上海世博園地下空間陽(yáng)光導(dǎo)入技術(shù)分析

甘 源

(中鐵二院， 四川成都 610031)

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上海世博園地下空間陽(yáng)光導(dǎo)入技術(shù)分析

甘 源

(中鐵二院， 四川成都 610031)

自然光線引入地下空間對(duì)改善其環(huán)境具有重要意義。利用自然采光，不僅可以節(jié)約大量人工照明耗費(fèi)，實(shí)現(xiàn)綠色照明與可持續(xù)發(fā)展，而且能夠滿足人體的生理與心理健康需求，創(chuàng)造接近自然環(huán)境的生態(tài)地下空間。文章針對(duì)國(guó)內(nèi)外陽(yáng)光導(dǎo)入的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)、適用條件及相關(guān)實(shí)例進(jìn)行集成與分析，并結(jié)合上海世博園區(qū)地下開(kāi)發(fā)定位思路及總體布局規(guī)劃，及對(duì)世博園區(qū)地下空間的陽(yáng)光導(dǎo)入方案的分析，希望對(duì)我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究有所啟發(fā)與借鑒。

陽(yáng)光導(dǎo)入； 主動(dòng)式； 被動(dòng)式； 生態(tài)； 地下空間

1 引言

1.1 地下空間陽(yáng)光導(dǎo)入技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

地下空間，大多給人的印象是昏暗與沉悶。然而2010年世博園區(qū)的“陽(yáng)光谷”使這一問(wèn)題迎刃而解?！瓣?yáng)光谷”每個(gè)高40 m，上口最大直徑為90 m，如圖1、圖2所示，分布在世博軸的入口及中部，它們的獨(dú)特形態(tài)能夠幫助陽(yáng)光自然傾斜到地下，既利于提高空氣質(zhì)量，又能節(jié)省人工照明帶來(lái)的能源消耗?！瓣?yáng)光谷”就如同一個(gè)“漏斗”，通過(guò)表面巨膜的合理遮擋，可達(dá)到有效的遮光作用?！瓣?yáng)光谷”采用鋼結(jié)構(gòu)，讓自然光傾瀉而下，滿足部分地下空間的采光，體現(xiàn)環(huán)保、節(jié)約辦世博的理念。圖3為世博軸4號(hào)“陽(yáng)光谷”。

圖1 “陽(yáng)光谷”內(nèi)景

圖2 “陽(yáng)光谷”外貌

圖3 世博園4號(hào)陽(yáng)光谷

地下空間環(huán)境的舒適程度是影響地下空間開(kāi)發(fā)利用的重要因素，同時(shí)地下空間開(kāi)發(fā)的高成本及不可逆性要求考慮其開(kāi)發(fā)方式的科學(xué)性及環(huán)保效益，并符合可持續(xù)發(fā)展。陽(yáng)光是綠色能源，一束太陽(yáng)光相當(dāng)于500 W以上電燈的照明亮度，能實(shí)現(xiàn)一次性、低成本投入，方便安裝，免修理零成本使用，產(chǎn)品壽命超過(guò)70 a。人類夢(mèng)寐以求的陽(yáng)光進(jìn)入北面房、地下室的幻想便能變成現(xiàn)實(shí)。因此，陽(yáng)光在地下空間建設(shè)中的應(yīng)用已變的越來(lái)越重要。

(1)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。對(duì)地下建筑的研究表明：建筑中照明的能耗占總能耗的40 %～50 %。同時(shí)，由燈產(chǎn)生的廢熱所引起的制冷負(fù)荷的增加占總能耗的3 %～5 %。合理設(shè)計(jì)和采用晝光照明能節(jié)省照明能耗的50 %～80 %。除了減少照明所需能耗的優(yōu)點(diǎn)外，對(duì)于某個(gè)給定的光照水平而言，天然光單位照度所發(fā)熱量?jī)H為效率最高的人工光源發(fā)熱量的40 %，即如果用天然光代替人工光源照明，可以大大減少空調(diào)制冷負(fù)荷，降低建筑物能耗。

地下室內(nèi)環(huán)境的采用照明往往需要依靠大量人工光源來(lái)彌補(bǔ)照度上的不足，同時(shí)地下環(huán)境的通風(fēng)散熱勢(shì)必又要增加更多的機(jī)械通風(fēng)與制冷能耗。因此，陽(yáng)光導(dǎo)入地下空間將對(duì)節(jié)能具有積極意義。

