夏熱冬暖地區(qū)地下空間采光現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)策略分析

郭娟利 巫戀戀 何捷 許蓁 馬金格 / GUO Juanli, WU Lianlian, HE Jie, XU Zhen, MA Jinge

1 研究背景

隨著土地資源的日益稀缺，越來越多的城市開始致力于開發(fā)地下空間資源。地下空間的開發(fā)多采用地鐵站點(diǎn)拓展、老城連通完善和新城成片開發(fā)等模式，集商業(yè)、交通、休閑等多功能于一體且使用效率較高，是城市活力空間的重要延伸（李婧 等，2014）。

深圳地區(qū)以地下軌道交通為依托的商業(yè)和文化場(chǎng)所十分豐富，包括以華強(qiáng)北、連城新天地及豐盛町等為代表的地下商業(yè)步行街，以世界之窗、大劇院及市民中心等地鐵換乘站點(diǎn)為紐帶的小型步行街。2018年6月，深圳市規(guī)劃和國土資源委員會(huì)對(duì)《深圳市地下空間開發(fā)利用暫行辦法》進(jìn)行了修訂意見征集，旨在完善和加強(qiáng)對(duì)地下空間的開發(fā)利用。

地下空間在空間形態(tài)、采光與通風(fēng)等方面存在一定的局限性。在夏熱冬暖地區(qū)，地下中庭作為一種重要的被動(dòng)式設(shè)計(jì)手段，使得地下空間實(shí)現(xiàn)自然采光與通風(fēng)成為可能，從而提升人在地下空間的舒適度，同時(shí)對(duì)地下空間的環(huán)境塑造有著非常重要的影響。中庭作為地下空間與地上空間連接的重要載體，是地下空間微環(huán)境調(diào)節(jié)的“緩沖器”。對(duì)深圳地區(qū)地下空間的中庭形式調(diào)研發(fā)現(xiàn)，夏熱冬暖地區(qū)的氣候環(huán)境使得地下中庭具有特殊的形式和空間特征（圖1、表1）。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，無論是大跨度中庭上方的大型采光頂，還是結(jié)合進(jìn)出口的小型采光井，地下中庭采光形式以雙坡型采光天窗居多，易于解決排水問題。但深圳地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度高，普通的雙坡型采光天窗如果沒有良好的遮陽措施，容易造成下部空間的光污染和室內(nèi)過熱問題，部分局部空間下部采用紗幔等措施進(jìn)行遮陽。因此，采光和遮陽措施需要結(jié)合氣候和空間需求特征進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，地下空間光環(huán)境的營造與空間互動(dòng)、眩光和中庭過熱都是地下空間采光中庭設(shè)計(jì)中迫切需要解決的問題。本文結(jié)合夏熱冬暖地區(qū)的氣候特征，根據(jù)不同空間業(yè)態(tài)的不同需求，提出該地區(qū)不同類型地下空間的中庭采光設(shè)計(jì)策略。

2 采光需求與調(diào)研分析

受平面尺度、剖面形態(tài)和材質(zhì)肌理的綜合影響，地下中庭空間不同的采光形式直接影響其照度和照明能耗的高低（嚴(yán)永紅，1999），不同的業(yè)態(tài)對(duì)采光的需求有很大差異，中庭空間還會(huì)帶來大量的熱交換。因此，光環(huán)境與熱環(huán)境的綜合設(shè)計(jì)策略對(duì)中庭設(shè)計(jì)具有重要意義（Moosavi et al.，2014）。

圖1 地下空間中庭形式

2.1 采光需求

地下空間除了滿足人們?nèi)粘Ｙ徫铩⑿蓍e及娛樂需求外，還具有重要的商業(yè)、文化和旅游意義，它既可以作為地上建筑的空間延伸，也能夠發(fā)展成獨(dú)立的主題街區(qū)，是未來商業(yè)綜合體發(fā)展的一種新形式。雖然中庭頂部可以引入一定的熱量，該熱量能夠增強(qiáng)浮力并促進(jìn)自然通風(fēng)，但不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)容易導(dǎo)致室內(nèi)過熱、眩光等（Wang et al.，2014）。本文針對(duì)地下空間中不同業(yè)態(tài)的采光需求進(jìn)行了對(duì)比分析（表2）。

2.2 現(xiàn)狀調(diào)研

本文對(duì)深圳地區(qū)華強(qiáng)北站、福田站、皇崗口岸站等十幾個(gè)地鐵站及其對(duì)應(yīng)地下商業(yè)空間的采光中庭進(jìn)行調(diào)研，分別從地下空間光環(huán)境、采光形式與地上景觀的統(tǒng)一性、采光與通風(fēng)結(jié)合3個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.2.1 光環(huán)境

