基于實(shí)測(cè)及Radiance模擬的徽州傳統(tǒng)天井民居光環(huán)境研究＊

段忠誠(chéng) 黃晨辰 姚剛 DUAN Zhongcheng，HUANG Chenchen，YAO Gang

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院

中國(guó)傳統(tǒng)民居歷史悠久，不同地區(qū)的歷史、文化、經(jīng)濟(jì)與自然氣候條件等對(duì)其發(fā)展都產(chǎn)生了重要影響。天井民居正是在徽州當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)與氣候等條件影響下形成的獨(dú)特傳統(tǒng)民居形式，其所蘊(yùn)含的生態(tài)技術(shù)理念也值得我們深入研究并應(yīng)用到現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)學(xué)者為研究傳統(tǒng)民居的氣候適應(yīng)性特點(diǎn)，對(duì)建筑室內(nèi)物理環(huán)境進(jìn)行了大量實(shí)測(cè)與分析，并探討了傳統(tǒng)民居各建筑要素對(duì)建筑室內(nèi)物理環(huán)境的影響與改善措施。林波榮[1，2]、宋冰[3]、楊陽(yáng)[4]、張坤[5]、陳曉揚(yáng)[6]等人通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、計(jì)算機(jī)模擬等方法，對(duì)皖南傳統(tǒng)民居內(nèi)部熱環(huán)境進(jìn)行了定量研究，分析了室內(nèi)熱環(huán)境的特征及成因，并提出相應(yīng)改善措施。何路路等人以安徽省黟縣傳統(tǒng)民居為例，運(yùn)用Ecotect軟件模擬分析了夏、冬兩季氣候條件下徽州民居各建筑要素對(duì)室內(nèi)物理環(huán)境的影響[7]。石團(tuán)團(tuán)等人以徽州天井式公共建筑南湖書院為研究對(duì)象，通過(guò)軟件模擬與實(shí)測(cè)分析了天井形態(tài)對(duì)室內(nèi)采光效果的促進(jìn)作用[8]。

雖然眾多學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)民居室內(nèi)物理環(huán)境的特征與成因進(jìn)行了大量研究，但主要集中在熱環(huán)境領(lǐng)域，對(duì)室內(nèi)光環(huán)境領(lǐng)域的研究偏少，本文試圖從該角度探討天井對(duì)傳統(tǒng)民居室內(nèi)自然采光的影響。對(duì)徽州地區(qū)西遞、豸峰和俞源三個(gè)村莊中的八棟傳統(tǒng)天井民居進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)其室內(nèi)光照度進(jìn)行實(shí)測(cè)，再結(jié)合Radiance軟件模擬，最后對(duì)實(shí)測(cè)及模擬的結(jié)果進(jìn)行分析討論。

1 村落概況

本研究選取的西遞村（29.9°N 118°E）、豸峰村（29.28°N 117.67°E）和俞源村（28.77°N 119.66°E）位于徽州地區(qū)（圖1）。三個(gè)村莊的經(jīng)緯度較為接近，均處于夏熱冬冷地區(qū)，周圍多山，且附近都有水源便于村民飲用及盥洗。

三個(gè)村莊中有大量傳統(tǒng)民居被完好地保存下來(lái)并沿用至今。由于徽州地區(qū)的村落地少人多，天井民居通常為2～3層[9]。民居以白墻灰瓦為主要特點(diǎn)且外墻開(kāi)窗面積極小，高聳的馬頭墻為住戶提供了安全、隔音與防火的保障。

天井民居建筑平面一般為對(duì)稱布局，且都以天井為核心，周圍三側(cè)或四側(cè)以房間圍合。惇仁堂就是典型的以天井為核心、三側(cè)房間包圍天井的布局（圖2）。調(diào)研的三個(gè)村莊中主要有三種建筑形式：三合院式天井民居、四合院式天井民居和H形天井民居（圖3）。三合院式天井民居可被看作為原型；四合院式天井民居由兩個(gè)三合院式的建筑面對(duì)面組合而成，并擁有一個(gè)共同的天井；H形天井民居則是兩個(gè)三合院式建筑背靠背組合形成，并擁有兩個(gè)獨(dú)立的天井。三合院式天井民居在西遞村和俞源村非常普遍，而H形天井民居主要集中在豸峰村。

