黄土高原民居遮阴树种植形式和位置的模拟分析
关键词：园林植物；黄土高原；民居；遮阴树种植；模拟分析
文章编号：1000-6664(2018)04-0083-06
中图分类号：TU 986
文献标志码：A
收稿日期：2017-03-27
修回日期：2018-02-11
基金项目：国家自然科学基金重点项目“快速城镇化典型衍生灾害防治的规划设计原理与方法”(编号51438009)、国家自然科学基金项目“黄土高原‘植物-民居’生态共生原理与协同营造方法研究”(编号51408473)和国家自然科学基金项目“青海农林牧式新型农村社区区划原理与规模测算方法研究(编号51408472)”共同资助
Abstract: Based on the semi-humid area of the Loess Plateau as the study area, combined with the present situation of residential houses and residential common plants, the quantities and changes of the shadows on the outer surface of the residential buildings were simulated by using Autodesk Ecotect Analysis 2011 software. The optimal planting patterns (with building spacing, relative building orientation, plant size selection, etc.) of residential greening plants are used to maximize the ecological benefits of plant shadows, which is essential to promote the energy efficiency of trees in rural areas.
Key words: landscape plant; loess plateau; residential house; shade tree planting; simulation analysis
植被对低密度地区低层建筑的能耗有着显著的影响。总结来看，树木改变建筑室内外环境舒适度主要通过以下几个方面来实现：1)阴影，遮阴树在建筑外表面形成的阴影减少了建筑表面对太阳辐射能的吸收和储存，以减少建筑室内外热传递，从而减少夏季室内冷却能源的消耗；2)蒸发蒸腾作用，植物将液态的水通过蒸发蒸腾作用转换成水蒸气，增加了空气的湿度的同时降低了空气的温度；3)挡风，适宜的植物种植在冬季可以通过改变风向和风速以减少冷空气渗透到建筑室内和建筑表面的对流冷却。
建筑的外表面接收的太阳净辐射是引起建筑室内微环境变化的一个主要影响因素[1]。所以，遮阴树木的使用对建筑能源利用将会有着很重要的影响，但是黄土高原地区的住宅地块空间和资源对于种植遮阴树有所限制，研究区域大部分地区农家院落尺寸正在大大减少，而且，多数院落为了使用方便采取硬质铺装，这些因素都减少了种植多棵树木的可能性，因此，单棵树的科学种植和树种选择变得更加重要，为了最大限度地提高树木对民居环境的改善和能源利用效益，本文利用计算机模拟软件，探讨单个树木在住宅地块上的选择和种植方式如何影响附近建筑物的阴影，从而影响建筑能源消耗。
1 研究的影响因素
