劉萬(wàn)里 王哲民 張伶伶

1 自然采光對(duì)于教育建筑的重要性

在教育建筑設(shè)計(jì)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(jī)能的進(jìn)化方向。一方面，人的視覺(jué)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(jué)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(jī)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(duì)青少年的生長(zhǎng)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(jī)能與環(huán)境光照度有關(guān)，不良的教室自然采光會(huì)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(jī)具有直接的正向關(guān)聯(lián)[2]。因此，我國(guó)教育建筑的采光設(shè)計(jì)要求日趨嚴(yán)格，《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50099?2011）、《特殊教育學(xué)校建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 76?2019）等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)在更新修訂中對(duì)教室的自然光照度標(biāo)準(zhǔn)均有明顯提升，新版《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033?2013）則不僅以強(qiáng)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(kuò)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(jì)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(guó)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)却安晒鉃橹鳎^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(jì)主要以窗地比作為計(jì)算依據(jù)，若要達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范要求的窗地比1/5的指標(biāo)，通常需要尺度、面積較大的側(cè)窗，不僅給建筑立面設(shè)計(jì)帶來(lái)了較多限制，也和東北地區(qū)的氣候特點(diǎn)產(chǎn)生了尖銳的矛盾。東北地區(qū)緯度較高，以嚴(yán)寒氣候區(qū)為主，冬季漫長(zhǎng)，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(hù)體系中保溫隔熱的薄弱區(qū)域，冬季散熱量大，嚴(yán)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(yán)重影響采光舒適度。當(dāng)靠窗區(qū)域自然照度過(guò)高，與黑板等區(qū)域的照度差異過(guò)大時(shí)，會(huì)加大學(xué)生抬頭看黑板和低頭看書時(shí)眼球調(diào)節(jié)的負(fù)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(shí)地調(diào)研結(jié)果，教室側(cè)窗眩光對(duì)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(kāi)燈補(bǔ)充照度。這種方式雖然解決了眩光問(wèn)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(shí)際使用中的突出癥結(jié)[3]。

3 引入動(dòng)態(tài)采光模擬分析的方法

在《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033?2013）中，采光計(jì)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(dá)到室內(nèi)照度要求，漫射光均勻而柔和，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生眩光。但是在真實(shí)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(yáng)高度角變小的情況下（表1），進(jìn)入教室的自然光遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)采光標(biāo)準(zhǔn)，并且會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間直射學(xué)生面部，眩光的影響強(qiáng)度和范圍明顯增大?？梢?jiàn)，基于全陰天漫射光的窗地比采光計(jì)算方法，在東北地區(qū)教育建筑的采光設(shè)計(jì)中存在一定偏差，采用動(dòng)態(tài)采光模擬分析可以更好地掌握晴天時(shí)教室中的實(shí)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(shí)刻的采光強(qiáng)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(qiáng)度分布，基本等同于晴天時(shí)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(shí)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(jì)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(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)要求的前提下降低室內(nèi)照度差?？梢圆捎玫膬?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(gè)路線展開(kāi)，其一是優(yōu)化立面?zhèn)却暗牟晒庑阅埽棺匀还饽軌蚓鶆蛉岷偷厣淙虢淌襕5]；其二是對(duì)較暗區(qū)域進(jìn)行自然光采光補(bǔ)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(diǎn)在于窗地比1/5的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于開(kāi)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(jiàn)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(tái)和框架梁等結(jié)構(gòu)高度，最大窗高約為2 400mm，則側(cè)窗長(zhǎng)度需達(dá)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(kāi)窗的1 000mm實(shí)墻和教室尾部結(jié)構(gòu)柱占據(jù)的寬度后，可以開(kāi)窗的外墻長(zhǎng)度僅為7 000mm，開(kāi)窗形式已基本沒(méi)有變化的余地。對(duì)此，研究嘗試從設(shè)置導(dǎo)光構(gòu)件和改變開(kāi)窗方式兩個(gè)思路進(jìn)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(guó)內(nèi)外已有較多研究成果，在此重點(diǎn)探索針對(duì)東北地區(qū)四季自然光特點(diǎn)的解決方案。我國(guó)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(yuǎn)低于南方地區(qū)，由Ecotect軟件模擬可見(jiàn)，教室中超過(guò)一半的區(qū)域都受到較強(qiáng)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(duì)冬季自然光的特點(diǎn)，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(yuǎn)窗區(qū)域的功能[6]。

1 標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)，導(dǎo)光構(gòu)件不宜設(shè)置過(guò)低，兼顧對(duì)遠(yuǎn)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(zhǎng)度方面，為了實(shí)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(zhǎng)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(yáng)為例，使用Ecotect 和Daysim 軟件對(duì)多種高度和室內(nèi)外長(zhǎng)度的導(dǎo)光構(gòu)件設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(shí)際應(yīng)用時(shí)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(shí)驗(yàn)中學(xué)遼濱分校項(xiàng)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(yíng)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(dá)到模擬計(jì)算的理想長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)中學(xué)遼濱分校標(biāo)準(zhǔn)教室日光輻射分析（設(shè)置導(dǎo)光構(gòu)件）

