建筑天窗采光問(wèn)題的研究
——尤其是外部有封閉造型時(shí)

劉輝，杜峰

(福建工程學(xué)院建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院 福建福州 350118)

建筑天窗采光問(wèn)題的研究
——尤其是外部有封閉造型時(shí)

劉輝，杜峰

(福建工程學(xué)院建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院 福建福州 350118)

文章從外部有封閉造型建筑的天窗設(shè)計(jì)和使用現(xiàn)狀出發(fā)，分析設(shè)置天窗的必要性和無(wú)奈性。通過(guò)調(diào)研和圖紙分析提出解決采用天窗之后的過(guò)亮、過(guò)熱和眩光等問(wèn)題并提出具體的解決方案，如：開高側(cè)窗，玻璃上貼膜、吊漫射光的頂棚和采用可調(diào)節(jié)窗簾等。

天窗采光；封閉造型；眩光；采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

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1 建筑天窗采光中出現(xiàn)問(wèn)題綜述

建筑天然采光的意義不僅在于節(jié)省照明能耗、減少碳排放，而且為室內(nèi)的視覺(jué)作業(yè)提供舒適、健康的光環(huán)境，是良好的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量不可缺少的重要組成部分[1]。伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，建筑行業(yè)發(fā)展尤為迅速，建筑的造型也越來(lái)越復(fù)雜。在很多實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員通常只關(guān)注天窗的美觀效果，對(duì)其采光設(shè)計(jì)只停留在滿足采光標(biāo)準(zhǔn)要求的階段[2]。很多建筑由于造型設(shè)計(jì)需要，在建筑物的外部設(shè)置了各種各樣的造型。在滿足功能要求的同時(shí)追求建筑的“形式美”本身并不存在問(wèn)題，但是那種內(nèi)部功能設(shè)計(jì)完之后在外面又附加一層封閉裝飾構(gòu)件或者由于功能要求不允許側(cè)窗采光的房間(如：展覽建筑，美術(shù)館等)容易導(dǎo)致室內(nèi)采光不能滿足國(guó)家規(guī)范的最低要求，進(jìn)而不能滿足基本采光需要的狀況。此類現(xiàn)象的出現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)中并非少數(shù)，致使很多建筑白天缺少天然光，鑒于此，在唏噓之余也希望通過(guò)分析問(wèn)題的根源來(lái)解決相應(yīng)的問(wèn)題，使建筑更好的為大眾服務(wù)。

2 有封閉造型建筑采光存在的問(wèn)題

2.1 存在問(wèn)題的現(xiàn)狀

圖1 某教育建筑圖片來(lái)源：作者自攝

如(圖1)所示的建筑，由于建筑面積大而且位置位于學(xué)校，根據(jù)我國(guó)的建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB50033-2013)關(guān)于該類建筑側(cè)窗窗地面積比的規(guī)定(1:4)需要較大的開窗面積(在此強(qiáng)調(diào)，國(guó)家規(guī)定的窗地面積比指的是窗洞口面積和所在房間地面面積之比)。從平面來(lái)看，原來(lái)開窗的面積是足夠大的，但是出于對(duì)藝術(shù)造型的考慮，在建筑外部設(shè)置了曲面的藍(lán)色外墻構(gòu)件，造型如(圖2)，藍(lán)色鋼筋混凝土墻表面開了較多的曲線洞口，這些洞口除了滿足美觀需要之外，也是為了一部分采光的需要。由于透過(guò)這些洞口的進(jìn)光量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于透過(guò)原來(lái)開的側(cè)窗洞口的進(jìn)光量，導(dǎo)致其實(shí)際窗地比的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于了國(guó)家對(duì)于窗地比的規(guī)定。該種情況的剖面圖及日照情況見(jiàn)(圖3)。