2 研究方法

2.1 實(shí)地測(cè)量

本次研究在西遞、豸峰和俞源三個(gè)村莊進(jìn)行了為期10天的實(shí)地測(cè)量。首先，對(duì)八棟典型天井民居的尺寸進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，以便之后的軟件模擬建模。其次，為了能夠定量分析天井民居的自然采光情況，使用多功能環(huán)境表對(duì)天井民居室內(nèi)均勻分布的測(cè)點(diǎn)的光照度進(jìn)行測(cè)量。研究中對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的光照度都進(jìn)行了至少三組測(cè)量，并分別求取平均值作為最終的光照度值，以縮小誤差。

隨后將實(shí)測(cè)的各測(cè)點(diǎn)光照度換算成采光系數(shù)（Daylight Factor，簡(jiǎn)稱DF），即在全陰天情況下，室內(nèi)給定平面的一點(diǎn)由于天然光而產(chǎn)生的照度，與此刻室外無(wú)遮擋水平面上天空散射光所產(chǎn)生的光照度的比值。再對(duì)各區(qū)域內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的采光系數(shù)求平均值作為該區(qū)域的平均采光系數(shù)（DFm）。研究使用Surfer軟件，根據(jù)建筑底層各測(cè)點(diǎn)的采光系數(shù)生成等光系數(shù)曲線圖。最后，為了使Radiance模擬更加貼近實(shí)際，還測(cè)量了民居內(nèi)表面材料的反光系數(shù)（表1）。

2 惇仁堂天井

3 三種主要天井民居形式

4 天井區(qū)分布及天井長(zhǎng)寬示意圖

5 膺福堂一層等光系數(shù)曲線圖

6 膺福堂一層離地1m處采光系數(shù)分布

7 膺福堂入口區(qū)域（淺灰）、公共區(qū)域（深灰）與廳堂區(qū)域（網(wǎng)格）分布

8 膺福堂天井與臥室開(kāi)窗示意圖

9 Radiance模擬膺福堂一層等光系數(shù)曲線圖

表1 調(diào)研村莊中民居建筑材料的反光系數(shù)

表2 八個(gè)建筑的天井WI值與各區(qū)域采光系數(shù)DFm匯總表

2.2 軟件模擬

研究利用實(shí)測(cè)的建筑尺寸數(shù)據(jù)在Ecotect軟件中建立天井民居簡(jiǎn)化模型并導(dǎo)入至Radiance，在全陰天條件下分別對(duì)八棟建筑的天井區(qū)域進(jìn)行采光模擬分析，比較WI對(duì)天井區(qū)域采光水平的影響。

2.3 術(shù)語(yǔ)的定義

對(duì)八棟天井民居建筑進(jìn)行分析研究時(shí)所用到的術(shù)語(yǔ)，解釋如下：

DFm代表天井區(qū)域的平均采光系數(shù)，DFm-r代表用Radiance模擬的天井區(qū)域的平均采光系數(shù)。WI代表光井指數(shù)（Well Index），描述天井入光口的面積與天井內(nèi)表面積之間的關(guān)系[10]。

WI=H（W+L）/（2W·L）（L、W、H分別代表天井的長(zhǎng)、寬、高）（圖4）。

3 結(jié)果與討論

3.1 天井民居采光分析及等光系數(shù)曲線圖

以膺福堂為例，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)利用Surfer軟件生成等光系數(shù)曲線圖（圖5）。圖6則顯示了膺福堂建筑剖面與采光系數(shù)的關(guān)系。

實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，膺福堂天井區(qū)域、公共區(qū)域及廳堂區(qū)域（圖7）的采光系數(shù)逐漸減小，平均值分別為10%，7.4%與1.9%。天井區(qū)域和公共區(qū)域的采光系數(shù)高于5%，效果較好；而廳堂區(qū)域和臥室采光很差，在臥室內(nèi)部靠近窗戶處的最大采光系數(shù)也僅為0.8%，遠(yuǎn)離窗戶的區(qū)域幾乎沒(méi)有光線。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)天井民居馬頭墻較高且外墻開(kāi)窗較小，天井成為建筑底層唯一的采光來(lái)源；臥室也只有一個(gè)朝向天井區(qū)的窗戶提供采光，且該窗戶還有裝飾用的木柵格，遮擋了大量光線（圖8）。

