传统岭南建筑构件对建筑物理环境的影响

传统岭南建筑构件对建筑物理环境的影响

吴晨晨

华南理工大学建筑设计研究院有限公司（广东广州510640）

摘要：以华南理工大学建筑红楼为研究对象，利用数值模拟方法研究大挑檐、额枋及檐柱这类传统岭南建筑构件对建筑物理环境的影响。通过建筑场地的热环境分析、立面太阳辐射分析以及对自然采光的遮挡分析，从技术的角度，对其设计手法进行定量的分析和评价。对建筑群场地进行室外热环境模拟，结果表明歇山顶设计可使部分屋面温度降低至少3℃，外墙因屋檐的遮挡温度可降低至少2℃；对屋檐、檐柱和额枋的遮阳作用以及对室内自然采光的遮挡作用进行模拟分析，结果表明悬挑大屋檐形成的水平遮阳可有效减少立面太阳辐射得热量68%，屋檐、檐柱和额枋组合的构件遮阳可有效减少立面太阳辐射得热量81%，外遮阳系数约为0.92。此外，悬挑大屋檐的设计对室内采光遮挡较为严重，采光达标面积减少约50%。

关键词：建筑遮阳；岭南建筑；数值模拟

基于“热、湿、风、雨”的气候特点，传统岭南建筑适应自然环境的技术原理主要包括通风、遮阳、防潮、隔热、防风这五个要素[1]。这些技术原理的建筑手法主要通过建筑平面和空间布局、外观造型和细部构件、材料的运用和建筑与自然环境有机结合去表达。细部的建筑构件如趟栊门、“夏式遮阳”、檐廊、骑楼等都是对建筑物理环境有积极作用的岭南建筑传统元素，并给现代建筑的设计和优化很多新的启示，其中相关学者针对“夏式遮阳”对物理环境的影响做出相关分析和评价[2]。为了进一步研究大挑檐、额枋及檐柱这类传统岭南建筑构件对建筑物理环境的影响，本文以华南理工大学建筑红楼为研究对象，通过对建筑场地的热环境分析、立面的太阳辐射分析，以及对自然采光的遮挡影响，从技术的角度，对其设计手法进行定量的分析和评价。

一、研究对象简介

华南理工大学建筑红楼为原国立中大理学院化学系教室，现为建筑学院的办公室， 1933 年动工兴建，1934 年 9 月建成，坐东向西，长75.2米，宽深48.8米,占地面积 3669.8 平方米。该建筑属中国固有形式建筑风格，楼高两层，钢筋混凝土结构，整体平面呈凹字形；南北两侧翼歇山顶，中间中体部分为两坡顶，水磨石红圆柱两层通高。华工建筑红楼与7号楼、华南理工大学建筑设计研究院主楼以及建工培训楼形成半围合的布局，西面形成一个小广场（图1）。利用RHINO软件建立目标建筑和周围建筑群及场地的模型，并做了适当的简化，着重细化整体场地的铺装和目标建筑的遮阳构件，包括屋面的挑檐、檐柱和额枋（图2-3）。后续导入相关软件进行模拟分析。

图1 研究对象的区域规划布局

图2 立面构件遮阳实拍图

图3 立面构件遮阳模型简化图

二、室外热环境分析

影响建筑室外热环境的主要因素有：温度、湿度、太阳辐射以及气流，其中太阳辐射对建筑热环境影响是相对独立的，其影响主要体现在对建筑周边空气温度的和建筑外围护结构表面温度的变化，这与建筑的日照情况有关。利用Ecotect软件对建筑场地区域四个典型气象日的场地阴影进行了分析（图4-7）。

图4 春分场地阴影分布

图5夏至场地阴影分布

图6秋分场地阴影分布

图7冬至场地阴影分布

建筑红楼的凹字形体型对于场地周边各个季节不同的太阳高度角均形成一定范围的阴影，春夏季在场地东侧形成长条阴影带，西侧小广场阴影分布均匀。由于建筑整体是坐东朝西，故在夏季形成的场地阴影范围较小且浓度较弱；而冬季则相反，形成的周边场地阴影范围较大且浓度相对深一些。建筑的西面挑檐宽度约2.6m,对夏季西面出入口的活动场地区域有一定遮挡作用。

