傳統(tǒng)民居光環(huán)境實(shí)測(cè)與模擬優(yōu)化
——以黔東南丹寨縣黃土寨苗族民居為例

黃海靜，董 張

(重慶大學(xué) a.建筑城規(guī)學(xué)院; b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

傳統(tǒng)民居基本由村民自主建造，極少考慮建筑的光環(huán)境設(shè)計(jì)，建造時(shí)受當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)文化的影響和技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的制約，室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量普遍較差。光環(huán)境影響人體的視覺舒適、生理與心理健康[1-2]，傳統(tǒng)民居的室內(nèi)光環(huán)境亟待改善。國內(nèi)部分學(xué)者已關(guān)注到民居的光環(huán)境問題，并進(jìn)行了有益的探索。如李莉萍[3]測(cè)量和比較了不同生態(tài)環(huán)境和地理氣候下云南地區(qū)幾種典型哈尼族民居的采光系數(shù)，并從房間開窗和應(yīng)用新型材料等方面提出室內(nèi)光環(huán)境的改善建議。在對(duì)重慶地區(qū)民居的窗地比、采光系數(shù)、照度均勻度等光環(huán)境現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上[4-6]，李苑等[5]從改善天然采光性能的角度提出渝東南地區(qū)民居的營建策略；翟逸波[6]基于傳統(tǒng)民居天然采光界面的差異，提出針對(duì)單界面和多界面的采光技術(shù)策略。譚潔等[7]對(duì)孝感地區(qū)明清民居進(jìn)行測(cè)繪，研究天井形態(tài)對(duì)民居光環(huán)境的影響，并探討其影響機(jī)制在建筑中庭空間的應(yīng)用。何苗等[8]對(duì)閩南沿海地區(qū)民居的室內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)調(diào)研，應(yīng)用軟件模擬對(duì)民居光環(huán)境影響因素進(jìn)行分析，并提出了優(yōu)化策略?，F(xiàn)有光環(huán)境分析多基于測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)傳統(tǒng)民居空間特征關(guān)注不足；而且光環(huán)境優(yōu)化除了滿足采光性能要求，還應(yīng)整合考慮建筑的保護(hù)性改造策略。

不同地域的民居建筑空間及光環(huán)境特征不同。目前，針對(duì)黔東南傳統(tǒng)民居的研究多集中于其空間形態(tài)特征和室內(nèi)濕熱環(huán)境，而對(duì)光環(huán)境的研究十分欠缺。黔東南苗族侗族自治州位于貴州省東南部，州境內(nèi)大部分地區(qū)海拔500～1 000 m；處于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)和Ⅴ類光氣候區(qū)，年平均氣溫為14～18 ℃，降雨量1 000～1 500 mm，相對(duì)濕度為78%～84%，年日照時(shí)數(shù)為1 068～1 296 h，天然光的年總平均照度低于30 klx，總體呈現(xiàn)出雨量大、濕度高、云霧多、日照少的氣候特征[9-10]，州境內(nèi)傳統(tǒng)民居室內(nèi)采光效果差，對(duì)其進(jìn)行適宜性改造尤為必要。

黃土寨位于貴州丹寨縣城西南側(cè)，距丹寨縣城約1 km，常住人口700余人。村寨依山而建，順等高線層層跌落，呈明顯向心性布局。村寨中現(xiàn)有許多保留較好的傳統(tǒng)苗族民居(約占50%)依然在使用，形成了新老建筑并存、傳統(tǒng)與現(xiàn)代交融的風(fēng)貌(見圖1)，映射出時(shí)代發(fā)展背景下中國傳統(tǒng)村落的普遍現(xiàn)狀[11]。

圖1 黃土寨布局形態(tài)

黃土寨的傳統(tǒng)民居都是村民自建，建造時(shí)因防御功能的需求、傳統(tǒng)生活方式的影響，以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的制約，房間開窗少且窗口小，室內(nèi)光線微弱。隨著村寨規(guī)模的擴(kuò)展，部分民居修建于北坡，因受山體遮擋，其室內(nèi)天然光環(huán)境較南坡民居要差[12]。為滿足現(xiàn)代生活需求，一些村民開始自發(fā)地對(duì)傳統(tǒng)民居進(jìn)行擴(kuò)建，以期改善室內(nèi)光環(huán)境，但由于村民自發(fā)改造，采光效果不能完全滿足要求。因此，科學(xué)分析傳統(tǒng)民居的光環(huán)境現(xiàn)狀，結(jié)合建筑空間特征研究保護(hù)性改造的適宜策略，營造滿足居住及視覺需求的傳統(tǒng)民居光環(huán)境顯得尤為重要。

