基于ECOTECT采光模擬計(jì)算的單層高大空間廠房側(cè)墻開窗方式照度比較試驗(yàn)

劉黎濤，王 杰，陳 珊，魏 萍，王健琪

(北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028)

引言

某科研試驗(yàn)片區(qū)要新建大量單層高大空間(內(nèi)部空間高度往往大于9 m，寬度往往大于12 m)的試驗(yàn)用廠房。由于廠房這一類建筑平面布局、結(jié)構(gòu)方式、空間體量往往簡(jiǎn)單，因此立面成了設(shè)計(jì)關(guān)注的要點(diǎn)之一，如圖1所示。

圖1 高大空間廠房?jī)?nèi)部照片F(xiàn)ig.1 Internal photo of large space single-story factory

而對(duì)于單層高大空間的廠房立面來(lái)說(shuō)，側(cè)墻的立面在高度方向上能夠開設(shè)2～3排甚至更多的常規(guī)尺寸的窗，高度上的排列組合方式非常多樣。再加上長(zhǎng)度方向上的排列組合及窗形的變化，立面開窗的變化種類則更多。依據(jù)何種因素判斷各種開窗方式的優(yōu)劣成為擺在設(shè)計(jì)者面前的問(wèn)題。

面對(duì)此問(wèn)題，以往更多的是考慮比例、韻律等視覺(jué)因素，靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和審美來(lái)確定開窗方式，而對(duì)于開窗所直接影響到的廠房?jī)?nèi)部光環(huán)境則考慮較少(圖2)。人機(jī)工程學(xué)研究表明在作業(yè)過(guò)程中，視覺(jué)的應(yīng)用最為重要和普遍，大約 80% 以上的信息由視覺(jué)得到，因此科學(xué)合理的照明環(huán)境可以提高工效[1]。對(duì)于進(jìn)行科研試驗(yàn)、生產(chǎn)操作的廠房來(lái)說(shuō)也不例外。

圖2 以往靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的廠房立面Fig.2 The elevations of large space single-story factories designed by experience

毋庸質(zhì)疑，對(duì)于室內(nèi)光環(huán)境的設(shè)計(jì)應(yīng)該充分利用自然采光。因?yàn)椴捎米匀还膺M(jìn)行室內(nèi)照明，更有利于健康光環(huán)境的構(gòu)造和節(jié)能減排，就照明而言，自然光是一種良好的綠色能源[2]。而為保障室內(nèi)良好的光環(huán)境，首先要滿足基本的照度及照度均勻度。因此，在自然采光條件下，從獲得較好的照度及照度均勻度方面，如何設(shè)計(jì)廠房側(cè)墻的開窗方式成為本文思考的問(wèn)題。

我們查閱了相關(guān)研究成果，對(duì)于廠房的側(cè)窗采光問(wèn)題，比較重要的是周凱的《重慶地區(qū)電子工廠總裝車間側(cè)窗天然采光研究》[3]和王福義的《多層廠房天然采光設(shè)計(jì)探討》[4]。但他們都是針對(duì)多層或室內(nèi)高度不算太高的單層廠房的側(cè)窗采光進(jìn)行的研究，基本上側(cè)墻只能開設(shè)單排窗戶。其研究成果不能直接應(yīng)用于側(cè)墻能開設(shè)多排窗的單層高大空間廠房。因此需要進(jìn)一步的研究，而選擇怎樣的研究方法和工具是首先要解決的問(wèn)題。

1 研究工具的選擇

首先想到的最簡(jiǎn)單直接的方法就是利用照度測(cè)量?jī)x器對(duì)已經(jīng)建成的不同開窗方式的廠房?jī)?nèi)部照度進(jìn)行實(shí)測(cè)，統(tǒng)計(jì)、分析測(cè)量結(jié)果。但這種方法存在以下問(wèn)題。

1)不同廠房的高度、窗墻比不一樣。室外光環(huán)境也是每時(shí)每刻都在變化。變量太多，比較的結(jié)果很難有說(shuō)服力。

2)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)將會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間成本。

