生態(tài)建筑的材質(zhì)對(duì)自然光的影響研究

肖迎蕾

（武漢工程大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院 湖北武漢 430000）

在建筑設(shè)計(jì)中，自然光的合理應(yīng)用是建筑可持續(xù)發(fā)展的必要途徑，也是將現(xiàn)代建筑與自然元素的高度結(jié)合的重要手段。在滿足人類對(duì)生活和居住要求的同時(shí)，也促進(jìn)了現(xiàn)代建筑的可持續(xù)發(fā)展。如今，新的建筑材質(zhì)、結(jié)構(gòu)工藝、施工方式的大量出現(xiàn)，使現(xiàn)代建筑形式擁有了更多改變和可能性?，F(xiàn)在的自然采光技術(shù)中使用了大量的新材料和新技術(shù)。在優(yōu)秀的生態(tài)建筑案例中，自然采光的設(shè)計(jì)將會(huì)涉及到很多學(xué)科和領(lǐng)域，也需要多個(gè)方面的技術(shù)配合才能實(shí)現(xiàn)。除了建筑學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，還會(huì)涉及材料學(xué)、光學(xué)、機(jī)械學(xué)、自動(dòng)控制等其他學(xué)科領(lǐng)域。

1 自然光在生態(tài)建筑中的作用

1.1 自然光有助于調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境

建筑的自然采光是生態(tài)建筑中的重要組成部分，自然光對(duì)調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境有著不可或缺的作用。由于自然光具備照度平均、眩光小、光色好、持久性好的特點(diǎn)，它在對(duì)展現(xiàn)建筑藝術(shù)的塑造、體現(xiàn)材料的質(zhì)感、真實(shí)反映建筑物體的外形特征、渲染室內(nèi)環(huán)境的氣氛以及美化環(huán)境和實(shí)施構(gòu)圖技巧等都很重要。我們可以根據(jù)空間和物體對(duì)采光的不同需求，對(duì)光照進(jìn)行人為的控制，還可以達(dá)到不一樣的光照效果。

1.2 自然光有助于人們的身心健康和提高工作效率

自然光照也是提高人們健康和身心感受的重要原因之一，它可以用于治療特殊疾病或者為人們提供視覺(jué)上的撫慰，在醫(yī)院的建筑中的作用非常明顯。同時(shí)它還有可以提高工作效率的作用。據(jù)研究表明，如果在辦公室通過(guò)采用高質(zhì)量的自然光進(jìn)行照明，員工的工作效率能得到顯著的提高（可提高15%），并且員工的礦工率也會(huì)大大降低。同理，在教學(xué)環(huán)境中運(yùn)用自然采光，對(duì)學(xué)生的身心健康和學(xué)習(xí)效率也有很大的益處。

1.3 自然采光能夠減少建筑耗能

從生態(tài)建筑設(shè)計(jì)的角度來(lái)講，自然采光還能夠減少建筑的耗能，從而減少對(duì)環(huán)境的損害。根據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，在發(fā)達(dá)國(guó)家照明所消耗的能源超過(guò)了總耗能的9%，就我國(guó)發(fā)達(dá)地區(qū)，每年在照明上消耗能源約占總耗能的6%～9%。由于大部分建筑中都是以人工照明為主，因此每年建筑總耗能中約有30%～50%都是人工照明所消耗。如果能合理設(shè)計(jì)，自然光完全可以為建筑室內(nèi)提供高質(zhì)量的照明，可以大大減少人工造照明的能耗。自然光在給室內(nèi)提供照明的同時(shí)還具有調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度的作用，尤其是在高緯度地區(qū)，在建筑的設(shè)計(jì)上用來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的主要手段就是自然光引入，這樣可以減少室內(nèi)暖氣的使用量，減少耗能。自然光與現(xiàn)代建筑的相結(jié)合也正是現(xiàn)在所倡導(dǎo)的低碳節(jié)能的設(shè)計(jì)理念和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

