基于气候适应性的传统民居设计语言模式研究——以晋中市太谷县三多堂为例

员梦娜,张 敏，刘艳红

(山西农业大学林学院，山西 晋中 030801)

1 概述

当今世界，生态危机几乎到了一触即发的程度[1]。为了建筑、城市、景观环境的“可持续”，建筑学、城市规划学、景观建筑学学科开始了可持续人类聚居环境建设的思考[2]。生态建筑是21 世纪建筑设计发展的方向[3]。而传统民居的形成和发展是人们长期适应当地气候的产物。其舒适性的提高多依靠被动式措施，对能源资源的依赖较少[4]。因此，对传统民居的气候适应性设计语言模式的研究具现实意义，符合生态建筑的发展趋势。

山西省晋中市太谷县住宅现状也存在着共性，机械设备如空调的大量使用，能源的浪费，环境的破坏，甚至对传统民居的不重视。在传统民居和现代居住建筑之间架构一座桥梁是可持续建筑所追求的。经查阅发现，虽然我国学者已对典型气候地区的传统民居的生态适应性进行了深入研究，但山西作为我国华北地区的重要省份之一，对其传统民居的气候适应性却并未进行单独性研究，具体到晋中市太谷县更是涉之甚少。

本文首先对晋中市太谷县地域气候进行分析，然后通过对所选取的案例——太古县三多堂进行气候适应性分析，从而对太谷县传统民居的气候适应性设计语言模式有一个初步的总结。本次研究的案例——三多堂,宅院总占地面积 10 638 m2，建筑面积 6 348 m2，建筑风格整体庄重朴素，由内宅和外宅2部分组成，内套15个小院，3个倒座，3个厅堂，3个主楼，共有房舍277间，是集住宅、生活、议事、娱乐为一体的大型综合建筑[5]。

2 地域气候分析

2.1 区位分析

太谷县是山西省晋中市的一个地方县，位于山西省中部，地处晋中盆地东北部，地势东南重峦叠嶂，而西北一马平川。其始建于西汉，当时文化商贸发达，与祁县平遥共同成为闻名遐迩的晋商故里，境内有诸多晋商大院遗存，以曹家大院和孔祥熙宅院为其代表[6]。明清民国时期，太谷富商巨贾云集，成为山西的金融、商业中心，固有“旱码头”、“小北京”之称[7]。

2.2 地域气候分析

太谷县地理坐标为东经112.55°，北纬37.42°，属于温带大陆性气候，四季分明。

2.2.1太阳能资源分析

太谷县年太阳能辐射总量为 5 850～6 680 MJ/m2,相当于日辐射量4.5～5.1 KW·h/m2,为太阳能资源较丰富地区。传统民居多依靠被动式采暖，而被动式太阳能采暖建筑要求建筑所在的地域环境具有较为稳定的太阳能资源。太谷县的太阳能资源相对丰富，符合被动式太阳能采暖设计的基本要求。

2.2.2最佳朝向分析

图1所示是由软件Ecotect分析得出的太谷县建筑的最佳朝向。图中绿色箭头的指向表示全年平均曝辐射量最多的朝向是210°，即南偏西30°方向。蓝色箭头的指向表示过冷时间内曝辐射量最多的朝向是195°，即南偏西15°方向；红色箭头的指向表示过热时间内曝辐射量最多的朝向是280°，即西偏北10°方向。黄色箭头的指向和Compromise表示最佳朝向是190°，即南偏西10°方向。后文中进行三多堂生态适应性分析可以参考此处分析的建筑最佳朝向。

2.2.3风分析

图2所示是由软件Ecotect分析得出的太谷县当地的风频分析图，左边是夏季的风频分析图，右边是冬季的风频分析图。图中通过颜色的深浅来表示各个风向在一年中盛行的时间，由右上角的图例可以清晰地看到颜色越浅代表该风向盛行的时间越久，由此可以得出太谷县夏季盛行偏南季风，冬季盛行偏北季风。建筑在夏季要适当利用风向，以便降低室内的温度，在冬季则要规避季风带来的寒冷。