4 遼寧省實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中學(xué)遼濱分校教學(xué)區(qū)實(shí)景

在該項(xiàng)目實(shí)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(zhǎng)度受制于材料技術(shù)，影響了實(shí)際應(yīng)用效果。之后，我們對(duì)不透光全反射和半透光半反射導(dǎo)光構(gòu)件進(jìn)行了對(duì)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(duì)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(yuǎn)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(shí)驗(yàn)中學(xué)遼濱分校標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(kāi)窗方式

改變開(kāi)窗方式具有雙重意義，既能解決大窗眩光問(wèn)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(kāi)窗面積存在較大壓力，因此我們需要更加精準(zhǔn)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(zhēng)取更大的外墻面積，這是探索靈活開(kāi)窗方式的基礎(chǔ)。《城市普通中小學(xué)校校舍建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（建標(biāo)[2002]102號(hào)）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(jì)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(jìn)深6 700～7 800mm、開(kāi)間9 100～10 500mm之間為宜?？梢?jiàn)在滿足課桌椅擺放原則的前提下，適度減小教室進(jìn)深尺寸可以一舉兩得，既能增大開(kāi)間尺寸，從而增大可供開(kāi)窗的側(cè)墻面積，提升開(kāi)窗形式的靈活度，也能在進(jìn)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(chéng)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(huì)增加工程造價(jià)，不如調(diào)整平面尺寸更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

在側(cè)窗總面積不變的前提下，較長(zhǎng)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(duì)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(huì)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(guò)Ecotect軟件對(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)中3%的指標(biāo)要求；室內(nèi)天然光照度平均值均在500lx以上，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(kāi)窗方式的采光數(shù)據(jù)及日均輻射

表5 不同開(kāi)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(shí)驗(yàn)樓的設(shè)計(jì)中，根據(jù)高等學(xué)校小班制授課的特點(diǎn)，適當(dāng)縮小了教室進(jìn)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(lái)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(yán)謹(jǐn)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(jì)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(rùn)流暢，窗洞口靈活錯(cuò)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(yíng)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(kāi)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(rùn)的體量和靈活錯(cuò)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(bǔ)償

增加自然采光補(bǔ)償?shù)哪康氖翘嵘淌疫h(yuǎn)窗區(qū)域照度，減弱與近窗區(qū)域的照度對(duì)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(bǔ)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(qiáng)度。在前文模擬分析的四組開(kāi)窗形式中，增加高窗普遍能提高教室遠(yuǎn)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(kāi)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(wú)光可用的尷尬局面。研究將上下貫通的“采光補(bǔ)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(jìn)入各層走廊，使走廊背光一側(cè)增加了多個(gè)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(bǔ)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(shí)驗(yàn)樓設(shè)計(jì)中，設(shè)置了由東西兩側(cè)實(shí)墻和南北兩側(cè)玻璃磚共同圍合的“光井”。其實(shí)質(zhì)是被動(dòng)式采光補(bǔ)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(shí)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(duì)室內(nèi)環(huán)境的改善，設(shè)計(jì)在走廊北側(cè)保留了靈活布置的開(kāi)放空間，優(yōu)化建筑北立面并減少開(kāi)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(wèn)題，成為本項(xiàng)目獨(dú)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(wú)“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(shí)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

教育建筑的采光設(shè)計(jì)看似涉及具體的技術(shù)問(wèn)題，但在實(shí)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(diǎn)使采光、眩光、節(jié)能等各方面矛盾更加尖銳，成為無(wú)法忽視的難題，提示我們《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033?2013）等規(guī)范中以窗地比作為計(jì)算依據(jù)的采光設(shè)計(jì)方法，不能完全體現(xiàn)不同地域環(huán)境中自然光對(duì)使用者的影響，應(yīng)該逐漸引入動(dòng)態(tài)采光模擬分析，優(yōu)化采光設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性，提高自然采光設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度。

本研究結(jié)合創(chuàng)作實(shí)踐，依據(jù)不同項(xiàng)目的空間需求、環(huán)境特色，探索“量身定制”的采光方式，并對(duì)設(shè)計(jì)階段的模擬研究結(jié)果在建成后進(jìn)行了效果驗(yàn)證，修正了一些做法。更重要的是在探索過(guò)程中進(jìn)行思路轉(zhuǎn)換，引導(dǎo)我們跳出了原來(lái)錙銖必較般計(jì)算開(kāi)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(wèn)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(wèn)題，使建筑設(shè)計(jì)突破“唯指標(biāo)論”的束縛，體現(xiàn)了建筑師的價(jià)值，希望能為當(dāng)前越來(lái)越關(guān)注數(shù)據(jù)模擬的建筑創(chuàng)作提供一點(diǎn)啟發(fā)。

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