建筑底層室內(nèi)自然采光面積配比優(yōu)化仿真

苗凌童，陳 凱

(長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院，吉林 長春 130000)

1 引言

當(dāng)前城市化進(jìn)程速度逐漸加快，土地資源緊張對土地資源的利用率要求不斷提升，因此使商業(yè)建筑和居民住宅高度越來越高。大量高建筑的聚集導(dǎo)致建筑底層室內(nèi)采光不足，對太陽光的利用不充分。一個好的室內(nèi)采光設(shè)計對人們生活辦公影響較大，光照不足的環(huán)境對人們的心理和生理上均有一定影響。較黑暗的環(huán)境使人的眼部肌肉緊張，長期以來會造成眼供血不足，造成眼類疾病，而在心理上光照不足的環(huán)境會阻礙人體的荷爾蒙分泌，影響其工作、學(xué)習(xí)的注意力。而建筑的底層受周邊建筑高度遮擋，使其采光面積較小，因此人們對建筑的底層采光需求較高。目前研究底層建筑采光優(yōu)化方法有很多，如翟穎妮等人[3]研究的建筑底層自然通風(fēng)與采光優(yōu)化方法，該方法使用正交試驗方式獲得建筑底層的通風(fēng)和采光數(shù)據(jù)，并使用數(shù)值模型方法計算最佳的通風(fēng)和采光指標(biāo)，依據(jù)該指標(biāo)提出優(yōu)化策略，但該方法所使用的數(shù)值模擬模型對其輸入?yún)?shù)要求極高，當(dāng)建筑物的參數(shù)不夠精準(zhǔn)時，其最佳采光指標(biāo)則不夠準(zhǔn)確，因此應(yīng)用效果不佳。趙寅[4]提出的自然采光口最優(yōu)角度獲取法則利用蟻群算法計算建筑立面采光口最佳角度，通過計算太陽光照角度、底層建筑尺寸等分析太陽高度和底層建筑之間的關(guān)系，進(jìn)而提出采光優(yōu)化策略并使用仿真軟件進(jìn)行仿真，但該方法僅針對建筑的通風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化具備一定的片面性。針對上述問題，本文提出建筑底層室內(nèi)自然采光面積配比優(yōu)化方法并仿真，以提升建筑底層室內(nèi)的陽光利用率。

2 建筑底層室內(nèi)自然采光面積配比優(yōu)化方法

2.1 仿真對象地理狀況及建筑尺寸

以某住宅底層一樓為仿真研究對象，該住宅樓正前方有周圍建筑物密集且具備較高綠植，該建筑長度為90m，寬度為40m，高度為78.3m。其庭院下沉高度為4.5m，室內(nèi)實測長度為13.24m，寬度為11.08m，寬度為5.5m，室內(nèi)窗口尺寸為1600mm*980mm。

2.2 室內(nèi)自然光面積配比評價指標(biāo)

室內(nèi)自然光環(huán)境可由動態(tài)指標(biāo)和靜態(tài)指標(biāo)來評價，其中動態(tài)指標(biāo)是指在一個完整的時間序列內(nèi)，室內(nèi)的光面積配比變化情況，而靜態(tài)指標(biāo)則是在某一個固定時間點時，室內(nèi)的光環(huán)境情況。通常評價室內(nèi)自然光面積配比的評價指標(biāo)為光通量、采光系數(shù)、照度和照度均勻度，評價指標(biāo)的計算方式如下：

人的眼睛對不同波長的太陽光的視見率不同，因此無法直接利用太陽光的輻射功率計算太陽光對人視覺的能量。而光通量是在某一時間段內(nèi)某波段的太陽光輻射能量和視見率的乘數(shù)來描述的，其單位為流明，以符號Φ表示。光通量表達(dá)公式如下

Φ(κ)=Km∑Φe，κV(κ)

(1)

式中，κ表示波長，Φ(κ)表示該波長下的光通量；Φe，κ表示光譜輻射通量；Km表示光敏度；V(κ)表示光譜光視光效率。

采光系數(shù)由C表示，其是在室內(nèi)某平面內(nèi)的點在陰天狀態(tài)下天空漫射光形成的光照度，是描述陽光照射亮度的指標(biāo)，表達(dá)公式如下

(2)

