在后方有山或屏风，也被称为风水中的“乐山”，其主要目的是创造封闭的空间。

图1 风水布局示意图

长期以来中国风水的研究不断发展，可分为两大类别：形势派和罗盘派。尽管在学术中这两个派系常常相互竞争，但大多数学者认为它们应该相互补充才是完整的风水学。《山法全书》提出了“山体为势（形势）而原则为用（罗盘）”的思想，指出二者之间相互补充。但随着时代的发展，在这两种思想流派中形势派逐渐成为风水技术主流，也被称为江西派，主张利用自然地形选择合适的位置，并修建适宜的建筑和坟墓[4]。

现有的风水研究主要关注于中国古代居民村庄布局、古典园林和城市规划，为理解传统中国风水建筑的特征和意义提供了重要线索。研究人员通常采用实地实验和模拟计算相结合的方法，探索古建筑内外的物理环境，深入研究其特征和影响。例如，Zhou, Z 等人探讨了使用风水原理选择传统村庄遗址的哲学调查了中国62 个国家指定的传统村庄，展示了中国古人在创造有利的生活环境方面的生态智慧[5]。Gou 等人对著名的风水布局历史遗址恭王府进行了研究，通过计算流体动力学（CFD）模拟，验证了风水布局在夏季优化了庭院的气流环境，从而展示了中国古人在房屋布局方面的生态概念[6]。Baratta 等人运用现代考古天文学和考古地貌学，探讨并比较明代3 个“神圣权力景观”的认知和象征意义，包括南京的重新规划、未完成的凤凰新城和北京作为新首都的建设。该研究强调了与传统风水的“形势”和“罗盘”学派有关的天文定位和地形磁场方向在这些景观的感知和象征意义中所起的作用[7]。Giulio Magli 团队利用卫星影像和古地磁数据分析对中国传统“风水”进行了一般性研究，并开发了一种简单而严谨的方法，用于确定此类纪念碑规划中是否使用了磁罗盘[8]。Tang, L 等人对中国商甘塘村传统居住区周围的风环境进行了定量研究，评估了聚居点选址、布局、景观和周围环境之间的相互作用，并总结了可持续城市规划的经验，以指导创建适合人类居住数个世纪的可持续现代生活环境[9]。

综上所述，现有研究揭示了古代中国生态智慧中建筑风水的一些特征，并为未来在这个领域的探索提供了基础。然而，目前的研究尚不充分，尤其是在强调建筑群在整体环境中的相互关系和相互影响方面。对于这一领域的研究亟需更深入的探讨，以充分揭示建筑群风水布局对整体环境的影响。本研究以江西白鹿洞书院为研究对象，通过计算流体力学模拟风水布局和非风水布局的通风情况，多角度对比并探讨江西白鹿洞书院建筑群的风水布局对其通风的影响。在低碳目标的背景下，这项研究不仅突显了古代中国的风水生态智慧，还为建筑遗产优化微气候环境提供了理论和技术支持。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

白鹿洞书院建筑群是位于中国江西省九江市庐山五老峰南麓的古代教育建筑，海拔约260m，是典型的亚热带季风气候。江西省位于中国的第三气候带，属于长江以南的低纬度地区，全年降雨丰富，季节性变化明显，天气复杂多变。冬季时，冷空气经常影响庐山地区，而春季则以对流性天气为特征。根据当地气象局提供的数据，庐山地区的平均冬季气温约为3℃，相对湿度通常在80%以上。庐山冬季的风速较强，平均风速为2.5～4.1m/s（表1）。庐山背风面风速较低，在冬季经常出现雾和霾天气，这会导致能见度较低，并影响庐山建筑群的风环境。

白鹿洞书院建筑群始建于唐代贞观年间（公元785～805 年），当时的规模和布局与现在有所不同。白鹿洞书院正式成为一所学校是在南唐圣元年间的第四年（公元940 年），而在宋朝淳熙六年（公元1179 年），朱熹任南康知县时，书院达到鼎盛时期，并得以重建。在过去的千年中，一些建筑已经被摧毁，经过1980 年到2016 年的修复工作中，整个建筑群的主要建筑物已基本恢复到清代同治《星子县志》中插图中的白鹿洞书院规模（图2）。

