健康導向的參數(shù)化病房采光設計
——以重慶智慧醫(yī)院設計為例

胡廣梽，汪統(tǒng)岳，郝洛西

(1.華東建筑設計研究院有限公司，上海 200000；2.同濟大學 建筑與城市規(guī)劃學院，上海 200092；3.高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室(同濟大學)，上海 200092)

引言

新時代的醫(yī)院不僅僅要滿足治療疾病的功能，更要注重療愈空間的打造。住院部作為醫(yī)院七大類功能中占比最大的部分，所占面積達到了37%～41%[1]，而病房空間則是住院部所占面積最大的功能空間，也是住院患者長期居住的空間。一直以來，光環(huán)境都對人類健康有著重要的影響[2]。首先光可以影響人的視覺功能，長期惡劣的光環(huán)境容易引起視功能下降、視覺疲勞、作業(yè)績效降低，還妨礙活動的順利進行，引起近視、黃斑病變等疾??；其次，光對生物節(jié)律也有重要的影響，通過人眼中的第三類感光細胞，影響生物節(jié)律，包括睡眠、進食、新陳代謝、激素分泌以及免疫應答等生理過程；另外光環(huán)境能夠影響人的情緒，調(diào)節(jié)心理健康[3]。因此，在病房這樣注重對患者療愈效果的空間中，光環(huán)境的舒適度則是非常重要的設計要素。光環(huán)境的營造主要由天然采光和人工照明決定，而在一天的活動時間中，天然采光的占比對于病人來說更長，因此這里主要探究病房的天然采光設計。

參數(shù)化設計是指，建立變量之間的對應關(guān)系作為參數(shù)模型，以研究某些變量的改變所帶來的對其他變量的影響和最終結(jié)果[4]。在采光設計中，室內(nèi)光環(huán)境作為“因變量”，受到眾多“自變量”的影響和控制，例如病房層的平面布局、采光口尺寸等。將光環(huán)境與眾多影響因素建立參數(shù)模型，可以更加精確地研究其中的對應關(guān)系，確定合適的自變量以達到優(yōu)化病房光環(huán)境的目的。

1 天然采光評價指標

若要提升采光設計，首先要選取恰當?shù)牟晒庑Чu價指標。天然采光的評價指標多種多樣，主要可以分為兩種，其一是評價單一時間的靜態(tài)采光指標，另外則是反映整年采光效果的動態(tài)采光指標。前者通常選取全陰天條件下的特定時刻進行模擬分析；后者則通過將建筑所在地全年的氣象數(shù)據(jù)導入到軟件中，建立天空模型，以小時為單位分析全年的照度、天然光眩光概率等數(shù)據(jù)，全面評價采光效果，該種類型的指標更能全面反映真實情況的室內(nèi)光環(huán)境，對于提升病房空間的健康設計具有更加重要且直觀的作用。而在動態(tài)采光指標中，也可大致分為兩種方向，其一是反映某一觀測點的采光效果指標，其二則是反映某一空間范圍的采光效果指標。在眾多動態(tài)采光指標中，選取較為具有代表性的——天然光占比、有效天然光照度以及天然光眩光概率進行采光分析。

1.1 天然光占比

天然光占比(Daylight Autonomy，DA)指在全年范圍內(nèi)，依靠天然采光所營造的室內(nèi)光環(huán)境中，滿足最低照度要求的時間所占全年時間的百分比，它將全年8 760 h的采光情況納入計算之中，較為整體地描述了整年的天氣、氣候變化、建筑等要素對于室內(nèi)光環(huán)境的影響。但其局限性也較為明顯：只規(guī)定了最低照度要求，并沒有考慮照度過高時帶來的眩光等問題。但對于一些光照條件本身較為匱乏的地區(qū)，天然光占比這一指標還是具有一定的參考意義。

1.2 有效天然光照度

有效天然光照度(Useful Daylight Illuminance，UDI)描述的是在全年的范圍內(nèi)，室內(nèi)工作面上處于有效照度范圍內(nèi)的時間所占全年8 760 h的比例。2006年，Wienold等[5]通過研究將光環(huán)境的照度劃分為三個區(qū)間(表1)。相較于DA，UDI規(guī)定了一個范圍，將眩光等高照度情況納入模擬計算中，從而更加全面精確地進行采光評價。因此，選用UDI指標來進行后續(xù)的采光模擬評價。