式中，F(xiàn)n、Fw分別表示室內(nèi)自然光光照度和室外日光光照度。

采光系數(shù)是依據(jù)全天陰天時天空的散漫光來計算的，此時為采光條件最差的情況，但由于室外光環(huán)境變化復(fù)雜，室內(nèi)的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)無法界定，在此依據(jù)居住建筑采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)來衡量建筑底層室內(nèi)自然采光系數(shù)。居住建筑采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 居住建筑采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

自然光照度表示在某單位面內(nèi)所有的光通量，即光通量密度，單位為勒克斯，由符號lx表示。自然光照度表達(dá)公式如下

(3)

式中，F(xiàn)表示自然光照度；A表示被照明面；d表示單位面積。

當(dāng)光通量照射在上A時，A的照度表達(dá)公式如下

(4)

自然光照度均勻度是描述特定工作面上的采光系數(shù)最低和采光系數(shù)平均值的指標(biāo)，在建筑采光標(biāo)準(zhǔn)中，室內(nèi)采光度不得低于0.7，因此本文在此以自然光照度均勻度數(shù)值為0.7作為衡量指標(biāo)，當(dāng)室內(nèi)照度均勻度高于該數(shù)值時，則表示室內(nèi)自然采光面積配比較好。

2.3 建筑底層光照環(huán)境仿真模型建立及采光點位置標(biāo)記

Ecotect生態(tài)建筑大師是建筑性能分析輔助軟件，其可將建筑參數(shù)、環(huán)境導(dǎo)入其中，為用戶呈現(xiàn)可視化的分析圖和表。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，可清晰描述其室內(nèi)環(huán)境變化情況。Ecotect生態(tài)建筑大師的可操作頁面簡潔，具有強(qiáng)大的建模工具，可建立畫面逼真的建筑三維模型。將住宅樓的參數(shù)導(dǎo)入到Ecotect生態(tài)建筑大師內(nèi)，利用該軟件輸出住宅樓的RIF/PTS文件后，使用軟件內(nèi)的計算函數(shù)計算住宅樓網(wǎng)格分析點，構(gòu)建住宅樓光照環(huán)境如圖1所示。

圖1 住宅樓光照環(huán)境

對住宅樓底層采光點進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記位置如圖2所示。

圖2 采光點標(biāo)記位置

2.4 室內(nèi)自然采光面積配比優(yōu)化策略

依據(jù)上個小節(jié)的住宅樓光照環(huán)境和室內(nèi)采光點標(biāo)記位置，提出其自然采光面積優(yōu)化策略如下：

第一：增設(shè)連廊。對于南向戶型的住宅樓，其南側(cè)為采光面，南側(cè)窗戶位置處的采光較為充足，進(jìn)戶向北側(cè)延伸的地方靠近建筑的核心筒，無法采光。此時需通過構(gòu)建連廊的方式，使住宅樓的核心筒間互相連通，形成采光井，實現(xiàn)住宅的雙向采光，。

第二：降低窗臺高度、更換合適透光度的玻璃和擴(kuò)大開窗尺寸。住宅窗洞口是其室內(nèi)采光的主要手段，大多數(shù)住宅的采光方式均為單側(cè)采光。當(dāng)窗臺過高、窗口尺寸過小時均會遮擋陽光照射面積，而窗玻璃透光度不同則對室內(nèi)光照影響較大。雖然玻璃的透光度越高，室內(nèi)光照情況越好，但其在短時間內(nèi)會使室內(nèi)溫度明顯增加，在夏天增加了空調(diào)制冷負(fù)荷，不符合當(dāng)前“綠色生態(tài)”需求，而在較寒冷區(qū)域則較適用高透光度玻璃，所以視住宅區(qū)域而選擇合適透光度的玻璃也很重要。綜上所述，窗口大小、窗臺高度和玻璃透光度均可調(diào)整底層住宅室內(nèi)自然采光面積配比。

第三：安裝室內(nèi)外反光板。

當(dāng)室內(nèi)空間較大時，可在住宅高窗外安裝反光板和在太陽光照射入戶區(qū)域內(nèi)安裝反光板，變更太陽光入射室內(nèi)角度，使其光照區(qū)間增大。

