胡廣梽，汪統(tǒng)岳，郝洛西

(1.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200000；2.同濟(jì)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))，上海 200092)

引言

新時(shí)代的醫(yī)院不僅僅要滿(mǎn)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(lèi)功能中占比最大的部分，所占面積達(dá)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(zhǎng)期居住的空間。一直以來(lái)，光環(huán)境都對(duì)人類(lèi)健康有著重要的影響[2]。首先光可以影響人的視覺(jué)功能，長(zhǎng)期惡劣的光環(huán)境容易引起視功能下降、視覺(jué)疲勞、作業(yè)績(jī)效降低，還妨礙活動(dòng)的順利進(jìn)行，引起近視、黃斑病變等疾病；其次，光對(duì)生物節(jié)律也有重要的影響，通過(guò)人眼中的第三類(lèi)感光細(xì)胞，影響生物節(jié)律，包括睡眠、進(jìn)食、新陳代謝、激素分泌以及免疫應(yīng)答等生理過(guò)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(duì)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(shè)計(jì)要素。光環(huán)境的營(yíng)造主要由天然采光和人工照明決定，而在一天的活動(dòng)時(shí)間中，天然采光的占比對(duì)于病人來(lái)說(shuō)更長(zhǎng)，因此這里主要探究病房的天然采光設(shè)計(jì)。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是指，建立變量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系作為參數(shù)模型，以研究某些變量的改變所帶來(lái)的對(duì)其他變量的影響和最終結(jié)果[4]。在采光設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，確定合適的自變量以達(dá)到優(yōu)化病房光環(huán)境的目的。

1 天然采光評(píng)價(jià)指標(biāo)

若要提升采光設(shè)計(jì)，首先要選取恰當(dāng)?shù)牟晒庑Чu(píng)價(jià)指標(biāo)。天然采光的評(píng)價(jià)指標(biāo)多種多樣，主要可以分為兩種，其一是評(píng)價(jià)單一時(shí)間的靜態(tài)采光指標(biāo)，另外則是反映整年采光效果的動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)。前者通常選取全陰天條件下的特定時(shí)刻進(jìn)行模擬分析；后者則通過(guò)將建筑所在地全年的氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，建立天空模型，以小時(shí)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(píng)價(jià)采光效果，該種類(lèi)型的指標(biāo)更能全面反映真實(shí)情況的室內(nèi)光環(huán)境，對(duì)于提升病房空間的健康設(shè)計(jì)具有更加重要且直觀的作用。而在動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)中，也可大致分為兩種方向，其一是反映某一觀測(cè)點(diǎn)的采光效果指標(biāo)，其二則是反映某一空間范圍的采光效果指標(biāo)。在眾多動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)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(jìn)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(yíng)造的室內(nèi)光環(huán)境中，滿(mǎn)足最低照度要求的時(shí)間所占全年時(shí)間的百分比，它將全年8 760 h的采光情況納入計(jì)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(duì)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(méi)有考慮照度過(guò)高時(shí)帶來(lái)的眩光等問(wèn)題。但對(duì)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(biāo)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(shí)間所占全年8 760 h的比例。2006年，Wienold等[5]通過(guò)研究將光環(huán)境的照度劃分為三個(gè)區(qū)間(表1)。相較于DA，UDI規(guī)定了一個(gè)范圍，將眩光等高照度情況納入模擬計(jì)算中，從而更加全面精確地進(jìn)行采光評(píng)價(jià)。因此，選用UDI指標(biāo)來(lái)進(jìn)行后續(xù)的采光模擬評(píng)價(jià)。

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(jìn)一步評(píng)價(jià)室內(nèi)光環(huán)境由眩光影響下的舒適度的指標(biāo)，它將人視野內(nèi)的總體亮度、眩光范圍和亮度，以及視覺(jué)對(duì)比差異等信息綜合考慮進(jìn)來(lái)，使用了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄓ糜谟?jì)算，貼切地考慮了使用者的感受[5]。并將DGP的值劃分為4個(gè)等級(jí)(表2)。由表2可知，DGP等級(jí)在0.4以?xún)?nèi)時(shí)較為理想。