因此，有沒(méi)有一種方法能夠模擬采光、進(jìn)行照度的分析比較呢？其實(shí)，當(dāng)前的建筑采光設(shè)計(jì)中已經(jīng)廣泛地使用天然采光計(jì)算軟件對(duì)室內(nèi)環(huán)境的天然采光狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)[5]。Ecotect 軟件就是其中之一。

Ecotect Analysis 是一款建筑物理模擬工具，其分析范圍很廣。Ecotect 中包含了熱環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、日照、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境影響、可視度六類分析功能。這些分析對(duì)于造型、空間劃分、立面和環(huán)境關(guān)系等關(guān)鍵影響因素都具有相當(dāng)?shù)臎Q定作用[6]。我們就嘗試?yán)眠@款軟件比較不同側(cè)墻開窗方式的照度優(yōu)劣。

2 比較內(nèi)容的聚焦

側(cè)墻開窗方式對(duì)廠房?jī)?nèi)部光環(huán)境的諸多指標(biāo)都會(huì)產(chǎn)生影響，如照度、照度均勻度、有無(wú)眩光等。同時(shí)比較多個(gè)指標(biāo)變量較多、較為復(fù)雜。為使研究的問(wèn)題能夠聚焦，僅比較一個(gè)指標(biāo)：照度的大小，即不同開窗方式條件下的照度大小比較。同時(shí)，從生成的照度圖中也能直觀的看出照度均勻度的優(yōu)劣。

另外，在其他各個(gè)因素相同的情況下，結(jié)果才具有可比性，為此要加入許多限定條件。如：相同的光照條件(只考慮自然采光、不考慮人工光)、相同的空間尺度、相同的玻璃透光率、相同的室內(nèi)各面材料。因此，需要確定一個(gè)研究對(duì)象。

3 研究對(duì)象的選擇

3.1 現(xiàn)有廠房的尺度總結(jié)

主要研究廠房側(cè)立面(長(zhǎng)度方向)開窗位置、開窗形式及排列組合方式對(duì)內(nèi)部照度的影響。因此，要限定所研究高大空間的尺度不變。而前文提到的某科研試驗(yàn)片區(qū)中不同廠房?jī)?nèi)的高大空間尺度多種多樣，究竟選擇哪種尺度的空間作為研究對(duì)象是首先要解決的問(wèn)題。此對(duì)象應(yīng)該能夠概括片區(qū)內(nèi)廠房的特點(diǎn)，具有典型性。研究對(duì)象的確定是通過(guò)分析已建成和已完成施工圖的廠房高大空間的尺度確定的。

利用該科研試驗(yàn)片區(qū)所有廠房的施工圖，統(tǒng)計(jì)了廠房?jī)?nèi)高大空間的尺度：寬度、長(zhǎng)度、高度(桁架下弦高度)(表1)。廠房一般為排架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度及寬度方向的柱距一般均為6 m，這種柱距最有典型性。而高度是根據(jù)吊高確定的。廠房?jī)?nèi)的工作內(nèi)容不同，高度亦不同。但側(cè)墻開窗一般在桁架下弦以下，所以將高大空間的高度定義為桁架下弦高度。對(duì)這三個(gè)尺寸取平均數(shù)得：寬度約為 23.67 m，長(zhǎng)度約為 54.75 m，高度約為 12.10 m。所以平均尺度大致為 24 m×54 m×12 米。寬度和長(zhǎng)度剛好為6 m的倍數(shù)。

表1 某科研試驗(yàn)片區(qū)廠房?jī)?nèi)高大空間尺寸統(tǒng)計(jì)表

3.2 研究對(duì)象的確定

通過(guò)以上統(tǒng)計(jì)分析，將研究對(duì)象定義成尺度為24 m×54 m×12 m的空間。這種尺度的空間是片區(qū)內(nèi)所有廠房?jī)?nèi)高大空間尺度的平均尺度。其尺度向大、小兩個(gè)方向均能發(fā)展，具有一定的典型性。我們將其定義為原型空間， 代號(hào)為：P-S(protype space)(圖3)。

