學校體育館天然采光現狀調查研究

姚亞緯，曹 陽 ，王立雄 ，張明宇，于 娟 ，韓國帥

(1.天津大學，建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072； 2.鄭州大學建筑學院，河南 鄭州 450001)

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學校體育館天然采光現狀調查研究

姚亞緯1，曹 陽2，王立雄1，張明宇1，于 娟1，韓國帥1

(1.天津大學，建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072； 2.鄭州大學建筑學院，河南 鄭州 450001)

針對天津地區學校體育館建筑，分別測量室外天然光照度、學校體育館場地尺寸、采光口布置及室內照度、亮度數據，并將測試數據通過計算得到平均照度、采光系數平均值、采光均勻度、不舒適眩光指數等采光指標。將上述指標結合新修訂的《建筑采光設計標準》GB 50033—2013中的標準要求，對其采光情況進行評價分析，并結合典型案例研究探索優化提高學校體育館天然采光質量的可行途徑。

學校體育館；天然采光；設計標準；調查分析

引言

學校體育館是學校基礎設施中不可或缺的重要部分，它不僅是日常教學和體育訓練的主要場所，還兼具比賽、公眾健身場所的功能。近年來，隨著我國國民經濟的發展，人們生活水平不斷提高，大大增加了體育活動的強度，對體育館的環境質量有了更高的要求。同時，伴隨著“綠色體育建筑”概念的不斷深化，節約能源成為體育建筑設計的重要方面。

由于學校體育館兼具“數量多”、“體量大”、“使用頻率高”等特點，人工照明的能耗問題日趨嚴重。合理利用天然光在降低人工照明能耗的同時，還能為使用者提供良好的室內環境。從視功能實驗來看，人眼在天然光下比人工光下具有更高的視覺效應，并感到舒適和有益于身心健康。對于體育館建筑而言，采用天然光照明更有助于提高體育訓練和比賽水平。合理利用天然采光進行照明，一方面可以避免采光質量缺陷，獲得良好的使用環境，另一方面也解決了體育建筑照明能耗大的問題。

體育建筑采光設計與評價主要參考《建筑采光設計標準》GB 50033—2013。該標準中新增了對體育館建筑采光的指標要求。本文結合新標準，調研天津地區學校體育館采光質量數據，對場館采光質量進行評價分析，為優化改善學校體育館天然采光質量提供基礎依據。

1 測試方案

1.1 調研目的與對象

目的：調查天津地區學校體育館的天然采光質量現狀。

對象：選取典型體育館建筑，天津大學體育館、天津工業大學新體育館、天津工業大學老體育館、天津師范大學體育館(主館)、天津師范大學體育館(體操館)、天津理工大學體育館、南開大學老體育館共七個(表1)。

表1 體育館基本情況Table 1 Gymnasium basic situation

1.2 測試內容及方法

(1)時間：2013年10月—12月，10:00—14:00。

(2)儀器設備(圖1)：

①手持亮度計(konnica minolta Ls-100)

測量范圍：FAST：0.001至299900cd/m2(0.001至87530fL) SLOW：0.001至49990cd/m2(0.001至14590fL)

②照度計(XYI-III全數字照度計)

動態范圍：0.01至10000lx 0.1至100000lx

③測距儀(Leica Disto D5)

(3)內容：①建筑尺寸；②場地及采光口尺寸；③物理測試：室內、室外的水平照度，窗口亮度，墻面亮度。

圖1 測試所用儀器Fig.1 Test instruments

(4)方法：根據《采光測量方法》(GB 5600—2008)，制定如下測試方法：

①照度測量方法采用均勻布點法，每個點間距3米～4米，覆蓋活動場地區域及場地周圍1米；亮度測量方法采用均勻布點法，每面墻上布4至6個點；

②排除人工照明的干擾，在只有天然光條件下進行測量；

③在維持場地采光口常態的情況下進行測試。

2 測量結果統計與分析

2.1 數據處理

根據實地測量數據進一步計算，具體計算方法如下：

式中：Ei——室內水平照度(單位：lx)；E0——室外同一水平面上照度(單位：lx)；Cmin——采光系數最小值(單位：%)；M——縱向布點數；N——橫向布點數。