表1 有效天然光照度區(qū)間

1.3 天然光眩光概率

天然光眩光概率(Daylight Glare Probability，DGP)是進一步評價室內(nèi)光環(huán)境由眩光影響下的舒適度的指標，它將人視野內(nèi)的總體亮度、眩光范圍和亮度，以及視覺對比差異等信息綜合考慮進來，使用了嚴謹?shù)姆椒ㄓ糜谟嬎?，貼切地考慮了使用者的感受[5]。并將DGP的值劃分為4個等級(表2)。由表2可知，DGP等級在0.4以內(nèi)時較為理想。

表2 DGP等級劃分

對于醫(yī)院病房來說，為了營造有利于病人健康的天然光環(huán)境，首先應當確保充足的光照，讓患者雖處于病房中卻能感受到自然的氛圍；其次過高的照度容易產(chǎn)生眩光，影響病人的視覺感受，特別是患有眼部疾病的患者。因此，理想情況下，室內(nèi)的天然采光照度應當處于一個充足但并不過高的范圍，選用UDI作為室內(nèi)光環(huán)境整體的評價標準較為合適。同時，應對病房中病人長期生活的區(qū)域進行眩光分析，利用DGP值進行量化，評價眩光情況以減少光污染對病人帶來的負面影響。

2 項目基本信息

重慶智慧醫(yī)院新建項目位于重慶市沙坪壩區(qū)香爐山街道，重慶科技學院(虎溪校區(qū))南側(cè)約230 m，大學城南一路北側(cè)。場地周圍多為居民區(qū)，在采光設計時應當考慮病房樓與高層住宅之間的相互影響。項目總用地面積約為22 000 m2，總建筑面積為78 910 m2，包含一個二級醫(yī)院綜合樓、一個疾控實驗樓和共享行政樓，二級醫(yī)院床位數(shù)為400床。在經(jīng)過周邊場地分析、用地功能分區(qū)分析以及各項功能用房面積梳理后，大致形成了如圖1所示的建筑布局和形體關(guān)系：疾控及實驗區(qū)位于場地全年主導風向的下風向處即東南角，住院區(qū)位于北側(cè)以減少場地南側(cè)高層住宅的影響，共享行政距離醫(yī)院和疾控中心較近，承擔過渡和銜接的作用。

圖1 初步的功能布局及形體關(guān)系Fig.1 Preliminary functional layout and physical relationship

重慶位于全國光氣候分區(qū)的第Ⅴ類分區(qū)，屬于全國太陽能資源最為匱乏的地區(qū)之一，常年陰天缺乏日照，天然光年平均總照度小于30 klx，因此該項目的病房光環(huán)境設計尤為重要，其中首要目的是確保病房內(nèi)部充足的光照。由于日照資源匱乏，眩光現(xiàn)象也較少，因此只選取最不利的傍晚時刻進行西向的眩光分析。

3 采光模擬分析及優(yōu)化

經(jīng)過初步的建筑體量設計后，需要針對病房的光環(huán)境進行相應的采光設計和光照模擬，將研究的變量之間構(gòu)建參數(shù)所存在的體系和對應的函數(shù)關(guān)系，使得參數(shù)之間在保持對應關(guān)系的前提下可以相互影響、相互決定。利用已有的“參數(shù)”來決定和影響需要的參數(shù)，形成動態(tài)的參數(shù)化模型[6]。根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化建筑設計，從而使得病房光環(huán)境達到理想的要求。

3.1 采光效果影響因素

首先需要確定的是影響病房采光情況的建筑設計變量。由于整體布局已經(jīng)確定，且住院樓的南側(cè)沒有遮擋，那么只需要考慮其自身的情況。

(1)住院樓的布局形體本身是否存在光照自遮擋的情況。在目前的體量形態(tài)下，選用“回”形和兩個“C”形錯動的形態(tài)進行對比計算(圖2)。

圖2 兩個“C”形(上圖)和“回”形(下圖)的住院樓形態(tài)Fig.2 The shape of the inpatient building with two “C” shapes (above)and a circular shape (below)

(2)住院樓各層護理單元中病房的朝向。南向房間受到更多的日照，東西向次之，北向最差。朝向南方的病房越多，則會更有可能享受到更好的日照條件。但在該項目中，受制于場地條件，病房樓整體形態(tài)大致為方形，只在南向布置病房滿足不了護理單元床位數(shù)的要求，只能沿東、南、西三個邊布置病房，因此并無太多可能性，不做過多討論。