(2)改善地下空間環(huán)境。天然光線的不足是地下空間環(huán)境的固有弊端，是一項(xiàng)重要的生理環(huán)境與心理環(huán)境影響因素。全波段的自然光對(duì)于人的身體健康是必不可少的。日光的照射能防止佝僂病的發(fā)生，減輕疲勞，提高工作效率，另外陽(yáng)光還有很強(qiáng)的殺菌作用。同時(shí)人們通過(guò)感知自然光的變化而感知整個(gè)自然界變化，以滿足自身的時(shí)間感、定位感、安全感和場(chǎng)所感的需要，一旦這種平衡被打破，人的心理健康就會(huì)受到損害。

地下環(huán)境固有的封閉性，更容易加重不良的生理反應(yīng)與心理反應(yīng)。因此，地下建筑空間形態(tài)設(shè)計(jì)必須加強(qiáng)空間對(duì)天然光和外部自然景象的滲透性。

1.2 本文研究的背景及主要內(nèi)容

2010年上海世博會(huì)園區(qū)建設(shè)的主題是“城市讓生活更美好”。為符合生態(tài)型城市發(fā)展要求，同時(shí)為滿足園區(qū)后續(xù)利用，世博園提出一系列生態(tài)型地下空間建設(shè)技術(shù)體系，其中室內(nèi)環(huán)境控制改善及綠化技術(shù)要求開(kāi)展陽(yáng)光導(dǎo)入系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，是構(gòu)建生態(tài)世博的重要體現(xiàn)要素。

本文的研究即基于此背景，探索陽(yáng)光導(dǎo)入地下空間的基本原理及技術(shù)，同時(shí)結(jié)合上海世博園區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)定位思路及總體布局規(guī)劃，及對(duì)世博園區(qū)地下空間的陽(yáng)光導(dǎo)入方案的分析，希望對(duì)我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究有所啟發(fā)與借鑒。圖4為世博園氣象館采光系統(tǒng)。

圖4 世博園氣象館

2 地下空間陽(yáng)光導(dǎo)入技術(shù)的基本原理

發(fā)達(dá)國(guó)家在自然采光設(shè)計(jì)方面已取得了重要的研究成果。我國(guó)在建筑采光領(lǐng)域中還未充分滲透自然光的理念，相應(yīng)規(guī)范編寫方面也存在較大欠缺。但隨著我國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)的深入，許多大中型城市已開(kāi)始積極探索改善地下空間采光環(huán)境的方案。通過(guò)研究總結(jié)國(guó)外相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，并結(jié)合我國(guó)近些年建設(shè)實(shí)踐，將地下空間陽(yáng)光導(dǎo)入技術(shù)按導(dǎo)入方式分為兩類。

2.1 被動(dòng)式陽(yáng)光導(dǎo)入

被動(dòng)式陽(yáng)光導(dǎo)入，即通過(guò)建筑自身因素，被動(dòng)地接受入射的陽(yáng)光，如通過(guò)建筑物形式、采光口布置、反光結(jié)構(gòu)等將陽(yáng)光引入室內(nèi)空間。建筑物的側(cè)窗就是一種最常見(jiàn)的被動(dòng)式陽(yáng)光采集結(jié)構(gòu)方式。還有頂部天窗采光方式等。

就地下建筑而言，側(cè)向采光原理的應(yīng)用受到限制，自然采光也必須經(jīng)由與地面的連通口自上而下導(dǎo)入陽(yáng)光。地下建筑廣泛采用的自然采光形式如表1所示。

表1 地下空間被動(dòng)式陽(yáng)光導(dǎo)入方式匯總

采用被動(dòng)式陽(yáng)光采集導(dǎo)入系統(tǒng)，技術(shù)較為簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)、可靠，更充分利用自然，符合建筑及地下建筑的發(fā)展方向，值得廣泛采用。典型的例子是法國(guó)盧浮宮廣場(chǎng)。設(shè)計(jì)者在廣場(chǎng)正中和兩側(cè)設(shè)置了3個(gè)大小不等的錐形玻璃天窗，解決地下展館的采光，并形成廣場(chǎng)的標(biāo)志性景觀雕塑(圖5)。目前我國(guó)也出現(xiàn)了利用景觀采光井為居住小區(qū)的地下與半地下車庫(kù)采光的形式，一改地下車庫(kù)往常的陰暗空間感，同時(shí)把地面社區(qū)內(nèi)景觀融合，成為環(huán)境的一部分，給人以愉悅的心理感受(圖6)。

