采光口設計對山東無棣縣游泳館天然采光的影響

郭娟利，馮宏欣，王杰匯，徐 賀

(天津大學建筑學院 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術重點實驗室，天津 300072)

引言

體育類建筑具有投資大、運維成本高、空間大、不可控性、能耗高的特點。傳統體育類建筑的設計往往更注重于美學和結構學方面的研究，建筑師往往舍棄天然采光而直接用人工照明來解決高要求的體育類建筑照明問題。體育類場館光環(huán)境設計中，通過對天然采光的合理控制，可以有效節(jié)約能源并且更好地發(fā)揮場館的使用功能及作用[1]。對于游泳館而言，其對光環(huán)境的要求較為特殊和嚴苛，這也是游泳館的功能所決定的。

山東省無棣縣全民活動中心游泳館位于山東省濱州市無棣縣新城景觀軸線端頭，游泳館建筑面積為12 925 m2，建筑基底面積為6 380 m2，建筑地上五層，現澆鋼筋混凝土框架結構，建筑高度為22.55 m。游泳館內布置一個尺寸為50 m×21 m×2 m的比賽池和一個尺寸為25 m×15 m×2 m的練習池，另外布置武術、跆拳道、體操訓練室和健身活動場地。本項目的天然采光形式為頂部采光為主，側高窗采光為輔，但屋頂采用何種采光形式既能滿足天然采光標準要求，又可以避免眩光等不利因素，需要進行更細致的優(yōu)化模擬及分析。本文利用天然采光模擬軟件VELUX對不同天然采光形式進行模擬分析對比，并提出優(yōu)化設計方案。

1 游泳館天然采光要求

游泳館作為一種特殊的公共建筑，其光環(huán)境設計優(yōu)劣和運動員水平的發(fā)揮、裁判判斷的準確性、觀眾觀賽的舒適性以及電視轉播的質量都息息相關[2]。有研究表明運行員長時間在全部使用人工照明的室內光環(huán)境中比賽、訓練，容易由視覺疲勞衍生出倦怠情緒。而在由自然光構成的室內光環(huán)境中，運動員會感到興奮與刺激，有利于滿足其比賽競技的心理狀態(tài)[3]。因此，本項目采用人工照明和天然采光相結合的方式，通過天然采光的合理設計最大限度的滿足室內光環(huán)境要求，滿足該游泳館日常以訓練、娛樂為主的功能要求，同時在比賽和夜晚、陰天等天然采光較弱期間輔以人工照明協同工作，將天然采光的舒適性和節(jié)能性優(yōu)勢最大化。

由于自然光本身具有良好的顯色性等特征，因此對于游泳館天然采光來說，要著重處理好的是采光系數標準，采光照度標準，均勻度標準以及避免眩光的產生[4]。

1.1 采光系數及照度標準

采光系數和室內自然光照度的標準值常作為評價室內采光環(huán)境的基礎指標。GB 50033—2013《建筑采光設計標準》4.0.14條規(guī)定，體育類建筑場地在主要用于訓練或娛樂活動的情況下，頂部采光系數標準值為1%，室內天然光照度標準值為150 lx，如表1所示。綜上所述，作為體育類建筑的游泳館，在滿足日常訓練和娛樂功能的需求下，場館內水面天然光照度需達到150 lx，采光系數需達到1%。

表1 體育建筑的采光標準值

注：采光主要用于訓練或娛樂活動

1.2 采光均勻度標準

采光均勻度是用來揭示場館內照度分布情況的物理量，是衡量室內光環(huán)境效果的又一關鍵指標[4]。對游泳館場地來說，要防止出現較大的明暗對比，若泳池場地均勻度較差，在館內活動的人的瞳孔會隨著明暗變化不斷變大變小，引起視覺疲勞，影響訓練、娛樂和比賽的效果。采光均勻度有兩種表示方式：

(1)

(2)

其中Cmin為最小采光系數，Cmax為最大采光系數，Cave為平均采光系數。

JGJ 153—2016《體育場館照明設計及檢測標準》4.2.2條將游泳館的場地照明設計設定為一套標準，如表2所示，可知要滿足游泳館日常健身、訓練及娛樂的功能，采光均勻度U2應不小于0.3。