(3)病房采光口。《建筑采光設計標準》(GB 50033—2013)[7]規(guī)定了不同光氣候分區(qū)的建筑應當滿足的窗地比，在滿足一定窗地比的情況下，采光口的尺寸對于內(nèi)部光環(huán)境也存在相應的影響。同時為了避免眩光，使室內(nèi)光環(huán)境處于相對舒適的DGP范圍，也要考慮遮陽設施的影響。

接下來將詳細研究(1)和(3)所述的布局方式、采光口尺寸以及遮陽設施對于室內(nèi)光環(huán)境的影響。

3.2 模型建立與采光模擬

首先按照既定的體量尺度、柱跨、病房尺寸進行參數(shù)化建模，并選取病房的標準層進行研究。選用了grasshopper平臺中的ladybug插件進行采光模擬。首先按照柱跨8.4 m確定房間尺寸：面寬半跨，即4.2 m；進深一跨，即8.4 m。其次根據(jù)住院樓形體的尺寸，病房若要在滿足床位數(shù)達到要求的同時(一層40～50床)享受到更多的光照，只能沿東、南、西側(cè)布置，醫(yī)生區(qū)、護理區(qū)和公共活動區(qū)位于住院樓中部。形成雙護理單元同層設置，可分可合，布置靈活；病房區(qū)、護理工作區(qū)、醫(yī)生工作區(qū)、公共活動區(qū)相輔相成；病員配餐服務、廢棄物收集服務，實現(xiàn)“潔進污出”的平面布局模式(圖3)。

圖3 兩個“C”形(左)與回形(右)的平面布局Fig.3 The approximate plane layout of two “C” shapes (left)and a circular shape (right)

接著將平面布局轉(zhuǎn)化為三維模型，由于主要研究病房的采光，因此將每間病房及其組合方式在模型中表達，并參考GB 50033—2013[7]對于墻面、玻璃等材質(zhì)要求，在ladybug平臺中賦予每間病房圍合面相應的光學參數(shù)，建立帶有光學屬性的三維參數(shù)模型。

在確定窗戶尺寸時，重慶屬于Ⅴ類光氣候分區(qū)，在滿足其窗地比不小于GB 50033—2013[7]中規(guī)定的1/10的情況下，通過計算可得其窗戶的最小面積為8.4×4.2×0.1≈3.53 m2，病房樓的東南側(cè)為城市綠地，病房的窗臺高度最好在滿足通風采光的需要的同時，能夠滿足病人遠眺觀景的需要，因此設定窗臺高度為0.3～0.7 m；考慮到梁和吊頂?shù)暮穸燃s為0.9 m、層高4.2 m的情況下，窗戶的高度范圍則為2.6～3.0 m(以0.2 m為模數(shù)，共3個值)；考慮到柱子的尺寸0.6 m寬和房間進深4.2 m，窗戶的寬度最多為3.6 m，為了在窗高最小的情況下滿足窗戶最小面積3.53 m2，且考慮外立面效果，綜合考慮模數(shù)那么窗戶的寬度最小定為2.1 m，因此窗戶的寬度范圍則是2.1～3.6 m(以0.3 m為模數(shù)，共6個值)，那么在同種病房樓形態(tài)的情況下，共進行18種采光方案的模擬計算。

接下來是設定病房單元各個界面的材質(zhì)(表3)。

表3 病房各界面材質(zhì)及相關(guān)參數(shù)

繼而導入重慶地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，建立CIE天空模型，根據(jù)GB 50033—2013[7]中對醫(yī)院類型建筑的使用時間規(guī)定，即8：00—17：00，全年310天，制定相應的模擬時間范圍，對上述的病房參數(shù)模型進行共3 100 h的光照模擬。至此，建立好采光模擬的參數(shù)化模型(圖4)。

圖4 參數(shù)模型的建立示意Fig.4 Establishment of parameter models

3.3 數(shù)據(jù)處理與設計優(yōu)化

對模擬計算的多組數(shù)據(jù)進行分析和處理，首先是“C”形和“回”字形病房布局的采光情況對比。為了簡化計算，采用控制變量法，以窗高3 m、寬2.1 m的模型進行模擬，由于“C”形布局的南側(cè)中間病房可能存在自遮擋現(xiàn)象，除了分析平均UDI100-2000lx值外，也單獨分析該房間的UDI100-2000lx值，見表4。