圖5 盧浮宮廣場(chǎng)景觀

圖6 樓盤景觀采光井

2.2 主動(dòng)式陽(yáng)光導(dǎo)入

主動(dòng)式陽(yáng)光導(dǎo)入，即利用電控或光控的陽(yáng)光自動(dòng)追蹤儀器主動(dòng)采集陽(yáng)光，再通過(guò)傳送結(jié)構(gòu)或裝置將陽(yáng)光引入需要照明的地方并分散至整個(gè)房間。

雖然被動(dòng)式陽(yáng)光導(dǎo)入方式有種種優(yōu)點(diǎn)，但要受到地下空間埋置深度和地表現(xiàn)狀的限制。采用主動(dòng)式陽(yáng)光導(dǎo)入系統(tǒng)，則可不受或受到較少的限制條件而實(shí)現(xiàn)采光目的。目前采用的主動(dòng)陽(yáng)光導(dǎo)入系統(tǒng)主要有兩類：(1)為透鏡組多次反射系統(tǒng)，即利用透鏡組與反射鏡的組合實(shí)現(xiàn)陽(yáng)光的采集、匯集、轉(zhuǎn)向、傳輸及發(fā)散的全過(guò)程，原理簡(jiǎn)單，但實(shí)踐中還有一些關(guān)鍵問(wèn)題有待解決。(2)是被稱為“向日葵”的陽(yáng)光導(dǎo)入系統(tǒng)，集成多項(xiàng)先進(jìn)科技研究技術(shù)，保證在任何地點(diǎn)準(zhǔn)確追蹤陽(yáng)光，造價(jià)也相應(yīng)較高。該系統(tǒng)在國(guó)外已有成熟的市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)有自主研發(fā)的該類產(chǎn)品。無(wú)論哪類主動(dòng)采光系統(tǒng)，其原理是一樣的，即三部分，如圖7所示。

圖7 主動(dòng)陽(yáng)光采集裝置基本原理示意

主動(dòng)式陽(yáng)光導(dǎo)入系統(tǒng)利用效率高，可控性好。因此，在高層建筑，無(wú)窗建筑尤其是地下建筑中都適合應(yīng)用，隨技術(shù)的進(jìn)一步成熟和價(jià)格的下降，在將來(lái)必然有更大的發(fā)展。

3 上海世博園區(qū)地下空間陽(yáng)光導(dǎo)入技術(shù)的分析

3.1 世博園地下空間規(guī)劃策略總體布局規(guī)劃

世博園區(qū)地下空間總體規(guī)劃是建設(shè)人工環(huán)境和自然環(huán)境充分協(xié)調(diào)，以人為本，為人的活動(dòng)提供更多的綠地與開(kāi)放空間。同時(shí)充分挖掘土地資源，并依托地下交通設(shè)施和其他城市基礎(chǔ)設(shè)施，考慮園區(qū)后續(xù)利用，形成新型、合理的城市空間結(jié)構(gòu)。

總體規(guī)劃策略主要為以下幾方面：(1)綜合開(kāi)發(fā)，安全使用；(2)結(jié)合換乘，便捷使用；(3)淺層為主，上下協(xié)調(diào)；(4)整體規(guī)劃，動(dòng)態(tài)適度。

浦東園區(qū)地下空間體系根據(jù)總體布局，主要分布在保留建筑、主入口廣場(chǎng)的下部，分為5個(gè)區(qū)域，面積大而連通廣；縱向上按公共場(chǎng)所、停車場(chǎng)庫(kù)、綜合設(shè)備和管廊自上而下布置為3層。

3.2 對(duì)世博園區(qū)地下空間陽(yáng)光導(dǎo)入技術(shù)的分析

根據(jù)世博園地下空間總體規(guī)劃思路，規(guī)劃布局，結(jié)合本文所討論的地下建筑陽(yáng)光導(dǎo)入的技術(shù)及應(yīng)用條件，提出如下建議。

(1)對(duì)于淺層地下空間，即主要的公共場(chǎng)所，如世博會(huì)廣場(chǎng)和地下通道、交通站點(diǎn)、服務(wù)和控制中心，是人流穿行觀賞的主要場(chǎng)所，應(yīng)最大限度地引入陽(yáng)光與自然景觀，同時(shí)淺層地下空間也容易與地面建筑、景觀形式結(jié)合，被動(dòng)導(dǎo)入方式為較好的途徑。