2 自然光在生態(tài)建筑中的運(yùn)用

2.1 直接自然采光

在建造房屋時(shí)，為了獲得自然光源人們會(huì)在建筑物的墻壁和屋頂上設(shè)計(jì)各種形式的洞口，并安裝上透光率較好的材料（如玻璃和有機(jī)玻璃），用來(lái)防止風(fēng)雨雪的侵襲，裝有這些材質(zhì)的窗口被稱之為采光口。除了采光窗口之外，現(xiàn)代建筑中還會(huì)采用玻璃幕墻進(jìn)行直接采光的方式。如今高層的玻璃幕墻建筑已成為城市中不可阻擋的趨勢(shì)和主流，玻璃幕墻改變了傳統(tǒng)建筑外墻的形式，減少了鋼材和混凝土的使用，這對(duì)于降低建筑材料的高能耗，達(dá)到節(jié)能降耗和節(jié)約資源的目的非常有幫助。另外，玻璃幕墻是能夠再循環(huán)利用的，這也符合環(huán)保的條件。

2.2 光導(dǎo)照明

對(duì)于一些不能使用自然光直接照明的區(qū)域，可以采用光導(dǎo)照明的方式。近些年來(lái)，在國(guó)外興起了一種新型的照明裝置——自然光導(dǎo)照明系統(tǒng)。該裝置能把太陽(yáng)光線重新分配后再進(jìn)行傳輸，能把室外的光線傳輸?shù)绞覂?nèi)任何需要自然光的地方，來(lái)獲得自然光帶來(lái)的特殊照明效果。

3 建筑的材質(zhì)對(duì)光線的影響

自然光是在建筑設(shè)計(jì)中表現(xiàn)材質(zhì)特征設(shè)計(jì)好壞的關(guān)鍵點(diǎn)。每種材料都有其自身的特質(zhì)，這決定了它有自己最佳的表達(dá)方式。設(shè)計(jì)師的目的是創(chuàng)造出一個(gè)舒適的光環(huán)境并展現(xiàn)建筑的材質(zhì)特性，以達(dá)到一種藝術(shù)效果。

3.1 玻璃材質(zhì)

玻璃材質(zhì)由于它的采光效果好，是在現(xiàn)代建筑中使用最為普遍的建筑材質(zhì)之一。選擇合適的玻璃材質(zhì)對(duì)建筑自然采光和建筑保溫節(jié)能都是至關(guān)重要的。玻璃材料多種多樣，其中透明玻璃是最常見(jiàn)的，它價(jià)格便宜且具可見(jiàn)光透過(guò)率較高，能獲得較多的光線，但透明玻璃具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和遮陽(yáng)系數(shù)，并且保溫和隔熱性能較差，如果長(zhǎng)期用于建筑的門窗處，它的耗能約占建筑總耗能的50%，不利于節(jié)能。而吸熱玻璃是一種能透光可見(jiàn)，吸收熱輻射，防止一定熱輻射透過(guò)的玻璃。其主要的特點(diǎn)是吸收太陽(yáng)光譜中的輻射熱，降低空調(diào)的冷負(fù)荷；使刺眼的光線變得柔和舒適，具有良好的防眩效果，吸收太陽(yáng)光譜中的紫外線光能，減少紫外線對(duì)人體和室內(nèi)物品的傷害。熱反射玻璃的熱反射能力很強(qiáng)，防止太陽(yáng)輻射非常有效，該玻璃有多種顏色可供選擇，透光性較弱，可用于需要解決高亮度比引起的眩光問(wèn)題的建筑物上，也可用于避免太陽(yáng)輻射較大所引起的空調(diào)冷負(fù)荷增加的區(qū)域。玻璃材質(zhì)中還包括玻璃磚，當(dāng)光線透過(guò)玻璃磚，使原本強(qiáng)烈的直射光線失去了原本的方向并且變得模糊，但陽(yáng)光仍然可以照射進(jìn)來(lái)充滿整個(gè)空間，同時(shí)也減少了光污染，營(yíng)造出一種溫馨柔和的空間感覺(jué)。光線的柔和效果使空間結(jié)構(gòu)失去了體量感。建筑的內(nèi)部空間和相對(duì)比較暗淡的空間，玻璃磚就在中間起到了光源作用，把原本刺眼的光線變得柔和了，感覺(jué)不到是光線發(fā)揮的作用，而是玻璃磚自己像是一塊塊晶瑩剔透的發(fā)光體。

