重庆传统聚落中街道-房屋系统的空间格局与气候适应机制

《Sustainable Cities and Society》：Spatial Patterns and Climate Adaptation Mechanisms of Street-House Systems in Chongqing Traditional Settlements

传统聚落"街-屋"系统视角下气候适应性空间形态研究——以重庆为例，通过正交实验与数值模拟量化分析街道与建筑的形态参数（街道朝向、高度宽比、出檐宽度等）对风热环境的影响机制，揭示街道朝向主导通风性能（贡献率76.7%-98.7%），建筑高度宽比主导热环境（贡献率55.1%-66.4%），并发现出挑阳台与屋檐对热环境有显著影响。研究证实存在街道朝向×门窗开洞、街道高度宽比×屋檐宽度的交互效应，并提炼出兼顾夏冬需求的适应性空间模式，为低碳城市设计提供定量依据。

　　

刘鹏程|李旭|卢海天|李艳

重庆大学建筑与城市规划学院，中国重庆，400045

摘要

全球变暖和地区文化表达的丧失带来了双重挑战。目前仍存在一个研究空白：传统聚落的被动、低能耗特性尚未转化为可量化的设计指南。本研究聚焦于中国重庆（一个夏季炎热、冬季寒冷的地区）的典型传统聚落，采用“街道-房屋”系统视角分析空间元素如何影响风环境和热环境性能，并提炼出适应气候的空间形态特征和规则，为气候适应性城市设计提供操作性指导。首先，通过文献回顾和实地调查确定了后续定量分析的空间元素。其次，结合正交实验/全因子实验和数值模拟方法，量化了选定空间元素对风环境和热环境性能的贡献率、非线性关系及交互效应，为空间模式构建奠定了基础。研究结果表明，街道方向主导了风环境（街道的贡献率为76.7%，建筑物的贡献率为98.7%），而高度与宽度的比例主导了热环境（街道分别为55.1%，建筑物分别为66.4%）。二层悬挑阳台和屋檐也对热环境有显著影响。风环境存在两个显著的交互效应：街道方向×穿堂门窗，以及街道高度与宽度比例×屋檐宽度。热环境则没有显著的交互效应。研究进一步分析了空间形态元素在气候适应中的矛盾与协同特性，提取出满足夏季和冬季需求的模式。这些发现加深了对传统聚落气候适应性的理解，并为气候适应性城市规划提供了定量依据和模式参考。

引言

全球气候变化正在加剧，能源供需之间的矛盾日益突出（Santamouris, 2020）。根据IPCC的数据，全球平均气温已比工业化前上升约1.1°C。自21世纪初以来，极端高温事件的频率增加了一倍以上（IPCC, 2023）。这加剧了城市热岛效应，严重影响了居民的生活质量和健康（Yin et al., 2022; Dellaa Marta et al., 2007）。同时，建筑能耗占全球总能耗的30%（IEA, 2023）。这种状况与环境可持续性之间的冲突日益尖锐（Zarco-Soto et al., 2025; Wang, A et al., 2025）。近年来，人们对传统建筑和聚落的研究日益深入，其中蕴含的被动低能耗气候适应智慧逐渐受到关注（Zhong et al., 2023; Osman & Sevinc, 2019; Liu et al., 2011）。这种智慧体现了古人对自然环境的深刻理解和巧妙利用（Lin et al., 2021）。理解这些机制和原理非常重要，它能够改善城市空间的风环境和热环境，有助于平衡建筑环境中的能源使用，同时促进文化遗产保护并支持高质量发展。

研究重点关注聚落的气候适应性空间形态。本研究从定性研究发展为定量与定性相结合的方法（Yang et al., 2024）。研究的空间尺度从单个建筑物扩展到街道空间和整个聚落（Wang et al., 2025; Y?ld?r?m, 2020）。对于建筑物，已广泛探讨了各种元素的作用，包括平面布局（Zhu et al., 2025; Chen et al., 2021; Han et al., 2023）、建筑朝向（Nguyen et al., 2011; Xiong et al., 2022）、庭院空间（Torres-González et al., 2025）、热缓冲空间（Foruzanmehr, 2015; Wang et al., 2025）、建筑围护结构和材料（Mallea et al., 2018; Toe & Kubota, 2015; Juan et al., 2019）。关于建筑朝向，现有研究使用不同的室内和室外评估指标得出了一致结论：当建筑朝向（建筑物主立面的法线方向）与主导风向平行时，更有利于建筑通风。例如，Grosso（1992）通过风洞实验和回归分析指出，平行对齐会在建筑围护结构上产生更大的风压。Tian et al.（2025）通过数值模拟和正交实验进一步证实了建筑朝向在各种空间元素中的重要性。他们对室内空气净化率和空气交换效率的分析表明，建筑朝向应遵循主导风向。从围护结构和室内环境的角度来看，研究结果都支持这一设计原则，即室外风压驱动室内气流。此外，现有研究还对其他空间元素进行了定量分析，使用现场测量、数值模拟或风洞实验。这些研究解释了各个元素的机制，但未提供最佳的气候适应阈值。例如，Li et al.（2022）通过CFD模拟研究了建筑水平和垂直后退对室外热舒适度的影响，发现悬挑阳台有助于降低街道峡谷内的表面温度。Cui et al.（2024）通过风洞实验也发现这种形态元素对峡谷内的通风性能有不同影响。Perén et al.（2015）通过CFD模拟研究了屋檐对锯齿形屋顶建筑横通风的影响，发现朝风的屋檐可以显著增加建筑内的气流。