1 光環(huán)境現(xiàn)狀測(cè)試及分析

現(xiàn)狀調(diào)研以黃土寨中原始風(fēng)貌保存較好的一棟苗族民居為實(shí)測(cè)對(duì)象(見圖2和圖3)，該民居所在地海拔970 m，朝向北偏東75°；面闊3間，進(jìn)深4間，穿斗式結(jié)構(gòu)，主要材料為杉木，小青瓦懸山屋頂；是典型“下畜上人”的苗族民居功能布局模式，由一樓畜養(yǎng)及儲(chǔ)藏層、二樓居住及閣樓層構(gòu)成。

圖2 測(cè)試的苗族民居

圖3 測(cè)試民居室內(nèi)采光實(shí)景

選取該民居室內(nèi)主要功能房間進(jìn)行測(cè)試，包括客廳(A)、堂屋(B)、主臥(C)、廚房(D)、餐廳(E)。其中，次臥與主臥功能和空間形態(tài)類似，不重復(fù)測(cè)量；底層為畜圈及農(nóng)具儲(chǔ)藏，不住人，未測(cè)量；二層的退堂是半室外陽臺(tái)，不在測(cè)量范圍內(nèi)。測(cè)試時(shí)段為2018年7月17日至2018年7月19日每天的10:00～15:00。測(cè)試采用網(wǎng)格法均勻布點(diǎn)，布點(diǎn)間距為1 m，工作面高度為0.75 m(見圖4)。

圖4 民居測(cè)點(diǎn)布置示意圖

測(cè)試在全陰天天氣下進(jìn)行，實(shí)測(cè)室外天然光照度值為11.2 klx。黃土寨所在的黔東南地區(qū)屬于Ⅴ類光氣候區(qū)，根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 50033—2013)》[13]確定各房間窗地比標(biāo)準(zhǔn)值，將實(shí)測(cè)所得窗地比值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，如表1所示。該民居的主要功能房間的窗地比均遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)值，室內(nèi)采光面嚴(yán)重不足，其中廚房、客廳、臥室的窗地比與標(biāo)準(zhǔn)的差值極大。

表1 窗地比實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比

根據(jù)實(shí)測(cè)照度值(見表2)計(jì)算得到的采光系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比顯示，該民居主要功能房間采光系數(shù)均遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)值，其中堂屋采光系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值相差較大，客廳、廚房也差距較大(見表3)。

表2 主要功能房間實(shí)測(cè)照度值及相關(guān)數(shù)據(jù)

綜合表1～表3分析發(fā)現(xiàn)：①堂屋的窗地比遠(yuǎn)大于其他房間，但其采光系數(shù)卻最低，原因是堂屋外有退堂，光線需經(jīng)退堂空間才能射入堂屋；②客廳與主臥的窗地比相同，但采光系數(shù)僅為主臥的1/2，且其照度均勻度也比主臥差。這與房間形態(tài)及開窗方式有關(guān)，客廳進(jìn)深較大且窗戶開在短邊墻體上，因而客廳深處采光較差；而主臥進(jìn)深較小，窗戶開在長邊墻體上，光線更易到達(dá)房間深處。

表3 采光系數(shù)實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比

2 光環(huán)境模擬及優(yōu)化分析

2.1 光環(huán)境模擬參數(shù)設(shè)置

針對(duì)民居光環(huán)境現(xiàn)狀問題，運(yùn)用Ecotect Analysis 2011對(duì)其室內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行模擬。根據(jù)《采光測(cè)量方法(GB/T 5699—2017)》[14]《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 50033—2013)》設(shè)置模擬參數(shù)：天空照度模型設(shè)為全陰天空，室外天空照度值及模擬時(shí)間與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致；工作面取0.75 m高處，測(cè)點(diǎn)間距為50 mm；該民居室內(nèi)地板、天花板、墻體均為棕色杉木板，其反射系數(shù)取值0.15；窗戶為單層6 mm普通白玻、木窗框、窗戶潔凈程度一般，設(shè)為Average Windows(即x=0.75)。

將原室內(nèi)采光系數(shù)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，其誤差率僅4.3%～7.6%(見表4)。在驗(yàn)證其可行性的基礎(chǔ)上，從采光系數(shù)[15]、照度和照度均勻度幾個(gè)方面，進(jìn)行光環(huán)境模擬分析評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。為排除窗戶潔凈程度對(duì)模擬結(jié)果的影響，優(yōu)化模擬中將窗戶潔凈程度設(shè)為Clean Windows(即x=1)，模擬結(jié)果如圖5所示。

表4 原室內(nèi)采光系數(shù)模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖5 潔凈窗戶時(shí)采光系數(shù)模擬結(jié)果