第四：變更室內(nèi)軟裝。使用淺色明亮系色彩的地磚、墻紙等替換掉深色地磚和墻面，靠近窗臺區(qū)域不設(shè)置大型衣柜、酒柜等較高的家具等。

3 仿真研究

依據(jù)Ecotect生態(tài)建筑大師構(gòu)建住宅樓光照環(huán)境和采光點標(biāo)記位置，模擬全天陰天狀況下和光照條件較好時，依據(jù)本文提出的室內(nèi)自然采光面積配比優(yōu)化策略對該住宅底層室內(nèi)自然光環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，分析其自然光面積配比情況，。

3.1 增設(shè)連廊效果

在Ecotect生態(tài)建筑大師軟件內(nèi)模擬為該住宅樓增設(shè)連廊，并繪制該住宅樓底層室內(nèi)增設(shè)連廊前后的自然光臨界照度分布情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 增設(shè)連廊前后底層室內(nèi)自然光臨界照度

分析圖3可知，該住宅區(qū)底層室內(nèi)不同采光標(biāo)記點位置處分布的采光系數(shù)曲線區(qū)域不同。在對該住宅區(qū)增設(shè)連廊后，相同數(shù)值的采光系數(shù)曲線分布區(qū)域得到了擴(kuò)大，表明增設(shè)連廊后該室內(nèi)的照明度得到較好的提升，其自然采光面積配比得到了較好的優(yōu)化。

3.2 降低窗臺高度測試

在生態(tài)建筑大師軟件內(nèi)將該住宅樓底層室內(nèi)窗臺高度降低至0.8m，測試窗臺高度降低前后采光分布情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 窗臺降低后建筑底層室內(nèi)采光分布情況注：上圖內(nèi)X方向表示與窗臺平行方向，坐標(biāo)0位置為窗臺正中央位置，Y方向表示光照向室內(nèi)延伸方向。

分析圖4可知，該建筑底層室內(nèi)的光照度越靠近窗臺其數(shù)值越高，且光照度數(shù)值順著太陽入射延伸方向逐漸降低，靠近窗口中間的位置光照度數(shù)值較高。而應(yīng)用本文方法將其窗臺降低后，相同數(shù)值的光照度曲線分布區(qū)域均得到了擴(kuò)大。其中數(shù)值為5.089的光照度曲線分布區(qū)域擴(kuò)大較為明顯，其最大分布數(shù)值由最初的0.1m左右擴(kuò)展到0.3m左右。而數(shù)值為2.211的光照度曲線分布區(qū)域已超過2.4m。綜合上述結(jié)果可知：本文方法應(yīng)用后可擴(kuò)大建筑底層室內(nèi)的光照度分布區(qū)域，使其自然采光面積配比增加。

3.3 窗口尺寸變化測試

以窗墻比作為衡量不同窗口尺寸指標(biāo)，在仿真環(huán)境下設(shè)置不同窗墻比，測試不同窗墻比對該建筑底層住宅室內(nèi)的采光度影響。

圖5 不同窗墻比時室內(nèi)采光系數(shù)平均值

分析圖5可知，在不同窗墻比時，建筑底層采光系數(shù)平均值呈線性分布狀態(tài)，且窗墻比數(shù)值越高，則室內(nèi)的采光系數(shù)平均值越大。通過在模擬軟件內(nèi)調(diào)整本文提出的變更窗口大小后，仿真的不同窗墻比數(shù)值時的室內(nèi)采光系數(shù)平均數(shù)值與理想數(shù)值偏差不大。由此可知，本文提出的建筑底層室內(nèi)自然采光面積配比優(yōu)化策略具備良好的應(yīng)用效果。

3.4 不同透光度玻璃測試

以普通白玻璃、普通藍(lán)玻璃和雙層中空玻璃為材料，在仿真軟件內(nèi)模擬不同該地層住宅安裝不同玻璃時，其室內(nèi)采光系數(shù)變化情況，其中普通白玻璃、普通藍(lán)玻璃和雙層中空玻璃的透光系數(shù)分別為：0.76、0.65、0.62。測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同透光度玻璃對底層建筑室內(nèi)自然采光面積配比指標(biāo)影響

