高校體育館天然采光現(xiàn)狀調(diào)查研究

范 晴，張明宇，劉彥汝，王 琛

(天津大學(xué) 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

引言

體育館具有“數(shù)量眾多”、“使用頻率高”的特點，現(xiàn)存高校體育館采光設(shè)計粗放，采光缺陷明顯，視覺舒適度差，人工照明能耗過高。合理利用天然光能降低其能耗，提供良好的室內(nèi)環(huán)境。從視功能試驗來看，人眼在天然光下比人工光下具有更高的視覺效應(yīng)，并感到舒適和有益于身心健康[1]，對于體育館建筑而言，天然采光更有助于提高體育訓(xùn)練和比賽的水平。新《建筑采光設(shè)計標準》(GB 50033—2013)[2]對體育建筑室內(nèi)的采光指標進行規(guī)定，為改善體育館采光質(zhì)量提供了保障。多數(shù)學(xué)者[3-5]在體育建筑的采光問題上，主要對其建筑能耗問題進行探討。較少學(xué)者[6，7]專門研究討論學(xué)校體育館的天然采光問題。近年來，在單一體育館采光設(shè)計優(yōu)化上取得進展[8，9]，但缺乏對優(yōu)化國內(nèi)高校體育館采光問題的普適性。本文基于國家自然科學(xué)基金(51578368)，增加測試了廣州、武漢、大連三地16座高校體育館，結(jié)合此標準[2，10]對場館采光水平進行評價分析，探討其影響因素，提出采光口優(yōu)化建議，為優(yōu)化高校體育館天然采光質(zhì)量提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 調(diào)研方案

1.1 調(diào)研目的與對象

目的：調(diào)查廣州、武漢和大連高校體育館空間信息和天然采光質(zhì)量現(xiàn)狀。

對象：本文為課題的前期調(diào)研部分，研究范圍選在基金項目中設(shè)定的廣州、武漢(光氣候Ⅳ區(qū))和大連(光氣候Ⅲ區(qū))。一是因為此典型地區(qū)高校分布密集，綜合性院校和專業(yè)性院校均有涵蓋；二是按標準[2]中以室外天然光年平均總照度值劃分，廣州、武漢為光氣候Ⅳ區(qū)典型地區(qū)，大連為光氣候Ⅲ區(qū)典型地區(qū)，補充現(xiàn)只有京津光氣候Ⅲ區(qū)高校體育館測試數(shù)據(jù)的空白。

1.2 調(diào)研內(nèi)容及方法

1)時間:選擇當天太陽光最穩(wěn)定的時間段10:00—14:00；廣州、武漢測試在冬至日前后全陰天條件下,大連測試在春分日前后，由于天氣狀況，選在全晴天條件下。

表1 體育館基本情況

2)指標:室內(nèi)、室外的水平照度，場地內(nèi)工作面照度、地面照度。

3)測量儀器:照度計(動態(tài)范圍:0.01～10 000 lx、0.1～100 000 lx)、測距儀(Leica Disto D5)、皮尺，如圖1所示。

圖1 測試儀器(從左到右依次為照度計、三腳架、皮尺、測距儀)Fig.1 Testing instruments (from left to right are illuminometer, tripod, tape ruler, range finder)

4)測試方法

測試方法根據(jù)《采光測量方法》(GB/T 5699—2017)[10]制定:

a)根據(jù)采光口布置和建筑柱網(wǎng)跨度，在典型橫縱剖面上間隔3 m或4 m均勻布點，活動場地區(qū)域及場地周圍在距離場地周圍墻面1 m布點;

b)工作面選取距離地面0.8 m高的水平面為假定工作面;

c)室外照度和室內(nèi)照度同時進行測量;

d)測點距離墻、柱為0.5～1.0 m，單側(cè)采光時應(yīng)在距離內(nèi)墻1 m處設(shè)一測點，雙側(cè)采光時應(yīng)在橫剖面中間設(shè)置一個測點。

5)注意事項

a)摒除人工光的干擾，在只利用天然光的條件下進行現(xiàn)場調(diào)研;

b)在維持場地采光口常態(tài)(有些采光口長期處于遮蔽狀態(tài)，調(diào)研時不改變采光口的遮蔽狀態(tài))的情況下進行調(diào)研，并對采光口遮蔽情況進行記錄。

2 調(diào)研結(jié)果統(tǒng)計與分析評價

2.1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實地測量數(shù)據(jù)進一步計算，具體計算方法如下：

點的采光系數(shù)為

(1)

采光系數(shù)平均值為

(2)

采光均勻度為

(3)