1.3 合理的眩光控制措施

眩光就是視野中由于亮度的分布或亮度范圍不適宜，或存在著極端的對比，以致引起不舒適感覺或降低觀察細部或目標能力的視覺現象。直射光源在水池附近會產生嚴重的水面鏡面反射和池底的反射，易產生眩光，極大地影響運動員和觀眾的視覺能力和視覺舒適性。如圖1所示，光幕區(qū)的亮度遠遠高出水面的平均亮度，嚴重影響了對水中情況的觀看。即使通過安裝直筒采光窗等方式可以避免直射光直接照入室內，但由于天氣等原因，也只能在一定程度上限制直射光照入室內，仍易造成自然光直接照射易形成眩光，如圖2所示。因此，水面眩光的控制是游泳館室內采光設計的重要部分，水面眩光無法完全消除，但可以通過合理的采光方式選擇及采光口設計盡量減少其帶來的不利影響。

表2 游泳館場地照明標準值

圖1 游泳館水面眩光Fig.1 Water glare in swimming pool

圖2 直筒采光窗采光效果圖Fig.2 Daylighting effect of straight tube window

1.4 VELUX模擬軟件的適用性

VELUX DAYLIGHT VISUALIZER是一款兼具準確性和迅捷性的可視化建筑天然采光分析軟件，可以幫助設計人員在建筑設計之前，通過準確地模擬采光量，對天然采光效果及空間效果有一個正確的、直觀的了解，模擬天然采光照明的最大誤差低于5.13%，平均誤差低于1.29%[6]。軟件和SKETCH-UP有良好的對接性，可提供不同的窗體布置、玻璃性能、室內墻面、天空光量、地理位置、建筑方位等等不同條件下的建筑天然采光分析比較，便于設計者找到最理想的采光方案。

2 屋頂采光方式的選擇

通常游泳館跨度較大，復雜的屋面結構對天然采光有較大影響，加重天然采光的不穩(wěn)定性和不均勻性，易產生不必要的光污染，為減少結構對采光的不利影響，本項目的游泳館頂部采用變截面鋼筋混凝土梁結構，如圖3所示。

圖3 游泳館內變截面梁Fig.3 Beam with variable cross section in the Swimming Pool

游泳館采光方式的選用是其采光設計的首要問題。側窗采光具有設計簡單、施工簡便、構造和結構易處理的特點[5]，但由于游泳館進深較大，僅靠側窗采光會造成場館內遠窗點照度偏低，導致室內采光不均勻，同時側窗采光若安裝角度與人視線角度較小還會產生直接眩光。相比較而言，利用頂部采光在室內照度方面要比相同面積利用側窗采光高出2～5倍[7]，同時其在采光均勻度、眩光控制和陰影控制上性能也更加優(yōu)異，但頂部采光也存在構造、設計較復雜的特點。因此，基于水面眩光對游泳館使用有較大影響，本項目以頂部采光為主，主要依靠頂部采光達到其采光照度和均勻性，并輔以少量高側窗進行采光，優(yōu)化建筑立面美學特性，使二者的優(yōu)點集中發(fā)揮，取長補短。而作為本項目的主要采光方式，屋頂采光口的選擇和設計是本項目的難點也是本文研究的重點。

2.1 頂部采光形式的比選

建筑頂部采光通常分為天窗采光和利用導光管、光導纖維等天然采光新技術，如表3所示。根據使用要求不同，產生了各種不同的天窗形式，常用的有平天窗、矩形天窗、鋸齒形天窗等形式。其中平天窗雖然比同樣面積的其他天窗采光效率高，但易引起游泳館建筑最應避免的眩光問題；而相比與矩形天窗，鋸齒形天窗可以把光線反射到背對窗戶的室內墻壁上，消除直射光產生的眩光，同時，鋸齒形天窗的采光效率比矩形天窗高15%～20%[8]。作為天然采光新技術，導光管、光導纖維、采光擱板和導光棱鏡窗均具有減少眩光，提高室內采光均勻度的優(yōu)勢。對于游泳館而言，采光擱板不適合于進深較大建筑，導光棱鏡窗的使用會給運動員帶來心理不良影響，山東無棣地區(qū)屬于Ⅳ類光氣候分區(qū)，具有較豐富的天然光，因此導光管和光導纖維相比具有更高的光通量。綜上所述，本論文選擇各頂部采光口類型中適合該地區(qū)游泳館的鋸齒形天窗和導光管系統作為模擬分析對象。

