寒地辦公建筑夾層空間自然采光性能參數(shù)化模擬研究*

孫 澄 訾 迎 韓昀松 SUN Cheng, ZI Ying, HAN Yunsong

1 研究背景

我國辦公建筑照明能耗約占建筑總能耗的10%～30%[1]，充分利用自然采光、減少人工照明能耗對節(jié)能減排有重要意義。相比人工照明，自然采光更利于保證身心健康、提高工作效率[2-5]，辦公建筑自然采光設(shè)計對提升室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)意義重大[6-7]。近年來，在城市化進(jìn)程加快與知識型經(jīng)濟(jì)發(fā)展大背景下，人們的工作形式更靈活，辦公空間呈現(xiàn)出開放性、共享性等特征[8]。其中，帶有夾層的辦公空間能充分利用空間，提升了辦公空間的靈活性，在辦公建筑設(shè)計與改造中的應(yīng)用日益廣泛[9]。

國內(nèi)外學(xué)者對開放辦公建筑的采光性能進(jìn)行了廣泛研究。蘭新如等以采光系數(shù)為評價指標(biāo)，模擬分析了高層開放辦公建筑的窗墻比、進(jìn)深、房間材質(zhì)以及室外照度等參數(shù)對距窗5 m外區(qū)域自然采光的影響，并提出了遠(yuǎn)窗區(qū)域采光系數(shù)平均值預(yù)測方程[10]。查全芳以我國中緯度地區(qū)城市為例，通過模擬實(shí)驗(yàn)得出窗地比與窗臺高度對大進(jìn)深辦公建筑采光系數(shù)影響較大的結(jié)論[11]。弗朗西斯科·戈亞（Francesco Goia）基于歐洲中緯度地區(qū)的光氣候特征，提出辦公建筑窗墻比理想?yún)^(qū)間為0.3～0.45[12]。王立雄等通過正交實(shí)驗(yàn)提出寒冷地區(qū)辦公建筑窗地比為1/3、開間8 m、進(jìn)深5 m時采光性能較好[13]。王飛翔以DA450為評價指標(biāo)，通過模擬分析得出透射率、窗朝向、窗高度對寒地大進(jìn)深辦公建筑自然采光性能影響較大，且高于室內(nèi)表面反射比對采光性能的影響[14]。肖輝等從使用者自然采光主觀需求出發(fā)，通過調(diào)研分析得出使用者最滿意的窗墻比區(qū)間為0.4～0.6，窗高為1 m[15]，黃海靜等從遮陽形式入手，探討了建筑立面表現(xiàn)、形態(tài)塑造與建筑遮陽有機(jī)結(jié)合的問題[16]。

既有研究從建筑形態(tài)與材料光學(xué)屬性等方面對開放辦公建筑采光性能的影響因素展開了廣泛探討，這類研究多針對建筑空間圍護(hù)結(jié)構(gòu)展開，對于室內(nèi)采光界面變化的關(guān)注相對較少。夾層置入是空間重塑的常見方法，夾層形狀、布局位置以及面積大小等方面差異較大，對建筑室內(nèi)采光情況的影響也較為復(fù)雜，研究夾層空間形態(tài)對室內(nèi)自然采光性能的影響可輔助建筑師制定天然采光設(shè)計決策。本研究旨在針對開放辦公建筑夾層空間的自然采光性能，應(yīng)用參數(shù)化模擬工具分析夾層空間形態(tài)參數(shù)對室內(nèi)自然采光性能的影響，為辦公建筑夾層空間設(shè)計與改造提供參考。

2 辦公空間自然采光性能參數(shù)化模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計

2.1 自然采光性能評價指標(biāo)

2.1.1全天然采光百分比（DA）

全天然采光百分比是指室內(nèi)某一測點(diǎn)在全年中單獨(dú)依靠自然采光時滿足室內(nèi)最小照度值要求的時間百分比，如式1[17]：

該指標(biāo)最早于 1989 年提出，2001 年由萊因哈特（Reinhart）等人進(jìn)行了修正[18]。相比采光系數(shù)，全天然采光百分比體現(xiàn)了地域性光氣候?qū)ㄖ匀徊晒庑阅艿挠绊?，可以更全面、真?shí)地評價建筑的自然采光水平[19]。研究根據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033—2013相關(guān)規(guī)定，將450 lx作為室內(nèi)采光設(shè)計最小照度[20]。

