本文是一篇建筑学论文，本研究以济南地区的乡村院落为研究对象，通过总结风环境评价标准；根据实地调研与问卷调查发现现存问题；计算机数值模拟分析与解决问题等步骤，针对不同形式院落总结不同的优化设计策略，并将其运用于实际院落案例的优化，根据模拟分析的结果验证优化策略的可行性，以此达到改善济南地区院落风环境质量，提高人居生活舒适度的目的。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 环境与能源问题
随着我国经济的快速发展以及人民生活水平的提高，新建住宅的面积逐年递增，进而推高了我国建筑能源的整体消耗量。《中国建筑节能年度发展研究报告》（2020）显示，2018年，农村人口数相较于2001年减少了2.4亿，为5.6亿，而农村人均住房面积从26平方米增至41平方米。人口的减少，能源使用方式变化及能效提升等多种因素的作用使得在2014年至2018年间，农村生活用能总量从3.27亿吨标准煤降至3.11亿吨。其中，农村住宅的商品能耗为2.16亿吨标准煤，占到建筑总能耗的22%，而非商品能耗仅为0.94 亿吨标准煤。随着我国乡村环境的持续改善，居民生活水平的提升，能源需求也在持续上升。因此，当前我国乡村的能源供应现状并不乐观。
村落在中国传统文化中占据重要地位，是社会、经济、文化及历史价值的承载体。而院落作为居住者日常生产与生活活动的中心场所，不仅承担了晾晒、休憩等各种日常活动，同时也承载着特定地区或民族的文化[1]。然而，经济的快速发展以及城镇化的加快，也给乡村地区带来前所未有的挑战与危机，这其中就包括乡村衰落的现象[2]。《十四五规划建议》中强调了对农业和农村的优先发展，提出了全面推进乡村振兴的战略要求，强调实施全面的乡村建设行动。此外，2022年中央一号文件再次强调继续实施农村人居环境整治提升的五年行动计划，全力推动乡村振兴。在这样的政策推动下，通过综合性的设计策略，利用现代技术和被动式设计方式方法进行乡村的优化和建设，改善和提升乡村地区的整体环境与生活条件，成为当前社会科研的热点和重点。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究综述
国外研究相对国内而言时间更早，在基于室外风环境的乡村院落优化方面的研究成果丰富，涵盖了从微气候改善、被动式设计策略，到绿色技术应用等多个维度。这些研究着眼于如何通过院落的设计优化实现更好的自然通风，以及如何利用自然资源来提高居住的舒适度和环境的可持续性。
1996年，Hugh Barond、Geoff Davis与Richard Guised等学者[4]深入探讨了独立式、联排式及庭院式住宅的结构特性。他们针对这些不同的建筑类型提出了相应的布局策略，旨在增强建筑的自然通风能力，促使空气流通，以此改善建筑环境。
1999年，D.J.Hall[5]通过采用风洞实验手段，探究了具有不同纵横比的庭院及其他闭合空间底部的污染物扩散情况。此项研究通过考察各种因素对污染物扩散的作用，如庭院周边墙壁的深度、墙壁上开口的设置、风向的变化、地表杂波的影响及庭院内空气层次结构等，为庭院的设计提供了满足特定需求的可能性。
2003年，Chang等学者[6]运用CFD的Fluent软件对建筑街道中，并行布局状态下涡流集中的现象进行了仿真模拟，揭示了街道宽度与建筑高度之间比例数值的变化与涡流形成之间的关系。
2005年，美国学者纳迪尔·伊尔马兹和A.伯尔唐纳森[7]通过在新墨西哥州费伍德温泉度假村内的庭院（或露台区）开展风幕研究，结合风洞和CFD技术，建立了1:93的比例模型。他们对比了相同风环境条件下的模拟结果，阐述了影响庭院的各种因素如何共同作用形成风障，为院落风障设计提供了指导性建议。
2007年，Andersen Karl Terpager[8]的研究中，通过结合自然通风和逆风效应在具有两个开口的房间内对气流速率进行了分析，揭示了多种解决方案及其相关的不稳定性和滞后效应，发现在了解室内外温差初始条件下，可以得到明确的气流行为预测，特定条件下气流速率可能出现不连续性。
第 2 章 室外风环境评价标准及研究方法
2.1 国内外常用风环境评价标准
2.1.1 蒲福风级及相对舒适度评估标准
“蒲福风级”是一种基于风对环境影响程度制定的风况评估标准，由英国人弗朗西斯·蒲福于1805年首次提出[35]。这一指标最初在航海活动中得到应用，它根据风速的不同强度，将风力分为0至12共13个等级。
然而，蒲福风级通常是基于距地面10米的风速来描述的。当对住宅区或其他小环境中人行高度的风速进行评估时，这种方法并不能够提供科学准确的判断。这是因为离地面越近，地面因素的影响对风场的干扰越复杂。因此，在研究风对人类影响时，应将蒲福风级的风速转换为距地面1.5米高度处的风速，以此作为研究不同风速影响的标准。基于这一理念，Michael J. Soligo等制定了1.5米高度处的风级对照标准[37]。具体范围如表2.1所示。