分析表2可知，當(dāng)天氣狀況不同時，建筑底層安裝的玻璃不同，其室內(nèi)采光系數(shù)最大值、和光照均勻度數(shù)值均不同，其中晴天時的建筑底層室內(nèi)采光效果要好于陰天狀況時。在采光系數(shù)平均值、最大值和最小值角度，普通白玻璃的采光效果要高于普通藍(lán)玻璃和雙層中空玻璃，但雙層中空玻璃和普通藍(lán)玻璃的差值相對較小。而雙層中空玻璃的室內(nèi)采光系數(shù)最小值要高于其它兩種，其原因在于雙層玻璃雖然可阻擋一定的太陽光入射，但其中空結(jié)構(gòu)可折射部分太陽光，使太陽光入射角度發(fā)生變化，使其室內(nèi)采光的最小值稍大。而普通藍(lán)玻璃由于帶顏色的原因，可均勻太陽光線，因此其應(yīng)用時可使建筑底層室內(nèi)采光度更加均勻。綜合上述分析，不同種類的玻璃對建筑底層采光影響較大，雙層中空玻璃的應(yīng)用效果要高于其它類型的玻璃。

3.5 室內(nèi)軟裝變更效果

以該住宅區(qū)底層某兩居室為實驗對象，變更該住戶室內(nèi)軟裝格局，在仿真軟件內(nèi)模擬軟裝變化后的采光系數(shù)分布變化情況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 室內(nèi)軟裝變化前后采光系數(shù)分布

分析圖6可知，適當(dāng)變更建筑底層室內(nèi)家具格局會改變其室內(nèi)采光效果。該室內(nèi)最初的家具格局為梳妝臺、高大綠植均放置在臥室內(nèi)窗口兩側(cè)，次臥放置的書柜將窗口遮住將近三分之一，而客廳的沙發(fā)和高大綠植會遮擋陽臺的陽光，廚房位置餐桌正置于窗口位置。對該室內(nèi)軟裝進(jìn)行變更后，改變了梳妝臺、書柜、高大綠植、沙發(fā)、茶幾和餐桌的位置，將遮擋窗口的位置均空余出來。而從采光系數(shù)分布來看，在未對該室內(nèi)格局進(jìn)行調(diào)整時，其不同數(shù)值的采光系數(shù)曲線分布范圍均較小，而對該室內(nèi)格局進(jìn)行調(diào)整后，各個數(shù)值的采光系數(shù)分布區(qū)域均得到了擴(kuò)大，尤其是采光系數(shù)為4.09lx的曲線，其在客廳的分布區(qū)域與廚房的分布區(qū)域得到了重合。綜合上述結(jié)果可知，本文方法所提出的建筑底層室內(nèi)自然采光面積配比優(yōu)化策略應(yīng)用效果較好。

從自然光照度角度展開驗證，以晴天和陰天情況作為實驗條件，測試經(jīng)過本文方法對該室內(nèi)軟裝進(jìn)行重新布置后，其自然光照度變化情況，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同天氣情況下室內(nèi)軟裝變更前后的自然光照最小值變化情況

分析圖7可知，建筑底層室內(nèi)在陰天和晴天兩種天氣情況下，其自然光照最小值在室內(nèi)的不同位置均不同。其中主臥、客廳的自然光照最小值數(shù)值最高。而在該室內(nèi)軟裝變更前，在不同天氣狀況下室內(nèi)不同位置自然光照最小值均較低，尤其是廚房、衛(wèi)生間、門廳、餐廳等位置處的自然光照最小值幾乎相同，晴天時數(shù)值約為0.78，陰天時數(shù)值約為0.7。而依據(jù)本文方法對該室內(nèi)軟裝變更后，該室內(nèi)所有位置處的自然光照最小值均得到了提升，最明顯的是廚房、衛(wèi)生間、門廳和餐廳等位置處，不論是在晴天還是陰天，其自然光照最小值均超過0.83。上述結(jié)果表明：建筑底層室內(nèi)采光效果可通過調(diào)整其室內(nèi)軟裝來提升，本文方法的應(yīng)用效果較好。

4 結(jié)論

本文以某建筑底層住宅為仿真研究對象，以建筑建模軟件構(gòu)建其模型和仿真環(huán)境，依據(jù)所提的建筑底層室內(nèi)自然采光面積配比優(yōu)化方法對其進(jìn)行優(yōu)化并仿真其應(yīng)用效果。經(jīng)過實驗驗證，本文所提的建筑底層室內(nèi)自然采光面積配比優(yōu)化方法具備良好的應(yīng)用效果，可有效提升室內(nèi)不同位置的采光度和采光系數(shù)，且采光系數(shù)分布區(qū)域擴(kuò)大效果明顯。