圖2 藍(lán)色外墻構(gòu)件圖片來(lái)源：作者自攝

圖3 該類教育建筑的剖面圖及日照?qǐng)D(其中冬天太陽(yáng)高度角小)圖片來(lái)源：自繪

圖4 屋頂天窗分布圖圖片來(lái)源：作者自攝

當(dāng)實(shí)際數(shù)值遠(yuǎn)小于窗地面積比規(guī)定之后如何才能滿足使用需求呢？在此，有兩種方法：(1)采用人工照明補(bǔ)充，該類方法簡(jiǎn)單有效，照度值可以很好的滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求(450lx)，照明均勻度可以做的很好(0.6)。但是這樣白天開燈浪費(fèi)電能，與我們國(guó)家節(jié)能環(huán)保低碳的理念相違背，另外白天開燈的光與顯色性好、色溫好、光譜構(gòu)成連續(xù)的太陽(yáng)光相比不利于人們的視覺(jué)，如：熒光燈和緊湊型熒光燈的色溫偏高，偏白偏冷，不利于人們的使用，更不用說(shuō)白熾燈一類暖黃色的光。(2)加天窗。加天窗在理論上很好的滿足了采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于工作面照度的要求，也可以填補(bǔ)側(cè)窗采光窗地比的不足。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于采光均勻度的要求，通常均勻分布的在屋頂開幾個(gè)窗戶，此時(shí)天窗窗地比的要求是1:8，如(圖4)所示。

2.2 開天窗之后使用過(guò)程中存在問(wèn)題分析

開了天窗之后，在使用過(guò)程中卻出現(xiàn)了其他的問(wèn)題。

(1)首先，國(guó)家的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB50033-2013)3明確規(guī)定，不建議在教育建筑的專用教室、實(shí)驗(yàn)室、階梯教室、教師辦公室等房間采用天窗采光。首先性價(jià)比不高，其次在采光方面，由于玻璃的透光能力太強(qiáng)，所以晴天光線太強(qiáng)，尤其是陽(yáng)光直射的窗下和窗戶下面四周的位置，眩光非常明顯，讓使用者瞳孔急劇縮小，眼睛難以睜開以致無(wú)法看清東西。陰天的時(shí)候也會(huì)超過(guò)所需要的室內(nèi)工作面照度。相當(dāng)于這時(shí)的工作面照度接近室外照度。根據(jù)采光系數(shù)的定義，也就是采光系數(shù)接近100%(該值在這里僅取決于玻璃的透射比)。而到了夏天更是如此，尤其在較為炎熱的夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)，會(huì)導(dǎo)致建筑物室內(nèi)尤其是天窗下面過(guò)熱過(guò)亮，嚴(yán)重影響使用者的熱舒適。在我國(guó)如今的國(guó)情下，很多的建筑物(如：合班教室，某些會(huì)議室)并沒(méi)有完全配備好空調(diào)，其室內(nèi)熱、光環(huán)境狀況之惡劣可想而知。即使室內(nèi)有了空調(diào)，也嚴(yán)重增加了空調(diào)的能耗。

(2)其次，國(guó)家建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)考慮到天窗節(jié)能性較差的問(wèn)題，組成天窗的主要部分如：玻璃和金屬框的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)如鋼筋混凝土的屋頂和樓板，而且開窗所形成的縫隙的透風(fēng)也導(dǎo)致了熱傳導(dǎo)的加大。在熱工方面，冬天天窗下面會(huì)有比較強(qiáng)烈的冷輻射，晴天則會(huì)進(jìn)入太多的太陽(yáng)輻射而導(dǎo)致過(guò)熱現(xiàn)象。節(jié)能規(guī)范也嚴(yán)格控制了天窗面積占屋頂面積的比例，所以開窗不能過(guò)大。

(3)最后，天窗的漏水問(wèn)題往往是比較嚴(yán)重的，天窗的連接構(gòu)造也是比較難以處理的，天窗維護(hù)起來(lái)也比較麻煩，很多的天窗在降水量比較小的地區(qū)很容易出現(xiàn)積灰塵的情況，導(dǎo)致天窗透光率大幅度降低，甚至有的地區(qū)的天窗最后還有很多無(wú)法清理的臟東西，而在降水量大的地方，漏水問(wèn)題變成了頑疾。從天窗的建筑構(gòu)造角度分析起來(lái)是這樣的，出于建筑造型的需要，天窗往往是一體的，即使新型的點(diǎn)支式玻璃幕墻，玻璃本身是硬質(zhì)的，兩塊玻璃之間很難用普通的構(gòu)造方式(如：焊接，螺栓連接，鉚接等)來(lái)連接，幕墻玻璃之間一般是用耐候玻璃密封膠來(lái)封堵的，耐候玻璃密封膠在屋頂上長(zhǎng)期受到風(fēng)吹、日曬和雨淋，耐候性再好也會(huì)出現(xiàn)老化，老化之后就會(huì)出現(xiàn)裂隙，嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)脫落，以致漏雨的問(wèn)題就會(huì)出現(xiàn)。如(圖5)。從天窗邊緣的黑色濕漬可以明顯的看出天窗曾經(jīng)漏雨的情況。