2.1.2有效天然采光照度百分比（UDI）

有效天然采光照度百分比是指滿足室內(nèi)工作面照度水平要求范圍的時間占全年需采光時間的百分比[21]：

該指標(biāo)由納比爾（Nabil）等人于2005年提出，以100 lx和2 000 lx為上下限值，將UDI劃分為3 個區(qū)間：有效（100～2000 lx）、過低（<100 lx）和過高（>2 000 lx）。過低值域意味著采光不足，過高則易產(chǎn)生眩光。相比采光系數(shù)，UDI指標(biāo)在統(tǒng)籌考慮建筑全年自然采光性能的同時還考慮了眩光等視覺不舒適情況對自然采光性能的影響。

若僅采用DA450作為評價指標(biāo)，會忽略100～450 lx以及2 000 lx以上照度區(qū)間的采光評價，而100～450 lx區(qū)間的自然采光照度可緩解人工照明的壓力，2 000 lx以上區(qū)間則容易產(chǎn)生眩光風(fēng)險；若僅采用UDI100-2000作為評價指標(biāo)，則無法衡量建筑完全依賴自然采光的時間比例。因此，研究同時以DA450與UDI100-2000作為寒地辦公建筑夾層空間自然采光性能的評價指標(biāo)。

2.2 自然采光參數(shù)化模擬模型建構(gòu)

如圖1所示，建立南向開放辦公建筑模型為模擬模型，開間10.0 m，進(jìn)深12.0 m，房間凈高6.0 m，室內(nèi)夾層層高3.0 m，夾層樓板厚度0.2 m。建筑采光形式為單側(cè)窗采光，根據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50033—2013、《辦公建筑設(shè)計規(guī)范》JGJ67—2006的相關(guān)要求，窗地比設(shè)定為1/5[20,22]。

圖1 辦公空間模型Fig.1 the office room model

研究采用計算機(jī)模擬方法進(jìn)行動態(tài)自然采光性能模擬[23-24]，基于Grasshopper參數(shù)化平臺，構(gòu)建自然采光性能參數(shù)化模擬模型[25]，應(yīng)用DIVA協(xié)同Radiance、Daysim計算模型與Grasshopper參數(shù)化平臺，建立辦公空間幾何參數(shù)模塊、夾層空間形態(tài)設(shè)計模塊、材質(zhì)參數(shù)設(shè)置模塊、采光模擬與可視化模塊以及數(shù)據(jù)輸出模塊（圖2），輸入哈爾濱氣象文件作為模擬光氣候數(shù)據(jù)，模擬參數(shù)如表1所示。

圖2 自然采光性能參數(shù)化模擬模型Fig.1 parametric daylight performance simulation model

表1 Radiance模擬參數(shù)Tab. 1 radiance ambient parameters

根據(jù)《采光測量方法》GB/T 5699—2017相關(guān)規(guī)定[26]，設(shè)置距地面垂直高度0.75 m的水平面為照度計算平面，根據(jù)室內(nèi)空間面積大小，將計算平面劃分為1.0 m×1.0 m的分析網(wǎng)格，測點(diǎn)位于各網(wǎng)格中心，測點(diǎn)間距為1.0 m。依據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50033-2013的相關(guān)規(guī)定，設(shè)置典型模型內(nèi)表面與玻璃等材質(zhì)的光學(xué)參數(shù)如表 2 所示。

表2 材料光學(xué)參數(shù)Tab. 2 material properties

2.3 自然采光性能參數(shù)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計

研究總結(jié)與提取夾層空間在辦公空間內(nèi)的設(shè)計手法，采用控制變量法，以夾層布局位置、夾層面積占底層面積的比例（夾層面積占比）以及夾層退離窗口距離與房間進(jìn)深之比（夾層退窗比例）為實(shí)驗(yàn)變量，通過模擬實(shí)驗(yàn)解析各因素對寒地辦公建筑夾層空間自然采光性能的影響（圖3），共設(shè)置 42組模擬對比實(shí)驗(yàn)。

圖3 自然采光模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計Fig.3 parametric daylight performance simulation design

夾層布局位置：夾層空間在室內(nèi)的布置通常以矩形平面為原型，通過多種排布、組合、變形等形成豐富的夾層空間，本研究根據(jù)夾層空間與建筑底層的相對位置，分為南側(cè)布局位置、北側(cè)布局位置、東側(cè)布局位置、西側(cè)布局位置 4 種典型布局。

夾層面積占比：夾層作為室內(nèi)采光界面的組成部分，通過對不同夾層面積占比的模擬，可以研究夾層大小對室內(nèi)自然采光性能的影響。為保證夾層的可用性，研究設(shè)置夾層面積占比范圍為30%～80%，變化步長為10% 。

夾層退窗比例：對于南北側(cè)夾層布局形式，研究控制夾層面積不變，以10%為步長，改變夾層退窗距離與房間進(jìn)深之比，進(jìn)而探究其對辦公空間室內(nèi)自然采光性能的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 夾層布局位置對室內(nèi)采光性能的影響

