基于自然采光模擬的建筑平面設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

許浩天，石團(tuán)團(tuán) ，沈念俊

（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230032）

1 概述

自然采光是指通過合理布局建筑內(nèi)部空間及設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)透光部分（門、窗等）比例來讓建筑獲得自然光線的方法。自然采光良好的建筑，可以節(jié)約照明用電，同時保證人居舒適度；不分時間的一律采用人工照明，不僅不節(jié)能，對人的身心健康也會產(chǎn)生不利影響。

在超高層辦公建筑中，往往由于核心筒的存在，建筑平面內(nèi)區(qū)的自然采光不夠理想，為解決此問題，就需要對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過對自然采光的多次模擬分析，研究其采光系數(shù)及采光系數(shù)達(dá)標(biāo)面積的變化，可以有效的使建筑平面往更好的方向進(jìn)化。

本文以合肥市某超高層辦公建筑為例，介紹其標(biāo)準(zhǔn)層平面通過自然采光模擬進(jìn)行優(yōu)化的過程。該建筑總建筑面積123644.93m2，其中，地上建筑面積105738.58m2，地下建筑面積 17906.35m2，地上 32層，核心筒結(jié)構(gòu)。建筑1層為商鋪，層高5.9m；2層以上為辦公，層高4.5m；其中11層和22層為避難層，層高3.7m。建筑總高度143.8m。

2 建筑采光相關(guān)要求

2.1 采光系數(shù)要求

《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033-2013）關(guān)于辦公建筑室內(nèi)采光標(biāo)準(zhǔn)值的基本規(guī)定見表1[1]。

辦公建筑的采光系數(shù)及室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值 表1

光氣候系數(shù)：本建筑所在的合肥市，處于IV級光氣候區(qū)。

光氣候系數(shù)K=1.10

室外天然光設(shè)計(jì)照度值Es=13500.0lx

光氣候系數(shù)K值 表2

由上述可以得出，本建筑的采光系數(shù)要求如表3。

辦公建筑側(cè)面及頂部采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值 表3

2.2 綠色建筑對采光的要求

《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2014）中對建筑采光的相關(guān)要求有以下幾點(diǎn)[2]。

“8.2.5 建筑主要功能房間具有良好的戶外視野，評價(jià)分值為3分。對居住建筑，其與相鄰建筑的直接間距超過18m；對公共建筑，其主要功能房間能通過外窗看到室外自然景觀，無明顯視線干擾?！?/p>

“8.2.6 主要功能房間的采光系數(shù)滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033）的要求，評價(jià)總分值為8分，并按下列規(guī)則評分。

①居住建筑：臥室、起居室的窗地面積比達(dá)到1/6，得 6分；達(dá)到1/5，得 8分。

②公共建筑：根據(jù)主要功能房間采光系數(shù)滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033）要求的面積比例，按表8.2.6的規(guī)則評分，最高得8分。”

公共建筑主要功能房間采光評分規(guī)則 表4

“8.2.7 改善建筑室內(nèi)天然采光效果，評價(jià)總分值為14分，并按下列規(guī)則分別評分并累計(jì)。

①主要功能房間有合理的控制眩光措施，得6分；

②內(nèi)區(qū)采光系數(shù)滿足采光要求的面積比例達(dá)到60%，得4分；

③根據(jù)地下空間平均采光系數(shù)不小于0.5%的面積與首層地下室面積的比例，按表8.2.7的規(guī)則評分，最高得4分?！?/p>

地下空間采光評分規(guī)則 表5

3 建筑模型的建立

3.1 基本信息

城市：合肥（北緯 31.8。

7,東經(jīng) 117.23。）

光氣候區(qū)：IV區(qū)

建筑分類：公共建筑（辦公）

建筑周邊遮擋：無

朝向：南向

體形系數(shù)：0.09

建筑面積（地上）：105738.58m2

建筑層數(shù)：32

建筑物高度：143.80m

3.2 原理概要

依據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033-2013），采光系數(shù)一般針對全陰天模型進(jìn)行計(jì)算，全陰天就是天空完全由云層遮蔽的狀態(tài)，這時的室外天然光全部視作天空擴(kuò)散光，因此天空亮度的分布就會較為穩(wěn)定，天頂亮度大約是地平線亮度的3倍。

在建筑室內(nèi)，參考平面上的點(diǎn)，其采光系數(shù)可按以下公式計(jì)算。

全樓外窗（含透光幕墻）、外墻面積表 表6

圖1 建筑軸測圖模型

式中：

En——全陰天模型下的建筑室內(nèi)某點(diǎn)由天空漫射光產(chǎn)生的照度值（lx）；

Ew——全陰天模型下與室內(nèi)某點(diǎn)照度同地點(diǎn)、同時間，在無遮擋的室外水平面上由天空漫射光產(chǎn)生的室外照度值（lx）。

3.3 分析軟件

使用軟件：PKPM自然采光模擬軟件。

計(jì)算采光系數(shù)時，此軟件使用的是逐點(diǎn)照度模擬計(jì)算法。通過對工程模型各房間距地750mm高度處的平面按給定精度劃分為網(wǎng)格，并輸入室內(nèi)材料、周邊遮擋等對采光產(chǎn)生影響的參數(shù)，調(diào)用軟件內(nèi)部嵌入的美國Radiance計(jì)算內(nèi)核，使用蒙特卡洛算法優(yōu)化的反向光線追蹤算法，對每個網(wǎng)格取一點(diǎn)進(jìn)行迭代照度計(jì)算。將計(jì)算出的室內(nèi)照度值En與室外照度值Ew的比值（百分比）作為該點(diǎn)的采光系數(shù)計(jì)算值。