圖5 天窗漏雨圖圖片來(lái)源：作者自攝

圖6 天窗涂黑處理(部分涂料已經(jīng)脫落)圖片來(lái)源：作者自攝

很多的單位，尤其是學(xué)校甚至出現(xiàn)了天窗下面垂直投影下方的四周無(wú)人坐的窘境。經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)如下的景象，在很大的一間教室里，學(xué)生們都圍繞著天窗的投影下方外圍來(lái)坐座位，遠(yuǎn)離天窗的不利因素，對(duì)于教育資源相對(duì)比較緊張的我國(guó)的學(xué)校而言，確實(shí)是非常的尷尬。

在建筑設(shè)計(jì)階段想盡了辦法解決了圖紙報(bào)批(滿足了采光和節(jié)能要求)的問(wèn)題之后，在使用過(guò)程中卻出現(xiàn)以上問(wèn)題。那么解決的方法是什么呢？很多的單位采取的方式比較極端，首先有些單位干脆就把天窗涂成黑色(圖6)。這樣透光量就減小了，至少可以滿足教室基本的使用，卻增加了白天開燈的時(shí)間。但是也需注意，在采用人工照明補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)把握如下原則：當(dāng)天然光在室內(nèi)工作面上產(chǎn)生的照度達(dá)到或超過(guò)國(guó)家相關(guān)規(guī)范所制定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，關(guān)閉人工照明；反之則開啟人工照明進(jìn)行補(bǔ)償?？梢圆捎弥苯邮降拈_關(guān)或漸變式的人工照明方式，漸變式的照明方式更利于節(jié)能[4]。其次的解決方式更加簡(jiǎn)單，直接找窗簾或其他的布罩在天窗上面，或者干脆直接把天窗封掉，這些方法使用之后就把開天窗最初的目的給消除了，天窗沒(méi)有了任何的采光作用，沒(méi)有滿足基本使用要求，相當(dāng)于僅僅是給建筑室內(nèi)增加了“熱橋”而已。

3 如何解決開天窗房間的諸多問(wèn)題

如上所述，建筑外部有封閉造型的房間出于采光的考慮，采用了開天窗的形式，而開天窗之后進(jìn)而發(fā)生了諸多的問(wèn)題。首先需要指出的是，隨著生活水平的提高，建筑造型的多樣化是必然的趨勢(shì)，人們的審美需求提高了，不再僅僅將目光放在滿足基本功能的方盒子上，本身值得肯定。而有了封閉一些的造型之后，天窗的出現(xiàn)成為很好的解決方式，人們不能對(duì)開天窗出現(xiàn)了很多問(wèn)題就“因噎廢食”，害怕天窗，不用天窗甚至開了天窗再將其封閉掉，應(yīng)該是采用更加合理的方式將這些問(wèn)題更好的解決掉。

圖7 天窗改為高側(cè)窗圖片來(lái)源：作者自攝

圖8 天窗改為高側(cè)窗剖面圖圖片來(lái)源：自繪

圖9 天窗加漫透射膜圖片來(lái)源：作者自攝

(1)采用將天窗變成高側(cè)窗的形式。也就是說(shuō)，在建筑設(shè)計(jì)階段，將開側(cè)窗和開高側(cè)窗跟整個(gè)建筑群的規(guī)劃以及建筑單體造型設(shè)計(jì)更好的結(jié)合起來(lái)，而不是被動(dòng)的僅考慮造型。不應(yīng)當(dāng)在建筑功能的“方盒子”基本建好之后，再把外面為做造型而做造型的疊加一些“殼子”(圖7)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是，采光更加合理，在一定程度上較好的避免了眩光，構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，更容易被使用者接受；不足之處在于采光效率降低，需要開更多的側(cè)窗或者高側(cè)窗，從(圖8)可以看出雖然天窗上部采用磨砂玻璃，一定程度上減輕了眩光，但是高側(cè)窗部分仍然是存在著一定程度眩光的。另外，根據(jù)開天窗的效率而言，平天窗的效率最高，其次為梯形和鋸齒形天窗，最后是矩形天窗[5]。這種高側(cè)窗其實(shí)就是矩形天窗，因此，采光的效率明顯不高。

