博物館日光直射區(qū)域光環(huán)境的模擬分析
——以中國國家博物館西大廳為例

唐 銘，柳 敏，張 濱，羅 濤，韓云飛，張 拓

(1.中國國家博物館，北京 100006；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100033)

引言

中國國家博物館位于北京天安門廣場東側(cè)，總建筑面積約為20萬m2，用地面積約為7萬m2，建筑高度為42.5 m，地上5層，地下2層。其中西大廳是觀眾進、出博物館的重要集散場所，也是重要的公共區(qū)域。西大廳除不定期舉辦開幕式等活動以外，部分墻面和地面區(qū)域還用于藏品的展陳。西大廳西側(cè)立面是玻璃幕墻，天然光為西大廳提供采光的同時，天然光直射也可能對展品造成損害。為定量分析西大廳天然光環(huán)境現(xiàn)狀，更加合理利用天然光，2017年起我們開始了對博物館天然光環(huán)境的研究工作，重點開展了日光直射區(qū)域的天然光模擬研究。

本研究采取現(xiàn)場實測與計算機模擬相結(jié)合的方法，通過現(xiàn)場調(diào)研明確分析對象和光環(huán)境需求；通過實測天然光照度和幕墻材料的光熱學(xué)性能等，獲得計算機模擬所需的參數(shù)；結(jié)合西大廳的光環(huán)境需求，利用專業(yè)光環(huán)境分析軟件[1]，建立計算機模型，對太陽直射光對西大廳全年的影響范圍和時間進行模擬，最終得到相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)論。

1 太陽直射光的影響分析

1.1 建立模型

西大廳內(nèi)可以作為藏品展陳使用的區(qū)域主要是一層和二層平臺的部分墻面，以及沿墻區(qū)域，因此，本研究選擇主要的幾個墻面區(qū)域進行太陽直射光的影響分析，分別是南區(qū)1～6號墻面、北區(qū)圖1～6號墻面。圖1為南區(qū)待分析墻面平面示意圖，圖2為南區(qū)待分析墻面空間示意圖，北區(qū)與南區(qū)建筑結(jié)構(gòu)完全對稱。

圖2 南區(qū)待分析墻面空間分布示意圖(北區(qū)對稱)Fig.2 Spatial sketch map of the wall to be analyzed in the South (symmetrical in the north)

西大廳幕墻朝向為正西，午后直射日光進入西大廳的情況較為常見，而日光一年四季又處于變化當中，為了綜合評價直射日光對西大廳特別是展陳立面的影響，本研究對全年直射日光的光影變化進行模擬分析。模擬計算分為兩個階段：①選擇一年中的典型日(春秋分、夏至、冬至)，對太陽直射光在西大廳主要墻面上形成的光斑范圍和影響時間進行分析；②選擇典型日，對透過不同區(qū)域幕墻的日影影響范圍進行逐時分析。分析時，考慮建筑和構(gòu)件的遮擋影響。

本次建模計算所用軟件為斯維爾sun2014日照分析軟件，模型如圖3、圖4所示。為了定量評估直射日光的影響，就全年日光對各立面的累計影響時間進行分析。這里選擇了春分、夏至、秋分、冬至四個典型日，以典型日中以太陽光可以照進西大廳內(nèi)的起止時間為分析時間段，進行模型計算參數(shù)設(shè)置(如表1所示)。

1.2 室內(nèi)日影模擬與計算

對典型日期的室內(nèi)日影情況進行模擬，可以得到日影的影響區(qū)域和變化軌跡。以下選取的是西大廳南區(qū)在春分、夏至、秋分、冬至四個典型日某些時刻的日影圖(如圖5所示)。

表1 計算參數(shù)設(shè)置Table 1 Setting of calculation parameters

經(jīng)過模型分析，可以得到各個區(qū)域在不同節(jié)氣的受日光直射的總時長和分布區(qū)域。圖6所示僅列舉出南區(qū)1號墻面、北區(qū)1號墻面在不同典型日的日光直射累計等時線圖。