窗的不舒適眩光計算如下：

DGI=10 log ∑Gn

p=exp[35.2-0.31889α-1.22e-2α/9)10-3β+ (21+0.26667α-0.002963α2)10-5β2]

式中：Gn——眩光常數;Ls——窗亮度，即通過窗所看到的天空、遮擋物和地面的加權平均亮度(單位：cd/m2)；

Lb——背景亮度，即觀察者視野內各表面的平均亮度(單位：cd/m2)；ω——窗對計算點形成的立體角(單位：sr)；

Ω——考慮窗位置修正的立體角(單位：sr)；

p——古斯位置指數；

α——窗對角線與窗垂直方向的夾角；

β——觀察者眼睛與窗中心點的連線與視線方向的夾角(見圖2)。

圖2 窗的不舒適眩光計算的各角度示意圖Fig.2 Schematic plot for discomfort glare index calculation of windows

2.2 數據對比分析

2.2.1 國家標準

依據《建筑采光設計標準》GB 50033—2013中對體育建筑的規定：側面采光的采光系數標準值為2.0%、室內天然光照度標準值300lx，頂部天窗采光的采光系數標準值1.0%、室內天然光照度標準值150lx，體育館的采光等級為Ⅳ級，對應窗的不舒適眩光指數(DGI)為27。對于采光均勻度，標準中僅針對頂部天窗采光規定標準值為0.7；側面采光由于照度變化太大，標準中不做規定。故本文中不考慮側面采光的均勻度參數。

2.2.2 數據對比

綜合調研所得到的各場館數據，分別從平均照度、采光系數平均值、采光均勻度、窗的不舒適眩光指數(DGI)四個方面進行對比。

(1)室內平均照度

各場館室內平均照度對比如圖3所示。其中，除天津工業大學新體育館室內平均照度(48.53lx)不能滿足設計標準，其他六個體育場館的室內平均照度均高于設計標準值。

圖3 室內平均照度對比Fig.3 Average interior illuminance comparison

(2)采光系數平均值

圖4為各場館采光系數平均值對比情況。其中，滿足設計標準值的場館有天津大學體育館(2.3650%)、天津工業大學老體育館(1.2585%)、天津師范大學體育館(體操館)(5.7275%)、天津理工大學體育館(5.0503%)。在不滿足采光系數標準值的場館中，天津工業大學新體育館的采光系數平均值為0.1577%，遠低于設計標準值，場館室內采光嚴重不足。

圖4 采光系數平均值對比Fig.4 Average daylight factor comparison

(3)采光均勻度

以天窗采光為主的體育場館為天津大學體育館、天津工業大學新體育館、天津工業大學老體育館、天津師范大學體育館(主館)，采光均勻度對比情況如圖5所示。除天津工業大學新體育館(0.7561)滿足設計標準規定，其余場館均不滿足采光均勻度標準值。其中，天津工業大學老體育館采光均勻度為0.1762，遠低于標準值0.7，采光均勻度很差。

圖5 采光均勻度對比Fig.5 Uniformity of daylighting comparison

(4)窗的不舒適眩光指數(DGI)

以側窗為主的體育館的DGI對比情況如圖6所示。天津理工大學體育館主要采光口DGI指數為24.78，低于標準規定的最高值27，符合設計標準要求；天津師范大學體育館(體操館)和南開大學老體育館主要采光口DGI指數分別為32.81和33.40，高于最高值27，不滿足設計標準。

圖6 主要采光口窗的不舒適眩光指數對比Fig.6 Discomfort glare index comparison in main lighting windows

2.2.3 綜合場館評價分析

綜合體育館采光測試及計算得出的數據見表2。

由表2數據可以發現，采光口形式以天窗為主的場館大部分不滿足采光均勻度標準值和采光系數標準值。而以側窗為主的場館大多不滿足不舒適眩光指數標準值。同時，根據測試人員的現場感受，大部分場館光環境不能滿足體育鍛煉的需求。這是由于在原采光設計標準中沒有單獨針對體育館采光質量的指標規定，導致現存體育館在設計時缺乏對采光的考慮，甚至缺乏采光設計。