2.2 光環(huán)境優(yōu)化模擬分析

2.2.1 增加外墻開窗

對(duì)傳統(tǒng)民居光環(huán)境的改造優(yōu)化，以建筑風(fēng)貌影響最小化為前提，根據(jù)外墻木板格構(gòu)關(guān)系(外墻木板寬度為150～300 mm)，采用主要功能房間原有窗戶的構(gòu)成單元尺寸(主要為400 mm×800 mm和650 mm×650 mm 2種)為模數(shù)，在外墻上均勻增加開窗(見圖6)。根據(jù)窗地比標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算得出客廳和廚房(餐廳)各需增加6扇窗戶，堂屋和3間臥室各需增加2扇窗戶，以此為依據(jù)建立優(yōu)化模型并計(jì)算，如圖7和表5所示?？梢钥吹剑黾娱_窗能提升室內(nèi)采光系數(shù)和照度均勻度，除堂屋各項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值以外，其余房間的平均照度和采光系數(shù)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；客廳、廚房(餐廳)增設(shè)窗戶數(shù)量過多，對(duì)建筑風(fēng)貌影響較大，但同時(shí)這2個(gè)房間的采光系數(shù)增幅也最大，因此，實(shí)際改造中可考慮適當(dāng)減少開窗數(shù)量并結(jié)合其他措施進(jìn)行整合優(yōu)化來滿足采光要求。

圖6 外墻開窗示意圖

圖7 增加開窗后采光系數(shù)模擬結(jié)果

表5 增加開窗前后數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2.2 提高室內(nèi)反射比

由于該民居室內(nèi)界面均為杉木板，不適合粉刷，提高室內(nèi)反射比較好的方式是使用淺色墻紙。根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 50033—2013)》將室內(nèi)房間的墻體、樓板、天花板的反射系數(shù)均設(shè)為0.72，模擬結(jié)果如圖8和表6所示?？梢钥吹剑瑔渭兺ㄟ^淺色墻紙來提高室內(nèi)反射比一定程度上能改善室內(nèi)采光效果，但各房間提升幅度不大，除餐廳外，其余房間的采光系數(shù)和照度值仍未達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 提高室內(nèi)反射比后采光系數(shù)模擬結(jié)果

表6 提高室內(nèi)反射比前后數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2.3 增設(shè)頂部采光口

1)屋頂設(shè)置亮瓦：由于閣樓(閣樓是苗族傳統(tǒng)民居重要的儲(chǔ)藏空間和熱濕環(huán)境的調(diào)節(jié)空間，一般設(shè)置在堂屋以外的房間上方)的存在，僅在通高的堂屋屋頂處增設(shè)亮瓦。傳統(tǒng)民居中亮瓦設(shè)置為3列或5列，一列3片。據(jù)窗地比標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算得到需增加的采光面積，在堂屋屋頂均勻布置8處亮瓦，每處3列，一列3片，亮瓦為底瓦，蓋瓦采用小青瓦(見圖9(a))，以減小對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)貌的影響。

2)特殊部位頂部采光：利用民居臥室上部的檐下空間設(shè)置頂部采光口，以窗地比標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算得到需增加的采光口面積為參考，在每個(gè)臥室頂部均勻增加3個(gè)采光口(見圖9(b))；因臥室一側(cè)非建筑主要形象面，且采光口位于屋檐下，對(duì)建筑風(fēng)貌影響較小。模擬結(jié)果如圖10和表7所示，增設(shè)頂部采光口后，各房間的室內(nèi)采光系數(shù)大幅提高，均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求；室內(nèi)照度均勻度提升效果顯著，尤其是堂屋；主臥和堂屋的室內(nèi)照度值雖沒有達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，但差距不大。總體來說，增設(shè)頂部采光口能使室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量得到極大改善。

圖9 頂部采光口示意圖

圖10 增設(shè)頂部采光口后采光系數(shù)模擬結(jié)果

表7 增設(shè)頂部采光口前后數(shù)據(jù)對(duì)比

3 傳統(tǒng)民居光環(huán)境綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

由模擬結(jié)果可知，增加開窗能大幅提高室內(nèi)照度和均勻度，但部分房間增加開窗的數(shù)量過多，會(huì)對(duì)建筑傳統(tǒng)風(fēng)貌造成破壞；提高室內(nèi)反射比能整體提高室內(nèi)采光系數(shù)和照度均勻度，但效果不佳，不能使室內(nèi)采光系數(shù)和照度達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)值；堂屋屋頂增設(shè)亮瓦、臥室利用檐下空間增設(shè)頂部采光口能極大程度地提升室內(nèi)采光系數(shù)和照度均勻度。