該研究使用Radiance軟件模擬了八棟民居一層空間的光環(huán)境。以膺福堂為例，圖9是其一層等光系數(shù)曲線圖，采光系數(shù)值以天井區(qū)為中心，逐漸向四周衰減。采光系數(shù)最高值出現(xiàn)在天井區(qū)域（大于11%），其采光效果最好，公共區(qū)域其次，廳堂區(qū)域采光效果較差，這一規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。相較于在實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上繪制的等光系數(shù)曲線圖，模擬顯示的曲線圖中光線分布更加均勻?qū)ΨQ。這是由于Radiance軟件模擬時(shí)，室內(nèi)各表面材料的反光系數(shù)是定值，所以光環(huán)境分布較為均勻。而實(shí)測(cè)時(shí)，即使是同一種材料，也會(huì)因?yàn)槠洳煌恢玫母蓛舫潭群蛽p壞程度的不同等原因而導(dǎo)致其反光系數(shù)的不同；再加上實(shí)測(cè)時(shí)周圍復(fù)雜的環(huán)境因素，如家具的擺放位置、植物的大小形狀甚至測(cè)量者本身，都會(huì)對(duì)實(shí)測(cè)的結(jié)果產(chǎn)生影響。所以實(shí)測(cè)繪制出的光環(huán)境曲線圖一般不會(huì)是均勻?qū)ΨQ的。

3.2 WI對(duì)采光的影響

表2歸納了八棟天井民居建筑的WI值和天井區(qū)域平均采光系數(shù)實(shí)測(cè)及模擬值。為方便論述，分別對(duì)八棟建筑中的9個(gè)天井按照WI由小到大的順序從W1至W9編號(hào)。圖10顯示了天井區(qū)域平均采光系數(shù)與民居的光井指數(shù)之間的關(guān)系。

10 DFm和DFm-r與光井指數(shù)WI的關(guān)系圖

11 天井上方的遮陽(yáng)布

表3 膺福堂模擬公共區(qū)域和廳堂區(qū)域平均采光系數(shù)與墻壁反射系數(shù)

表4 膺福堂模擬公共區(qū)域和廳堂區(qū)域平均采光系數(shù)與地面反射系數(shù)

從圖10可以得出，第一，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的基本規(guī)律是一致的，WI越大，天井形狀越狹小或者距地面越高，天井區(qū)域的DFm值也隨之減小。W1到W5隨著WI增加，天井區(qū)域平均采光系數(shù)的實(shí)測(cè)及模擬值迅速下降，但均大于5%，故天井區(qū)域的采光狀況良好；W6到W9隨著WI增加，天井區(qū)域平均采光系數(shù)的實(shí)測(cè)及模擬值的下降幅度相對(duì)平緩，且均小于5%，尤其是W8和W9的DFm值都小于2%，天井區(qū)域的采光狀況較差。第二，模擬的平均采光系數(shù)值雖與實(shí)測(cè)值較為接近，但大于實(shí)測(cè)值。主要原因是Radiance中的建筑模型稍有簡(jiǎn)化，家具物品、植物綠化等并未表示出來(lái)，而這些因素都對(duì)光照有一定吸收和削弱作用。

因此，綜合實(shí)測(cè)和模擬結(jié)果，可以明顯看出WI對(duì)天井光環(huán)境有著重要影響。當(dāng)WI≤3時(shí)天井內(nèi)的光環(huán)境較好，其平均采光系數(shù)大于5%，此時(shí)該傳統(tǒng)民居的天井尺寸及比例較為優(yōu)秀。這一結(jié)論對(duì)于現(xiàn)代中庭建筑同樣適用。為了獲得中庭及其周邊房間更好的采光效果，中庭的光井指數(shù)WI也應(yīng)控制在3以內(nèi)。