表4 不同布局形式的UDI100-2000lx值

由表4可知，無論是從平均UDI100-2000lx還是南側(cè)中間房間的UDI100-2000lx來看，兩種布局結(jié)果均近似，主要是由于在“C”形布局中，自遮擋的部分設置成了公共休息區(qū)，將形體轉(zhuǎn)折帶來的自遮擋因素降至最低。因此從采光方面來講，兩種布局并無明顯差別，在設計中可以考慮使用形體變化更為豐富的“C”形護理單元形態(tài)，以豐富建筑體量造型。

接下來對“C”形布局的不同采光口方案進行模擬計算，由于重慶光照資源較為匱乏，全年大部分時間為陰天，眩光產(chǎn)生較少，因此主要考慮UDI，并匯總數(shù)據(jù)見表5。

表5 “C”形布局形式的不同采光方案數(shù)據(jù)

由表5可看出，隨著病房采光口面積的降低，平均UDI100-2000lx值的整體走勢是：以寬度相同的3個數(shù)據(jù)為一組，隨組增加。這是由于采光口在過大的情況下室內(nèi)出現(xiàn)了較多2 000 lx以上照度的空間，并在編號16之后增長趨勢趨于停滯，且在采光口寬度一定的情況下，高度越小，UDI100-2000lx值越小，因此采光口的大小并不是越大越好。在以上數(shù)據(jù)中，編號16和19是最優(yōu)的采光口尺寸，但考慮到人的景觀視野感受，還是選取寬度較大的編號16。

因在模擬過程中發(fā)現(xiàn)部分情況存在照度過高的眩光現(xiàn)象，決定加入遮陽板的元素，考慮到美觀因素，在一個病房單元的采光口分別設置3～7個均勻布置的豎向遮陽板(圖5)，并選取較容易產(chǎn)生眩光的夏至日下午4點進行DGP模擬分析，眩光分析是基于特定時刻的視點和視線方向，以及以此產(chǎn)生的視圖來分析圖中各個物體的亮度，從而進行眩光的分析，數(shù)據(jù)結(jié)果見表6。

圖5 豎向遮陽的設置Fig.5 Setting of vertical shading

表6 豎向遮陽板對眩光的改善

從表6中可以看出，隨著豎向遮陽板數(shù)量的增加，西向房間的DGP整體也隨之減少，且平均UDI100-2000lx值隨之增大，在增加至6個和7個遮陽板時，DGP和UDI100-2000lx趨于穩(wěn)定，但遮陽板過多也會影響病人的觀景體驗和立面效果，因此選用每個病房開間6個豎向遮陽板的遮陽方式。

綜上所述，病房樓“C”形和“回”形的平面形態(tài)對于采光方面來講，兩種布局并無明顯差別，在設計中可以考慮使用形體變化更為豐富的“C”形護理單元形態(tài)，以豐富建筑體量造型；對于采光口而言，選取編號16(2.1 m×3.0 m)的采光口，以獲得更高的平均UDI100-2000lx值以及較好的景觀視野；同時在立面上以每個病房為單位均勻設置6個豎向遮陽板，以減少眩光并在一定程度上增加UDI100-2000lx值。

4 小結(jié)

病房作為患者長期居住的空間，其內(nèi)部光環(huán)境與患者健康息息相關(guān)，而病房的室內(nèi)光環(huán)境受多種因素影響。病房設計并不能只聚焦于病房本身，結(jié)合建筑所處的地緣特征、業(yè)主訴求、文脈語境等進行針對性的病房光環(huán)境設計很有必要。

首先，對重慶智慧醫(yī)院項目進行分析，提取項目中影響病房光環(huán)境的重點要素——病房的平面形態(tài)、采光口尺寸以及立面外遮陽；接著，建立各影響因素與采光效果之間的參數(shù)化模型，進行采光模擬實驗；最后，以室內(nèi)光環(huán)境的UDI、DGP參數(shù)為評價標準，對得出的實驗數(shù)據(jù)進行整理、評價，從而探究出一個相對優(yōu)化的設計方案。從項目分析、到建立參數(shù)模型、再到數(shù)據(jù)整理，最后優(yōu)化設計。這便是在實際項目中，以健康為導向的一種光環(huán)境設計方法。