圖4與圖5顯示了夾層布局位置對夾層開放辦公空間內(nèi)底層空間、夾層空間以及室內(nèi)總體的DA450與UDI100-2000的影響。如圖4所示，對于底層空間，北側(cè)夾層布置方式下的DA450最高，東西側(cè)次之且數(shù)值接近，南側(cè)夾層布置方式下的DA450較低，北側(cè)布局較南側(cè)布局高約20%；夾層空間模擬數(shù)值與底層空間差異較大，南側(cè)夾層布置方式下DA450最高，東西側(cè)次之且數(shù)值接近，北側(cè)夾層布置方式較低，夾層面積較小時南北側(cè)布局差異可達(dá)70%以上；從室內(nèi)整體來看，四種布局方式下DA450數(shù)值相近，東西側(cè)布置方式相似且最高，北側(cè)布置次之，南側(cè)布置方式相對較低，四種布局間差異控制在5%以內(nèi)。如圖5所示，對于底層空間，南側(cè)布局方式下UDI100-2000最高，東西側(cè)次之且數(shù)值接近，北側(cè)夾層布置方式較低；夾層空間與室內(nèi)總體在UDI100-2000上體現(xiàn)出與夾層底部空間相同的趨勢。

圖4 夾層位置對于DA450的影響Fig.4 the influence of the site of the mezzanine on DA450

圖5 夾層位置對于UDI100-2000的影響Fig.5 the influence of the site of the mezzanine on UDI100-2000

夾層布局位置的不同會對底層與夾層部分的自然采光性能產(chǎn)生較大影響，其中南北側(cè)布局差異最大。在夾層占比不同的情況下，北側(cè)夾層布置方式在室內(nèi)DA450水平上存在優(yōu)勢，這與夾層遠(yuǎn)離窗口因而室內(nèi)有足夠的進(jìn)光量有較大關(guān)系；南側(cè)夾層由于靠近窗口，阻擋了室內(nèi)進(jìn)光造成夾層下部底層空間進(jìn)光量降低的現(xiàn)象。然而進(jìn)光量的減少使得室內(nèi)超過UDI100-2000上限照度的時間減少，從而增加了室內(nèi)處于有效照度的累計時間。

3.2 夾層面積占比對室內(nèi)自然采光性能影響

圖6與圖7顯示了不同夾層面積占比對夾層開放辦公空間內(nèi)底層空間、夾層空間以及室內(nèi)總體的DA450與UDI100-2000的影響。如圖6所示，底層空間DA450值隨夾層面積占比的增加逐漸降低；對于夾層空間，南側(cè)夾層布置方式下DA450值隨夾層面積占比的增加下降，東西側(cè)夾層布置方式下DA450值保持得相對穩(wěn)定，北側(cè)夾層布置方式下的DA450值呈上升趨勢；從室內(nèi)整體來看，DA450值隨夾層面積占比的增加下降，夾層面積占比提升50%時，室內(nèi)整體DA450下降約15%。如圖7所示，底層空間與室內(nèi)整體UDI100-2000隨夾層面積占比的增加逐漸降低；對于夾層空間，東西側(cè)夾層布置方式下UDI100-2000隨夾層面積占比的增加輕微降低，南側(cè)夾層布置方式下UDI100-2000呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)夾層面積占比為50%時，UDI100-2000達(dá)到最高點(diǎn)，北側(cè)夾層布置方式下夾層空間UDI100-2000隨夾層面積占比的增加逐漸提高并趨于穩(wěn)定。

圖6 夾層面積占比對于DA450的影響Fig.6 the influence of the area ratio of the mezzanine to entire room on DA450

圖7 夾層面積占比對于UDI100-2000的影響Fig.7 the influence of the area ratio of the mezzanine to entire room on UDI100-2000

隨著夾層面積的增加，夾層底層空間進(jìn)光量降低，整體照度下降，室內(nèi)DA450值降低。夾層面積占比對夾層空間的影響相對多變，對于南北側(cè)夾層空間，隨著夾層面積的增大，夾層空間處于有效照度區(qū)間的面積增大，照度因此呈上升趨勢，而南側(cè)夾層深處的照度隨進(jìn)深的增加逐漸降低，再次出現(xiàn)下降趨勢，北向夾層面積的增大使得近窗區(qū)的面積增大，整體照度水平提高，有效采光照度時間繼續(xù)提升。東西側(cè)夾層面積的改變并未引起夾層在房間進(jìn)深方向的采光變化，說明東西側(cè)夾層空間的自然采光性能對面積的改變不敏感。