3.4 參數(shù)設(shè)置

天空狀態(tài)：全陰天

模擬依據(jù)：《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50033-2013）

《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2014）

網(wǎng)格與墻體間距為：200mm

模擬空間網(wǎng)格間距為：540mm

本工程劃分網(wǎng)格數(shù)為：13618個

模擬范圍：標(biāo)準(zhǔn)層（位于建筑2層）

室內(nèi)材料：參考《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施節(jié)能專篇-建筑》表6.3.1的不同材料構(gòu)造的光學(xué)性能參數(shù)參考值[3]及《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033-2013）中表5.0.4和附錄D進(jìn)行賦值計(jì)算分析。建筑的采光也取決于材料顏色、材質(zhì)及表面狀況，其決定了光的反射、投射以及吸收性能，模擬時依據(jù)工程的實(shí)際使用材料進(jìn)行選值。

4 模擬及優(yōu)化過程

4.1 第一版平面圖模擬分析

建筑第一版平面圖在內(nèi)區(qū)設(shè)置了較多辦公房間，內(nèi)部兩個中庭面積過小且形狀狹窄，電梯間布置在建筑中間位置，室內(nèi)采光效果極差，尤其是內(nèi)區(qū)辦公房間。

圖2 第一版標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖3 第一版標(biāo)準(zhǔn)層采光系數(shù)分布圖（2層）

上述采光模擬結(jié)果可見，建筑2層采光系數(shù)達(dá)標(biāo)面積比例僅16.5%；中庭至接近底層時，采光效果較差，中庭部分采光系數(shù)基本在1.5%以下，且電梯兩側(cè)的內(nèi)區(qū)辦公房間基本沒有自然光射入，采光效果極差。

4.2 第二版平面圖模擬分析

因上述第一版標(biāo)準(zhǔn)層平面采光模擬結(jié)果不佳，故對其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，取消了全部內(nèi)區(qū)辦公房間設(shè)置，擴(kuò)大了中庭面積，由此希望能夠改善內(nèi)區(qū)采光，并再次進(jìn)行模擬分析。

第一版標(biāo)準(zhǔn)層采光系數(shù)達(dá)標(biāo)面積比例匯總 表7

圖4 第二版標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖5 第二版標(biāo)準(zhǔn)層采光系數(shù)分布圖（2層）

第二版標(biāo)準(zhǔn)層采光系數(shù)達(dá)標(biāo)面積比例匯總 表8

上述采光模擬結(jié)果可見，建筑2層采光系數(shù)達(dá)標(biāo)面積比例為19.6%，較第一版標(biāo)準(zhǔn)層平面有所提升，但整體達(dá)標(biāo)面積比例依然偏低。

4.3 第三版（最終版）平面圖模擬分析

第二版標(biāo)準(zhǔn)層平面采光模擬結(jié)果仍然不佳，再次對其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，中庭優(yōu)化為一個，布置于建筑中間位置，使其形狀不再狹窄，且走廊靠近中庭部分設(shè)置外窗，增加走廊自然采光效果，同時，將電梯分散到中庭四角，也可以起到縮短行走流線的作用。

圖6 第三版標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

進(jìn)一步優(yōu)化平面至第三版后，根據(jù)模擬結(jié)果，建筑2層采光系數(shù)達(dá)標(biāo)面積比例達(dá)到了46.62%，此數(shù)值較第一版標(biāo)準(zhǔn)層平面提升了1.83倍，采光效果改善明顯；且建筑2層中庭的采光系數(shù)提升至3%左右，采光效果亦較好。故采用此版標(biāo)準(zhǔn)層平面作為最終版設(shè)計(jì)并建設(shè)實(shí)施。

5 結(jié)論

通過對合肥市某超高層辦公樓的標(biāo)準(zhǔn)層平面的自然采光模擬及兩次修改優(yōu)化，該建筑2層采光系數(shù)達(dá)標(biāo)面積比例由第一版標(biāo)準(zhǔn)層的16.5%提升至最終版標(biāo)準(zhǔn)層的46.62%，提升幅度達(dá)1.83倍。由此可見，自然采光模擬對超高層辦公建筑的平面圖設(shè)計(jì)具有十分重要的作用，既是保證其人工環(huán)境舒適度的前提，也是其設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行針對性優(yōu)化的有力手段。

圖7 第三版標(biāo)準(zhǔn)層采光系數(shù)分布圖（2層）

第三版標(biāo)準(zhǔn)層采光系數(shù)達(dá)標(biāo)面積比例匯總 表9