在国外，过去研究表明，遮阴树木的节能效益很大程度上取决于树木的特征(树木的大小、冠层的密度)和相对于建筑的位置(与建筑的间距和相对建筑的方位)[1-6]。在树木相对建筑的位置不变的情况下，树木越大，在相邻建筑上的形成的阴影就越大[5]，此外，树冠的密度也会影响到达建筑的太阳辐射的强度，冠层越密集遮阴效果越好[7-8]；当涉及节能时，种植设计首要考虑的是树木相对于建筑的方位，在夏季，东侧的树木在早晨提供树荫，而西侧的树木在下午提供树荫，因为环境空气温度和空调使用在下午是最高的[5]。建筑西侧种植的树木被认为是具有最大的冷却效果，其次是建筑东侧的树木[9]。种植在南部的树木在建筑物上产生很小的阴影[10-11]，建筑北侧的树木对建筑物的阳光的干预最小[5]。
在国内，一些研究指出，在自然通风的建筑场地，绿化设计为建筑及其周围的室外空间提供有效的遮阴，树种的选择要考虑树冠的大小、密度和形状。树冠伸展的高大落叶树种在建筑南面，树冠低矮、靠近地面的树木更适合种在西面，可以遮挡下午低角度的阳光。冬季避免在建筑南向近距离种植常青树，在西南和东南种植落叶树，在寒冷地区，南面不种树，树枝冬季也会遮挡阳光[12-13]。
综上，单棵树木在建筑外表面上能否产生阴影以及阴影的“质”和“量”受2个因素的影响即树木的形式和树木的布置。树木的形式描述的是树木的物理属性，包括树木的大小、分枝点高度、树冠的大小、冠层的密度及冠形，而树木的布置描述的是其相对于建筑的位置即相对建筑的方位和距离。以上因素构成了本研究的重要影响因素。
图1 植物布置图
2 研究目的
尽管树木影响建筑能源使用的相关知识在过去20年来逐渐提高，但模拟分析是稀缺的。树形式和位置是树荫提供的关键因素，阴影不仅受树的特征和相对建筑位置的影响，而且也受日照、季节和纬度变化的影响。在给定地理位置中的日照、季节性模式及树木的布置等因素影响遮阴的面积和遮阴持续的时间即阴影的“质”和“量”[1]。因此，模拟分析需要结合建筑的结构和朝向、树木的特征和位置以及变化的太阳的位置和气候。在本研究中，将使用计算机模拟软件，对黄土高原半湿润区的3个区域不同的典型村落进行详细模拟，探讨单棵树对一个典型民居的遮阴影响，研究的目的是确定地区民居遮阴树的最佳种植模式(与建筑的间距、相对建筑的方位、植物大小的选择等)，以优化植物阴影的生态效益，从而最大化植物与民居的生态共生效益。
3 研究方法
Ecotect可以从详细的气候分析开始，计算各种被动设计技术的潜在效果，或优化可用的太阳能、光和风资源的使用。Ecotect也可以用于即时遮蔽分析，计算任何表面上的入射太阳辐射及其百分比阴影，本文通过对此软件二次开发后，可以用作评估树木相对于建筑物的阴影效果的设计工具，可以确定任何朝向的建筑物表面上的树或一组树投射的阴影的面积百分比和位置，模拟时，单个建筑物和周围的树木由网格坐标定位。 模拟需要的参数包括：建筑朝向、建筑长度、建筑宽度、建筑物墙体高度、树木的基本坐标、树木的高度、主干高度、冠高度、冠直径、树冠形状以及遮阴系数。
图2 冷却季节3种类型树木的日均遮阴百分比3.1 民居建筑数据
本研究选择坐北朝南三开间的两层平屋顶民居建筑作为模拟对象，建筑占地面积约为75m2(9.9m×7.5m)，建筑面积148.5m2，总外表面积(四面墙和一面屋顶)为189.1m2。模拟地点分别选择研究区的陕西西安南豆角村、山西清徐县西楚王村和河南陕县凡村。利用SketchUp建立建筑模型，模拟时为了模拟出理想状态，将建筑模型输入模拟软件时，二楼的外廊、室外楼梯以及遮阴的屋顶被简化(图1)。
3.2 树木配置数据
树荫的大小取决于树木的3个因素：1)树木特征；2)与房子的间距；3)相对房子的方位。根据地区民居常用现状树种，总结出一组典型树木大小的平均数据(表1)，进行建模模拟，为了模拟极值及简化比较的影响因素，假设表1中3种大小树木的冠型都为抛物线型，冠透射率均为1。树木相对建筑有8个方向的变化，4个基本方向(东、西、南和北)和4个角隅(东北、东南、西北和西南)。为了避免建筑和树冠之间的空间冲突，以及保护建筑基础安全的角度，树与建筑间距最小设置为每种类型树木树冠的半径，以树冠的半径为倍数逐渐递增，模拟每种类型树木在不同方向和不同距离上对建筑遮阴的变化(图1)。
