建筑藝術的自然采光與環境節能設計研究

姚江+李憲鋒

摘 要：大量的建筑實例表明，相對于空間需求而言，采光的實用性功能往往容易獲得人們認可，但在精神需求方面卻往往很難以簡單的方式得以實現。光與影在室內外成功的運用所產生的視覺藝術效果，不僅能滿足實際的使用功能，又可以帶給人們愉悅的精神感受。自然光線不僅可以為建筑提供理想的照明效果，通過建筑形式對它加以控制和利用后，還可以解決建筑空間的采暖等問題，實現建筑的節能目的，這是當今建筑采光設計研究的重點。

關鍵詞：建筑藝術； 照明設計； 自然光； 環保節能；環境藝術設計

中圖分類號：J59 文獻標識碼：A

自然光是取之不盡、用之不竭的綠色能源。在進行自然采光設計時，運用技術調節或關閉部分人工照明設備，達到節省電力的目的，這樣不僅減少了照明設備向室內散熱，同時也節省了空調運行的電力。自然光對室內的照射在增加室內照度、節省照明用電的同時，也會使太陽輻射的熱量增加。現代室內照明設計中過度依賴人工照明，這不僅阻礙了人與大自然的聯系，也造成了極大的能源消耗，同時給人類健康帶來了各種隱患。從建筑節能角度來講，室內自然采光設計是建筑節能中極為重要的內容，但至今尚未引起我國建筑行業和室內設計行業的足夠重視。

一、建筑形式與自然采光

照明設計大師路易斯·康曾說：“自然光是唯一能使建筑藝術稱之為藝術的光?！碧柟庋刂ㄖ问降淖兓鲃?，建筑影像跟隨自然光的流動而改變，貝聿銘的伊斯蘭歷史博物館完美展現了這一設計理念。建筑體量、建筑平面規劃、建筑剖面和建筑外墻體的虛實都是基本的建筑形式因素，在自然采光設計中，這些建筑形式都對采光起著基本的決定因素。不論是從建筑的自然采光效果，提高室內的視覺舒適度，還是從解決建筑內部的某項功能性任務來講，建筑形式都是與采光過程緊密相連的。

我們必須首先明確建筑進行自然采光的目的（照明、被動制冷或被動供暖）以及所需要達到的內部視覺效果，在明確設計目標后再進行物質層面上的建筑形式與采光關系的探討。基本的建筑形式是由建筑體量、建筑平面規劃、建筑剖面和建筑外墻體來構成的。建筑內部空間自然采光的主要因素是對采光方式的研究，采光方式決定了建筑空間光的照度范圍和方向，從原則上講，所有的建筑采光方式應依據建筑空間功能的不同要求而設定。形式的主旨是對本質的具體化表現，它由各種不可分割的元素組合而成。形式的構建往往先于設計，形式引導設計的發展方向，因為形式是把握各項元素之間關系的紐帶。建筑形式的設計在很大程度上對自然采光設計的合理性與科學性產生決定性影響。建筑形式的構建必須以明確的自然采光原則和準則為設計基礎，從確定采光的內容和目的著手設計。

二、建筑物體量與自然采光

隨著人工照明的出現及大量普及，建筑對自然光照的需求變得明顯降低，由于不再受自然采光設計的約束，大進深的建筑空間，大體量的建筑規模開始出現，同時也導致了建筑物內部與外界自然環境、自然景觀之間的聯系減少以及自然光照的缺失和自然通風的阻塞。雖然人工照明可以為建筑空間提供優質的照明效果，但卻無法取代自然光給人的生理上帶來的積極作用，導致的結果是建筑能耗的急劇增加和各種心理及生理疾病的產生。沒有自然光，一個空間就無法成為真正的建筑。隨著自然光的射入，自然光通過一天不同時間段和一年中的季節更替所產生的微妙變化，對建筑空間進行光照度的明暗、冷暖調節，為建筑空間提供了豐富的視覺感受和變換的意境。為保證建筑空間的各部分都可得到的自然光的照射，在建筑物的體量與建筑平面、剖面設計方面應進行合理的控制。小體量的建筑物較適合采用雙側或多側采光，而體量巨大的建筑則可以利用垂直采光井、內部庭院以及采光門廳等設計手法來保證建筑物內部的自然采光。在中國南方夏季溫度較高，控制室內溫度是節能的首要工作，在建筑設計上宜采用小面寬大進深的構建格局；北方冬季漫長寒冷，節能以室內保溫為主，建筑體量宜采用長寬比大（即大面寬小進深）的建筑格局。從自然光的采光角度考慮，隨著建筑進深的增加內部光線會越來越弱，因此一方面建筑進深不宜過大，另一方面盡可能減少空間內的隔墻對自然光線的遮擋，以確保采光照度值和光照均勻度。所以在構建建筑體量時應兼顧內部空間光熱環境的節能需求，最終計算出最佳的長寬比值。