3.3 夾層退窗比例對室內(nèi)采光性能影響

圖8和圖9顯示了南側(cè)夾層布置方式下夾層退離窗的距離與房間進(jìn)深比值對夾層開放辦公空間內(nèi)底層空間、夾層空間以及室內(nèi)總體的DA450與UDI100-2000的影響。如圖8所示，底層空間的DA450值隨夾層退窗比例的增加逐漸提高，當(dāng)退窗比例由0%提高到50%時，夾層底層DA450值可提升約20%；夾層空間DA450值隨夾層退窗占比的增加而顯著降低，當(dāng)退窗比例由0%提高到50%時，夾層空間DA450值下降50%以上；室內(nèi)整體DA450值隨著夾層退窗比例的逐漸增加而呈現(xiàn)出下降—上升—下降的微小變化趨勢，但是變化幅度小于4%，夾層面積占比較大時變化相對明顯。如圖9所示，底層空間UDI100-2000隨夾層退窗距離的增加逐漸下降并趨于平緩，夾層空間UDI100-2000隨夾層退窗比例的增加呈先上升后下降的趨勢。在夾層面積占比為30%與40%的情況下，退窗比例為20%時UDI100-2000達(dá)到最高點(diǎn)，在夾層面積占比大于50%的情況下，退窗比例為10%時UDI100-2000達(dá)到最高點(diǎn)，而室內(nèi)整體UDI100-2000隨夾層退窗距離增加逐漸降低，降幅較小。

圖8 夾層退窗比例對于DA450的影響Fig.8 the influence of the ratio of back distance of the mezzanine to the depth on DA450

圖9 夾層退窗比例對于UDI100-2000的影響Fig.9 the influence of the ratio of back distance of the mezzanine to the depth on UDI100-2000

夾層退離距離的改變影響了室內(nèi)采光分布狀況，隨著夾層退離窗口距離的增大，夾層對于室內(nèi)進(jìn)光量的阻擋作用減弱，底層照度水平提高，DA450提高，增加了底層空間的照明節(jié)能潛力，與此同時，照度值超出有效照度區(qū)間的采光時間增大，造成夾層UDI100-2000減??；對于夾層部分，隨著退窗距離的增加，照度水平下降，照度值超出有效照度區(qū)間上限的采光時間減少，因此增加夾層退窗距離有利于提高夾層UDI100-2000，但隨著夾層后退距離的進(jìn)一步提高，照度持續(xù)下降，UDI100-2000也隨之下降。

4 總結(jié)

本文應(yīng)用參數(shù)化模擬工具對寒地開放辦公建筑夾層空間的自然采光性能進(jìn)行了動態(tài)模擬，分析了夾層布局位置、夾層面積占比、夾層退窗比例等建筑內(nèi)部夾層空間形態(tài)因素對開放辦公空間自然采光性能的影響。研究實(shí)踐表明，東西南北四種布置方式下的DA450值較為相近，東西側(cè)布置方式具有相對優(yōu)勢；南側(cè)夾層布置方式在UDI100-2000方面優(yōu)于北側(cè)以及東西側(cè)夾層布置方式，可以改善室內(nèi)自然采光有效照度時間，是辦公室夾層設(shè)計與改造時的理想布局選擇。在不同的夾層布置方式下，夾層面積的增加對室內(nèi)的整體自然采光性能有減弱作用，當(dāng)南側(cè)布置夾層時，夾層空間UDI100-2000在夾層面積占比為50%時達(dá)到最高值。對于南側(cè)布置夾層的辦公空間，提高夾層距離窗的距離可以增加室內(nèi)的進(jìn)光量，有利于提升夾層底層空間的照明節(jié)能潛力，但會降低其自然采光有效照度時間；適當(dāng)提高夾層后退距離有利于提升夾層空間的自然采光有效照度時間，對于夾層面積占比小于50%的夾層空間，夾層退窗比例為20%時最佳，對于夾層面積占比高于50%的夾層空間，夾層退窗比例為10%時最佳。研究可為開放辦公建筑夾層空間設(shè)計與既有建筑空間改造提供一定的參考與支持，在實(shí)際的辦公空間夾層設(shè)計與改造中，夾層空間的呈現(xiàn)形式更加多變與豐富，在今后的研究中可進(jìn)一步探討更多復(fù)雜形式的夾層辦公空間的自然采光性能，同時可以將眩光等其他采光評價方法進(jìn)一步應(yīng)用于相關(guān)研究，提高自然采光性能權(quán)衡與建筑設(shè)計決策制定的全面性與合理性。

圖表來源：

圖1-9：作者繪制

表1-2：作者繪制