图3所示是由软件Ecotect分析得出的太谷县当地的风温分析图，左边是夏季的风温分析图，右边是冬季的风温分析图。由图片中右上角的图例可以看出：蓝色—红色—黄色，代表风温越来越高。仔细观察图3，经由简单的计算可以得出：太谷县夏季平均风温大于23℃，冬季平均风温大约在10℃以下，即冬季建筑要做好保温措施或采取被动措施提高室温。

图1 太谷县建筑的最佳朝向分析

图2 太谷县风频分析

图3 太谷县风温分析

2.2.4焓湿图分析

焓湿图分析是对地域气候分析的重要手段和形式，它是在空气状态确定的情况下，确定空气的4个基本参数，包括温度、含湿量、大气压力和水蒸气压力与热环境的关系，图4黄色框代表建筑室内舒适区范围，同时可以直观地看到距离舒适区的偏离程度不同，人的舒适度会出现不同的变化。

图4 焓湿图分析

由图4可以看出，在太谷县气候条件下，建筑的热舒适区较小，偏离舒适区会让人体感觉到各种各样的不舒适，必须采取相应的被动措施来增加热舒适区范围[8]。

3 三多堂建筑的气候适应性分析

无论任何时代，人们的生活方式、居住方式均与自然生态联系在一起。传统民居是人类基于当地气候条件和当时有限的生产力水平，适应地域条件，解决自身生存状况和生活条件需要的产物。其对自然的改造和利用是有限的，其舒适性的提高更多的是依靠被动式措施，对自然界能源的依靠较少。因此相对现代建筑而言，其对生态环境的破坏是有限的，且更符合建筑的生态适应性或可持续发展原则。

在历史长河中，中国的传统民居既拥有与当地自然环境和谐共生的共性，又由于不同的地域条件各具特色。本章从空间设计、材料应用、技术应用、结构技术等方面对太谷县三多堂进行气候适应性分析，寻求地域气候与其之间的耦合关系[9]。

3.1 空间设计

曹家是太谷县曾经的晋商巨富曹氏家族。其在鼎盛时期，在太谷县北洸村相继建起了一批布局庞大富丽堂皇的宅院，其中尤以“福”“禄”“寿”“禧”字形建造的4座大院最具代表性。三多堂就是其中至今仍保存完好的“寿”字形院落，“三多”取的是“多子”、“多福”、“多寿”之意。

三多堂是以组团形式出现的，采取的是合院式布局，院子向内敞开，向外封闭，整个院落由内宅和外宅2部分组成。三多堂整体呈中轴对称，并严格遵守着左右对称和主次分明的布局方式。整个院落由一条长66 m，宽4.5 m的甬道在空间上分割为2个区块，其中靠北的部分是内宅，即主要功能用房，主人的生活区域；靠南的部分是外宅，即辅助功能用房。院落犹如一座守卫森严的城堡,在东向、西向、南向各有一座门，南门是主入口，如今常用的是临街而立的东门，又称为“吉祥门”[10]。

内宅是由多子、多福、多寿3个子院落构成。这3个子院落均是按二进式四合院布局的，其中二进院落正房分别是供晚辈、当家的、老人居住，厢房则是供仆人或妾所住；一进院落则是办公、待客之地。外宅则是账房和戏台院，供娱乐、杂事之用[11]。

内宅是主要功能用房，应布局在良好的朝向，以获取最大的日照；外宅是辅助功能用房，其朝向不必放在优先考虑的位置。三多堂中：内宅坐北朝南，结合最佳朝向分析，根据太谷县气候条件分析得出的建筑最佳朝向为南偏西15°，内宅在朝向上基本满足要求；外宅则不必考虑那么多，合理即可，故坐南朝北。

