多造型采光瓦設(shè)計(jì)與制作研究

肖冠南 陳明學(xué) 何佳蔚 雷雨松 梁桃華

基金項(xiàng)目：四川省電子商務(wù)與現(xiàn)代物流研究中心項(xiàng)目（DSWL-35）；成都市哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究基地?cái)?shù)字經(jīng)濟(jì)與文化創(chuàng)意融合發(fā)展中心規(guī)劃項(xiàng)目（SJWC2023ZC005）；新能源光伏技術(shù)研發(fā)中心（23KYPT03）；成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（23CZYG046）

第一作者簡(jiǎn)介：肖冠南（1992-），男，博士，講師。研究方向?yàn)樘栯姵夭牧吓c器件。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.011

摘? 要：基于傳統(tǒng)透光瓦片設(shè)計(jì)一種創(chuàng)新性產(chǎn)品，采用球形采光件鑲嵌于瓦片中，能夠?qū)崿F(xiàn)光線的均勻透過和擴(kuò)散，使得照明效果更加柔和均勻。通過利用自然光在室內(nèi)進(jìn)行照明，減少白天室內(nèi)對(duì)人工照明的依賴，從而降低能源消耗和碳排放。此外通過更換球形采光件顏色和大小，實(shí)現(xiàn)光顏色的改變和光照強(qiáng)度大小的改變，從而根據(jù)不同場(chǎng)景和需求，創(chuàng)造出各種不同的光效和氛圍，應(yīng)用于室內(nèi)和室外的裝飾照明，為建筑物、景觀和藝術(shù)裝置增添獨(dú)特的視覺效果，提升空間的美感和吸引力。同時(shí)，該裝置采用耐熱、耐候和耐腐蝕的材質(zhì)制成，具有較長(zhǎng)的使用壽命和較低的維護(hù)成本。該設(shè)計(jì)能夠?yàn)槿藗兲峁└用烙^、節(jié)能和環(huán)保的照明解決方案。

關(guān)鍵詞：采光瓦；自然光利用；球形采光件；建筑裝飾；多造型

中圖分類號(hào)：G315? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）16-0049-05

Abstract： Based on the traditional transparent tile， an innovative product is designed， which uses spherical lighting parts embedded in the tile， which can achieve the uniform transmission and diffusion of light， making the lighting effect more soft and uniform. Through the use of natural light to illuminate indoors， reduce indoor dependence on artificial lighting during the day， thereby reducing energy consumption and carbon emissions. In addition， by changing the color and size of spherical lighting parts， the change of light color and light intensity can be realized， so as to create different light effects and atmosphere according to different scenes and needs. This can be applied to indoor and outdoor decorative lighting， adding unique visual effects to buildings， landscapes， and artistic installations， and enhancing the beauty and attractiveness of the space. At the same time， this device is made of heat-resistant， weather resistant， and corrosion-resistant materials， which has a longer service life and lower maintenance costs. This design can provide people with more beautiful， energy-saving and environmentally friendly lighting solutions.

Keywords： daylighting tile; natural light utilization; spherical lighting part; architectural decoration; multi-modeling

隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注不斷增加，綠色建筑和節(jié)能技術(shù)成為建筑行業(yè)的重要發(fā)展方向。在此背景下，采光瓦作為一種綠色建筑材料，受到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。傳統(tǒng)的采光瓦主要用于提供室內(nèi)自然光線，以減少對(duì)人工照明的依賴。然而，傳統(tǒng)的采光瓦在使用時(shí)往往外形較為簡(jiǎn)單，透過的陽光一般成束狀，光線的照射范圍有限，無法達(dá)到360°全方位照明的目的，同時(shí)采用簡(jiǎn)單的透明結(jié)構(gòu)導(dǎo)致室內(nèi)隱私性較差。因此，新型采光瓦的設(shè)計(jì)需要圍繞增大采光范圍、增強(qiáng)光照效果和提高隱私性等方面來進(jìn)行[1]。本文的多造型采光瓦采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠按照不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求切換和改變透過瓦片的光顏色、光強(qiáng)度和光造型[2]，營(yíng)造舒適的光環(huán)境的同時(shí)， 有效降低建筑能耗減少碳排放，并通過對(duì)室內(nèi)自然光的合理利用，對(duì)居住者的身心產(chǎn)生積極的影響[3]。通過鑲嵌球形高透光玻璃，實(shí)現(xiàn)360°采光和防偷窺的完美結(jié)合，提高自然光利用率的同時(shí)，還增強(qiáng)了用戶的隱私性。本多造型采光瓦的設(shè)計(jì)與制作方法可以為采光瓦照明行業(yè)從業(yè)者提供一定的指導(dǎo)借鑒作用。