为了进一步量化构件的遮阳效果，利用fluent软件对建筑场地夏至日四个不同时刻的工况（表1）进行模拟分析。采用realizable k-ε湍流模型和P1辐射模型，广州市夏季主导风为东南风，风速为2.3m/s，由此得到夏至日四个不同时刻的场地室外温度分布情况（图8-11）。

表1 夏至日计算时刻及来流温度

图8夏至日9点场地温度分布图

图9夏至日12点场地温度分布图

图10夏至日15点场地温度分布图

图11夏至日18点场地温度分布图

对比无遮阳的硬质场地，悬挑大屋檐的遮阳作用可降低局部场地温度约1~2℃,在午后太阳向西移动后较为明显。12点后太阳向西移动太阳高度角逐渐变小，处于大屋檐形成的阴影下的西立面温度比被太阳照射的立面低约2~4℃；二层内退阳台的立面加上大屋檐遮挡基本无太阳照射，比一层立面温度低约3~5℃；檐柱两侧形成小范围的阴影，比周围墙体温度低约1℃；额枋面积较少，未形成明显有效的类似挡板遮阳的效果。歇山顶在不同的太阳高度角下有一定的自遮阳作用，屋面温度分布不均，南北斜屋面温度比西向屋面低约3~5℃。

三、太阳辐射分析

1.立面太阳辐射分析

太阳辐射是建筑室外热环境的重要气候条件之一，对室内温度和建筑能耗有极大的影响，通过太阳辐射分析计算可直观量化了解建筑的遮阳构件对太阳辐射量的遮挡作用，评价遮阳效果。建筑红楼的外遮阳形式主要有两类，一是悬挑大屋檐形成的水平外遮阳覆盖整个建筑外围，即各立面都有水平外遮阳的遮阳措施；另一类是西面场地围合的二楼有部分外墙内退形成室外走廊，与大屋檐、檐柱、额枋形成类似挡板式遮阳构件措施。在此利用rhino建立的模型导入ecotect软件中，对建筑红楼的西立面的全年太阳累计辐射得热量进行模拟计算，整体评价两类遮阳构件的遮阳效果。遮阳构件对二层墙面的遮挡效果显著，对于悬挑大屋檐的水平遮阳效果而言，二层墙面的平均累计太阳辐射得热量为229.4KWh，比无遮阳外墙面的平均全年太阳累计辐射得热量709.2KWh减少了67.7%。对于檐柱、额枋、屋檐的挡板遮阳效果，二层墙面的平均累计太阳辐射得热量为135.3KWh，比无遮阳情况的平均全年太阳累计辐射得热量减少了80.9%。

2.室内太阳辐射分析

覆盖建筑红楼整个外围的大屋檐可近似简化为水平遮阳构件，利用外遮阳系数计算方法可简化算出外遮阳系数来量化其遮阳效果。对于西面的外走廊和屋檐、檐柱、额枋组合的构件遮阳则不便用公式进行计算，参照赵立华等学者对复杂遮阳的遮阳效果评价方法[13]，通过模拟计算透过有遮阳外窗的全年太阳辐射得热量与透过无遮阳该窗的全年太阳辐射得热量，近似认为两者比值为遮阳系数。在此选择外走廊西向的整排外窗作为计算对象，屋檐、檐柱和额枋作为考虑是否参与计算的遮阳构件，为了避免不必要的干扰因素，东向的外窗没有建入此计算模型，即仅考虑坐东向西外走廊房间西面外窗的全年太阳辐射得热量。有大屋檐、檐柱和额枋以及外廊遮挡的室内平均太阳辐射量为129.3KWh ，仅有外廊遮挡的室内平均太阳辐射量为141.3 KWh，即对于西立面而言， 屋檐、檐柱和额枋组合的构件遮阳的外遮阳系数为0.915，对进入室内的阳光有一定的遮挡。