3.2 木材

木材不能被稱之為光敏感材料，它的美在于當(dāng)它沉浸在光環(huán)境之中時(shí)能傳達(dá)給人一種溫暖的感覺(jué)。木材自身的顏色和紋理就很多樣，當(dāng)光線打到它的表面時(shí)，它們就開(kāi)始相互作用，光線似乎可以滲透到木材上，使木材產(chǎn)生一種很有光澤，又很柔和的效果，同時(shí)光線照射在木材的表面時(shí)，好像也能被木材吸收了，使之變得溫暖、致密，具有充分的表現(xiàn)力。

3.3 金屬材料

金屬是一種光敏材料，任何光線的變化都會(huì)在上面迅速得到反應(yīng)。在陽(yáng)光充裕的地區(qū)，陽(yáng)光打在拋光金屬上，往往會(huì)產(chǎn)生很多的眩光和刺眼的光線，造成一定的光污染，使用起來(lái)要十分的謹(jǐn)慎。目前，在建筑中我們更多采用的是磨砂金屬表面，這種材料更加的舒緩，讓人感覺(jué)很舒服，可以看成是一個(gè)表面上產(chǎn)生均勻連續(xù)的效果，但是金屬本身特有的活性幾乎喪失，其個(gè)性和采光的敏感性也相對(duì)減弱。金屬還有很強(qiáng)的可塑性，造型多變，它被廣泛用作現(xiàn)代生態(tài)建筑的表皮。如：比爾與美琳達(dá)蓋茨大樓就巧妙運(yùn)用了金屬材料，建筑物的某些區(qū)域被可開(kāi)合的多孔玻璃隔開(kāi)，并覆蓋有多孔不銹鋼板在其外側(cè)，當(dāng)陽(yáng)光普照時(shí)，直射光可以轉(zhuǎn)換為漫射柔和的光，同時(shí)也安裝了可以控制光質(zhì)的三維墻多孔不銹鋼板幕墻，即阻擋了直射光線又保證了視野。

4 新型的建筑材料對(duì)采光的影響

4.1 膜材料

膜結(jié)構(gòu)通常由高強(qiáng)度和柔性膜材料制成，其具有良好的抗拉伸強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、耐熱性和耐久性。其中ETFE薄膜是一種非纖維編織物基材的材質(zhì)，也是膜結(jié)構(gòu)中最常用的高性能材料。不同顏色得ETFE膜有不同的透光率，透明膜的透光率在90%～95%之間，一般超白玻璃透光率在92%，而普通玻璃為86%。例如，德國(guó)慕尼黑的安聯(lián)球場(chǎng)就大量采用了這種新型的膜材料，整個(gè)建筑外部區(qū)域都是由光滑且可擴(kuò)展的ETFE膜材料制成，每到夜幕降臨時(shí)，可以發(fā)出不同顏色的光。這個(gè)建筑建造用的近3000塊充氣板都是由薄膜組成，其中98%是半透明的，它可以使足球場(chǎng)的草坪吸收足夠的自然光，而無(wú)需像其他普通足球場(chǎng)一樣要按期更換草坪。是現(xiàn)代生態(tài)建筑的經(jīng)典案例。

在膜材料中，PTFE膜結(jié)構(gòu)也是其中的一種，它最大的優(yōu)點(diǎn)在于有較高的耐久性、防火性與防污染性，但是與ETFE膜材料相比，其材料成本和加工成本較高，柔軟度較低。施工中為避免玻璃纖維斷裂，必須采用特有的工具與施工工藝。例如，北京地鐵西二旗車站的屋面、立面維護(hù)材料和結(jié)構(gòu)就是用此材料制成，整體空間內(nèi)部是一個(gè)長(zhǎng)而大的空間，幾乎無(wú)承重柱。由于PTFE膜結(jié)構(gòu)的半透光特性，白天無(wú)需人工照明即可在站內(nèi)獲得充足而柔和的光線。夜晚十分，車站內(nèi)的燈光也可以透射出去，外觀看上去像兩個(gè)閃閃發(fā)光的紙燈籠，為準(zhǔn)備乘車的人指引方向。

