基于動態(tài)采光模擬分析的東北地區(qū)教育建筑采光設(shè)計研究＊

劉萬里 王哲民 張伶伶

1 自然采光對于教育建筑的重要性

在教育建筑設(shè)計中，自然采光是不可或缺的影響因素。自然光作為人類繁衍生息的必要條件之一，影響了人體機能的進化方向。一方面，人的視覺感知能力在自然光環(huán)境下最為舒適和敏感，明亮的環(huán)境可以提高人的警覺度，降低困倦感，保證工作和學(xué)習(xí)效率；另一方面，自然光構(gòu)成了人體生物鐘調(diào)節(jié)機制的重要基礎(chǔ)，參與睡眠周期和激素調(diào)節(jié)，能夠改善睡眠質(zhì)量，對青少年的生長發(fā)育、心理健康、提升學(xué)習(xí)記憶能力有著重要影響[1]。大量醫(yī)學(xué)、心理學(xué)和教育學(xué)的相關(guān)研究表明，青少年在發(fā)育階段的眼球調(diào)節(jié)機能與環(huán)境光照度有關(guān)，不良的教室自然采光會顯著增加近視的發(fā)生率，教室自然采光水平與青少年學(xué)習(xí)成績具有直接的正向關(guān)聯(lián)[2]。因此，我國教育建筑的采光設(shè)計要求日趨嚴格，《中小學(xué)校設(shè)計規(guī)范》（GB 50099?2011）、《特殊教育學(xué)校建筑設(shè)計標準》（JGJ 76?2019）等規(guī)范標準在更新修訂中對教室的自然光照度標準均有明顯提升，新版《建筑采光設(shè)計標準》（GB 50033?2013）則不僅以強制性條文將普通教室的采光系數(shù)提升至3%，而且把規(guī)范的適用范圍擴大為“教育建筑”，將缺少專門規(guī)范的高等院校、職業(yè)學(xué)校等也涵蓋在內(nèi)。

2 東北地區(qū)教育建筑采光設(shè)計的矛盾

當(dāng)前，在生源壓力和城鎮(zhèn)建設(shè)用地趨于緊張的情況下，我國新建教育建筑通常以布局緊湊的多層建筑形式出現(xiàn)，以立面?zhèn)却安晒鉃橹?，較少采用采光效率和均勻度更高的頂界面天窗。教育建筑采光設(shè)計主要以窗地比作為計算依據(jù)，若要達到現(xiàn)行規(guī)范要求的窗地比1/5的指標，通常需要尺度、面積較大的側(cè)窗，不僅給建筑立面設(shè)計帶來了較多限制，也和東北地區(qū)的氣候特點產(chǎn)生了尖銳的矛盾。東北地區(qū)緯度較高，以嚴寒氣候區(qū)為主，冬季漫長，白晝較短，自然光入射角度明顯低于南方地區(qū)。一方面，較大面積的側(cè)窗是外圍護體系中保溫隔熱的薄弱區(qū)域，冬季散熱量大，嚴重影響了建筑節(jié)能效果；另一方面，由于側(cè)窗面積大，且冬季自然光入射角度較低，教室中易產(chǎn)生大范圍的直射眩光，嚴重影響采光舒適度。當(dāng)靠窗區(qū)域自然照度過高，與黑板等區(qū)域的照度差異過大時，會加大學(xué)生抬頭看黑板和低頭看書時眼球調(diào)節(jié)的負擔(dān)，增加近視幾率。根據(jù)多所東北地區(qū)大、中、小學(xué)校的實地調(diào)研結(jié)果，教室側(cè)窗眩光對教學(xué)狀態(tài)影響很大，絕大多數(shù)教室都不得不拉緊窗簾遮光，并開燈補充照度。這種方式雖然解決了眩光問題，但增加了人工照明的電能消耗，而且隔絕了室外景觀和新鮮空氣，導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境封閉、課堂氣氛壓抑、師生情緒低沉，影響到學(xué)生生理、心理健康和學(xué)習(xí)效果，是東北地區(qū)教育建筑在實際使用中的突出癥結(jié)[3]。