表2 綜合統計表Table 2 Comprehensive table statistics

注：括號內為不滿足標準規定的參數。

3 案例分析與模擬優化

以天津師范大學體育館(主館)(以下簡稱師大主館)為例，對其現狀進行分析，并使用Ecotect軟件對其進行模擬優化。該館的采光問題為雖滿足室內平均照度的情況下，卻不能滿足采光系數和均勻度要求，該案例一定程度上代表了現存體育館建筑的采光問題(見圖7)。

3.1 場館介紹

師大主館位于天津師范大學新校區內，建筑周邊沒有建筑物遮擋。該館的主要采光口為東西向的帶形天窗，另外在東、西兩側各有一排高側窗作為輔助采光口(西側高窗處于常年關閉狀態)。

該場館的測試時間為2013年12月11日，天氣晴。圖8是根據調研數據使用SIGMAPLOT繪制的室內水平照度偽色圖。根據計算所得，該館滿足室內平均照度標準值，但不滿足采光系數標準值和采光均勻度標準值。結合場館的采光口布置和照度分布偽色圖進行分析，該館東西向的水平天窗為館內提供了足夠的水平照度，但同時造成館內南部區域照度值較北部高，使場館的采光均勻度較差，采光口布置不合理。

圖8 天津師范大學主館室內水平照度偽色圖(單位：lx)Fig.8 Tianjin Normal University gymnasium (Main Hall) horizontal interior illuminance (unit:lx)

3.2 模擬優化

3.2.1 原始模型模擬分析(圖9、圖10)

模擬基于CIE全云天空模型，加載天津地區的氣象數據，模擬時間為12月21日(冬至日)中午12點。玻璃材料的可見光透過率為0.737，為一般清潔程度(折減系數為0.9)。

圖9 模型示意Fig.9 Model

圖10 屋頂平面俯視圖、東立面圖(右上)、西立面圖(右下)Fig.10 The top surface, east facade (top right), west facade (lower right)

由所建立的三維場館模型，使用Ecotect對其室內進行光環境模擬。模擬結果如下：采光系數平均值：4.71%，采光均勻度：0.541，照度平均值：235.39lx。由模擬結果可知，該館的采光均勻度較差，且照度平均值不達標。根據圖11顯示，場館北側照度值偏低，與實測的照度偽色圖相符。

圖11 模擬偽色圖Fig.11 Simulate pseudo color image

3.2.2 采光口調整優化

改善室內采光質量有兩種途徑：增加采光口面積和改變采光口位置。下面分別采用這兩種方式調整模型，優化室內光環境。

(1)增加天窗的面積：如圖12所示，建筑屋頂北側加設天窗，長50m，寬4m，與原天窗距離2.8m。模擬結果如下：采光系數平均值：6.10%，采光均勻度：0.585，照度平均值：304.89lx。通過優化，該館的照度平均值達到標準值規定，但采光均勻度仍不滿足標準值0.7的要求。偽色圖見圖13。

圖12 增加天窗示意圖Fig.12 Increase the skylight

圖13 模擬偽色圖Fig.13 Simulate pseudo color image

(2)改變采光口位置：將圖示(見圖14)天窗向北側平移2米，同時在不改變原有側窗的數量和尺寸的前提下，將東西兩側的高側窗重新排列(如圖14)。模擬結果如下：采光系數平均值：6.24%，采光均勻度：0.716，照度平均值：311.76lx。通過改變采光口位置，大大提高了該館的采光均勻度，滿足設計標準中的平均照度和采光均勻度要求。偽色圖見圖15。

圖14 屋頂平面、東立面(右上)、西立面(右下) 采光口改變示意Fig.14 The top surface, east facade (top right), west facade (lower right)

圖15 模擬偽色圖Fig.15 Simulate pseudo color image

3.2.3 小結

對現有場館從建筑體型上進行改造，優化其采光質量比較困難，只有通過調整場館的采光口的位置以及增減采光口面積來達到優化場館采光質量的目的，但調整后的采光口有可能不滿足建筑的美學設計。因此，在建筑設計時應進行采光設計的考慮，通過合理設計采光口的大小和布置方式，避免采光問題。