图2 清代同治《星子县志》中的白鹿洞书院

如今，白鹿洞书院建筑群占地约13000m2，由5 个院落群组成（图3a、3b），分别是文庙群（约1608m2）、仙贤书院群（约1890m2）、白鹿洞书院群（约1390m2）、紫阳书院群（约2000m2）和延宾馆群（约4180m2），每个群组都有其独特的特点。地形由南向北逐渐上升，建筑群所处地势采用典型的龙虎砂风水布局。

图3（3a：白鹿洞书院建筑群现状分布图；3b：白鹿洞书院建筑群现状平面图）

1.2 研究方法

1.2.1 CFD 模拟

在目前的研究案例中，计算流体力学（CFD）模拟已被广泛应用于研究不同尺度建筑的物理环境，包括城市、社区、建筑单元和其内部区域。这种技术可以定量分析建筑物周围的气流动态，识别潜在的气流问题，如湍流、回流和局部低压区域，并为设计师优化建筑设计和能源利用效率提供有价值的信息。此外，CFD 模拟还可以模拟污染物扩散、烟雾运动和热辐射等问题，为评估建筑安全性和舒适性提供科学依据[10]。Hu K 等人分析了中国住宅密度与风环境之间的关系。计算机模拟显示建筑密度与室外风速比之间存在负相关，与平均空气年龄之间存在正相关，为改善高密度住宅区的风环境提供了指导[11]。Liu S 等人利用风信息和CFD 模拟研究了建筑对城市风流的影响。研究表明，周围建筑物的细节对预测风流至关重要，模拟应使用半径至少是目标建筑物长度尺度的3 倍的详细建筑结构，可以作为预测城市建筑周围气流的实用指南[12]。Zhong J 等人评估了中国惠州一个翻新建筑项目的热舒适性，发现夏季的热舒适性不理想，原因是风速缓慢和通风不良。采用CFD 模拟技术对室内热环境进行了模拟，结果显示，增加风口（天井开口）的尺寸以及新开口的绝对风压差和现有开口的风压之间的差异可以提高通风效率[13]。综上所述，CFD 模拟技术在绿色建筑评价体系的多个研究中发挥了关键作用，并已在实际实践中得到验证，因此本文将使用CFD 模拟技术研究白鹿洞书院建筑群的冬季风环境，验证其风水生态智慧。

1.2.2 对比研究

采用对比研究的方法探索白鹿洞书院建筑群风水布局中的生态智慧。为了进行科学对比研究，提出了一种不遵循风水原则的布局模式，称为“非风水布局”，比较这两种布局在风环境影响下的庭院风环境性能。

非风水布局是对龙虎砂原始风水布局的改变。如图4a所示，两种布局的关键区别在于将白鹿洞书院建筑物移至原来位置以南约849.26 foot（258.85m）的较为平坦区域。在原始布局中，根据谷歌高程地图数据，建筑群的地面作为基点，乐山的高度约为352m，龙山的高度约为292m，虎山的高度约为234m。这三座山巧妙地环绕建筑群，形成了完整的龙虎砂风水格局。然而在非风水布局中，周围的山势变得平缓，没有高耸的围挡，建筑群所在地块的山体凸起不超过建筑群的高度（约13.2m）。根据图4b 所示，非风水布局的地势格局为当地常见的依山而建形式，具有典型的代表性。在失去了山体的环绕之后，非风水布局丧失了传统风水理论中“藏风聚气”的功能，与那些在建造时未充分考虑风水格局的日常建筑群相似，这种布局呈现出了一种相对普遍的特征。通过二者对比，不仅揭示了风水布局在建筑设计中的独特性，同时为比较研究提供了有力的数据支持。

图4（4a：风水布局与非风水布局区位图；图4b：风水布局与非风水布局环境对比图）

为了研究这两种布局，使用了Sketchup 软件创建了基于风水和非风水布局科学原理的模型。本研究中的比较地形是在相同的地理区域、具有相似的气候特征和其他因素的风水和非风水布局之间进行的。区别在于建筑物周围的山体是否构成龙虎砂的风水元素。为确保模型的准确性进行了田野调研，获取了相关研究数据，包括建筑物的具体尺寸和周围的山脉地势情况。为满足PHOENICS 软件运算风环境的要求，在建立模型时省略了白鹿洞书院的细微构建，如柱梁和柱廊之间的支撑系统。