圖3 原型空間(P-S)尺寸圖Fig.3 Dimensional drawing of protype space

4 現(xiàn)有廠房高大空間側(cè)墻開窗方式照度比較

4.1 現(xiàn)有廠房的立面開窗方式總結(jié)

我們統(tǒng)計(jì)了片區(qū)內(nèi)所有廠房高大空間長(zhǎng)方向立面開窗方式，并將其合入原型空間(P-S)的長(zhǎng)方向立面(54 m×12 m)的尺寸當(dāng)中。由于片區(qū)內(nèi)廠房均為排架結(jié)構(gòu)，外墻均為填充墻。為保證墻體的穩(wěn)定性，填充墻砌筑到一定高度(約為 4 m高)要設(shè)置沿墻全長(zhǎng)貫通的鋼筋混凝土水平系梁與框架柱(剪力墻)連接，水平系梁寬度一般同墻厚。4 m的高度要求正好將現(xiàn)有的立面高度劃分成三段。

因此，可以將立面劃分為“上、中、下”三段對(duì)現(xiàn)有的開窗方式進(jìn)行歸類。筆者將其分別定義為上區(qū)、中區(qū)和下區(qū)。開窗大致都在這三個(gè)分區(qū)分布(圖4)。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)以往設(shè)計(jì)的立面開窗方式大致可歸結(jié)為以下三種類型(圖5)，將其定義為類型 E1、E2、E3(E=elevation)。每種類型的開窗方式特點(diǎn)如下。

E1：每一個(gè)6 m的柱距內(nèi)開窗方式都相同，上、中、下三個(gè)區(qū)均有開窗。呈現(xiàn)出 A、A、A、A的韻律。

E2：相鄰兩個(gè)6 m柱距開窗方式不同，間隔的相同。上、下兩區(qū)有開窗，中區(qū)為實(shí)墻。呈現(xiàn)出 A、B、A、B……的韻律。

E3：每一個(gè) 6 m的柱距內(nèi)開窗方式都相同，上、下兩個(gè)區(qū)有開窗，中區(qū)為實(shí)墻。呈現(xiàn)出 A、A、A、A的韻律。

圖4 原型空間立面開窗分區(qū)Fig.4 Partition map of window opening of protype space’s elevation

圖5 以往設(shè)計(jì)的立面歸納的三種類型開窗方式Fig.5 Three types of window opening manners induced by the elevations designed before

4.2 現(xiàn)有典型立面E1、E2 室內(nèi)照度比較

4.2.1 比較原因及限定條件

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)可以判定，類型 E1 開窗數(shù)量多于 E3 且在中區(qū)也有開窗，其室內(nèi)照度一定優(yōu)于 E3。類型 E2 雖然中區(qū)沒(méi)有開窗，但其下區(qū)開窗很大，且窗墻比為1∶6.39>1∶7.03(E1窗墻比)。從經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，E1似乎仍優(yōu)于 E2，因?yàn)?E1 在橫豎兩個(gè)方向上開窗都較為均勻。但究竟孰優(yōu)孰劣還需要模擬判定。因此只需要比較E1和E2的照度情況。

我們主要比較同一平面位置的照度大小。同一平面位置的照度越大，說(shuō)明采光系數(shù)越高，光線向室內(nèi)投射的越遠(yuǎn)。為了便于比較，選取原型空間在進(jìn)深方向的四條線的位置：6 m、12 m、18 m、24 m上的照度并取平均值進(jìn)行比較。并重點(diǎn)比較進(jìn)深的中心線 12米處的平均照度值。因?yàn)榭紤]到本次試驗(yàn)僅僅是一側(cè)外墻開窗，而有些廠房是兩側(cè)均開窗，兩側(cè)開窗情況下，中部照度值是內(nèi)部最低的。比較中部照度值的優(yōu)劣能夠間接比較兩側(cè)開窗的情況下廠房?jī)?nèi)部的整體照度優(yōu)劣。