四、室内采光分析

良好的光照环境有利于室内作业，同时充分利用自然光解决室内照明，可以节约资源和建筑能耗。目前建筑红楼内的主要功能为办公室，大部分区域为双侧采光，二楼的外廊西面的门部分材质采用玻璃。为了了解大屋檐、檐柱和额枋这些构件对室内的自然采光的遮挡影响，对二层区域的自然采光情况利用ecotect进行模拟，分别计算有无构件的采光情况，讨论其对室内自然采光的遮挡作用。没有构件遮挡的二层区域的平均自然采光系数为5.23%，超过73.1%的面积区域可满足采光系数不低于3.3%的要求（按照办公区域的采光要求考虑，广州地区属于光气候Ⅳ区，光气候系数为1.1，下同），双侧采光的区域均匀度良好。而实际情况中采用了大屋檐、檐柱和额枋对外窗形成一定遮挡后，平均采光系数有所下降，仅为2.87%，约有27.1%的面积区域满足采光系数不低于3.3%的要求。由此可见，挑出的屋檐和檐柱等构件对室内的自然采光形成了较严重的遮挡，采光系数有明显下降，整体区域的采光质量下降。

五、结语

以华南理工大学建筑红楼为例，对其遮阳技术进行分析，主要包括建筑形体自遮阳和对场地的遮挡作用分析，以及大屋檐、檐柱、额枋这类传统建筑特有的构筑物的遮阳效果及对采光的遮挡。得到以下结论：（1）建筑布局对场地遮阳效果因朝向问题并不十分理想，对活动场地的遮挡作用较弱，悬挑大屋檐的遮阳作用可降低局部场地温度约1~2℃；（2）建筑的歇山顶有互遮阳的作用，部分屋面比其他屋面表面温度低约3~5℃，部分大屋檐下的墙面温度比周边墙面低约2~4℃；二层内退阳台的墙面比一层墙面温度低约3~5℃；（3）大屋檐、檐柱、额枋组合的构筑物对立面的遮阳作用主要集中在二层，仅有大屋檐形覆盖的二层墙面比无遮阳外墙面的平均全年太阳累计辐射得热量减少67.7%；有檐柱、额枋及屋檐遮挡的二层墙面比无遮挡的墙面平均全年太阳累计辐射得热量减少了80.9%；（4） 大屋檐、檐柱、额枋组合的构筑物对通过外窗进入室内的太阳辐射有一定的遮挡作用，外遮阳系数为0.915。（5）大屋檐、檐柱、额枋组合的构筑物对室内采光遮挡较为明显。没有屋檐等构件遮挡的二层区域超过73.1%的面积区域可满足采光系数不低于3.3%的要求，有构件遮阳则有27.1%的面积区域满足采光系数不低于3.3%的要求。

参考文献：

[1]陈雄,陈宇青,等.传承岭南建筑文化的绿色建筑设计实践与思考[J].建筑技艺,2019(01):36-43.

[2]钟飞凤.岭南传统元素在建筑设计中的应用研究[J].建筑技术开发,2018,45(18):22-24.

[3]黄惠菁.岭南遮阳设计探索[J].世界建筑,2019(04):94-96+120.

[4]徐文君.岭南特色绿色建筑——被动式节能技术的运用策略[J].低碳世界,2019,9(02):124-125.

[5]曹伟,何倩婷.云山珠水,碧瓦朱甍,融贯中西,筑汇古今——承原国立中山大学衣钵的华南理工大学校园赏析[J].中外建筑,2018(02):12-17.

【作者简介】吴晨晨（1989.05-），女，汉族，广东省广州市人，硕士研究生学历，华南理工大学建筑设计研究院有限公司中级工程师，主要研究方向：绿色建筑与节能设计。