1.2.3 户外实验

进行的户外试验旨在调查白鹿洞书院建筑群中实测和模拟风速之间的耦合关系，以确定模拟数据的可靠性。为了获得准确的风速测量值，本研究使用Kestrel 4500 手持气象站作为测量工具。户外试验期间的天气条件：多云、东北风，气温在2°C至5°C之间，相对湿度在65%至72%之间。为了确保可靠的结果，根据文献[14，15]所建议采用了多人同时测量多个点并持续一定时间以获得平均风速的方法。6 名人员同时在同一庭院的6 个不同点测量风速，每秒记录1 次风速值，每次记录1 分钟，取平均值作为该时刻的测量风速。并重复多次这个方法以获得准确的平均值。为了覆盖广泛的位置范围，在白鹿洞书院建筑群内的12 个组中选择了69 个测点进行风速测量（图5）。每个测量值都是所选点的平均风速。风速测量从上午8 点持续到下午5 点，以确保测量在不同的风况和不同的时间进行。综上，此次户外试验以严谨和系统的方式进行，以获得准确可靠的风速测量值。

图5 户外实验观测点示意图

1.3 风环境评价标准

为确保评价标准的科学性和实用性，主要参考中国绿色建筑评价体系来制定评价标准。绿色建筑标准对可持续性和环境友好性的追求与风水概念有许多相似之处，提供了建筑设计的具体要求和指导，使其成为一种更科学、更系统的方法。将风水与绿色建筑相结合可以为可持续发展提供新的思路和解决方案，同时保留传统文化特征。相关研究表明，将绿色建筑标准的设计方法与风水相结合可以提高能源效率、室内环境舒适度和建筑整体外观，对可持续建筑的发展有积极的影响[16，17]。因此，本文探讨了将风水概念与绿色建筑标准相结合在现代建筑设计中的应用价值。在人行处风环境评价中，采用了1.5m 高度以上的测量数据[18]。此外，我们还考虑了房屋前后风压差因素，这是基于绿色建筑评价标准（GB/T 50378-2019，中国）和建筑环境总则（GB 55016-2021，中国）建立的，以便更好地评估通风情况。其中风压：夏季75%以上的房屋的前后风压差＞0.5Pa。为了防止冬季冷空气的渗透，建议确保建筑物的迎风面和背风面之间的表面风压差不小于0.5pa，不大于5pa；风速标准如下：

①平静风区域的比例是指风速在0 m/s 到0.5 m/s 之间的区域与总评估区域的比例。

②舒适室外风速区域的比例是指风速在0.5 m/s 到2.0 m/s 之间的区域与总评估区域的比例。

③强风速室外区域的比例是指风速大于2.0 m/s 的区域与总评估区域的比例。

④是否有涡旋或高风区域的存在情况。

2 风环境模拟细节

PHOENICS 适用于室外风环境模拟研究[19]，本次CFD 模拟设置和模型如下。研究考虑了3 种不同的湍流模型进行敏感性分析：标准k-ε模型1 （Std k-ε）、k-ε模型2（RNG k-ε）及k-ε 模型3（Rel k-ε）分别进行速度与力耦合模拟[20]。为了增强计算精度，采用了小尺度网格设置。PHOENICS 的自动收敛检测功能确保了模拟结果的合理收敛，达到了10-5的收敛精度。为了设置模拟区域的网格，我们将其分为中心区域（细网格）、山区（中等网格）和没有物理实体的周边区域（粗网格）。边界的长度、宽度和高度是模型高度的5 倍，网格数量根据软件描述和研究者经验逐渐增加，直到计算误差收敛。不同区域的网格尺寸因不同的计算精度要求而异，如下所示：

在XY 方向，研究对象的中心区域网格尺寸为1.5m×1.5m，周围山区的网格尺寸为3m×3m，没有物理模型实体的边缘区域的粗网格尺寸为6m×6m。在Z轴方向上，带建筑物和没有建筑物的区域的网格尺寸分别设置为1m 和3m。添加观测面，并在1.5m 的高度处加密网格以提高计算精度和模拟效率。沿着风入口（Y 和X轴），网格段大小从粗（6m）变为中等（3m）再到细（1m），然后再回到粗（6m），具体取决于所需的计算精度。细网格和粗网格区域之间的拉伸比为1.2，并向建筑物方向收缩网格。总共有884.8 万个网格段（图6）。模拟选择冬季平均风速为3.8 m/s 的东北风作为流入边界条件，并根据《民用建筑采暖通风空调设计规范》（GB50736-2012，中国）和白鹿洞书院建筑群现场风况设置边界条件。迭代次数设为2500 次，并由于研究对象位于山区，选择郊区地面粗糙度指数。