3.2 材料应用

建筑材料的气候适应性表现在“就地取材”和“因地制宜”,即材料取之当地以及材料对当地气候有所应答，太谷县的传统民居主要注重材料的夏季隔热和冬季保温性能。这样不仅可以最大限度地减少对生态环境和系统的破坏，而且还具有一定的生态补偿性和还原性。

经现场调研得出，三多堂采用最多的建筑材料是砖、瓦和木材。

砖和瓦的原材料均是泥土，而太谷县地处黄土高原，泥土是最不缺少的。建筑材料全部来源于自然，有利于降低造价、节约能源，并且这些材料可以重新回归自然，可以做到不污染环境。太谷地区土层深厚，结构紧密，黏土粘结力较好，导热系数小。实心黏土砖和瓦是外墙和屋顶的主要材料。由于原材料的物理性能，其热惰性较大并且做得极为厚重，减少了由于围护结构带来的热损失，保证了室内温度的稳定。

三多堂的房屋结构采取的是木构架，故木材也是主要应用材料之一。山西地处黄河中游东岸，明清时期也曾是林木森郁之地，故而木材资源丰富，可谓是取之自然，用之自然，减少运输，节约造价。另一方面，木材易于加工，适应性强，有较强的抗震性能。木材具有多孔性，其导热系数相对较低，且其热容量也较大，这些性能对维持室内温度的稳定有很大的作用[12]。

3.3 技术应用

3.3.1保温隔热

1)建筑墙体厚度

除主宅中主楼的墙体厚度较为特殊，大于500 mm厚之外，其他无论是厢房还是外宅中的辅助用房，其外墙厚度均为500 mm。砖与土砌筑的实墙体保温隔热性能良好，500 mm的厚度能很好地减少室内外的热交换和昼夜温差带来的影响。

2)笼布和窗纸

笼布是寻常人家在蒸馒头或蒸包子时为避免其粘在箅子上而在箅子上铺的一层布。窗纸则浅而易懂，即糊在窗上的纸。在对三多堂进行现场调研时发现，有些窗户上有笼布的痕迹，而有些则粘有破旧的窗纸。经导游的一番讲解以及自己的一些思考，对这些现象有了深刻的理解。

笼布的气密性比窗纸好得多，夏季在窗户上贴上笼布，既可以避免太阳直射，又可以保证通风。而在冬季在窗户外糊上窗纸，可在一定程度上减少冷空气灌入，减少热交换。

3)窗墙比

住宅南向的墙以及厢房面向院内的墙，其窗墙比大约为 1∶1，这样的比例既能保证建筑室内可以获得充足的日照，又可以在一定程度上保证室内的热环境。图5即在软件Ecotect中同等条件下或同样的参数下仅调节窗墙比(即从一般住宅建筑 1∶2的窗墙比动态调节到 1∶1)，其建筑室内舒适区范围会相应的增大(黄线框是调节之前的舒适区范围，红色框是调节之后的舒适区范围)。

4)火炕

在调研过程中发现，多寿院主楼一层的卧室有一个火炕，通过秸秆、树枝等燃烧后产生的热流经过炕的烟道将热量带给炕，从而达到保暖的作用。这是北方地区常见的冬季保暖方式，对提高室内热舒适度是一个十分有效的措施。

3.3.2采光通风

1)台基

在调研过程中发现，在三多堂的院子里，早上 9∶00—10∶00以及下午 3∶00—4∶00 均可以感受到阳光的照耀，但是将测量的院落进深数据导入模型中进行日照模拟发现，其院落进深并不能达到满足获得如此日照的要求。其根本原因是日照模拟时，三多堂的室内标高是统一标准，而事实上三多堂的室内标高由南至北逐渐升高，其采取的手段就是不断升高的台基，这样做不仅可以满足日照，而且提高了土地的利用率，并且利用地势可以进行有效地排水，同时台基还可以达到防潮的作用[13]。