式中：En——室內(nèi)照度，單位lx；Ew——室外照度，單位lx；Cmin——采光系數(shù)最低值，用百分比(%)表示；M——縱向測點數(shù)；N——橫向測點數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 評價參數(shù)

采光效果的評價參數(shù)可以分為兩類，室內(nèi)照度和采光系數(shù)等用于表征采光數(shù)量，采光均勻度等用于表征采光質(zhì)量。據(jù)《建筑采光設(shè)計標準》(GB 50033—2013)[2]中對體育建筑的規(guī)定見表2。

表2 體育建筑采光標準值

按照高校體育館使用類型，體育館場地屬于采光等級Ⅳ級。對于采光均勻度，標準中僅針對頂部天窗采光規(guī)定標準值為0.7，側(cè)窗采光由于照度變化太大，標準中不做規(guī)定。故本文中不考慮側(cè)窗采光的均勻度參數(shù)。

2.2.2 側(cè)窗采光體育館

1)室內(nèi)照度平均值

在采光口形式為側(cè)窗采光的4座體育館中，照度平均值均不滿足側(cè)面采光室內(nèi)天然光照度標準值。如圖2所示，在未開人工照明的情況下，武漢大學(xué)工學(xué)部體育館的照度平均值最差，僅有22.4 lx，照度平均值最好的大連醫(yī)科大學(xué)風雨館，四立面全開矩形高側(cè)窗和部分低側(cè)窗補充采光，仍不能滿足天然采光的要求?？梢娙珎?cè)窗采光條件下體育館難以達到標準300 lx的規(guī)定。

圖2 高校側(cè)窗采光體育館比賽廳室內(nèi)照度平均值Fig.2 Average interior illuminance of competition hall in side window lighting gymnasium

2)采光系數(shù)平均值

如圖4所示，4座側(cè)窗采光體育館的采光系數(shù)平均值均未達到采光系數(shù)標準值要求，并遠低于標準值，場館室內(nèi)采光嚴重不足。武漢理工大學(xué)東區(qū)籃球館的采光系數(shù)平均值高于大連醫(yī)科大學(xué)羽毛球館，兩座體育館同為兩側(cè)側(cè)窗采光(圖5)，由于武漢理工大學(xué)東區(qū)籃球館的采光口窗高更高，面積更大，室內(nèi)采光系數(shù)隨側(cè)窗面積的增大而增大。

圖4 側(cè)窗采光體育館的采光系數(shù)平均值Fig.4 Average daylight factor of side window lighting gymnasium

圖5 武漢理工大學(xué)東區(qū)籃球館(左)、大連醫(yī)科大學(xué)羽毛球館(右)Fig.5 East district basketball hall of Wuhan University of Technology(left)、badminton hall of Dalian Medical University(right)

2.2.3 天窗采光體育館

1)室內(nèi)照度平均值

如圖6所示，采光口形式為天窗采光的12座體育館，共6座體育館照度平均值滿足150 lx頂部室內(nèi)天然光照度標準值，占總數(shù)的50%。光氣候Ⅲ區(qū)中，3座體育館均滿足頂部室內(nèi)天然光照度標準值。光氣候Ⅳ區(qū)中，武漢大學(xué)卓爾體育館照度平均值最高179.3 lx，中山大學(xué)體育館照度平均值最低。發(fā)現(xiàn)比賽廳照度平均值較高的體育館天窗采光口形式普遍為平天窗，多為集中式、均勻分散式，并伴有側(cè)窗輔助采光。

圖6 高校天窗采光體育館比賽廳室內(nèi)照度平均值Fig.6 Average interior illuminance of skylight gymnasium competition hall

2)采光系數(shù)平均值

如圖7所示，僅有光氣候Ⅲ區(qū)的大連外國語大學(xué)球類館，大連理工大學(xué)體育館和光氣候Ⅳ區(qū)的卓爾體育館滿足天窗采光系數(shù)標準值，其余均不符合規(guī)范要求。中山大學(xué)體育館和華南理工大學(xué)體育館的采光系數(shù)平均值僅為0.015%、0.041%。通過調(diào)研判斷可能原因如下：