图6 CFD 模拟网格情况

3 建筑遗产的生态智慧

3.1 实测与模拟值耦合

为了验证CFD 模拟的可靠性，进行了现场模拟实验研究，实地测量了69 个点的风速，并与模拟值呈现在折线图上（图7）。根据测量当天的天气预报，白鹿洞书院建筑群附近的平均风速在0.26～1.57 m/s 之间。在CFD模拟中，我们将采用从气象局获得的当地冬季的主导风向及3.8 m/s 的风速作为入流边界条件。因此，在图表中，大多数模拟值都大于测量值。图8所示的回归分析图表明，模型1R2值为0.8969、模型2R2值为0.7885 以及模型3R2值为0.8718。根据R2越接近1 表示测量值和模拟值之间越相近，可以得出结论，本次PHOENICS 模型1 模拟的风速值与现场测量值高度相关。CFD 模拟和实验相结合证明了PHOENICS 在庭院风环境模拟方面的适用性。

图7 测量点的测量值与模拟值

图8 测量点的测量值与模拟值耦合分析

如图8 中模型1 耦合数值所示，测量值和模拟值之间存在线性关系，其回归方程为y =1.0218x - 0.226。回归方程表明，测量值是模拟值的0.87 倍。回归分析图上的R2值为0.8969。为了进一步分析图7 中测量值与模型1 的两个变量之间的关系，我们使用Pearson 相关分析方法。如表2 所示，模拟值和实测值呈现出强正相关关系，相关系数为0.947，进一步证明了本次风水布局的CFD 模拟数据的科学有效性。

表2 测量点的测量值与模拟值皮尔逊相关分析

表1九江星子县2012～2021 年气象数据

3.2 建筑群风环境分析

为了研究生态智慧的风水布局对白鹿洞书院建筑群的影响，提出使用PHOENICS 软件对上文所提到的两个模型进行CFD 模拟：一个是采用风水布局的模型（模拟a），另一个是非风水布局的模型（模拟b）。模拟得到了两个模型中的风速和风压分布情况，并对相关数据进行了分析。

3.2.1 夏季风环境

夏季模拟的结果表明（图9、10），风水布局对白鹿洞书院建筑群的前后风压产生了一定的影响。在夏季风水布局中庭院的风压阈值为0-0.50 Pa 至1.31 Pa（图5 A-K），每个庭院的风压分布呈规律性地从西北向东南逐渐减小。主要建筑物（图5 中的建筑庭院）的前后风压差为0.75 Pa 至1.5 Pa，符合超过75%的住宅的前后风压差＞0.5 Pa 的评估标准。非风水布局庭院的风压阈值为-3.00 Pa 至1.38 Pa（图5A-K）。在礼圣殿周围（图5 H 庭院的建筑）的最低负压为-3.00 Pa。负风压逐渐增加至朱子祠周围的正压，并且最南端的P 庭院完全为正压。朱子祠的两个主要建筑（图5 中A 庭院的建筑）庭院的建筑和崇德祠（图5 中L 庭院的建筑）的前后风压差小于0.5 Pa，其他主要的13 处建筑物的压差大于0.5 Pa（占总主要建筑的86.7%），符合评估标准，即超过75%的建筑前后风压差＞0.5 Pa。此外，模拟结果表明，风水布局和非风水布局的住宅前后风压差均优于本研究的风环境评估标准，风水布局（包括所有主要建筑）比非风水布局（包括86.7%的主要建筑）更有利于室内通风。

图9 CFD 模拟风水布局风速风压云图（9a：夏季风水布局的风速云图；9b：夏季风水布局的风压云图）

图10 CFD 模拟非风水布局风速风压云图（10a：夏季非风水布局的风速云图；10b：夏季非风水布局的风压云图）

3.2.2 冬季风环境

冬季模拟的结果表明，风水布局对白鹿洞书院建筑群的风速分布产生了一定的影响。在冬季两种布局中庭院中的最大风速分别为1.83 m/s 和2.2 m/s。大多数采用风水布局的庭院的平均风速低于不采用风水布局的庭院，表明风水布局可以有效降低冬季庭院内的风速及减少强风区等不良风区的面积占比。