3.3 树荫模拟
在研究区域中，选择3个典型区域，在日历年模拟时间框架内，对单棵树木，模拟了8个方位，大、中和小乔木分别进行了67、64和63组模拟，得出了每种类型的植物距离建筑的最佳距离和最佳方位。
4 结果与讨论
4.1 阴影变化趋势
4.1.1 阴影变化的总体趋势
各个区域的阴影变化的总体趋势基本一致，以南豆角村模拟结果为例进行讨论，模拟结果显示，与建筑相邻种植的树木越大，所提供的阴影水平就越高。也就是说，大型乔木不管种植在建筑的哪个方向，都是遮阴效果最好的选择。在建筑的外表面上的最大日平均遮阴百分比出现在建筑西侧，在建筑西墙上产生的日平均遮阴百分比最大可达50%(此数据包括一天中建筑的自遮阴)，当大型乔木被放置在离建筑超过5m的地方时，建筑物表面的遮阴效果将显著降低。相比之下，对于中小型乔木，在建筑的东部或西部仅距离建筑最近时在一年的模拟时间框架内提供大于10%的日均遮阴百分比，当小乔木被放置在≥3m的距离或中等乔木被放置在≥6m的距离处通常产生的日均遮阴百分比已经低于10%(表2、3)。在建筑所有方位，小乔木都产生最低水平的阴影，距离建筑越远阴影水平越低(图2)，并且提供最小的节能效益。总之，在所有纬度，随着树木尺寸的减小，随着距离的增加，遮阴效果将显著降低。
图3 建筑东西两侧侧树木日均遮阴百分比
图4 建筑西侧多棵树木种植方式4.1.2 冷却季节的阴影变化趋势
在冷却季节，建筑的东部或西部的树木受太阳高度角的影响，可提供更大的平均树荫，不同大小的树木影响程度区别也很大，大型乔木的优势明显大于中小型乔木(图3)。在黄土高原地区，夏季西晒严重，建筑西侧很少开窗，若西侧有足够的种植空间，可以种植多棵遮阴树，由于树冠重叠会使每棵树的节能效益折减，为了节省成本及节能效益最大化，西侧树木最好采用列植，根据模拟的建筑模型的宽度，如果建筑西侧单独种植小乔木，同一距离方向可以种植3～4棵(图4)，有2种种植组合模式，模拟显示，a模式的平均遮阴大于b模式，而且a模式树木数量少，减少了种植和管理成本。对于中型乔木可以种植2～3棵树木，与小乔木存在一致的结论，c模式优化了植物的种植方式。大型乔木树冠宽度为10m，大于建筑的宽度，所以只有种植一棵树木这一种方式(图4)。综合中小型乔木的种植模式，可以得出的规律是，如果建筑的西侧可种植多棵树，种植的第一棵树的位置是在建筑中轴线上还是与中轴线相切，取决于在建筑宽度范围内有尽量少的树冠相切的“缝隙”，因为受树冠自然形态的影响，这个“缝隙”冠层透射率最大，会导致遮阴水平显著降低。
相比之下，南部或西南部的树木的阴影一直最低，因为当一天的太阳位于南向时，太阳角度高，太阳基本位于植物正上方，阴影接近正投影，很难落到一侧的建筑上，除非植物距离建筑特别近(图5)。
4.1.3 加热季节的阴影变化趋势
过去的研究表明，在加热季节遮挡阳光的树冠可以不利地减少建筑的被动太阳能加热，导致加热损失[14]，在加热季节的树荫模拟中，一棵大乔木放置在建筑的南侧，距离建筑很近时会产生大量的阴影。这些阴影在通常在9月变得最明显，但直到11月中旬，加热季节才开始，到那时，太阳高度角已经大幅下降，这样阳光就可以通过在已经落叶的树冠下通过。因此，建筑南向对建筑夏季有良好遮阴的落叶树对加热能源需求的影响并不显著。但是，现实中离建筑很近树木影响居民在院子里的行为活动及院落空间的使用。所以，院落里的南向树木在夏季很难在建筑上有落影，南向树木使用的目的通常是对院落遮阴，这时还要尽量保证冬季不能遮挡建筑的日照，需要考虑太阳能采集边界限制的问题(图6)，确定南向树木与建筑的最佳间距，模拟显示，小树在大于4.5m、中树大于9m、大树大于15m的间距时，植物对建筑冬季日照的影响接近消失(图7)。