1? 采光瓦設(shè)計(jì)

1.1? 光學(xué)理論

基于斯涅爾定律表明對(duì)于球形玻璃，當(dāng)光線從外部空氣射入玻璃中時(shí)，會(huì)發(fā)生折射，其在球形玻璃表面上的入射角取決于光線與法線。由于球形玻璃的曲率，光線在球體內(nèi)部會(huì)發(fā)生多次折射和反射，這些折射和反射會(huì)導(dǎo)致光線的路徑彎曲和分散，從而使得球形玻璃中的光線呈現(xiàn)出不同的折射效果和光學(xué)效果[4-5]。

1.2? 球形采光件的設(shè)計(jì)

球形采光件通過折射光線將光線從室外折射到室內(nèi)，通常由一個(gè)半徑為10 ～30 mm的球形透鏡構(gòu)成，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮器件折射率和球形采光件的曲率半徑這2個(gè)重要因素，其中折射率決定了光線在透鏡中的折射程度。為了使折射效果達(dá)到最佳，折射率通常應(yīng)控制在1.5～2.0之間。而球形采光件的曲率半徑?jīng)Q定了透鏡的形狀和光線的聚焦效果。較小的曲率半徑會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)的聚焦效果，而較大的曲率半徑則會(huì)導(dǎo)致較弱的聚焦效果。根據(jù)不同場(chǎng)景下具體的應(yīng)用需求，選擇合適的曲率半徑。

1.3? 光強(qiáng)分布仿真驗(yàn)證

如圖1所示，使用DIALUX軟件對(duì)球形采光件設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，基于物理光學(xué)原理，通過光線追蹤算法來模擬光線通過球形采光件的折射在室內(nèi)環(huán)境中的傳播和反射，計(jì)算出光線在空間中的強(qiáng)度、顏色和分布。為了更好地體現(xiàn)出本采光瓦上球形采光件的光學(xué)效果，如圖1（a）所示，首先，建模一個(gè)長(zhǎng)度為4 m，寬度為4 m，高度為2.8 m的封閉環(huán)境模型，本多造型采光瓦即安裝在模型的天花板位置，其余為封閉環(huán)境。其次，在天花板上方適宜位置加入日光系統(tǒng)模擬日光，并開始模擬計(jì)算獲得數(shù)據(jù)。最后，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，以此來驗(yàn)證球形采光件設(shè)計(jì)的可行性。所得數(shù)據(jù)見表1，在為日光正常照射下，經(jīng)過球形采光件的折射后室內(nèi)的平均光照強(qiáng)度有282，最小光照強(qiáng)度也有141，結(jié)合圖1（b）中的光照強(qiáng)度梯度分布，結(jié)果表明日光經(jīng)過球形采光件后的折射是均勻分布的，采用此球形采光件設(shè)計(jì)的多造型采光瓦完全滿足日常的照明需求，其光照性能甚至強(qiáng)于部分LED燈。

表1? 仿真驗(yàn)證數(shù)據(jù)表

1.4? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

相較于傳統(tǒng)采光瓦，本設(shè)計(jì)使用了如下改進(jìn)技術(shù)方案：通過2塊由陶瓷燒制成型或塑料壓制成型有凹槽的隔板中鑲嵌直徑為20～40 mm的高透光玻璃球，隔板使用螺栓固定組裝[6]，從而得到一種新型多造型采光瓦，能夠?qū)⑹彝怅柟馊轿坏匾胧覂?nèi)，而且由于室內(nèi)也為凸球形狀，因此其室內(nèi)光照的方向是360°全方位的。本采光瓦鑲嵌的玻璃球還具有防水設(shè)計(jì)，主要采用橡膠墊，厚度一般在1.5～2 mm，既可用于防止漏水，也有保護(hù)玻璃球不被碰壞的目的[7]。