表2 DGP等級(jí)劃分

對(duì)于醫(yī)院病房來(lái)說(shuō)，為了營(yíng)造有利于病人健康的天然光環(huán)境，首先應(yīng)當(dāng)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(guò)高的照度容易產(chǎn)生眩光，影響病人的視覺(jué)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(yīng)當(dāng)處于一個(gè)充足但并不過(guò)高的范圍，選用UDI作為室內(nèi)光環(huán)境整體的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較為合適。同時(shí)，應(yīng)對(duì)病房中病人長(zhǎng)期生活的區(qū)域進(jìn)行眩光分析，利用DGP值進(jìn)行量化，評(píng)價(jià)眩光情況以減少光污染對(duì)病人帶來(lái)的負(fù)面影響。

2 項(xiàng)目基本信息

重慶智慧醫(yī)院新建項(xiàng)目位于重慶市沙坪壩區(qū)香爐山街道，重慶科技學(xué)院(虎溪校區(qū))南側(cè)約230 m，大學(xué)城南一路北側(cè)。場(chǎng)地周?chē)酁榫用駞^(qū)，在采光設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮病房樓與高層住宅之間的相互影響。項(xiàng)目總用地面積約為22 000 m2，總建筑面積為78 910 m2，包含一個(gè)二級(jí)醫(yī)院綜合樓、一個(gè)疾控實(shí)驗(yàn)樓和共享行政樓，二級(jí)醫(yī)院床位數(shù)為400床。在經(jīng)過(guò)周邊場(chǎng)地分析、用地功能分區(qū)分析以及各項(xiàng)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(shí)驗(yàn)區(qū)位于場(chǎng)地全年主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向處即東南角，住院區(qū)位于北側(cè)以減少場(chǎng)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(dān)過(guò)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(guó)光氣候分區(qū)的第Ⅴ類(lèi)分區(qū)，屬于全國(guó)太陽(yáng)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(xiàng)目的病房光環(huán)境設(shè)計(jì)尤為重要，其中首要目的是確保病房?jī)?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(shí)刻進(jìn)行西向的眩光分析。

3 采光模擬分析及優(yōu)化

經(jīng)過(guò)初步的建筑體量設(shè)計(jì)后，需要針對(duì)病房的光環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的采光設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，使得參數(shù)之間在保持對(duì)應(yīng)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(lái)決定和影響需要的參數(shù)，形成動(dòng)態(tài)的參數(shù)化模型[6]。根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)，從而使得病房光環(huán)境達(dá)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(shè)計(jì)變量。由于整體布局已經(jīng)確定，且住院樓的南側(cè)沒(méi)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(gè)“C”形錯(cuò)動(dòng)的形態(tài)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算(圖2)。

圖2 兩個(gè)“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(hù)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(huì)更有可能享受到更好的日照條件。但在該項(xiàng)目中，受制于場(chǎng)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(mǎn)足不了護(hù)理單元床位數(shù)的要求，只能沿東、南、西三個(gè)邊布置病房，因此并無(wú)太多可能性，不做過(guò)多討論。

(3)病房采光口?！督ㄖ晒庠O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)[7]規(guī)定了不同光氣候分區(qū)的建筑應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足的窗地比，在滿(mǎn)足一定窗地比的情況下，采光口的尺寸對(duì)于內(nèi)部光環(huán)境也存在相應(yīng)的影響。同時(shí)為了避免眩光，使室內(nèi)光環(huán)境處于相對(duì)舒適的DGP范圍，也要考慮遮陽(yáng)設(shè)施的影響。

接下來(lái)將詳細(xì)研究(1)和(3)所述的布局方式、采光口尺寸以及遮陽(yáng)設(shè)施對(duì)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(jìn)行參數(shù)化建模，并選取病房的標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行研究。選用了grasshopper平臺(tái)中的ladybug插件進(jìn)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(jìn)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(mǎn)足床位數(shù)達(dá)到要求的同時(shí)(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(hù)理區(qū)和公共活動(dòng)區(qū)位于住院樓中部。形成雙護(hù)理單元同層設(shè)置，可分可合，布置靈活；病房區(qū)、護(hù)理工作區(qū)、醫(yī)生工作區(qū)、公共活動(dòng)區(qū)相輔相成；病員配餐服務(wù)、廢棄物收集服務(wù)，實(shí)現(xiàn)“潔進(jìn)污出”的平面布局模式(圖3)。

圖3 兩個(gè)“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(dá)，并參考GB 50033—2013[7]對(duì)于墻面、玻璃等材質(zhì)要求，在ladybug平臺(tái)中賦予每間病房圍合面相應(yīng)的光學(xué)參數(shù)，建立帶有光學(xué)屬性的三維參數(shù)模型。