图5 6月21日南向和西南向中型乔木的阴影分析
图6 太阳能采集边界
图7 冬季建筑南向树木阴影变化
图8 树木形态对低角度太阳光的影响4.2 区域种植设计指导
1)遮阴树与建筑的间距的建议。
阴影模拟显示了与树木尺寸相关的距离的建议。大树被证明在西边5m处为最大节能效益，5~10m的距离处都能提供有效的树荫。另一方面，建议在6m内种植一棵中树或在3m之内种植一棵小树，以便在冷却季节即夏季6、7、8月份分别获得大于29%、27%、35%的西墙日均遮阴百分比和大于2%、2%、5%的屋顶的日均遮阴百分比。与东或西方的树木相比，由于更高的太阳角，南侧树木应放置在靠近建筑处。
2)遮阴树相对建筑的方位的建议。
在研究区域，模拟支持在东部或西部方向种植遮阴树作为节能的最佳选择。然而，当在东部或西部地区种植不是唯一的选择时，遮阴树的选择和布置将取决于纬度和气候。在黄土高原地区，加热季节4个月，相对较长，东南或西南部分的树木将是次佳选择。研究地区属于寒冷地区，应避免南向的树木的近距离种植，以尽量减少冬季能耗。 然而，如果这棵树是必要的，适当的修剪可能有助于减少加热季节的遮阴。
3)树的形态特征的建议。
除了方位和距离的考虑之外，树形对遮阴也有一定影响(图8)，树形对于低角度的光照有一定的影响，低角度光照存在以下3种情况：1)北纬度地区；2)在加热季节；3)日出的东向和日落的西向。所以，在研究区域，夏季为了更好地遮挡西晒，建筑西向种植抛物线形态树木可以遮挡更多的阳光，在冬季，南向尽量选取圆形或椭圆形的落叶植物，使阳光更好地到达建筑。
4.3 适地适树
“在正确的地方种植正确的树”已经成为使树木利益最大化和成本最小化的普遍理念。但是，现实情况不可能按照理想的模式实现，由于研究区住宅院落空间较小，如在陕西关中，院落基本3～4分地，这种情况下，树木可能被种植在次优地点以进行节能。此外，由于大多数现代建筑都配备了空调设备，居民有可能会忽略树木种植对他们的院落及住宅舒适度的影响。
当认为遮阴树可以对邻近建筑(联排布局的民居)产生“溢出”遮阴效益时，科学布置的单一树木的使用及效益将会增大[6]。这些树木还可以通过遮蔽有反射的地面(例如，硬质的院落和街道)、蒸发冷却和防风效果来节能。此外，树木的选择和布置也必须考虑到整体景观背景以及所有潜在的利益。对于民居来讲，植物除了辅助建筑节能外，还可以营造舒适的室外环境、改善院落及更大范围的生态环境，植物树冠对不透水的表面可以遮蔽降雨并延迟雨水径流，也能产生较大的环境效益。总之，要了解树形式和树木布局与建筑及院落环境的互动，以获得众多的环境效益，然后科学地选择和种植，使树木的效益最大化。
5 结语
这项研究利用Ecotect程序模拟了单棵树的种植形式和位置对民居建筑外表面及民居院落遮阴的影响，确定了在黄土高原研究区域民居环境中遮阴树木的种植形式和布置(植物的大小、植物与建筑的间距以及植物相对建筑的方位)，并且根据模拟结果给出了民居环境中优化遮阴树种植的建议，从而使植物效益最大化，对促进地区乡村生态环境建设具有重要意义。
注：文中图片均由作者绘制。
参考文献：
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作者简介：
菅文娜
1979年生/女/内蒙古赤峰人/西安建筑科技大学建筑学院在读博士研究生，讲师/研究方向园林植物应用(西安 710055)
雷振东
1968年生/男/陕西渭南人/西安建筑科技大学建筑学院教授，博士生导师/研究方向为村镇规划(西安 710055)
* 通信作者(Author for correspondence) E-mail: [email protected]