經(jīng)計算得出南北兩區(qū)各墻面在不同典型日太陽直射的時段，分別見表2和表3。

由以上分析可知，南區(qū)2號和6號墻受影響較小，分別只在一個季節(jié)內(nèi)有直射陽光照射影響時間比較集中，可以考慮作為展陳使用，但在對應(yīng)時間內(nèi)應(yīng)考慮采取一定的措施。1號墻在春季、秋季上午受日照直射時間較短，且基本在非展覽開放時間內(nèi)，只有冬季上午陽光直射的時間較長，所以1號墻也可以作為展陳使用，但在冬季上午有陽光直射的時間內(nèi)應(yīng)考慮采取一定的措施。4、5號墻的可展陳面積最大，但據(jù)表1可知4、5號墻在四個季節(jié)內(nèi)有直射陽光的時間都較長，累計時間都在4 h以上，需要考慮展品的安全性。

圖3 計算用模型截圖(室外視點)Fig.3 screenshots of computational model (outdoor view)

圖4 模型透視圖Fig.4 Scenograph of model

圖5 南區(qū)典型日部分時刻日影變化Fig.5 Changes of sunshadows on typical days in southern area

墻面陽光直射時間春分夏至秋分冬至1號墻07:45—09:45—07:05—09:259:50—12:152號墻—16:12—19:12——3號墻—05:20—08:10——4號、5號墻14:59—18:2015:45—19:4114:44—18:0612:09—16:496號墻——16:12—18:40—

表3 北區(qū)各主要墻面在不同節(jié)氣的陽光直射時間統(tǒng)計

北區(qū)各墻面整體受直射光影響的程度比南區(qū)大。其中1號墻只在夏季早晨有直射陽光，受影響較??；2、3號墻面夏至日和冬至日受直射陽光影響較小，可作為展陳使用。而春季和秋季上下午墻面都有直射光影響，墻面大部分直射陽光照射總時長超過4小時，作為展陳使用的話，需要采取一定的遮擋措施；4、5號墻面在四個季節(jié)的下午都有較長時間的直射陽光影響，可以看出除冬季外，其他季節(jié)大部分面積內(nèi)有直射陽光的時長都在4小時以上，受影響較大。6號墻在四個季節(jié)的下午都有直射陽光，冬季直射時間很短，在春季、夏季和秋季下午需要考慮采取一定的遮擋措施。

1.3 日光直射照度分析

由以上分析可知，受日光影響最大的是南區(qū)4號墻、5號墻、北區(qū)4號墻、5號墻，需要做重點分析。影響這些區(qū)域的直射陽光主要從14：00開始，由西大廳西側(cè)玻璃幕墻進入。目前西側(cè)玻璃幕墻的部分區(qū)域進行了貼膜處理，我們對西側(cè)幕墻未貼膜中空玻璃區(qū)域、室外貼膜區(qū)域、室內(nèi)貼膜區(qū)域的光熱性能參數(shù)分別進行了測試，測試結(jié)果見表4。

表4 西大廳西側(cè)玻璃幕墻光熱性能測試結(jié)果

圖6 1號墻面在典型日的日光直射累計等時線Fig.6 Daylight isochron of No.1 wall in typical day

圖7 北京市典型年光照度全年分布Fig.7 Annual distribution of typical annual illumination in Beijing

可以看到，玻璃幕墻上遮光膜的主要作用是減少了幕墻太陽直射輻射，可見光透射比和太陽光直接透射比降低顯著，室外貼膜方式降低更為明顯。貼膜后，紫外透射比大為降低，小于1/1000，這對于保護室內(nèi)展品是有利的。根據(jù)北京市的典型年光氣候數(shù)據(jù)和表4的測試數(shù)據(jù)[2,3]，可以計算出透過西側(cè)幕墻后，影響到這些區(qū)域的太陽輻照強度。計算結(jié)果顯示：在直射日光條件下，透過幕墻的天然光照度典型日的峰值為2 000～6 000 lx。