在確定窗戶(hù)尺寸時(shí)，重慶屬于Ⅴ類(lèi)光氣候分區(qū)，在滿(mǎn)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(guò)計(jì)算可得其窗戶(hù)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(tái)高度最好在滿(mǎn)足通風(fēng)采光的需要的同時(shí)，能夠滿(mǎn)足病人遠(yuǎn)眺觀景的需要，因此設(shè)定窗臺(tái)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(hù)的高度范圍則為2.6～3.0 m(以0.2 m為模數(shù)，共3個(gè)值)；考慮到柱子的尺寸0.6 m寬和房間進(jìn)深4.2 m，窗戶(hù)的寬度最多為3.6 m，為了在窗高最小的情況下滿(mǎn)足窗戶(hù)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(hù)的寬度最小定為2.1 m，因此窗戶(hù)的寬度范圍則是2.1～3.6 m(以0.3 m為模數(shù)，共6個(gè)值)，那么在同種病房樓形態(tài)的情況下，共進(jìn)行18種采光方案的模擬計(jì)算。

接下來(lái)是設(shè)定病房單元各個(gè)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(dǎo)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(duì)醫(yī)院類(lèi)型建筑的使用時(shí)間規(guī)定，即8：00—17：00，全年310天，制定相應(yīng)的模擬時(shí)間范圍，對(duì)上述的病房參數(shù)模型進(jìn)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(shè)計(jì)優(yōu)化

對(duì)模擬計(jì)算的多組數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)比。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用控制變量法，以窗高3 m、寬2.1 m的模型進(jìn)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(dú)分析該房間的UDI100-2000lx值，見(jiàn)表4。

表4 不同布局形式的UDI100-2000lx值

由表4可知，無(wú)論是從平均UDI100-2000lx還是南側(cè)中間房間的UDI100-2000lx來(lái)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(shè)置成了公共休息區(qū)，將形體轉(zhuǎn)折帶來(lái)的自遮擋因素降至最低。因此從采光方面來(lái)講，兩種布局并無(wú)明顯差別，在設(shè)計(jì)中可以考慮使用形體變化更為豐富的“C”形護(hù)理單元形態(tài)，以豐富建筑體量造型。

接下來(lái)對(duì)“C”形布局的不同采光口方案進(jìn)行模擬計(jì)算，由于重慶光照資源較為匱乏，全年大部分時(shí)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(jiàn)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(shì)是：以寬度相同的3個(gè)數(shù)據(jù)為一組，隨組增加。這是由于采光口在過(guò)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(hào)16之后增長(zhǎng)趨勢(shì)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(hào)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(hào)16。

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

圖5 豎向遮陽(yáng)的設(shè)置Fig.5 Setting of vertical shading

表6 豎向遮陽(yáng)板對(duì)眩光的改善

從表6中可以看出，隨著豎向遮陽(yáng)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(gè)和7個(gè)遮陽(yáng)板時(shí)，DGP和UDI100-2000lx趨于穩(wěn)定，但遮陽(yáng)板過(guò)多也會(huì)影響病人的觀景體驗(yàn)和立面效果，因此選用每個(gè)病房開(kāi)間6個(gè)豎向遮陽(yáng)板的遮陽(yáng)方式。

綜上所述，病房樓“C”形和“回”形的平面形態(tài)對(duì)于采光方面來(lái)講，兩種布局并無(wú)明顯差別，在設(shè)計(jì)中可以考慮使用形體變化更為豐富的“C”形護(hù)理單元形態(tài)，以豐富建筑體量造型；對(duì)于采光口而言，選取編號(hào)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(shí)在立面上以每個(gè)病房為單位均勻設(shè)置6個(gè)豎向遮陽(yáng)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(zhǎng)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(shè)計(jì)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(yǔ)境等進(jìn)行針對(duì)性的病房光環(huán)境設(shè)計(jì)很有必要。

首先，對(duì)重慶智慧醫(yī)院項(xiàng)目進(jìn)行分析，提取項(xiàng)目中影響病房光環(huán)境的重點(diǎn)要素——病房的平面形態(tài)、采光口尺寸以及立面外遮陽(yáng)；接著，建立各影響因素與采光效果之間的參數(shù)化模型，進(jìn)行采光模擬實(shí)驗(yàn)；最后，以室內(nèi)光環(huán)境的UDI、DGP參數(shù)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、評(píng)價(jià)，從而探究出一個(gè)相對(duì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。從項(xiàng)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(shè)計(jì)。這便是在實(shí)際項(xiàng)目中，以健康為導(dǎo)向的一種光環(huán)境設(shè)計(jì)方法。