4.2.2 參數(shù)選擇

根據(jù)GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，片區(qū)所屬地區(qū)四川某地為“光氣候分區(qū)”的 V 類地區(qū)[7]。室外天然光設(shè)計(jì)照度(室內(nèi)全部利用天然光時(shí)的室外天然光最低照度)值為 12 000 lx。

根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，工業(yè)建筑側(cè)窗采光標(biāo)準(zhǔn)值在不同采光等級(jí)情況下不同。片區(qū)的廠房主要是科研試驗(yàn)用，暫且按照 IV 等級(jí)：側(cè)面采光室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值為 300 lx,采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為2%。乘以光氣候系數(shù)K=1.2后為 2.4%。

另外采光模擬需要選擇天空分布模型。根據(jù)對(duì)不同光氣候中實(shí)際天空分布的研究，國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)使用不同的數(shù)學(xué)算法定義了一系列標(biāo)準(zhǔn)天空分布模型：晴天模型、全陰天模型、多云天模型、均勻模型。Ecotect 采用的是 CIE 全陰天模型，也就是說(shuō)考慮的是最不利的采光條件[6]。

另外，根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，工業(yè)建筑參考平面取距地面 1 m。

4.2.3 E1 與 E2 比較

利用 Ecotect 軟件建立了 E1 和 E2 的簡(jiǎn)易模型進(jìn)行了室內(nèi)照度計(jì)算。由圖6可以看到，計(jì)算結(jié)果是使用網(wǎng)格來(lái)顯示的，根據(jù)需要，網(wǎng)格大小可以調(diào)整。網(wǎng)格中的顏色表示的是參考平面上照度的數(shù)值。分析圖6、圖7可以得出以下結(jié)論。

1)照度均勻度方面：E1 要明顯優(yōu)于 E2。原因是 E1 的開窗在立面上是均為分布，而 E2 則不均勻。

2)同一進(jìn)深的照度值方面：E2 要明顯優(yōu)于 E1。這與經(jīng)驗(yàn)判定不一樣。E2 雖然在中區(qū)沒(méi)有開窗，但其在進(jìn)深中心線 12 m處的照度平均值 823.2534 lx明顯高于 E1 的 756.634 lx。這是因?yàn)?E2 的窗地比為1∶6.39大于E1窗地比：1∶7.03。由圖7可見，即便是開窗分布不均勻，但有足夠大的窗地比，也能顯著地提高室內(nèi)平均照度值。

圖6 E1、E2 自然采光照度網(wǎng)格計(jì)算圖Fig.6 Grid graph of natural lighting illumination of E1 and E2

圖7 E1、E2相同進(jìn)深處照度平均值比較Fig.7 Comparison of average illuminance at same depth of E1 and E2

5 側(cè)墻新開窗方式比較試驗(yàn)

5.1 比較原因及限定條件

經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)我們可以看到，雖然 E2 的自然采光較好，但 E2 的開窗方式也存在以下問(wèn)題：首先，E2 的開窗在立面的橫豎兩個(gè)方向上分布并不均勻。從照度網(wǎng)格圖上可以明顯地看出靠窗區(qū)域的照度均勻度很差。其次，E2 在中區(qū)沒(méi)有開窗，是否會(huì)影響進(jìn)深方向的照度不得而知。另外，我們都知道常規(guī)高度的空間在開一排側(cè)窗的前提下，橫向、豎向形式的窗在采光方面各有其優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于高大空間，側(cè)墻在豎直方向能開設(shè)2～3排甚至更多窗的條件下， 窗形及窗的組織方式對(duì)照度的影響又是怎樣的呢？因此，我們嘗試在 E1、E2 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步試驗(yàn)。

為了便于比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)在如下限定條件下進(jìn)行：

1)相同的窗地比(限定同 E1 窗地比1∶7.03)。

2)相同材料的頂棚、內(nèi)墻、地面(保證相同的材料反射率)。

3)相同的室外天然光設(shè)計(jì)照度值(仍取12 000 lx)。

5.2 新開窗方式試驗(yàn)