2)南北不一的窗洞

三多堂院北凌空而起三座楼宅，由西至东连成一列，总长66 m，宽8 m，高17 m，北立面无任何窗户，坐北而立，以厚度大于1.2 m的墙体抵挡着冬季偏北季风的侵袭，而南立面面向院内，窗墙比1∶1，保证了建筑的采光面积以及室内的热舒适性。

图5 三多堂焓湿图(窗墙比由1:2调到1∶1)

3)内向型的围合空间

三多堂整体看就像是一座城堡，四周坚不可摧。这一方面是由于人的安全意识形成的，另一方面，内向型的空间既可以避免风沙对院内的侵袭，同时院内又可以形成一个单独的微型气候区(图6)。

3.4 结构设计

3.4.1屋顶构造

在构造措施方面，三多堂的屋顶构造是坡屋顶，结构采用的是抬梁式木构架，匠人在建造房屋时，先将结构搭建出来，再砌墙体，屋顶的重量传给木构架，木构架再传给柱子，柱子最后传给地面。在这个过程中墙体是不承受任何重量的。古代的“墙倒屋不塌”之说就是这个原理，这也是三多堂能保存至今的原因。这种结构体系既没有现代建筑中构造柱和圈梁之间“热桥效应”问题，又使木构架和屋顶之间形成一个热量缓冲空间，从而保证建筑的保温隔热。

坡屋顶檐口的出挑也恰到好处，能使阳光在冬季尽可能地照射到室内，从而提高室内温度；而在夏季可以规避阳光的直射，使室内保持清爽。

图6 三多堂院内风循环

3.4.2雕花式石柱础

三多堂中所有柱子均有柱础，且采用的材料是石头。石头本身重量比木头要大，故石制柱础避免了结构上的头重脚轻的缺点，增加了结构的抗震性能。同时木头存在易潮的特点，石制柱础可起到防潮的目的。

3.4.3主楼不同的墙体厚度

主宅的主楼一层墙体厚度为1.6 m，二层墙体1.4 m，三层墙体1.2 m，逐层递减，利用桥梁力学的原理提高了建筑的稳固性，增强了抗震性能。同时厚重的墙体又避免了冬季风沙的侵袭，保证了室内的舒适性。

3.5 三多堂室内舒适度分析

将空间设计、材料应用、技术应用、结构设计中提到的所有被动性措施参数全部在Ecotect软件中设置，以多福院主楼一层为例，分析其最冷天室内温度和最热天室内温度是否适宜。

根据室内空气质量国家标准，最适宜人的室内温度：冬季温度18～25℃较为舒适，夏季温度23～28℃较为舒适。图7和图8中紫线代表室内温度，蓝色虚线代表建筑室外温度，由此可以得出，最热天建筑室外温度大约在18～34℃之间波动，而经过被动措施的调节，多福院一楼的室内温度大约在26～29℃之间波动，平均温度约为24.8℃，基本满足标准舒适温度；最冷天建筑室外温度大约在零下15～15℃之间波动，而经过被动措施的调节，室内温度平均在18.5℃，虽在舒适范围内，相对来说温度略微低。总而言之，三多堂采取的建筑被动性措施基本适应当地的气候[14]。

图7 最热天7月9日小时温度曲线

图8 最冷天1月5日小时温度曲线

4 建筑设计语言模式建构

以三多堂为例的太谷县传统民居的气候适应性语言模式并不是特别高深的理论，这是当地的传统民居在长期实践中总结出来的适应太谷县地域气候的方法。通过这些简单经济的方法，达到室内舒适度分析中的室内舒适温度。这些被动节能技术是人、建筑、自然完美和谐的结果。针对前述对三多堂的气候适应性分析，对太谷县传统民居的被动性措施进行设计语言模式的初步总结。

4.1 设计语言模式一：主宅坐北朝南

主宅作为主要功能用房，采取坐北朝南的布局方式。在冬季,太阳高度角较小，住宅的门窗朝南，可以让更多的太阳光线射入室内，从而提高室内的温度；在夏季，太阳高度角增大，太阳从门窗射入的光线较少，同时可以避开盛夏季节最热时段太阳光的直射，从而使室内保持一定的凉意。坐北朝南不仅是为了采光，同时也为了在隆冬季节让建筑起到避风、保暖的作用，以此来加强室内在各个时段、各个季节的舒适度。