利用PHOENICS 软件进行了CFD 模拟，得到了冬季期间风速等值线图和舒适风速剖面图，分别对风水庭院布局和非风水庭院布局进行了研究（图11、12）。通过比较研究发现，冬季期间风水庭院的平均风速低于非风水庭院。回归方程表明，每个风水庭院的平均风速比非风水庭院低1.824 倍，R2值为0.843，表明拟合良好。这些结果的主要原因是风水布局中的青龙和白虎山的阻挡，削弱了强劲的冬季风，而非风水布局缺少这些阻碍物，导致庭院内的风速增加。冬季期间，风水庭院中舒适风速区的比例高于非风水庭院。风水布局中，庭院C 的舒适风速区比例最高，为99%，而非风水布局中，庭院A的比例最高，为90%。舒适风速区比例最低的庭院是庭院K，分别为53%和47%。根据图11，舒适风速区的比例与两种布局之间存在线性关系，拟合良好。根据模拟结果得到的所有庭院的统计数据显示，所有风水庭院中舒适风速区的比例为87%，而非风水布局中为71%。这表明风水布局为冬季使用者提供了更大的舒适风速区。

图11 CFD模拟风速云图（11a：冬季风水布局的风速云图；11b：冬季非风水布局的风速云图）

图12 模拟风压云图（12a：冬季风水布局的风压云图；12b：冬季非风水布局的风压云图）

在对庭院风环境进行比较研究后，发现按照风水布局排列的庭院中，从北向南平均风速逐渐降低，这主要是由于冬季的主风向结合建筑群的高度排列。因此，在庭院中，低矮的南方建筑和高耸的北方建筑的风水布局有利于冬季通风。位于北方的庭院平均风速高于位于南方的庭院。风速矢量图显示，两种类型的庭院布局中没有明显的涡旋或无风区，符合风环境评估标准。综上所述，按照风水布局排列的两种类型的庭院中舒适风速区的比例高于非风水布局。风水庭院的布局在冬季提供了更舒适的室外环境，验证了古代中国人在建筑规划时考虑风水布局的生态智慧。

结语

白鹿洞书院建造过程中应用了蕴含生态智慧的风水技术，旨在为使用者提供健康、舒适和能源高效的环境。本研究为了探寻建筑遗产中的生态智慧，以运用了龙虎砂风水布局的江西白鹿洞书院研究对象，对其建筑群的风环境进行分析。研究中在同一区域的非龙虎砂风水格局地块上提出了一个非风水布局模型将其进行对比验证。同时通过数据分析建立了建筑群风环境的评价标准。为了进行科学研究，将计算流体力学（CFD）模拟与现场实验相结合。通过比较风水和非风水布局之间的风速和风压数值，得出以下结论：

本研究通过现场测量和PHOENICS 数值模拟的回归耦合以及皮尔逊相关分析，充分验证了PHOENICS 在CFD 模拟中的适用性，确保了模拟结果的可靠性。在此基础上，CFD 模拟结果显示，夏季时风水布局的主要房屋前后风压差表现出优势，占比利于通风的房屋高于非风水布局13.3%，对于夏季建筑群通风的优化具有实际应用意义。而在冬季，非风水庭院的风速平均值约为风水布局的1.842 倍，而风水布局则呈现出相对较低的平均风速，为冬季户外活动提供了更为宜人的条件。通过对主房屋前后风压差的评估，结果显示，87.6%的风水布局中的主房屋符合冬季室内通风的评价标准，相比非风水布局增加了12.3%。因此，风水布局在优化主房屋的冬季室内通风方面表现更为有效。此外，龙虎砂风水布局为白鹿洞书院建筑群创造了更大面积的舒适风速区域，相较于非风水布局增加了18%。而非风水布局中的强风区域则是风水布局的四倍，进一步突显了风水布局中“藏风聚气”的特点。

研究结果突显了古代中国人在生态智慧方面的运用，验证了风水布局对建筑群庭院风环境的改善作用。建筑群物理环境是综合作用的结果，风环境仅是其中重要因素之一。尽管如此，风环境的改善有利于整个建筑群的物理环境进行优化提升，为低碳背景下的建筑遗产微气候环境研究提供了实际意义。

图、表来源

图1：作者基于《堪舆写迷》中插图改绘；

图2：作者基于清代同治《星子县志》中插图改绘；

图3 ～5：作者基于实地调研数据进行整理绘制；

图6：作者基于实验过程中步骤图进行整理绘制；

图7、8：作者基于实验数据进行整理绘制；

图9 ～12：作者基于实验结果图进行整理绘制；

表1：作者基于当地气象局获取数据进行整理绘制；

表2：作者基于实验数据进行整理绘制。