圖7 高校天窗采光體育館比賽廳采光系數(shù)平均值Fig.7 Average daylight factor of skylight lighting gymnasium

a)據(jù)場館內(nèi)的運動人群反映，多數(shù)體育館僅靠天然采光很難滿足運動時對照度的要求。猜測原因是由于2013年之前采光設(shè)計規(guī)范沒有明確對體育建筑采光等級，及沒有特別對采光指標進行規(guī)定，所以已建成的大部分體育館在設(shè)計階段未針對采光環(huán)境進行深入考量，導(dǎo)致日后使用中光環(huán)境較差。

b)如圖8所示，中山大學(xué)體育館天窗面積過小且開口位置不在訓(xùn)練場地正上方，側(cè)窗朝向西側(cè)并有遮擋導(dǎo)致平均照度過低，整體采光環(huán)境不好。華南理工大學(xué)體育館側(cè)窗經(jīng)常有窗簾遮擋，天窗形式為多排矩形天窗[1]，采光特性與高側(cè)窗相似，采光數(shù)量不如平天窗采光數(shù)量多，但均勻性更好。

圖8 中山大學(xué)體育館(左)、華南理工大學(xué)體育館(右)Fig.8 Stadium of Sun Yat-sen University(left)、comprehensive stadium of South China Normal University(right)

c)采光系數(shù)較高的武漢大學(xué)卓爾體育館為2017年新建(圖9)，集中式條形天窗布置在屋面中部屋脊處，均勻性和采光系數(shù)平均值較好；大連外國語大學(xué)體育館一側(cè)為看臺，三面全為落地采光窗，并有均勻分布式矩形天窗，無采光死角，室內(nèi)平均照度值相對較高，因此采光系數(shù)平均值較好。

圖9 武漢大學(xué)卓爾體育館(左)、大連外國語大學(xué)體育館(右)Fig.9 Zhuo Er Stadium of Wuhan University(left)、stadium of Dalian University of Foreign Languages(right)

3)采光均勻度

高校體育館采光均勻度對比見圖10，可知12座天窗采光體育館均不符合規(guī)范中對采光均勻度的規(guī)定，華南理工大學(xué)體育館、大連外國語大學(xué)體育館、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)體育館和中山大學(xué)體育館情況相對較好，但仍與標準[2]中采光均勻度標準值存在差距。整體來看，調(diào)研中12座高校體育館采光均勻度都不容樂觀。

圖10 高校體育館比賽廳室內(nèi)采光均勻度Fig.10 Uniformity ratio of daylighting in competition hall of gymnasium

2.3 綜合評價

通過對廣州、武漢、大連高校體育館調(diào)研測試及計算得出數(shù)據(jù)(表3)可知，在16座高校體育館中，每座都存在不同程度的不達標情況。建筑師在設(shè)計階段考慮到體育館對天然采光的需求，但缺乏專業(yè)的采光設(shè)計，導(dǎo)致采光數(shù)量和質(zhì)量出現(xiàn)不均衡達標的情況。例如，武漢大學(xué)卓爾體育館和大連理工大學(xué)體育館在均滿足照度平均值和采光系數(shù)平均值的情況下，均勻度僅為0.31和0.24。均勻度(0.53)最好的華南理工大學(xué)體育館，照度平均值僅為5.4 lx，采光系數(shù)平均值僅為0.041%，嚴重不滿足規(guī)范要求。

表3 綜合統(tǒng)計表

從整體情況來看，同一光氣候分區(qū)下，天窗采光條件下體育館的照度平均值普遍高于側(cè)窗采光條件下體育館照度平均值。采光口形式以天窗為主的體育館大部分存在采光口面積不足或分布不合理的現(xiàn)象，而全側(cè)窗采光的場館采光環(huán)境不佳，難以達到標準要求。

3 影響原因及優(yōu)化建議

3.1 采光問題引起原因

綜合本次調(diào)研3地2光氣候分區(qū)16座高校體育館以及相關(guān)文獻[14-17]，歸納出引起采光問題的3點主要原因，以及影響體育館室內(nèi)光環(huán)境的因素：

1)地域性光氣候條件不同

室內(nèi)的天然光環(huán)境隨室外光氣候條件影響而時刻變化。由實測數(shù)據(jù)可知，不同光氣候分區(qū)，其館內(nèi)的采光數(shù)量、質(zhì)量有明顯差異，受太陽、天氣條件、地理位置等因素的影響，因此在采光設(shè)計策略上最好結(jié)合當?shù)毓鈿夂驐l件進行適應(yīng)性設(shè)計來應(yīng)對動態(tài)變化的自然因素。

2)建筑周圍環(huán)境或室內(nèi)非必要因素遮擋

暨南大學(xué)邵逸夫體育館、華南理工大學(xué)體育館、武漢大學(xué)工學(xué)部體育館等都有部分采光口被構(gòu)筑物、樹木等遮擋的情況，有些體育館采光口長期處于窗簾遮蔽狀態(tài)，影響其館內(nèi)天然光環(huán)境和采光評價指標，體育館設(shè)計師應(yīng)合理選擇采光方式避免遮擋影響，并在后期場館使用維護方面注意遮蔽影響。