圖10 天窗加漫透射膜剖面圖圖片來(lái)源：自繪

圖11 天窗下加漫透射膜吊頂棚剖面圖圖片來(lái)源：自繪

圖12 可調(diào)式天窗窗簾圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

(2)受到陰天天窗采光更均勻的啟發(fā)，陰天(根據(jù)云量的多少也叫多云天或者全云天)的情況下，由于云層的反射和折射作用，使光線變得更加擴(kuò)散和均勻，不再有晴天時(shí)候的太陽(yáng)直射光，天空以擴(kuò)散光和漫射光為主。按照這種類似的原理，將玻璃改造為半透明(如磨砂、夾層、貼膜、光致變色或電致變色玻璃等)，使光線無(wú)規(guī)則、非定向擴(kuò)散透射，或者直接加貼半透射膜(圖9、圖10)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，效果好，光線更加均勻，可以借鑒“被動(dòng)式太陽(yáng)房”進(jìn)行采暖(類似于大棚的溫室)；不足之處在于天窗的構(gòu)造復(fù)雜，如采用特殊玻璃則造價(jià)高，節(jié)能效果較之側(cè)窗一般會(huì)差。

(3)采用漫透射膜制作成室內(nèi)的擴(kuò)散吊頂棚。優(yōu)點(diǎn)是該膜既滿足了采光均勻度要求，又滿足了節(jié)能的需要(增加了空氣夾

層，增加了熱阻)，而且又美觀大方，拆換都方便，具有一定的實(shí)用價(jià)值。不足之處在于二次施工會(huì)降低室內(nèi)的凈空高度，要聯(lián)合考慮建筑剖面使用情況。半透明膜的材料可以選擇磨砂半透明EVA膜等類型，尺寸以綜合了冬天和夏天的太陽(yáng)高度角情況下坐在邊排同學(xué)看不到太陽(yáng)直射光為準(zhǔn)(圖11)。

(4)在天窗外側(cè)采用可拉動(dòng)或根據(jù)天空亮度不同自動(dòng)升降半透明或者可調(diào)式的窗簾，該種類型造價(jià)較高，維護(hù)比較麻煩，更換率比較高。運(yùn)行和一次投入的費(fèi)用較大(圖12)。

4 結(jié)論

綜上所述，為了追求造型而忽視采光的問(wèn)題在如今很多建筑中是廣泛存在的，為了改善和克服這些問(wèn)題，可以通過(guò)開高側(cè)窗代替天窗、采用半透明漫透射玻璃、在天窗玻璃上貼半透明膜或者在天窗外側(cè)加半透明或者可調(diào)式窗簾等方式。相信通過(guò)上述的方式，可以對(duì)從事相關(guān)設(shè)計(jì)的建筑設(shè)計(jì)師在城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)中有所啟發(fā)和幫助。

[1]全建軍. 引進(jìn)日光，關(guān)掉電燈[J]. 上海節(jié)能，2010(3): 24-28.

[2]杜甜甜，曹煒. 寒地辦公建筑天窗采光性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 城市建筑，2014(5): 118-119.

[3]GB50033-2013,建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]李靜，李桂文. 基于天窗采光的建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 城市建筑， 2010.(6)112-113.

[5]陳仲林，唐鳴放. 建筑物理(圖解版)[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

Research on Building Skylight Problems——especially with closed modeling outside

LIUHui,DUFeng

(Faculty of Architecture and Urban Planning of Fujian University of Technology, Fuzhou 350118)

The paper started with skylight design and utilize of buildings with closed modeling, analyzed the significance and helplessness. The paper pointed out the proceeding problems with the skylight appeared and obtained the problems such as too much dazzle, too bright, too hot etc through investigation and drawing analysis finally drew the specific solution such as using high side window, sticking film on the glasses, suspending ceiling with materials diffusing light and adopting adjustable window curtain etc.

Skylight; Closed Modeling; Dazzle; Lighting Design Specification

劉輝(1978. 1- )，女，講師。

2015-03-30

TU834.3+5

A

1004-6135(2015)08-0024-04