(2)對(duì)于地面不宜開(kāi)設(shè)敞開(kāi)空間或地面條件受限的下部空間，應(yīng)用主動(dòng)陽(yáng)光導(dǎo)入系統(tǒng)。其中，“向日葵”陽(yáng)光導(dǎo)入器，占地面積小，安裝方便，可安裝于屋頂或干道兩側(cè)地面，整套儀器技術(shù)成熟，太陽(yáng)定位跟蹤精確，導(dǎo)光效率高，效果明顯，但造價(jià)也相應(yīng)較高。如果我國(guó)自主研發(fā)該類產(chǎn)品，可作為高科技成果展示做小面積示范安裝。

(3)利用光學(xué)元件匯集，傳導(dǎo)陽(yáng)光。該套系統(tǒng)可安裝在屋頂或地面，玻璃或塑料透明光學(xué)元件也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞?？梢钥紤]將透鏡組采集器與筒狀傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)結(jié)合，管體內(nèi)設(shè)反射鏡，或內(nèi)涂高效反射材料，減少建筑占用面積，直接將陽(yáng)光導(dǎo)入地下室?；蚺c光導(dǎo)纖維結(jié)合使用，用于光路的轉(zhuǎn)向，這種情況下，由于光纖束導(dǎo)光面積小，終端的擴(kuò)散發(fā)射設(shè)備的選擇就變得十分重要。圖8展示了這兩種設(shè)想的簡(jiǎn)單原理示意。

1—光學(xué)元件組集光器；2—管體；3—光導(dǎo)纖維；4—散光器圖8 光學(xué)元件組集光器與管狀結(jié)構(gòu)及光纖結(jié)合示意

(4)對(duì)于深層地下空間，主要用于設(shè)備房、綜合管線和停車場(chǎng)所等，人員活動(dòng)較少，陽(yáng)光導(dǎo)入主要解決節(jié)省人工照明耗費(fèi)。由于深度較大，被動(dòng)導(dǎo)光手段應(yīng)用受限，主要采用主動(dòng)陽(yáng)光導(dǎo)入系統(tǒng)?？梢詫⒅鲃?dòng)系統(tǒng)的采集、傳導(dǎo)與發(fā)散裝置結(jié)合使用，因地制宜。還可以考慮將導(dǎo)入深層地下設(shè)備房的陽(yáng)光應(yīng)用于其他的供能形式，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用一體化。

4 陽(yáng)光導(dǎo)入技術(shù)的發(fā)展前景

目前采集太陽(yáng)光的方式主要有利用鏡面反射搜集陽(yáng)光、利用天窗等，但被最為廣泛運(yùn)用的成熟產(chǎn)品是光纖導(dǎo)入式系統(tǒng)，利用凸鏡聚焦提升陽(yáng)光照度、光纖導(dǎo)入、自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的系統(tǒng)。通過(guò)各種技術(shù)手段，最大限度地滲透自然光線與外部景觀，對(duì)改善地下空間環(huán)境具有極其積極與迫切的現(xiàn)實(shí)意義。上述陽(yáng)光導(dǎo)入技術(shù)多數(shù)是國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的集成，而我國(guó)在自然采光與陽(yáng)光導(dǎo)入的研究方面起步較晚，甚至在地面建筑設(shè)計(jì)中自然采光的理念也沒(méi)有很好地建立起來(lái)，建筑自然采光規(guī)范編寫方面也有很大的欠缺。但可喜的是，許多照明領(lǐng)域的工作者和科研人員已開(kāi)始逐步認(rèn)識(shí)到自然采光的重要性，一些自主研發(fā)的陽(yáng)光導(dǎo)入產(chǎn)品也處在積極的實(shí)踐探索中，并取得了極大的成就。相信在不久的將來(lái)，我國(guó)陽(yáng)光導(dǎo)入技術(shù)的研發(fā)會(huì)取得更大的突破，陽(yáng)光導(dǎo)入技術(shù)會(huì)普遍應(yīng)用于建筑地下空間。

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甘源(1984～)，男，碩士研究生，工程師，從事房屋機(jī)電水暖設(shè)計(jì)的研究。

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[定稿日期]2016-04-29