3 引入動態(tài)采光模擬分析的方法

在《建筑采光設(shè)計標準》（GB 50033?2013）中，采光計算以全陰天天空漫射光所產(chǎn)生的光照度為依據(jù)，旨在最不利的天氣狀況下依然可以達到室內(nèi)照度要求，漫射光均勻而柔和，同時不會產(chǎn)生眩光。但是在真實生活中，東北地區(qū)年均晴天比率高于陰天，冬季晴天比率更高，在冬季太陽高度角變小的情況下（表1），進入教室的自然光遠遠超過采光標準，并且會較長時間直射學(xué)生面部，眩光的影響強度和范圍明顯增大。可見，基于全陰天漫射光的窗地比采光計算方法，在東北地區(qū)教育建筑的采光設(shè)計中存在一定偏差，采用動態(tài)采光模擬分析可以更好地掌握晴天時教室中的實際采光效果。使用Ecotect Analysis、Daysim、Radiance等軟件，可以模擬全陰天狀態(tài)下教室內(nèi)每一時刻的采光強度，也可以利用輻射得熱分析圖更為直觀地看出自然光在教室內(nèi)的光照強度分布，基本等同于晴天時教室中易產(chǎn)生眩光的區(qū)域分布，能夠較為精確地比較分析不同采光策略的真實效果[4]。

表1 南北方代表性城市自然光入射角數(shù)據(jù)

4 東北地區(qū)教育建筑采光設(shè)計優(yōu)化方法探索

改善東北地區(qū)教育建筑自然采光效果的核心目標，是提升教室空間自然光環(huán)境的均勻度，關(guān)鍵在于優(yōu)化采光方式，在保證標準要求的前提下降低室內(nèi)照度差。可以采用的優(yōu)化方法包括適度降低明亮區(qū)域的自然光照度，或是盡量提高較暗區(qū)域的自然光照度。以此為指導(dǎo)理念，研究沿兩個路線展開，其一是優(yōu)化立面?zhèn)却暗牟晒庑阅?，使自然光能夠均勻柔和地射入教室[5]；其二是對較暗區(qū)域進行自然光采光補償。

4.1 優(yōu)化立面?zhèn)却靶螒B(tài)

優(yōu)化立面?zhèn)却安晒庑阅艿碾y點在于窗地比1/5的標準對于開窗靈活性存在制約，使教室側(cè)窗很難突破水平大橫窗的形式。以當(dāng)前中學(xué)教室中較為常見的70m2普通教室為例，按窗地比要求，需要14m2側(cè)窗，常規(guī)3 900mm的教室層高減去窗臺和框架梁等結(jié)構(gòu)高度，最大窗高約為2 400mm，則側(cè)窗長度需達到5 900mm以上；如果采用8 400mm×8 400mm的柱網(wǎng)，則在減去教室前端固定不應(yīng)開窗的1 000mm實墻和教室尾部結(jié)構(gòu)柱占據(jù)的寬度后，可以開窗的外墻長度僅為7 000mm，開窗形式已基本沒有變化的余地。對此，研究嘗試從設(shè)置導(dǎo)光構(gòu)件和改變開窗方式兩個思路進行探討。

4.1.1 設(shè)置導(dǎo)光構(gòu)件

保持大窗形式，在窗洞的中上部設(shè)置導(dǎo)光構(gòu)件，是一種較為成熟的自然采光調(diào)節(jié)手段，在國內(nèi)外已有較多研究成果，在此重點探索針對東北地區(qū)四季自然光特點的解決方案。我國絕大部分區(qū)域位于溫帶，夏季自然光入射角高，直接射入室內(nèi)的區(qū)域有限。但在冬季，東北地區(qū)自然光入射角大約處于13.5～25°區(qū)間，遠低于南方地區(qū)，由Ecotect軟件模擬可見，教室中超過一半的區(qū)域都受到較強眩光的影響（圖1）。因此，導(dǎo)光構(gòu)件的設(shè)置原則應(yīng)針對冬季自然光的特點，兼具降低近窗區(qū)域眩光影響、利用導(dǎo)光板和教室天花板的反射將自然光引入遠窗區(qū)域的功能[6]。