表3 不同天窗形式對比

續(xù)表3

2.2 鋸齒形天窗采光

1)天窗面積的確定。依據中國光氣候分區(qū)圖可以看出山東省濱州市無棣縣屬于Ⅳ區(qū)。GB 50033—2013《建筑采光設計標準》中6.0.1條規(guī)定，在建筑方案設計時，對Ⅲ類光氣候區(qū)的采光，頂部采光平天窗窗地面積比為1/13，鋸齒形天窗和矩形天窗可分別按平天窗的1.5倍和2倍窗地面積比進行估算，且Ⅳ類氣候區(qū)的窗地面積比應乘以該地區(qū)相應的光氣候系數K=1.10。以此為依據計算該游泳館比賽廳鋸齒形天窗所需面積約為233 m2。

2)模型及參數設置。鋸齒形天窗布置方向隨建筑形體朝東南，并采用隨結構逐跨布置的方式以滿足更好的采光均勻性和建筑韻律。部分光線射入后，在天窗的反射面形成二次反射，將光線均勻分布到室內。建筑模型如圖4所示。將模型導入VELUX采光模擬軟件，更改地理位置信息為山東無棣，東經117.36°，北緯37.75°，建筑朝向為北偏西25°。利用VELUX天然采光模擬軟件對建筑參數進行設置，水池設為透射率為0.82的散射體、水下底面設為反射率為0.732、粗糙度為0.04的淺藍色石材，選取天窗角度、反射面內飾層材料及其粗糙度3個參數進行變化對比研究，分析其對游泳館采光系數、照度、均勻度和眩光等的影響變化趨勢，對屋頂天窗進行合理的參數選擇與優(yōu)化設計，內飾面參數設置如圖5所示。

圖4 鋸齒形天窗模型Fig.4 Model of saw-toothed skylight

圖5 內飾層參數修改界面Fig.5 Interface of modifying Interior layer’s parameters

3)天窗角度優(yōu)化設計。鋸齒形天窗角度不同，對采光照度及均勻度均有不同程度的影響。選用30°、40°、45°、50°和60°五種不同角度相同面積的鋸齒形天窗進行模擬對比，結果如表4所示。由結果可知,隨著天窗角度的增大,室內采光系數也在增大,采光均勻度在下降,其中30°天窗冬至日陰天照度不滿足頂部采光照度標準值要求，其余方案40°采光均勻度最好，又可以滿足照度要求,因此選取40°鋸齒形天窗。

表4 天窗不同角度的采光對比

4)天窗內飾層優(yōu)化設計。鋸齒形天窗具有把部分直射光通過內飾面反射進入室內的特點，因此內飾層的材料選擇和粗糙度設置對采光照度和均勻度均有影響。本項目選用40°相同面積鋸齒形天窗,選擇五種不同的內飾層材料和粗糙度分別做模擬對比分析，模擬結果如表5所示。通過對比得知，改變內飾層的材料，只有白色乳膠漆滿足頂部采光的照度要求，而對于白色乳膠漆的粗糙度選擇方面，隨粗糙度增加，采光系數平均值和照度平均值逐漸減小，采光均勻度不斷增加。但粗糙度增大到0.40時，平均照度水平不能滿足建筑采光標準，而在滿足標準的前提下，粗糙度為0.30時采光最均勻。因此最終選用粗糙度為0.30的白色乳膠漆，模擬結果如圖6所示，場館地面平均采光系數為3.1，夏至日晴天平均照度為308.7 lx，冬至日陰天平均照度為150.9 lx，采光均勻度為0.32，全年滿足體育類建筑頂部采光標準要求，滿足該場館日常訓練、娛樂的采光要求。

表5 天窗不同內飾層的采光對比

圖6 鋸齒形天窗光環(huán)境模擬結果Fig.6 Simulation results of the plan of saw-toothed skylight