4.2 设计语言模式二：适宜厚度的维护结构

建筑的墙体采用的是砖石结构，其保温隔热性能和蓄热能力较为良好。主宅中主楼是整个三多堂建筑群中最靠北的墙体，常年经受着太谷县冬季偏北季风的侵袭，设计者构思奇妙，以拔地而起的长66 m，高17 m的墙体作为一道屏障，使院内免受季风的侵袭；同时为了保证室内的温度和出于结构的需要，一、二、三层的墙体厚度自下而上分别设计为1.6 m，1.4 m和1.2 m。这是整个三多堂建筑群中最厚重的墙体，其余墙体则均为500 mm。根据不同的情况将不同位置的墙体设计为适宜的厚度，这种手法值得借鉴，如此既保证了冬季的保温，又保证了夏季的隔热，使室内有一个舒适的热环境。

4.3 设计语言模式三：内向型封闭空间

在宅院四周，建筑的墙和建筑断开后的短墙相连接，外围的建筑大多采用内向型的单坡屋顶，这些垂直元素即台基、墙体、屋顶，形成了一个四面封闭的内向型空间，私密性极强，且越到院落中心其私密感越强，符合且满足着使用者内心的安全感。建筑门窗洞口均面向院内开启，院内的土壤、空气、水缸等形成了特有的微型环境，而院内和院落上空由于气压差产生的风对流则形成了院落的风环境。

4.4 设计语言模式四：自南至北逐渐升高的台基

利用不同高度的台基造成整个宅院的建筑由南至北的室内地坪差，主宅的房屋室内地坪统一比外宅高，这样不仅可以使主宅在冬季获得良好的日照，有利于被动式采暖，而且有效缩短了房屋之间的间距，提高了庭院的土地利用率。同时，抬高的地坪形成了由北至南的排水，主宅的积水可以排到甬道，甬道利用西高东低的地势再排入外面的街道，解决了主宅的排水问题。

4.5 设计语言模式五：南大北无的窗洞

三多堂的北墙无窗户，而南墙的窗墙比为1∶1，这是前人根据其生活经验所采取的传统民居的建筑设计措施。无窗户的北墙有效地阻挡了冬季寒风的侵袭；南窗则可以使室内在冬季获取充分的日照，增大室内的天然采光面积，保证了室内的热环境，提高了居住舒适度，减少冬季的建筑能耗。

4.6 设计语言模式六：夏笼布冬窗纸

利用笼布和窗纸的不同性能——即笼布的气密性比窗纸要好。二者都是在日常生活中常见的材料，且简单易操作。夏季在窗户上糊上笼布，既保证了室内外的通风，又避免了阳光的直射；冬季在窗户上糊上窗纸，则保温隔风。

4.7 设计语言模式七：火炕

火炕是北方传统民居中常见的采暖方式。太谷县的冬季寒冷而漫长，故三多堂中也出现了该种取暖方式。火炕解决了起居问题的同时，又通过炕面散发的热量保证室内的温度。其原理是将植物燃烧的余热循环利用，达到能源多次利用的目的，十分环保，符合现代建筑中强调的“生态”思想，可以利用现代技术将其改良加以利用[15]。

传统民居是先祖经过不断的实践和经验积累创造的一种建筑形式，是建筑、人和自然和谐共生的产物。传统民居的气候适应性是指建筑在不同的气候条件下，二者产生一种相互适应的状况，是建筑和地域性气候相互耦合的过程。对传统民居气候适应性的研究唤起了传统建筑中的生态思想，以及对传统建筑技术的继承和发扬，现代民居建筑的设计要对其“去其糟粕，取其精华”，多采取被动性措施，极力营造出耗能少，对生态环境破坏力小，且热舒适度高的室内环境。