3)采光布置方式

體育館采光布置方式指采光口的形式、位置、面積等。采光口形式以天窗為主的體育館采光質(zhì)量相較于以側(cè)窗的更好。全側(cè)窗采光的體育館，如單側(cè)采光的大連醫(yī)科大學(xué)羽毛球館內(nèi)部分場地采光質(zhì)量極差，因為側(cè)窗采光口設(shè)計不合理導(dǎo)致采光系數(shù)小、采光均勻度差。在天窗采光條件下的體育館，如果采光口面積過大，如大連外國語大學(xué)球類館，采光系數(shù)較大，采光口下方易形成光斑，破壞室內(nèi)的光環(huán)境質(zhì)量。面積過小，如中山大學(xué)體育館，室內(nèi)天然光照度嚴重不足，無法滿足正常使用要求。因此建筑師在設(shè)計時應(yīng)綜合考慮建筑形式的美觀和對自然采光利用和節(jié)能[18]的問題。

3.2 采光方式影響因素

1)側(cè)窗采光

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，多數(shù)高校體育館選取側(cè)窗采光的原因：一是建筑設(shè)計條件所限，只能依靠側(cè)窗采光；二是側(cè)窗作為一種輔助采光手段。僅使用側(cè)窗采光的體育館易造成比賽場地照度較低、窗口過亮的情況，導(dǎo)致室內(nèi)采光曲線的不平衡[7]，難以滿足比賽場地內(nèi)應(yīng)有視覺焦點的感受，但可以通過提高側(cè)窗位置高度得到改善。提高側(cè)窗高度可增強室內(nèi)離窗口較遠區(qū)域的采光及室內(nèi)的采光均勻度。

常見高校體育館側(cè)窗布置形式分為高側(cè)窗、中側(cè)窗和低側(cè)窗三種類型。如圖11所示，以凈高15.0 m體育館為例，高側(cè)窗、低側(cè)窗分別距離頂棚和地面1.0 m(《體育建筑設(shè)計規(guī)范》(JGJ 31—2003)[19]中6.2.7條明確規(guī)定綜合體育館比賽場地上空凈高不應(yīng)小于15.0 m)。高校體育館由于布置觀眾席，中側(cè)窗設(shè)置過少，因此低側(cè)窗和高側(cè)窗被應(yīng)用較多。但是在采光口與運動員視線的仰角在0°～27°時，處于強眩光區(qū)[1]，對于視線處于區(qū)間的運動員，低側(cè)窗經(jīng)常成為運動員或者運動器械的背景，形成不舒適眩光。New York Daylighting Collaborative NYSERDA[20]提出在側(cè)界面采光中高側(cè)窗具有優(yōu)越性，當采光口面積為定值時，可通過增加側(cè)窗的高度來提高室內(nèi)光環(huán)境的質(zhì)量，所以選取高側(cè)窗為宜。

圖11 體育館低、中、高側(cè)窗示意圖Fig.11 Uniformity ratio of daylighting in competition hall of gymnasium

當側(cè)窗采光作為輔助采光時，建筑師在設(shè)計階段會根據(jù)立面形式隨意布置側(cè)窗位置及形式，容易造成不合理采光口布置方式或者面積過大或過小，導(dǎo)致采光環(huán)境較差。因此，側(cè)窗采光朝向設(shè)計需結(jié)合當?shù)毓鈿夂騾^(qū)特點，根據(jù)訓(xùn)練場地的方向進行設(shè)計。當體育館內(nèi)比賽場地以東西向為主導(dǎo)方向時，應(yīng)避免在西側(cè)開側(cè)窗采光因太陽西曬而引起眩光問題，同時要考慮單側(cè)采光引起館內(nèi)采光均勻度差的情況。

2)天窗采光

大部分高校體育館頂部采光口形式為平天窗，因平天窗采光效率高，且布置靈活，易于達到均勻的照度[2]，所以在高校體育館天窗采光形式中選用更多，其布置形式主要分為集中式和均勻分散式，如表4均勻分散式天窗、集中式矩形天窗示意圖，少數(shù)采用特殊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的特殊造型采光方式[13]。

表4 均勻分散式天窗、集中式矩形天窗示意圖

天窗在屋面的位置影響采光均勻度和采光系數(shù)，當集中式天窗布置在屋面中部偏屋脊處，室內(nèi)平均照度值和采光系數(shù)平均值較好，如武漢大學(xué)卓爾體育館(圖9左)、華南師范大學(xué)體育館(圖12左)，集中式采光在理論上具有照度集中性，活動場地具有良好的視覺導(dǎo)向性；當天窗布置為均勻分布式，如圖12(右)暨南邵逸夫體育館，在采光系數(shù)同樣時，較布置在屋脊處的集中式天窗的采光均勻度更高。