三、建筑平面、剖面規劃與自然采光

建筑的平面、剖面設計方案，在很大程度上決定了陽光入射到建筑室內的角度、深度和廣度，同時也確定了建筑物內部空間的光照模式，進而確定建筑外部遮陽設施的制式和懸挑規格，因此，建筑物平面與剖面的設計可以描述照明的序列關系以及室內外之間的相互聯系。甚至還可以研究光照在內部空間所形成的氛圍和性質。要使建筑內部空間獲得充足的自然光照并形成恰當的自然光性質，房間的進深和高度就成為自然采光設計所受到的限制因素之一。自然光線從室外入射到室內，建筑單項側面采光建筑在自然采光上面臨的最大難題就會顯現，那就是光照量會從入射口向室內深處迅速衰減。若在設計上采用雙側或多側采光，就可以在很大程度上提高室內的光線射入量和光照分配量。由于這些方法都是從周圍墻壁或周邊空間進行采光設計，把自然光線引入室內，所以建筑的進深成為采光設計的主要因素。而屋頂采光則可以將自然光線引入到建筑內部的幾乎任何位置，所以，建筑物的高度就成為影響建筑物底層部分采光的更重要因素。房間的進深和高度還會影響到建筑的窗戶、天窗的具體位置及大小。建筑的表面形式經過確定功能的采光設計后可以儲存、反射、過濾，甚至按照設計的需要改變光線照射路徑，重新分配自然光。通過建筑立面窗戶位置的選擇，可以調節和控制自然光的入射形式及效果。

四、 基于光導向系統的日光偏轉技術

依據平面鏡或棱鏡反射原理的日光偏轉技術，通過對太陽光線更為靈活，更為智能的應用，可以達到光線的最優化應用。它包括建筑采光節能設計和熱工節能設計兩個方面，建筑采光節能設計要求將自然光有效引入室內，不但滿足了視覺實用方面的功能需求，同時達到了節省室內照明用電的功能。

英國環境部門的一項研究表明，由于高檔的辦公建筑外墻多采用防曬玻璃和垂直遮光簾，阻擋或消除了外界的自然光照，導致了室內對人工照明需求的增加，而建筑物內部的照明系統要比供熱系統和冷卻系統消耗更多的能源，這項研究清晰的表明了一個觀點：提高自然光的利用率可有效降低建筑能耗。日光偏轉技術可有效同時解決建筑物內部的視覺舒適度要求和熱舒適度要求。日光偏轉的目的和用途就是通過影響入射光線的方向從而改變光線的強度，所以日光偏轉系統可以實現防護和供給兩種功能。由此可見，日光偏轉技術的工作原理就是以一種可控的方式使自然光進入建筑物內部或將其反射回空中，它的物理依據是平面鏡或棱鏡對光線的反射原理。一般情況下，日光偏轉系統的安裝位置多位于建筑物的玻璃頂棚或外墻，根據系統與建筑物本身的聯系又可以分為安裝于建筑物外部，內部或集成于隔熱玻璃內三種安裝方式。若太陽位置較高，則回復技術適用于建筑物的外墻，90%以上的太陽能量會通過光偏轉系統向外墻偏轉，只有少量的室內照明所必須用到的日光會到達室內。當太陽能輻射光線被回復反射而不是被吸收時，建筑物外墻的過度升溫現象就會避免。安置在建筑物內部的光回復技術，通過對太陽光線和熱量的反射，可以將大約入射能量的50%偏轉回室外，由于有玻璃層，只有13%～26%的太陽能量進入室內。光回復系統集成在隔熱玻璃中，可以得到一個小于0.2的衰減因數值，較之室外遮陽所提供的熱能環境，可得到更理想的室內熱環境。根據玻璃涂層的情況不同，90%的太陽能會被阻擋，最多會有7%～10%的能量以光和熱形式被傳輸進來。目前，國內在室內采光中用的最多的是傳統的室內遮光百葉窗，這種百葉窗雖然可以取得較好的遮光效果，但同時也會使一些積聚的熱量流進室內，導致室內氣溫升高。尤其是在炎熱的夏季，這種百葉窗可以看作是一種熱吸收器和進入室內的空氣擋板，在阻擋了室內與室外空氣流通的同時造成了室內的氣溫升高。

五、結論

在實現可持續發展這個大的社會背景下，無節制的向自然過渡索取的生產生活方式已走到了終點。自然采光設計是建筑生態設計的一個重要組成部分，對節能減排，降低大氣溫度，減緩全球氣候變暖有著積極的作用。自然光運用僅僅是生態建筑中的一小部分，它體現著建筑外部和內部環境之間的相互關聯性，這些因素最終是通過建筑形式來完成并產生實際意義，這樣不僅促進了環境的協調，同時給生態設計提供了發展的空間。這是現代建筑得以持續發展的基本前提，是建筑生態設計的基本特征。也是向建筑師和室內設計師提供一個新的設計理念切入點。（責任編輯：帥慧芳）