如圖2所示，本采光瓦整體結(jié)構(gòu)為夾層結(jié)構(gòu)主要為上連接板、下連接板、高透光玻璃球和螺栓。本設(shè)計(jì)中將室外的日光通過高透光玻璃球散射或投射到室內(nèi)，由于日光入射面球面，因此本方案不僅可以在屋頂使用，也可以在墻面進(jìn)行使用；由于本方案中采用的是分離式的球形采光件，從外界無法直接觀測(cè)的室內(nèi)的具體情況，私密性更好[8]。

圖2? 采光瓦側(cè)面整體結(jié)構(gòu)框圖

1.5? 采光瓦外觀設(shè)計(jì)

圖3為本采光瓦的俯視造型圖。其中，采光件的分布形狀任意，典型的形狀設(shè)計(jì)可以為同心圓形、花狀、菱形等。通過陽光從玻璃球射出，營(yíng)造一種具有特定透光形狀的燈光氛圍。在采光瓦的四周邊緣輪廓位置設(shè)置有邊框，邊框?yàn)榻饘俨馁|(zhì)制成，通過金屬邊框可以防止采光瓦周向被破壞。螺栓上可以設(shè)置有金屬裝飾物，使人體在觀看采光瓦時(shí)更加舒適，同時(shí)還可以根據(jù)具體的使用情況分別改變采光件的顏色、大小、材質(zhì)和采光件的排列圖形[9]。

1.6? 球形采光件的固定設(shè)計(jì)

如圖4所示，此設(shè)計(jì)的上支撐板和下支撐板采用螺栓進(jìn)行固定，連接板與采光件中加入2片橡膠墊來進(jìn)行固定和保護(hù)采光件，因?yàn)橄鹉z墊具有彈性，在使用過程中避免因?yàn)闇囟茸兓瘜?duì)采光件造成的破壞，由于弧形空腔結(jié)構(gòu)的存在，不僅增大了橡膠帶與連接腔的接觸面積，增大摩擦，同時(shí)也增加了橡膠墊的調(diào)節(jié)余量，在將球形采光件與連接腔通過緊固件進(jìn)行鎖定時(shí)，可以使多余的橡膠墊有擠壓空間，提升安裝效率。在橡膠墊與連接腔進(jìn)行緊密接觸時(shí)可以有效地進(jìn)行防水，使得采光瓦能夠長(zhǎng)久在戶外進(jìn)行使用。

2? 采光瓦制作

2.1? 支撐板材料選擇

本采光瓦的支撐板可以為陶瓷燒制成型或塑料壓制成型。其中，陶瓷材料具有較高的硬度和耐磨性，能夠長(zhǎng)時(shí)間保持原有的外觀和性能，也有較強(qiáng)的抗腐蝕性，能夠抵抗酸堿等化學(xué)物質(zhì)的侵蝕[10]。并且能夠承受高溫，不易變形或熔化，陶瓷材料還可以通過采用不同的色彩和紋理來滿足不同的裝飾需求，但具有更昂貴、制作周期較長(zhǎng)、重量大和易破等缺點(diǎn)。塑料材料更輕便，減輕了建筑物的負(fù)荷，有較好的耐候性，能夠抵抗紫外線、酸堿等侵蝕。但耐久度低和美觀度不高。因此不同的材料適用于不同的場(chǎng)景和需求，選擇合適的材料需要考慮到建筑物的用途、環(huán)境條件以及個(gè)人偏好等因素。