2.2 本文采用的风环境模拟评价指标
通常情况下，在进行风环境数值模拟之后，通过风环境模拟云图，可以清晰地观察到整体风速的变化，并迅速识别风影和漩涡等特定区域[46]。然而，这种方式缺乏必要的量化指标，使得在不同工况下的比较存在困难。涉及到多种工况进行对比的情况，单独使用云图结果时不足以直观判断优劣。因此，本研究引入了包括平均风速、静风区占比、舒适风区占比以及湍流风区占比等量化评价指标，以便更系统的评估模拟结果，并进行有效比较。
2.2.1 平均风
通过使用Ladybug插件中的“Ladybug Generate Point Grid”工具提取模拟后每个网格节点1.5m人行高度处的风速值，具体网格尺寸按照实际情况确定。接着根据所有网格点的风速值进行计算得到院落内部1.5米高度的风速平均值，该值定义为院落内人行高度1.5米处的平均风速𝑉𝑉𝑝𝑝。
第 3 章 寒冷地区典型乡村院落现状调研 ................. 21
3.1 济南地区气候特征 ........................... 21
3.1.1 济南市气象特征 ......................... 21
3.1.2 济南地区全年风向频率 ......................... 22
第 4 章 乡村院落形态因素对风环境的影响机制研究 ..................... 45
4.1 基本模型与边界条件建立 ....................... 45
4.1.1 模拟工具选取 ........................... 45
4.1.2 模拟流程及参数设置 ......................... 46
第 5 章 基于风环境影响的乡村院落空间形态优化设计 ................. 118
5.1 优化设计原则 ........................... 118
5.1.1 整体性 .............................. 118
5.1.2 实用性 ............................ 11
第 5 章 基于风环境影响的乡村院落空间形态优化设计
5.1 优化设计原则
5.1.1 整体性
根据“整体性”设计原则，优化设计应顺应自然，尊重各地的地理特征、自然环境和气候条件。在济南市这个南高北低，三面被山脉环绕的城市中，每个村落都嵌入其独特的自然环境中，具有不同的风环境特征。在这种情况下，院落空间的优化设计必须考虑到所在村落的具体风环境，以自然为依归，同时也要保持村落原有的结构和形态。在尊重原有条件的基础上，结合相关政策的指导，对院落进行适应性的改造和更新，避免采用不切实际的建筑形式。
5.1.2 实用性
遵循“实用性”原则既要考虑院落空间的舒适性，也要结合居民的需求。一个村落从选址、布局到村落内建筑形态的确立，都与居民的行为习惯和生活需求息息相关。在优化院落空间的过程中，不仅要关注建筑本身的建设和翻新，还必须考虑居民的实际生活需求与经济状况，从而进行适度规模的改造。例如，可以考虑增设种植园、养殖棚等设施，以满足居民的具体需求。通过提高院落功能的多样性和丰富性，不仅能够满足居民日常生活的需要，也能够提升乡村活力，减少在乡村建设中出现的“千村一面”现象。
第 6 章 结论与展望
6.1 研究结论
院落作为乡村居住建筑中不可或缺的组成部分，其风环境质量的好坏直接影响到居民日常生活的舒适性以及健康状况。合理的选择建筑布局以及院落尺度形式，对于乡村院落内风环境的质量十分重要。基于此，本研究以济南地区的乡村院落为研究对象，通过总结风环境评价标准；根据实地调研与问卷调查发现现存问题；计算机数值模拟分析与解决问题等步骤，针对不同形式院落总结不同的优化设计策略，并将其运用于实际院落案例的优化，根据模拟分析的结果验证优化策略的可行性，以此达到改善济南地区院落风环境质量，提高人居生活舒适度的目的。
本文主要的研究成果如下：
（1）通过对现有的研究和相关标准规范的调研，发现目前风环境评价标准存在指标单一，无法量化等问题。首先对国内外风环境评价指标梳理，根据院落居民的使用特征和需求，构建包含“静风区”、“强风区”、“舒适风区”以及“湍流风区”在内的评价指标。其次在对济南地区气象参数进行分析时，发现济南地区并不存在“主导风向”，使用季节主导风向对济南地区进行模拟研究无法全面的表现其风环境的变化特征。因此，本研究在对济南地区乡村院落进行风环境数值模拟时采用全风向模拟的方法。
（2）通过对济南地区的乡村院落进行实地调研、问卷调查、风环境实测等方式网，提取了济南地区乡村院落空间类型，并据此总结出当地院落的