在街道方面，关于街道网络纹理和结构（Shaeri et al., 2018）、朝向（Taleghani et al., 2015; Li et al., 2023）、高度与宽度比例（Johansson, 2006; Hang & Chen, 2022; Yin & He, 2025）、长度与宽度比例（Muniz-Gál et al., 2020）、界面形态（Tang et al., 2012）以及半户外空间（Yin et al., 2019; Hang et al., 2024）的研究多为描述性和案例分析。关于街道朝向，南京和香港等地区的多项研究（Peng et al., 2021; Ng, 2009）均显示相同的结果：在社区尺度上，街道朝向与主导风向之间的角度为0–30°时通风效果最佳。北半球不同气候区的多项研究（Abd Elraouf et al., 2022; Andreou & Axarli, 2012; Algeciras et al., 2016）也得出了类似结论：南北向街道提供更好的室外热舒适度，而东西向街道则表现较差。街道空间设计需要平衡通风和保温。这里提出了一个问题：具有良好保温性能的街道朝向是否总是与最佳通风角度相匹配？这是设计实践中遇到的问题。在街道尺度上，仍存在知识空白。研究证实形态参数影响街道的风环境和热环境，但其相对贡献率缺乏定量评估，它们与其他元素的交互效应也尚不清楚。Al-Sallal & Al-Rais（2012）通过CFD模拟研究了传统城市环境中的被动冷却性能，认为狭窄的街道（4米或更窄）能加速空气循环，从而提高被动冷却效果。Chatzidimitriou & Yannas（2017）和Yin et al.（2022）结合ENVI-met模拟和现场测量发现，高度与宽度比例较大的街道能提供更好的遮阳和冷却效果，从而提高热舒适度。

现有研究存在三个主要空白：首先，研究视角往往有限，大多数研究分别考察建筑物或街道，很少考虑它们在环境性能上的潜在冲突。例如，建筑物和街道峡谷都需要与主导风向对齐以实现最佳通风，但我们对传统聚落形态的分析表明，建筑朝向和街道朝向大多垂直。建筑物密集地排列在街道两侧，南北向街道通常对应东西向建筑物，两者很难同时达到理想朝向。其次，定量分析不足，研究通常关注单一元素，缺乏对多个元素综合贡献率和交互效应的定量分析，这掩盖了关键设计参数的优先级。第三，将研究成果转化为实践具有难度，从个别案例总结的空间形态特征很少涉及其背后的机制，难以为设计实践提供可转移的理论支持。

因此，本研究以重庆的传统聚落为研究对象，构建了“定性筛选-定量分析-模式提取”的系统框架。研究综合采用了正交实验、全因子实验和数值模拟方法，旨在：（1）定量分析街道-房屋系统中多个空间元素对风环境和热环境性能的重要性顺序、（非）线性关系及交互效应；（2）提取适应当地风环境和热环境的空间模式。本研究的创新之处在于：从街道-房屋连接的角度出发，结合正交实验和全因子实验，系统量化了空间元素在复杂交互效应下的贡献度和影响机制，从而提取出适用于夏季和冬季的空间模式，实现了从定性经验到定量设计的跨越，有助于将传统建筑智慧融入现代设计，并为气候适应性城市规划提供定量依据和模式参考。

本研究的结构如下：第2节描述了研究区域和样本的筛选过程，以及实际聚落的空间形态特征。第3节概述了研究工作流程和各阶段使用的方法。第4节展示了研究结果，第5节讨论了主要效应和交互效应的机制，分析了街道-房屋系统内的矛盾与协同特性以及典型空间模式和传统建筑智慧。第6节给出了结论。

研究区域和样本

重庆在前六批中公布了18个国家级历史文化古镇。本研究选取了其中12个古镇作为样本（图1），并重点关注这些古镇的核心保护区域。具体选择标准是样本在气候、地形和文化背景上高度一致，确保基本研究条件相对统一。这些传统聚落具有以下共同特征：它们位于低海拔的丘陵地区。

方法论

本研究采用了“定性筛选-定量分析-模式提取”的方法论框架（图2），系统揭示了空间元素对风环境和热环境的影响机制。需要特别指出的是，风通过影响热交换直接影响热舒适度，两者之间存在密切关联。然而，在研究传统聚落的气候适应性空间形态时，相关因素的作用

基于现场测量的空间形态与风环境和热环境性能的关联分析

在凤生古镇和邹马古镇的现场测量显示，夏季风模式明显不同，主导风向在南北之间交替，东风和西风偶尔出现。不同朝向的街道平均风速存在显著差异。与主导风向对齐的街道记录了最高的风速，例如邹马古镇中向西偏南30°的街道（测量点11、12、13、14）。

空间元素关键机制的定量分析

与以往研究不同，本研究量化了街道-房屋系统中空间元素对风环境和热环境性能的贡献率。这一发现为设计实践中的优先级设定提供了指导意义。对于风环境而言，SO是影响街道和建筑物性能的最关键元素，其与DW的结合也对系统调节起到了重要作用（图6a & 6b）。与其他元素相比，SO

结论

在全球气候危机和地区文化身份侵蚀的背景下，探索被动低能耗方法以创建低碳人居环境已成为紧迫的研究前沿。本研究超越了对传统聚落气候适应经验的定性描述，引入了“定性筛选-定量分析-模式提取”的系统研究方法。

未引用的参考文献

Wang et al., 2025, Wang et al., 2025, Agency, 2023, Yin et al., 2022, Liu et al., 2025, Li et al., 2025, Li et al., 2023

CRediT作者贡献声明

刘鹏程：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件应用、方法论设计、数据整理、概念化。李旭：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金争取、概念化。卢海天：撰写——审稿与编辑、验证、监督。李艳：可视化、验证、软件应用、资源协调。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：本研究得到了国家自然科学基金（普通项目，52578057、52578058、51978092）和重庆市建筑科学技术计划项目（编号2021-0-122）的资助。这些资金来源不构成任何潜在的利益冲突。