2 分析與討論

2.1 天然光環(huán)境評價與建議

1)從以上研究結(jié)果看，即使是透過幕墻上貼膜區(qū)域，日光直射照度峰值也能達到2 000 lx以上，因此在日光直射影響區(qū)域內(nèi)不宜展陳對光敏感的藏品；本研究模擬計算了假設(shè)在幕墻部分區(qū)域貼雙層膜之后的光熱性能數(shù)據(jù)，日光直射照度峰值降至300 lx以下。這里存在一個矛盾：從藏品安全角度，需要降低天然光照度；從建筑采光角度，降低天然光照度后會明顯影響大廳空間的采光效果。

2)西大廳在不同季節(jié)和不同時段的天然光強度及分布差異大。總體上看，每天12：00之前和17:00以后，天然光對西大廳影響較小，14:00—17:00時段內(nèi)天然光對西大廳的影響強度和范圍最大。既需要引入天然光，又需要解決在特殊時段天然光直射強度過高的狀況，后續(xù)可以考慮引入光線調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)外界氣象條件變化智能調(diào)控進入室內(nèi)的天然光作為解決方式。

3) 目前西大廳主要采用頂部金鹵燈，現(xiàn)場實測其照明所提供的照度貢獻值約為100 lx，如何繼續(xù)優(yōu)化人工照明控制系統(tǒng)、提高燈具的能效、根據(jù)天然采光情況合理補充人工照明，需要進一步的研究和探索。

2.2 博物館自然光使用的問題

關(guān)于博物館是否應(yīng)當引入天然光、如何引入天然光的問題一直被討論，當前博物館照明研究人員普遍持以下觀點：

1)在保證藏品安全的前提下，博物館可以引入天然光，尤其是公共空間區(qū)域和文物保護修復(fù)工作室，應(yīng)該盡量引進天然光[4]。天然光能提高人員的舒適度、能保證修復(fù)過程中藏品的色彩還原度。

2)適度引入天然光有助于博物館節(jié)能。

3)引入天然光面臨的問題主要有：天然光照度不穩(wěn)定、不易控制；自然光或?qū)Σ仄吩斐蓚Γ惶烊还饣虍a(chǎn)生熱效應(yīng)，不利于博物館室內(nèi)溫濕度穩(wěn)定。

因此，業(yè)界人員普遍支持博物館引入天然光，天然光能對博物館帶來諸多益處，關(guān)鍵在于如何通過技術(shù)手段解決面臨的相關(guān)難題。

3 總結(jié)與展望

1)本研究借助建筑日照分析方法，結(jié)合博物館藏品保護、展示對天然光的特殊要求，以國家博物館西大廳為例，對其主要墻面和區(qū)域進行了日照范圍、時長和照射強度等的分析。本研究是建筑物理學(xué)與博物館藏品預(yù)防性保護的交叉學(xué)科的應(yīng)用，為基于藏品安全、藏品展示和綠色節(jié)能理念的博物館環(huán)境科學(xué)的研究提供了新思路[5,6]。

2)在有天然光進入的博物館空間區(qū)域內(nèi)進行藏品布展時，可參考本研究方法進行天然光環(huán)境分析。在位置選擇上，盡量避開天然光的長時間直射；在藏品選擇上，盡量選擇對光不敏感的無機材質(zhì)藏品，比如石質(zhì)器、玻璃制品、瓷器、部分金屬器等[7]，在保護措施上，可以根據(jù)天然光變化情況安裝遮光或調(diào)光設(shè)施，以減少展品的總曝光量。

3)現(xiàn)代博物館引入天然光時應(yīng)當綜合考慮藏品保護、人員體驗、高效節(jié)能等因素，如何做到科學(xué)地引入天然光值得深入的研究和探索。博物館建筑設(shè)計與天然光合理引入，天然光對展品材質(zhì)影響的定量評價，天然光、展陳效果和人員感受的關(guān)系，天然光對博物館室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響，天然光在博物館的高效利用技術(shù)，博物館建筑的玻璃幕墻材料選擇等問題仍是今后博物館天然光環(huán)境研究領(lǐng)域重點探討的課題。