1)試驗(yàn)1。開窗方式：均勻豎條窗(均為豎向條窗、沿立面橫向、豎向均勻分布)。新立面定義為N-E(S)(圖8)。

圖8 試驗(yàn) 1: N-E(S)自然采光照度網(wǎng)格計(jì)算圖Fig.8 Experiment 1: Grid graph of natural lighting illumination of N-E(S)

2)試驗(yàn)2。開窗方式：均勻橫條窗(均為橫向條窗，沿立面橫向、豎向均勻分布)。新立面定義為 N-E(H)(圖9)。

圖9 試驗(yàn) 2: N-E(H)自然采光照度網(wǎng)格計(jì)算圖Fig.9 Experiment 2: Grid graph of natural lighting illumination of N-E(H)

3)試驗(yàn)3。開窗方式：均勻方窗(均為方窗、沿立面橫向、豎向均勻分布)。新立面定義為 N-E(F)(圖10)。

4)試驗(yàn)4。開窗方式：漸變豎條窗(均為豎向條窗且沿立面下區(qū)到上區(qū)窗尺寸逐漸加大)。新立面定義為 N-E(J-S)(圖11)。

圖11 試驗(yàn) 4∶N-E(J-S)自然采光照度網(wǎng)格計(jì)算圖Fig.11 Experiment 4: Grid graph of natural lighting illumination of N-E(J-S)

5)試驗(yàn)5。開窗方式：漸變橫條窗(均為橫向條窗且沿立面下區(qū)到上區(qū)窗高逐漸加大)。新立面定義為 N-E(J-S)(圖12)。

圖12 試驗(yàn) 5∶N-E(J-H)自然采光照度網(wǎng)格計(jì)算圖Fig.12 Experiment 5∶Grid graph of natural lighting illumination of N-E(J-H)

6)試驗(yàn)6。開窗方式：漸變方窗(均為方窗且沿立面下區(qū)到上區(qū)方窗尺寸逐漸加大)。新立面定義為 N-E(J-F)(圖13)。

圖13 試驗(yàn) 6∶N-E(J-F)自然采光照度網(wǎng)格計(jì)算圖Fig.13 Experiment 6: Grid graph of natural lighting illumination of N-E(J-F)

5.3 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò) Ecotect 進(jìn)行照度計(jì)算，連同 E1、E2 得出以下綜合對(duì)比圖。分析圖14中的數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

圖14 試驗(yàn)開窗方式自然采光照度綜合對(duì)比圖Fig.14 Comprehensive contrast diagram of natural lighting illumination by experiment (unit:lx)

1)從房間的進(jìn)深方向四個(gè)位置(圖中紅線)的平均照度(圖中淺綠色數(shù)字)來(lái)看：

相同窗地比的情況下，6 種新開窗方式中試驗(yàn) 6(N-E(J-F))即漸變方窗的四個(gè)位置的平均值最高。

除試驗(yàn) 6(N-E(J-F))即：漸變方窗進(jìn)深 12 米處的平均照度 827.7378 lx 大于 E2 同位置平均照度值 823.2534 lx外， 6 種新開窗方式雖然開窗分布均勻，但各個(gè)位置的平均值都沒(méi)能超過(guò)E2。因?yàn)镋2窗地比為 1∶6.39 大于其他各個(gè)立面窗地比1∶7.03?？梢姶暗乇仍谑覂?nèi)的照度的影響因素中起了決定性因素。

2)從房間的進(jìn)深方向中部位置(即 12 m處)的平均照度來(lái)看：

6種新開窗方式均要優(yōu)于 E1，最高的試驗(yàn) 6(N-E(J-F))的中部平均照度值約為 828 lx，高于 E1 同位置 71 lx。甚至都要高于窗地比較大的 E2 同位置數(shù)值(823 lx)。因?yàn)?6 種新開窗方式較之 E1 在立面的橫豎兩個(gè)方向上開窗的分布都更為均勻，可見開窗均勻有利于提高室內(nèi)照度值。