1 標準教室日光輻射分析（常規(guī)大窗）

由教室剖面可知，在高度方面，為避免上部漏光且不影響人的活動，導(dǎo)光構(gòu)件不宜設(shè)置過低，兼顧對遠窗區(qū)域?qū)Ч庑Ч紤]，在側(cè)窗有效采光高度的2/3 左右為宜；在室內(nèi)外長度方面，為了實現(xiàn)以室內(nèi)反射為主的導(dǎo)光性能，導(dǎo)光構(gòu)件應(yīng)大部分在室內(nèi)一側(cè)，長度由本地區(qū)冬至日自然光入射角和其上部窗高共同確定。以沈陽為例，使用Ecotect 和Daysim 軟件對多種高度和室內(nèi)外長度的導(dǎo)光構(gòu)件設(shè)計方案進行模擬比較，結(jié)果顯示距地2 400mm，室外保留300mm、向室內(nèi)延伸1 100mm 左右，是導(dǎo)光效果較好且較為符合常規(guī)構(gòu)造技術(shù)的導(dǎo)光構(gòu)件做法（圖2）。當(dāng)然，在實際應(yīng)用時需要因地制宜，根據(jù)具體情況做出調(diào)整。

2 導(dǎo)光構(gòu)件作用示意圖

在遼寧省實驗中學(xué)遼濱分校項目中，我們嘗試了在教學(xué)樓南向教室側(cè)窗設(shè)置導(dǎo)光構(gòu)件的做法。教室立面設(shè)置高2 550mm、寬3 150mm的大窗，根據(jù)營口地區(qū)的冬季自然光入射角，在距地2 600mm的高度上設(shè)置了室外300mm、室內(nèi)400mm的導(dǎo)光構(gòu)件（該尺寸并未完全達到模擬計算的理想長度）。根據(jù)Ecotect軟件模擬分析和建成后使用效果，使用導(dǎo)光構(gòu)件后，教室的自然光照度略有下降，但尚在標準范圍之內(nèi)，采光均勻度則有一定提升，顯示導(dǎo)光構(gòu)件發(fā)揮了積極作用（圖3?5）。

3 遼寧省實驗中學(xué)遼濱分校標準教室日光輻射分析（設(shè)置導(dǎo)光構(gòu)件）

4 遼寧省實驗中學(xué)遼濱分校教學(xué)樓導(dǎo)光構(gòu)件作用示意圖

5 遼寧省實驗中學(xué)遼濱分校教學(xué)區(qū)實景

在該項目實踐中，我們發(fā)現(xiàn)以鋼筋混凝土制作的導(dǎo)光構(gòu)件的厚度和懸挑長度受制于材料技術(shù)，影響了實際應(yīng)用效果。之后，我們對不透光全反射和半透光半反射導(dǎo)光構(gòu)件進行了對比分析，由Ecotect和Daysim軟件模擬數(shù)據(jù)可知（表2,3），半透光半反射構(gòu)件對教室內(nèi)的照度和均勻度有一定提升（圖6,7）。然而導(dǎo)光構(gòu)件雖然能提升遠窗區(qū)域的自然照度，但近窗區(qū)域的眩光范圍仍然較大。

6 遼寧省實驗中學(xué)遼濱分校標準教室日光輻射分析（設(shè)置半透射半反射導(dǎo)光構(gòu)件）

7 遼寧省實驗中學(xué)遼濱分校導(dǎo)光構(gòu)件作用示意圖（設(shè)置半透射半反射導(dǎo)光構(gòu)件）

表2 Ecotect 模擬不同導(dǎo)光構(gòu)件的采光數(shù)據(jù)分析及日均輻射

表3 Daysim 模擬分析冬至日當(dāng)日采光數(shù)據(jù)

4.1.2 改變開窗方式

改變開窗方式具有雙重意義，既能解決大窗眩光問題，也是教育建筑立面形式探索的方向，幫助突破千篇一律的大窗定式。在窗地比制約下滿足開窗面積存在較大壓力，因此我們需要更加精準地分析普通教室的布置方式，探討普通尺寸上的更多可能性，爭取更大的外墻面積，這是探索靈活開窗方式的基礎(chǔ)?！冻鞘衅胀ㄖ行W(xué)校校舍建設(shè)標準》（建標[2002]102號）規(guī)定，小學(xué)普通教室面積不應(yīng)小于61m2，中學(xué)普通教室面積不應(yīng)小于67m2；《中小學(xué)校設(shè)計規(guī)范》（GB 50099?2011）要求，前排課桌與黑板的最小間距不應(yīng)小于2 200mm，最后一排課桌后沿與黑板的距離不應(yīng)大于9 000mm，且與教室后墻間距不應(yīng)小于1 100mm，其中同樣明確了課桌尺寸、行距、排距等相關(guān)要求，可以由此推算出常規(guī)普通教室平面尺寸介于進深6 700～7 800mm、開間9 100～10 500mm之間為宜。可見在滿足課桌椅擺放原則的前提下，適度減小教室進深尺寸可以一舉兩得，既能增大開間尺寸，從而增大可供開窗的側(cè)墻面積，提升開窗形式的靈活度，也能在進深變小后，提高教室內(nèi)側(cè)采光最不利區(qū)域的照度，在一定程度上改善教室自然光照的均勻度[5]。誠然，適當(dāng)加大層高也可以增加側(cè)窗面積，并使教室內(nèi)側(cè)獲得更多自然光，但會增加工程造價，不如調(diào)整平面尺寸更為經(jīng)濟實用。