2.3 導光管采光

2.3.1 模型及參數設置

導光管照明系統是通過采光裝置采集自然光，將光線導入導光管內部，通過發(fā)射材料在導光管內進行傳輸并由底部的漫射材料將光線均勻的照射到室內，其將直射光轉為漫射光傳遞的特點符合游泳館比賽廳避免眩光的采光要求。其主要由采光罩、導光管、漫射器及調光系統組成[9]。本項目在SEKETCH-UP軟件中對導光管進行建模，導光管管徑為750 mm，長度為1.8 m，距地高度為10.05 m。設計方案分為4個每組、18組共72個和6個每組、18組共108個兩種排布方式，如圖7所示。在VELUX模擬軟件中對各部件相應參數進行設置，透射率為0.98的集光器、發(fā)射率為0.99的金屬內壁和散射率為0.8的漫射器，如圖8所示。

2.3.2 導光管方案模擬對比

對兩組導光管方案水面天然采光系數、冬至日陰天及夏至日晴天照度分別進行模擬分析，如圖9所示，方案一夏至日晴天平均照度為276.4 lx，冬至日陰天平均照度為136.9 lx，采光系數平均值為2.7%，采光均勻度為0.34；方案二夏至日晴天平均照度為280.6 lx，冬至日陰天平均照度為137.6 lx，采光系數平均值為2.7%，采光均勻度為0.38。由此得出，采用導光管途徑采光較為均勻、且隨著導光管密度的提升均勻度更佳，但采光系數照度提升不明顯。

圖7 兩種不同的導光管排布方案Fig.7 Two different arrangement schemes of light guide tube

圖8 導光管系統及參數設置Fig.8 Light guide tube system and parameter setting

圖9 導光管方案的照度、采光系數模擬結果Fig.9 Simulation results of illuminance and daylight factor of light guide tube

2.4 眩光分析

本項目側窗僅采用少量高側窗輔助采光，且一層玻璃幕墻帶有遮陽百葉，因此避免了直接眩光，本文主要分析其水面間接眩光，眩光分析首先選取其最不利時間點。對于朝向角度為南偏西65°的鋸齒形天窗，選取一年12個月中午12:00進行室內亮度模擬分析。因太陽高度角較高，夏季通過天窗進入室內的直射光較少，無眩光影響；而冬季太陽高度角較低，進入室內的直射光較多，如圖10所示。其水面亮度最大處亮度為332.8 cd/m2，其周邊水面亮度為60 cd/m2左右，無明顯眩光影響；對于導光管方案二，其最不利時間點為夏至日中午12:00，模擬結果如圖11所示。其水面亮度最大處亮度為210.8 cd/m2，其周邊水面亮度為84 cd/m2左右，無明顯眩光影響。基于模擬分析得知，水面間接眩光通過帶有粗糙內飾面的鋸齒形天窗或導光管系統兩種采光手段均可有效避免。

圖10 鋸齒形天窗冬至日12:00室內亮度模擬結果Fig.10 Results of luminance simulation of saw-toothed skylight at 12:00 in the winter solstice

圖11 導光管系統夏至日12:00室內亮度模擬結果Fig.11 Results of luminance simulation of light guide tube at 12:00 in the summer solstice

2.5 對比分析

從游泳館的天然采光要求出發(fā)，對鋸齒形天窗和兩種導光管方案進行對比，比較不同方案的室內照度、采光系數、采光均勻度等指標，如表6所示。由表6可知，導光管方案的采光更加均勻，且防眩光效果更佳，但綜合成本造價考慮，要達到一定照度成本太高，而鋸齒形天窗方案采光系數、照度和采光均勻度均可滿足要求，同時無眩光影響，因此本游泳館最終采用鋸齒形天窗方案。

表6 采光方式對比

3 結束語

將天然光應用于建筑工程具有節(jié)約能源的重要意義[10]。對于游泳館場地的光環(huán)境設計的特殊性，天然采光口的設計尤為重要，通過本文模擬分析可知，在以無棣縣為例的Ⅳ類光氣候地區(qū)，游泳館采用天然采光方式時布置40°天窗角度的鋸齒形天窗，且?guī)в写植诙葹?.30的白色乳膠漆內飾層是較適宜且經濟的方式。同時我們認為，其他地區(qū)游泳館也可采用此種分析模式對采光口的模式進行優(yōu)化設計。