圖12 華南師范大學(xué)體育館天窗布置圖(左)、暨南邵逸夫體育館天窗布置圖(右)Fig.12 Comprehensive stadium of South China Normal University(left)、Shao Yifu stadium of Jinan University(right)

從調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，當天窗窗地比較小時，天窗面積對均勻度的影響不大；當天窗窗地比較大時，隨著天窗面積的增加反而會影響室內(nèi)的采光均勻度，如華南理工大學(xué)體育館天窗面積小，形式為多排矩形天窗，均勻度卻最好。因此建筑師可以通過合理設(shè)計天窗的形式和位置，使訓(xùn)練比賽區(qū)域光線明亮且室內(nèi)照度分布均勻，突出空間室內(nèi)環(huán)境，營造良好的室內(nèi)導(dǎo)向性。

3.3 采光口優(yōu)化建議

天窗采光效率高于側(cè)窗采光，且照度分布更均勻，眩光的幾率更小，因此在高校體育館的自然采光優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)以天窗采光為主，側(cè)窗采光為輔，以此來提高采光質(zhì)量。在現(xiàn)有高校體育館采光問題上，天窗采光設(shè)計不能單純地僅依靠加大天窗采光口面積來增強室內(nèi)的采光均勻度，應(yīng)同時設(shè)置雙側(cè)窗采光有利于室內(nèi)采光均勻度的提高。因此，高校體育館采光設(shè)計應(yīng)全面考慮天窗和側(cè)窗的采光口情況進行策略調(diào)整。

天窗形式選擇建議從均勻分散式和集中式兩種形式中綜合考慮。從采光數(shù)量方面看，均勻分散式和集中式天窗較其他天窗形式可獲取更多的天然光；從采光質(zhì)量方面看，兩天窗形式采光均勻度較好，但通過實地調(diào)研驗證了均勻分散式天窗比集中式天窗的采光均勻度更高，因為在窗地比一定時，垂直采光天窗密度對采光系數(shù)影響較?。粡膱鲳^光環(huán)境營造方面看，集中式矩形天窗具有良好的視覺導(dǎo)向性，可根據(jù)需要進行選擇。在天窗布置方式上建議集中式天窗布置在屋脊處或比賽廳中心線上方，分散式天窗均勻分布在比賽場地上方。且整體天窗面積不宜過大，滿足采光需求和照度標準即可。側(cè)窗建議選擇雙側(cè)高側(cè)窗，窗間隔盡量小，采光面積不宜過大，并結(jié)合當?shù)毓猸h(huán)境特點，考慮室外遮擋物影響因素進行設(shè)計；如選擇低側(cè)窗，建議避開運動員比賽主導(dǎo)方向背景墻。

4 結(jié)束語

通過現(xiàn)場測量、調(diào)查問卷等方式得到16座國內(nèi)高校體育館的基礎(chǔ)采光質(zhì)量數(shù)據(jù)，結(jié)合采光標準[2]對現(xiàn)有高校體育館的天然采光進行了分析和評價。發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)高校體育館采光現(xiàn)狀不容樂觀，得到以下結(jié)論：

1)由于地域性光氣候條件不同、建筑周圍遮擋和采光口遮蔽因素，采光布置方式選擇不當，引起目前高校體育館采光問題；

2)以天窗采光為主(側(cè)窗采光為輔)的高校體育館采光質(zhì)量要高于側(cè)窗采光的體育館，本文從采光口形式、布置條件等方向提出不同采光方式對采光指標的主要影響因素；

3)提出高校體育館采光口優(yōu)化的建議：以天窗采光為主，雙側(cè)窗采光為輔，天窗形式選擇集中式或分散式，布置在屋脊處或均勻分布比賽場地上方。側(cè)窗選擇雙側(cè)高側(cè)窗，并設(shè)計在場地非比賽主導(dǎo)方向的背景墻上。

本文內(nèi)容為下一步分析、總結(jié)國內(nèi)學(xué)校體育館采光口的形式、特征和建立體育館典型采光模型提供基礎(chǔ)資料。同時提出高校體育館采光口優(yōu)化的建議，希望借此引起建筑師在體育館建筑設(shè)計對天然采光利用的考慮，優(yōu)化館內(nèi)采光環(huán)境。

致謝:感謝國家自然科學(xué)基金項目《基于多目標優(yōu)化分析的學(xué)校體育館天然采光設(shè)計理論研究》(51578368)對本文的大力支持。