4 結論

建筑采光設計，尤其是對于使用要求相對嚴苛的體育館來說是一個綜合的過程，需要結合建筑設計、使用功能和使用時間段的需求綜合考慮。傳統的建筑設計過程在此方面考慮較少。本文結合實測情況與模擬優化對現有體育館的采光進行了分析和評價，借此希望引起體育館建筑設計對自然采光利用的考慮。本文僅針對個案利用模擬軟件對天津地區體育館建筑采光情況進行分析，且只考慮采用CIE標準全云天這一種天空模型，在實際采光研究和設計應用中是遠遠不夠的。進一步研究應針對地域性的光氣候特征，結合體育建筑的建筑造型、使用需求開展深入研究，以推動建筑采光研究和適應實際工程的需要。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50033—2013建筑設計采光標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[2] 國家標準化管理委員會.GB 5699—2008采光測量方法[S].北京：中國標準出版社，2009.

[3] 王愛英，李卓. 雍和宮法輪殿天然光環境解析[J].照明工程學報，2008,19(3):22-25.

[4] 李雯雯，王愛英，連志強. 天津火車站候車廳天然采光研究[J].照明工程學報，2011,22(5):74-78.

[5] Chang Sung Kim, Seung Jin Chung. Daylighting simulation as an architectural design process in museums installed with top lights[J]. Building and Environment, 2010,46 (1)：210-222.

中國科協八屆七次全國委員會會議在北京召開

2015年1月8日，中國科協第八屆全國委員會第七次會議在北京召開。中共中央政治局委員、國家副主席李源潮出席會議并與中國科協全委會委員座談。會議傳達了中央書記處對科協工作的重要指示精神，審議并通過了中國科協常委會工作報告，選舉尚勇同志為中國科協第八屆全國委員會常務委員會委員、第八屆全國委員會副主席(主持常務工作)。全國政協副主席、中國科協主席韓啟德主持開幕式并作工作報告。中國科協黨組書記、常務副主席、書記處第一書記尚勇主持閉幕式并作總結講話。

在大會座談會上，有4位學會代表和1位地方科協代表發言。李源潮在座談時指出：希望中國科協深入學習領會習近平總書記系列重要講話精神，堅持中國特色社會主義群團組織的發展方向，引領廣大科技工作者在促進科技創新上發揮更大作用。

座談中，大家圍繞學會有序承接政府轉移職能、創新驅動助力工程、科技人才培養、海外人才引進等作了發言。李源潮說，希望中國科協引導廣大科技工作者積極創新創業創優，進軍經濟建設主戰場、進軍科技創新前沿，為推動經濟社會持續健康發展作貢獻。

中國科協第八屆全國委員會委員，部分在京中國科協榮譽委員及中國科協機關、直屬單位負責人和全國學會、省級科協有關負責人500余人出席、列席會議。中國照明學會理事長徐淮出席，副秘書長高飛列席會議。

Investigation and Study on Daylighting Situation of the School Gymnasium

Yao Yawei1, CaoYang2, Wang Lixiong1, Zhang Mingyu1,Yu Juan1, Han Guoshuai1

(1.TianjinUniversity,TianjinKeyLaboratoryofArchitecturalPhysicsandEnvironmentalTechnology,Tianjin300072,China;2.SchoolofArchitecture,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

In this paper, the research object is the school gymnasium in Tianjin region. Through a series of in-depth researches which present the necessary parameters, we can get average interior illuminance, average daylight factor, uniformity of daylighting and discomfort glare index through calculation by the measured data. Then, combined with the daylight quantity and quality indicators which are mentioned in the newly revisedStandardforDaylightingDesignofBuildings(GB 50033—2013), we analyze the lighting quality in school sports buildings in Tianjin, combined with typical case study to explore the feasible way of optimization quality of the school gymnasium natural lighting.

school gymnasium; daylighting; design standard; evaluation and analysis

張明宇，E-mail:zmy0526@163.com

TU113

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.003