基于上述單項(xiàng)優(yōu)化結(jié)果分析，統(tǒng)籌考慮地域氣候、采光需求、建筑風(fēng)貌、空間結(jié)構(gòu)及材料特性等因素，提出綜合優(yōu)化措施，即：二層所有房間均采用淺色墻紙，其反射系數(shù)為0.72；客廳和廚房/餐廳在建筑山墻上對(duì)應(yīng)位置各增加2個(gè)開窗，每個(gè)開窗面積為0.42 m2；堂屋空間在屋頂上均勻布置6處亮瓦，亮瓦總面積為0.96 m2；3個(gè)臥室在建筑檐下各增設(shè)1個(gè)頂部采光口，每個(gè)采光口面積為0.72 m2。模擬分析顯示，民居的主要功能房間的采光系數(shù)和平均照度值均高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求，且照度均勻度明顯提升(見圖11和表8)。

圖11 綜合優(yōu)化后采光系數(shù)模擬結(jié)果

表8 綜合優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比

由此，可總結(jié)出傳統(tǒng)民居光環(huán)境綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)策略如下：

1)以對(duì)原建筑風(fēng)貌和結(jié)構(gòu)影響最小化為民居改造前提，根據(jù)采光需求，綜合考慮原民居立面板材格構(gòu)關(guān)系，在山墻面適當(dāng)增設(shè)采光窗口(見圖12)，確定其位置、形態(tài)與排列方式[16]。當(dāng)增設(shè)采光窗口有難度時(shí)，可考慮將全木門(苗族民居多為格扇門[17])替換為上部帶玻璃格柵的木門(見圖13)，改善室內(nèi)光環(huán)境。

圖12 增設(shè)采光口示意

圖13 木門改造示意

2)該類傳統(tǒng)民居為木結(jié)構(gòu)，室內(nèi)界面均由杉木板拼接而成，且層高較矮，僅2.2 m，不適合粉刷、吊頂和鋪設(shè)地面磚，宜采用淺色墻紙整體提高室內(nèi)照度，并可減弱室內(nèi)眩光引起的視覺不適(見表9)。

表9 室內(nèi)界面各優(yōu)化措施對(duì)比

3)對(duì)于無閣樓的空間可考慮在屋頂適當(dāng)位置均勻設(shè)置亮瓦(見圖14)；對(duì)于上部有閣樓的房間，可充分利用建筑的空間特征，在一些不顯眼、不影響建筑風(fēng)貌的部位(如檐下)考慮開設(shè)可開啟的輔助采光口(見圖15)，既能改善采光，又利于通風(fēng)。

圖14 屋頂亮瓦設(shè)置示意

圖15 檐下采光口設(shè)置示意

4)由于房間亮光集中在采光口附近，不易達(dá)到房間深處，且該地區(qū)民居夏季需考慮遮陽，因此可考慮在采光窗內(nèi)部設(shè)置可調(diào)節(jié)的反光百葉(見圖16)，夏季正午可阻擋并反射過強(qiáng)的直射光，冬季和夏季午后又可將天然光反射到天花板，并漫射到室內(nèi)空間，使光線更易到達(dá)房間深處，照度均勻度更佳。

圖16 可調(diào)反光百葉示意圖

5)結(jié)合黔東南四季分明、濕度高、日照少的氣候特征和居民日常生活方式，可考慮夏季將外門開啟輔助采光，既改善民居室內(nèi)采光質(zhì)量，也能使室內(nèi)獲得良好的通風(fēng)效果以帶走室內(nèi)濕熱空氣，但同時(shí)應(yīng)考慮門洞的遮陽設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 論

從傳統(tǒng)民居的光環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)研入手，對(duì)黔東南地區(qū)丹寨縣黃土寨的一棟典型苗族民居的窗地比、室內(nèi)照度及采光系數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果顯示，該傳統(tǒng)民居的主要功能房間的采光性能遠(yuǎn)低于國家建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量差。對(duì)各房間的采光數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指出室內(nèi)光環(huán)境受采光口大小及其位置分布、室內(nèi)空間形態(tài)、室內(nèi)表面材料的反射性能等因素的影響。在此基礎(chǔ)上，通過軟件模擬對(duì)各影響因素進(jìn)行量化和對(duì)比分析，結(jié)合黔東南地區(qū)的氣候特征，以對(duì)原建筑風(fēng)貌和空間結(jié)構(gòu)的影響最小化為改造前提，提出傳統(tǒng)民居光環(huán)境綜合優(yōu)化改造策略：1)山墻面適當(dāng)增加采光窗，或?qū)⑷鹃T替換為上部帶花格柵玻璃的木門；2)無閣樓房間可增設(shè)屋面亮瓦，有閣樓房間可增設(shè)檐下頂部采光口；3)結(jié)合內(nèi)墻材料鋪貼淺色墻紙，整體提高室內(nèi)照度；4)在采光口上部設(shè)置可調(diào)節(jié)反光百葉，既可遮擋太陽直射又可提高照度均勻度；等等。