2.2? 支撐板的制作

陶瓷支撐板的制作流程如圖5（a）所示：第一，將黏土、石英、長(zhǎng)石等原材料進(jìn)行篩選，按一定比例混合[11]。第二，將混合好的材料通過擠壓、壓制或注塑等方式成型為支撐板的形狀。第三，將成型好的瓦片放置在通風(fēng)的環(huán)境中，使其逐漸失去水分，變得堅(jiān)硬和穩(wěn)定。第四，將干燥的瓦片放入窯爐中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，使其成為硬質(zhì)的陶瓷材料。第五，對(duì)支撐板進(jìn)行拋光、釉面處理等，以增加其光滑度和美觀性。最后，對(duì)成品瓦片進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。 塑料支撐板的制作流程如5（b）所示：第一，選用合適的塑料材料，如PVC（聚氯乙烯）等[12]。第二，將塑料材料通過擠出、注塑等方式成型為支撐板的形狀。第三，對(duì)成型的塑料瓦片進(jìn)行表面處理。第四，噴涂、印刷等，以增加其美觀性。最后，對(duì)成品塑料瓦片進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。

（a）? 陶瓷材料

（b）? 塑料材料

圖5? 制作流程圖

2.3? 球形采光件的選擇

球形采光件為20～40 mm的高透光玻璃球或樹脂球。樹脂材料透明度高，具有很好的透光性，可以制作出具有良好折射和透光性的透明球，樹脂具有較好的耐化學(xué)性，不容易受到化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，并且樹脂具有較好的可塑性，可以制作出各種形狀和尺寸的透明球。玻璃材料不易老化、褪色，具有較長(zhǎng)的壽命，較高的熔點(diǎn)和耐高溫性能，可以在高溫環(huán)境下使用，并且玻璃表面光滑平整，不易粘附灰塵或污垢，方便日常清潔。綜上，在室外由于長(zhǎng)期受到雨水侵蝕，太陽光的長(zhǎng)期照射，白天夜晚溫差較大，所以在實(shí)際應(yīng)用中作為瓦片使用玻璃，而作為室內(nèi)裝飾隔斷墻時(shí)就使用樹脂材料[13]。

3? 結(jié)果與分析

采光瓦的透光效果是與光照強(qiáng)度和光源位置有關(guān)，所以測(cè)試時(shí)在暗室天花板分別設(shè)置了不同光照強(qiáng)度和不同位置的射燈來模擬太陽的照射。如圖6所示，在暗室內(nèi)部搭建一個(gè)采光瓦模型，為方便測(cè)試，支撐板采用塑料，透光件采用高透光玻璃。使用DELIXI DLY-1801c照度計(jì)檢測(cè)在采光瓦上設(shè)置5個(gè)點(diǎn)，檢測(cè)陽光經(jīng)過采光瓦后的光照強(qiáng)度和經(jīng)過折射后的平均光照強(qiáng)度，檢測(cè)結(jié)果如圖7和表2所示。

如表2所示，由于每一天不同時(shí)間段的環(huán)境光照射入角度不同，為了確保測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性，使用不同角度的光源對(duì)外部光照強(qiáng)度、內(nèi)部平均光照強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，整理后使用OriginPro繪制成折線圖。結(jié)果表明，當(dāng)光源角度在0°～90°時(shí)光照強(qiáng)度隨著角度的增加而增加。此外，在光照角度較小時(shí)，球形玻璃球雖然可以將光線折射入室內(nèi)，但是光照射的面積遠(yuǎn)小于垂直照射的面積。在角度增加至25°后光照強(qiáng)度已基本滿足照明需求。因此，本采光瓦的設(shè)計(jì)能夠滿足日常使用[14]。

圖6? 內(nèi)部測(cè)量點(diǎn)示意圖

圖7? 內(nèi)外部光照強(qiáng)度

表2? 測(cè)試數(shù)據(jù)表

4? 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款造型多樣的采光瓦，采用基于光線追蹤算法的DIALUX軟件仿真模擬了該采光瓦的透光分布空間情況，采用AUTOCAD設(shè)計(jì)了多種外觀造型與結(jié)構(gòu)的采光件和采光瓦，采用陶瓷燒制成型/塑料壓制成型得到了采光瓦支撐板和玻璃/樹脂玻璃球，采用螺栓固定方式得到了造型多樣的采光瓦。測(cè)試結(jié)果表明，該采光瓦的光強(qiáng)分布均勻性和隱私保護(hù)性能均較好，在陽光房、別墅等建筑的燈光造型上具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景與經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值。

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