6種新開窗方式中，三種漸變開窗方式中部平均照度值均要高于同窗型的普通開窗方式。可見立面從下至上窗戶尺寸逐漸增大有利于改善進(jìn)深方向的照度。這種情況是因?yàn)閺纳喜窟M(jìn)入內(nèi)部的光線由于到參考平面的距離較遠(yuǎn)， 投射到參考平面的光通量衰減較多。因此增加上部開窗的尺寸，有利于增加進(jìn)入的光通量，而高窗的光線投射較遠(yuǎn)，從而有利于提高進(jìn)深方向的照度。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于提高室內(nèi)照度的高大空間廠房立面開窗方式設(shè)計(jì)建議及筆者的認(rèn)識(shí)通過(guò)以上研究、分析，為提高室內(nèi)照度值，我們認(rèn)為可以給高大空間廠房側(cè)墻開窗設(shè)計(jì)提供以下建議：

1)優(yōu)先提高窗地比，使室內(nèi)達(dá)到滿足規(guī)范要求的照度。

2)相同窗地比條件下，開窗應(yīng)沿立面橫豎兩個(gè)方向均勻分布。

3)相同窗地比及開窗形式條件下，采取漸變窗(從下至上開窗面積逐漸增大)的方式有利于提高室內(nèi)平均照度值。其中漸變方窗提高的幅度最大，應(yīng)優(yōu)選漸變方窗。

根據(jù)以上建議，將實(shí)驗(yàn)所得采光最優(yōu)立面(漸變方窗)N-E(J-F)應(yīng)用于某廠房的立面設(shè)計(jì)中，做出圖16效果圖,并與原設(shè)計(jì)的效果圖(圖15)進(jìn)行對(duì)比?？梢钥闯?，新開窗方式 N-E(J-F)不僅能提高室內(nèi)照度值， 同時(shí)使廠房的外立面展現(xiàn)出工業(yè)建筑的理性、秩序的氣息，窗大小的變化又使其不失活潑。另外，由下向上逐漸變大的開窗方式使得墻體下重上輕，符合受力特點(diǎn)，也利于砌體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖15 某廠房原立面效果圖Fig.15 The original rendering of a factory’s elevation

圖16 試驗(yàn)所得最優(yōu)立面效果圖Fig.16 Rendering of the optimal elevation by experiment

通過(guò)研究，使我們對(duì)廠房的立面開窗設(shè)計(jì)問(wèn)題有了新的啟發(fā)，對(duì)其他建筑的類似問(wèn)題也有了一定的認(rèn)識(shí)和反思，主要有以下幾點(diǎn)：

1)決定建筑立面的開窗方式有多種因素，以往更多的是考慮美學(xué)的、功能的因素，靠感覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)。而對(duì)于開窗所形成的內(nèi)部光環(huán)境也只停留在經(jīng)驗(yàn)判斷上。設(shè)計(jì)過(guò)程中缺乏模擬、計(jì)算、比較。項(xiàng)目建成后缺乏實(shí)際采光效果的驗(yàn)證。

2)理性地從技術(shù)層面出發(fā)，僅從提高平均照度值這一個(gè)因素入手，通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)、計(jì)算、比較所得到的“全新”的立面的結(jié)果是通過(guò)以往常規(guī)的設(shè)計(jì)所不可能想到的。如果再加上其他因素，如防眩光、遮陽(yáng)、改善通風(fēng)等的影響，又會(huì)給立面設(shè)計(jì)帶來(lái)更多新的變化和可能性。

3)本研究?jī)H僅是通過(guò)軟件進(jìn)行采光模擬，通過(guò)模擬能比較多種開窗方式在提高內(nèi)部照度值上的優(yōu)劣。但仍屬于理論上的研究，缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，后續(xù)還需要進(jìn)一步的研究。