4.2 半透明石頭

建筑師所用于建筑材料的石頭當(dāng)中有種半透明效果的石頭，這種材質(zhì)的石頭具有與眾不同的表現(xiàn)能力。相比其他石材，半透明的石頭有很好的透明度，但它的魅力只能通過(guò)光線來(lái)表達(dá)。在作為建筑的物的立面時(shí)，半透明石材背面的光線可以呈現(xiàn)石材正面的自然紋理。例如，耶魯大學(xué)珍本圖書(shū)館就選用了透明的天然大理石板的作為建筑的外表面，入口和周圍的外墻都是棕色玻璃，以方便自然光線的滲透?；野咨y理的大理石板，它能通過(guò)一定量的外部光線，并同時(shí)阻隔太陽(yáng)的熱量和紫外線的攝入。在太陽(yáng)光下半透明石板能在室內(nèi)呈現(xiàn)出夢(mèng)幻般的景象，陽(yáng)光可以穿過(guò)這種大理石墻形成斑駁的光影，大理石圖案也清晰可見(jiàn)，就像一幅抽象的畫(huà)，也能透過(guò)大理石看到外面樹(shù)枝的影子流動(dòng)。

在我國(guó)的奧林匹克公園北部的中國(guó)國(guó)家美術(shù)館的外墻也是采用這種新型的透明石頭。這種石材在各種燈光下具有優(yōu)異的透光能力，它與自然光線相互映襯，并在不同的人工照明情況下產(chǎn)生變幻莫測(cè)的投影效果。還可以通過(guò)天氣和季節(jié)顯示出不斷變化的環(huán)境。此外，這種石材還可以根據(jù)人與展館之間的距離來(lái)展現(xiàn)出館內(nèi)奇特的內(nèi)容令人好奇。

4.3 透光混凝土

混凝土本是一種常見(jiàn)的建筑用材，但是把樸素的混凝土與透光材料巧妙的結(jié)合，它們就能像玻璃一樣透光，這就是透光混凝土的魔力。透光混凝土作為建筑材料，能夠滿足建筑結(jié)構(gòu)的安全性要求，如抗壓性、抗?jié)B性、耐久性、抗凍融等；還可以滿足室內(nèi)在采光、節(jié)約資源等方面的需要。目前，在中國(guó)使用透明混凝土最成功的案例是上海世博會(huì)意大利館。意大利館外墻采用復(fù)合體系，外圍采用透明混凝土堆砌，內(nèi)側(cè)是采用ETEE結(jié)構(gòu)，這樣充分解決了室內(nèi)部分空間的照明問(wèn)題解，達(dá)到了節(jié)能的效果。作為建筑材料，透明混凝白天可以利用自然光來(lái)減少人造光源的使用，有效地控制室內(nèi)溫度，減少紫外線輻射，并控制自然光對(duì)室內(nèi)物體的毀壞程度，增強(qiáng)室內(nèi)空間的整體美感其。實(shí)用透明混凝土建造的建筑物本身就是一件藝術(shù)品。

5 結(jié)語(yǔ)

盡管自然光的運(yùn)用只是生態(tài)建筑的一小部分，但它在建筑的外部環(huán)境與內(nèi)部環(huán)境之間的關(guān)系中起著重要作用。不同的建筑材質(zhì)對(duì)采光有不同的影響。如今，大量的新型采光材料和建筑技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，采光技術(shù)將使建筑的創(chuàng)造更有突破性，新材料的使用將使采光效果更有意義。從建筑環(huán)境的角度出發(fā)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)實(shí)情況，最大程度的運(yùn)用自然光，用恰當(dāng)?shù)男问綄⑵湟虢ㄖ校倮貌煌牟牧蠣I(yíng)造舒適的光環(huán)境，建立一個(gè)健康、舒適、生態(tài)、可持續(xù)的建筑環(huán)境，來(lái)改善我們的居住環(huán)境。