在側(cè)窗總面積不變的前提下，較長的側(cè)墻為突破常規(guī)的大窗形式提供了變化余地。研究嘗試減小側(cè)窗寬度、增加側(cè)窗數(shù)量，較小的側(cè)窗之間有墻垛相隔，使入射光變得相對分散，避免產(chǎn)生大面積眩光；在滿足規(guī)范要求的窗間墻垛不大于1 200mm的情況下，室內(nèi)不會產(chǎn)生明顯的暗影區(qū)，能夠有效提升室內(nèi)自然光均勻度。通過Ecotect軟件對比模擬了相同側(cè)窗面積下四種不同窗寬和墻垛的組合（表4），數(shù)據(jù)顯示，四種組合的采光系數(shù)平均值在6.4%以上，遠遠優(yōu)于標準中3%的指標要求；室內(nèi)天然光照度平均值均在500lx以上，優(yōu)于標準中450lx的要求；其中，四窗組合的采光均勻度最優(yōu)，五窗組合與之接近，均明顯優(yōu)于兩組大窗的形式。由四種組合的日均輻射圖對比可知，數(shù)量較多、寬度較窄的側(cè)窗均勻排布形成的“柵格化”外墻界面，在采光系數(shù)平均值、室內(nèi)自然光照度平均值方面雖然稍弱于大窗形式，但仍能完全滿足標準要求，且在采光均勻度方面有大幅提升，室內(nèi)采光舒適度更佳（表5）。

表4 Ecotect 模擬不同開窗方式的采光數(shù)據(jù)及日均輻射

表5 不同開窗組合下教室日光輻射分析

在大連理工大學(xué)遼東灣校區(qū)中我們嘗試了上述做法。在教學(xué)樓、實驗樓的設(shè)計中，根據(jù)高等學(xué)校小班制授課的特點，適當(dāng)縮小了教室進深，在立面上形成700mm寬的豎窗和墻垛相間的均勻柵格化肌理，滿足窗地比要求。從Ecotect軟件模擬分析和建成后使用效果來看，教室自然光環(huán)境均好于相同尺寸的大窗形式（表6）。柵格化肌理的立面形式極具秩序感，形成了端莊嚴謹而富有現(xiàn)代感的當(dāng)代理工高校建筑氣質(zhì)（圖8）。在圖書信息中心的設(shè)計中，采用700mm窗口和350mm墻垛的做法，配合4 200mm的層高，形成通透的立面肌理，滿足了大型閱覽空間的窗地比要求；建筑體量圓潤流暢，窗洞口靈活錯落，塑造出別具濱水濕地意象的建筑形象；400mm深的窗洞口刷涂白色反光涂料，室內(nèi)空間光線柔和，營造了靜謐而舒適的學(xué)習(xí)氛圍（圖9,10）。

8 大連理工大學(xué)遼東灣校區(qū)教學(xué)樓采用柵格化立面開窗形式

9 大連理工大學(xué)遼東灣校區(qū)圖書信息中心圓潤的體量和靈活錯落的窗洞口

10 大連理工大學(xué)遼東灣校區(qū)圖書信息中心自習(xí)區(qū)均勻的采光效果

表6 大連理工大學(xué)遼東灣校區(qū)教學(xué)樓典型教室日光輻射分析

4.2 增加自然采光補償

增加自然采光補償?shù)哪康氖翘嵘淌疫h窗區(qū)域照度，減弱與近窗區(qū)域的照度對比，從而提升室內(nèi)自然光的均勻度，配合立面?zhèn)却靶螒B(tài)優(yōu)化效果更佳。增加自然采光補償最直接的方式是在教室與走廊相鄰的內(nèi)墻上設(shè)置高側(cè)窗，有效改善教室最內(nèi)側(cè)自然光不足的區(qū)域采光強度。在前文模擬分析的四組開窗形式中，增加高窗普遍能提高教室遠窗區(qū)域照度約10%，在窄窗方案中更顯出其效果（表7）。