調(diào)研采用訪談方式，以工作人員及顧客為目標(biāo)群體，進(jìn)行地下中庭采光空間光環(huán)境舒適度的評(píng)價(jià)調(diào)研。訪談主要圍繞以下幾個(gè)問題展開：天窗下部的光照是否過強(qiáng)？是否有眩光？是否存在過熱情況？有效調(diào)研人數(shù)為65人，調(diào)研結(jié)果顯示大部分受訪者認(rèn)為午后中庭局部過亮，存在眩光的問題（圖2）。

2.2.2 采光口形式與地上景觀統(tǒng)一性

地下采光口延伸到地面上，通常與廣場(chǎng)、景觀帶相結(jié)合。因此，采光口形式與地上景觀的協(xié)調(diào)性至關(guān)重要。通過對(duì)深圳地區(qū)采光天窗形式的調(diào)研可以看出，采光口與周邊的設(shè)施、景觀植被的協(xié)調(diào)性較差（圖3）。

2.2.3 采光與通風(fēng)結(jié)合

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中庭天窗普遍存在設(shè)備維護(hù)不當(dāng)、內(nèi)部積灰甚至漏水等問題。同時(shí)，地下餐飲等空間又是產(chǎn)熱、產(chǎn)生污濁氣體的源頭，采光和通風(fēng)處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致地下空間毫無生氣、空間舒適感差（圖4）。

3 采光中庭形態(tài)設(shè)計(jì)

采光中庭的形態(tài)設(shè)計(jì)對(duì)室內(nèi)空間形態(tài)、采光及通風(fēng)影響較大，在夏熱冬暖地區(qū)，一味追求大面積采光會(huì)對(duì)空間下部的舒適度帶來負(fù)面影響（鄭林濤 等，2015），在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)結(jié)合不同的功能需求提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)策略。

本文通過對(duì)盧浮宮、金貝爾藝術(shù)博物館、天津?yàn)I海圖書館不同的中庭形式和特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定不同的采光設(shè)計(jì)策略（表3）。

3.1 設(shè)計(jì)策略

中庭頂部的透光性、幾何比例、墻壁的反射、窗戶位置及尺寸是影響中庭采光效果的四大因素（楊倩苗 等，2007）；采光中庭的引入必然會(huì)引起地下空間單位面積建筑能耗的增加，不同的節(jié)能目標(biāo)對(duì)應(yīng)的空間需求也多有矛盾和沖突（侯寰宇 等，2016）。除了考慮以上設(shè)計(jì)原則以外，應(yīng)針對(duì)夏熱冬暖地區(qū)的氣候特征，提出相應(yīng)的節(jié)能設(shè)計(jì)手段（表4）。

表1 深圳市地下空間中庭采光調(diào)研

表2 不同業(yè)態(tài)的采光需求分析

表3 典型中庭設(shè)計(jì)形式

圖2 天窗下部空間眩光

圖3 天窗與地面景觀

3.2 深圳市崗廈北地下空間天窗設(shè)計(jì)研究

深圳崗廈北交通樞紐位于深南大道與彩田路交叉口，處于深圳市東西、南北發(fā)展軸的交匯點(diǎn)，為一座規(guī)劃中的綜合性交通樞紐。該項(xiàng)目共地下3層，中間部分是換乘大廳，東、西和南側(cè)為地下商業(yè)街，東側(cè)直接連接福田商業(yè)區(qū)，地下二層和三層為地鐵月臺(tái)；從地下空間的定位來看，主要包括商業(yè)展示空間、餐飲空間和交通空間等業(yè)態(tài)。

3.2.1 商業(yè)展示空間

該空間通過幾塊形狀不規(guī)則的建筑體量對(duì)空間進(jìn)行劃分，由于存在架空走廊，從而形成了很多通高空間，天窗起著引導(dǎo)垂直方向視線的作用，豐富了空間形態(tài)，促進(jìn)了不同高度的人們的視線交流（圖5）。