3.3 室內(nèi)采光優(yōu)化策略

雖然光井指數(shù)WI對(duì)于徽州傳統(tǒng)天井民居建筑的室內(nèi)采光有著重要影響，但是對(duì)于現(xiàn)有徽州傳統(tǒng)天井民居，其建筑尺寸已經(jīng)確定，光井指數(shù)也無(wú)法變更。該如何改善建筑內(nèi)部的采光水平，是本節(jié)的重點(diǎn)。

當(dāng)天井的位置和尺寸確定時(shí)，獲得的自然光入射量是確定的。因此要改善公共區(qū)域和廳堂區(qū)域的采光水平，只能通過(guò)增加反射光線來(lái)實(shí)現(xiàn)，而建筑內(nèi)表面的反射系數(shù)直接決定了反射光的多少。以膺福堂為例，對(duì)其院內(nèi)的采光系數(shù)進(jìn)行模擬，驗(yàn)證內(nèi)表面反射系數(shù)對(duì)建筑室內(nèi)采光的影響。

由于膺福堂內(nèi)部天井墻壁和地面的面積最大，對(duì)于地面采光水平的影響也較大，因此研究選取墻壁和地面作為影響因子。頂棚和門窗的面積較小，對(duì)采光水平的影響也較小，故忽略其影響。通過(guò)查閱資料可知墻面的反射系數(shù)一般在0.4～0.6之間，地面的反射系數(shù)在0.3～0.5之間，這與我們的實(shí)測(cè)結(jié)果一致。分別將墻壁和地面的反射系數(shù)作為變量，以0.05為步長(zhǎng)取5個(gè)值，模擬公共區(qū)域和廳堂區(qū)域平均采光系數(shù)的值（表3，4）。

從模擬結(jié)果來(lái)看，墻壁與地面的反射系數(shù)越高，公共區(qū)域和廳堂區(qū)域平均采光系數(shù)也越高，總體呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)。因此，對(duì)于以豸峰村為代表的采光較差的天井民居，要想改善公共區(qū)域和廳堂區(qū)域的采光水平，可以用反射系數(shù)較高的材料裝飾墻面和地面，并且保持墻面和地面的干凈整潔。

具體來(lái)說(shuō)，陳舊的馬頭墻內(nèi)側(cè)可用白色涂料重新粉刷，在木制隔墻表層重刷清漆，地面鋪裝改用淺色地磚，均能有效提高室內(nèi)的采光水平。除此以外，模擬的采光系數(shù)普遍高于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因?yàn)槭覂?nèi)有較多家具或雜物影響入射光線的反射，因此保持室內(nèi)布置的簡(jiǎn)潔、減少雜物也有助于改善院內(nèi)的采光水平。

而對(duì)于以俞源村為代表的采光較好的天井民居，主要問(wèn)題在于夏季過(guò)多的陽(yáng)光直射可能造成眩光。一種可行的做法是在天井上方懸掛白色布條遮陽(yáng)（圖11）。

4 結(jié)論

研究探討了天井對(duì)傳統(tǒng)民居自然采光的影響，通過(guò)定量分析對(duì)比得出以下結(jié)論：

（1）WI是決定天井民居室內(nèi)采光好壞的重要指標(biāo)，WI越大，天井的光環(huán)境越差。實(shí)測(cè)及模擬均證明：當(dāng)WI≤3時(shí)，天井區(qū)域的光環(huán)境較好，其平均采光系數(shù)在5%以上。這一結(jié)論對(duì)現(xiàn)代中庭的建筑設(shè)計(jì)也具有一定指導(dǎo)意義。

（2）Radiance模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果基本一致，證明了Radiance在光環(huán)境模擬方面的可靠性。由于模擬過(guò)程采用了簡(jiǎn)化模型，模擬結(jié)果的數(shù)值略大于實(shí)測(cè)數(shù)值，天井光照度分布也更加均勻。

（3）傳統(tǒng)天井民居的天井大小與位置已基本無(wú)法改變，因此部分采光較差的天井民居可以通過(guò)重新粉刷馬頭墻、用清漆刷木結(jié)構(gòu)或簡(jiǎn)潔布置院落等增加天井內(nèi)部反光系數(shù)的方式來(lái)改善天井內(nèi)部的自然采光。夏季陽(yáng)光強(qiáng)烈時(shí)，可以在天井上方懸掛白布進(jìn)行遮陽(yáng)，以避免眩光。