表7 增設(shè)高側(cè)窗后不同開窗方式下教室日光輻射分析

設(shè)置高側(cè)窗的目的是把走廊里的自然光引入教室。但在東北地區(qū)，很多教育建筑為了減小體形系數(shù)以降低熱量耗散，而采用走廊雙側(cè)布房的做法，造成了走廊里照度偏低，高側(cè)窗無光可用的尷尬局面。研究將上下貫通的“采光補償調(diào)節(jié)腔”植入建筑背光一側(cè)，利用腔體頂部的天窗、集光罩等引入自然光，在腔體內(nèi)高反射涂料的漫反射作用下進入各層走廊，使走廊背光一側(cè)增加了多個間接的自然光源。腔體不僅給室內(nèi)導(dǎo)入自然光，而且兼有通風(fēng)、換氣作用，顯著提升了室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量[7]（圖11）。

11 大連理工大學(xué)遼東灣校區(qū)采光補償調(diào)節(jié)腔剖面示意圖

在大連理工大學(xué)遼東灣校區(qū)的教學(xué)樓、實驗樓設(shè)計中，設(shè)置了由東西兩側(cè)實墻和南北兩側(cè)玻璃磚共同圍合的“光井”。其實質(zhì)是被動式采光補償調(diào)節(jié)腔，在屋面之上設(shè)置玻璃集光罩，光線在腔體內(nèi)實墻面上反復(fù)反射至建筑底層，有效提升走廊的自然光照度，也在一定程度上提升了南向教室的自然采光均勻度。利用“光井”對室內(nèi)環(huán)境的改善，設(shè)計在走廊北側(cè)保留了靈活布置的開放空間，優(yōu)化建筑北立面并減少開窗，提升建筑整體保溫性能，而“光井”的設(shè)置解決了走廊較暗、通風(fēng)不暢的問題，成為本項目獨具特色之處（圖12?15）。

12 大連理工大學(xué)遼東灣校區(qū)教學(xué)樓內(nèi)置“光井”分布示意圖

13 大連理工大學(xué)遼東灣校區(qū)教學(xué)樓無“光井”日光輻射模擬

14 大連理工大學(xué)遼東灣校區(qū)教學(xué)樓有“光井”日光輻射模擬

15 大連理工大學(xué)遼東灣校區(qū)教學(xué)樓北立面鮮明的虛實對比

5 結(jié)語

教育建筑的采光設(shè)計看似涉及具體的技術(shù)問題，但在實際工作中往往使建筑創(chuàng)作受到很大限制，讓建筑師很頭疼。東北地區(qū)自然光的四季變化特點使采光、眩光、節(jié)能等各方面矛盾更加尖銳，成為無法忽視的難題，提示我們《建筑采光設(shè)計標準》（GB 50033?2013）等規(guī)范中以窗地比作為計算依據(jù)的采光設(shè)計方法，不能完全體現(xiàn)不同地域環(huán)境中自然光對使用者的影響，應(yīng)該逐漸引入動態(tài)采光模擬分析，優(yōu)化采光設(shè)計方法的科學(xué)性，提高自然采光設(shè)計的精準度。

本研究結(jié)合創(chuàng)作實踐，依據(jù)不同項目的空間需求、環(huán)境特色，探索“量身定制”的采光方式，并對設(shè)計階段的模擬研究結(jié)果在建成后進行了效果驗證，修正了一些做法。更重要的是在探索過程中進行思路轉(zhuǎn)換，引導(dǎo)我們跳出了原來錙銖必較般計算開窗面積的局限，嘗試從平面形態(tài)、立面肌理、腔體植入等更為宏觀的視角去解決問題。本研究雖然借助軟件模擬分析，但核心依然是以空間形態(tài)層面的創(chuàng)造性思維解決“卡脖子”的技術(shù)問題，使建筑設(shè)計突破“唯指標論”的束縛，體現(xiàn)了建筑師的價值，希望能為當(dāng)前越來越關(guān)注數(shù)據(jù)模擬的建筑創(chuàng)作提供一點啟發(fā)。

圖片來源

1?4,6,7,11?14 作者自繪

5,8?10,15 天作建筑研究院提供

表格來源

1?7作者自繪