圖4 天窗底部漏水

表4 夏熱冬暖地區(qū)采光中庭節(jié)能設(shè)計(jì)措施

該地下空間進(jìn)深25m，為了提高進(jìn)光量，達(dá)到更好的采光效果，天窗內(nèi)壁上沿等高線設(shè)置若干層不同尺寸和形狀的擋板，擋板表面采用色彩明亮、反射率高的白色乳膠漆（反射率ρ=0.75，粗糙度r=0.03），頂部的透明界面采用Low-E玻璃（透光率T=0.70），地面設(shè)置為深色地磚（反射率ρ=0.4，粗糙度r=0.02）（圖6）。外部陽光需要先經(jīng)過擋板的層層反射和過濾，進(jìn)入下部空間時(shí)光線會(huì)變得較為柔和、均勻，同時(shí)該形態(tài)起到視覺聚焦的作用，可以吸引人群在其下部停留，促進(jìn)不同高度行人的視線交流。在吊頂界面上設(shè)置延續(xù)側(cè)壁肌理的燈具，地面上擺放環(huán)形站臺(tái)或座椅，在空間上與上部形態(tài)相呼應(yīng)。由此得出，天窗底部的光線分布較均勻，夏至日晴天照度和冬至日陰天照度分別達(dá)到了310.2lux和209.4lux（圖7），能夠達(dá)到采光規(guī)范中IV級(jí)的要求（室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值不低于150lux）。因此，采用不同材質(zhì)的擋板提高反射率，可以有效地增加大進(jìn)深天井內(nèi)部的采光照度。

圖5 商展空間示意

圖6 商業(yè)展示空間采光中庭設(shè)計(jì)形式

3.2.2 餐飲空間

圖7 商業(yè)展示空間采光模擬

圖8 餐飲空間示意

東部商業(yè)街?jǐn)?shù)個(gè)天窗的下部為餐飲和交往空間，人們會(huì)在此長(zhǎng)時(shí)間停留，是相互連通的大型空間（圖8）。對(duì)于餐飲空間而言，應(yīng)當(dāng)選擇柔和的采光形式，避免下部過熱，可通過采光庭與地面的交互對(duì)空間進(jìn)行有效分隔。天窗整體為從上至下規(guī)律延伸的形式，具有一定的空間圍合感，橫向板材對(duì)直射陽光進(jìn)行多重反射，提升下部空間的光環(huán)境舒適度，其排布密集程度決定了圍合空間的通透性，由最下部的較為開放逐漸過渡到上部的較為封閉。通過橫向板材的韻律性排布方式（圖9），頂部突出部分映襯的天窗形態(tài)具有良好的視覺效果，板材的材料選取淺色涂料（反射率ρ=0.80，粗糙度r=0.03），頂部的透明界面采用Low-E玻璃（透光率T=0.70），地面設(shè)置為深色地磚（反射率ρ=0.4，粗糙度r=0.02）。

圖9 餐飲空間中庭設(shè)計(jì)

圖10 餐飲空間采光模擬

圖11 交通空間示意

圖12 交通空間中庭設(shè)計(jì)

圖13 交通空間采光模擬

該天窗的采光效果較好，夏至日晴天照度以及冬至日陰天照度分別達(dá)到410.5lux和289.1lux（圖10），滿足采光規(guī)范中IV級(jí)的要求（室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值不低于150lux），橫向擋板能夠使入射光線更加均勻，滿足采光均勻性的要求。

3.2.3 交通空間

交通空間處于樞紐的中心位置，人們?cè)诖丝臻g停留的時(shí)間較短，采光中庭的設(shè)計(jì)形式如圖11所示，通過一條直線上的5個(gè)天窗產(chǎn)生韻律感和節(jié)奏感，通過提高亮度和使用醒目的天窗造型等措施來實(shí)現(xiàn)更好的引導(dǎo)作用，利用空間形態(tài)和采光特性加強(qiáng)對(duì)人們的引導(dǎo)和疏散，盡量減少視覺干擾。1#、5#天窗下方是來往不同站臺(tái)的扶梯，2#、4#天窗下方是站臺(tái)的走廊部分，3#天窗作為整個(gè)車站的中心，其下方為貫通3層的吹拔空間（圖11）。由于交通空間人流密集，人們?cè)诓叫兄幸酌允Х较?，在?guī)模較大、功能復(fù)雜的地下空間尤其要注意交通流線的組織，必要的時(shí)候還應(yīng)該設(shè)置指示牌等來加強(qiáng)地下空間的導(dǎo)向性（洪辰玥，2018）。

以交通空間二層為采光模擬位置，從模擬結(jié)果可以看出（表7），凸型天窗的下部采光系不能完全滿足要求，左右兩個(gè)較小天窗的采光系數(shù)為2.1%和2.3%；凹型天窗的采光效果更好，較不利采光天窗的采光系數(shù)也分別達(dá)到了3.3%和3.1%，滿足III級(jí)的采光標(biāo)準(zhǔn)要求（室內(nèi)采光系數(shù)不低于3%）（圖12、13）。

4 結(jié)語

夏熱冬暖地區(qū)地下中庭采光的設(shè)計(jì)需結(jié)合不同業(yè)態(tài)空間對(duì)光環(huán)境、熱環(huán)境進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，并將天窗的延伸部分與地上景觀相融合，利用計(jì)算機(jī)模擬手段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)估，從而改善地下中庭空間的舒適度，節(jié)約人工照明能耗。