建筑天窗采光問題的研究
——尤其是外部有封閉造型時

劉輝，杜峰

(福建工程學院建筑與城鄉規劃學院 福建福州 350118)

建筑天窗采光問題的研究
——尤其是外部有封閉造型時

劉輝，杜峰

(福建工程學院建筑與城鄉規劃學院 福建福州 350118)

文章從外部有封閉造型建筑的天窗設計和使用現狀出發，分析設置天窗的必要性和無奈性。通過調研和圖紙分析提出解決采用天窗之后的過亮、過熱和眩光等問題并提出具體的解決方案，如：開高側窗，玻璃上貼膜、吊漫射光的頂棚和采用可調節窗簾等。

天窗采光；封閉造型；眩光；采光設計標準

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1 建筑天窗采光中出現問題綜述

建筑天然采光的意義不僅在于節省照明能耗、減少碳排放，而且為室內的視覺作業提供舒適、健康的光環境，是良好的室內環境質量不可缺少的重要組成部分[1]。伴隨著我國經濟的飛速發展，建筑行業發展尤為迅速，建筑的造型也越來越復雜。在很多實際工程中，設計人員通常只關注天窗的美觀效果，對其采光設計只停留在滿足采光標準要求的階段[2]。很多建筑由于造型設計需要，在建筑物的外部設置了各種各樣的造型。在滿足功能要求的同時追求建筑的“形式美”本身并不存在問題，但是那種內部功能設計完之后在外面又附加一層封閉裝飾構件或者由于功能要求不允許側窗采光的房間(如：展覽建筑，美術館等)容易導致室內采光不能滿足國家規范的最低要求，進而不能滿足基本采光需要的狀況。此類現象的出現在現實中并非少數，致使很多建筑白天缺少天然光，鑒于此，在唏噓之余也希望通過分析問題的根源來解決相應的問題，使建筑更好的為大眾服務。

2 有封閉造型建筑采光存在的問題

2.1 存在問題的現狀

圖1 某教育建筑圖片來源：作者自攝

如(圖1)所示的建筑，由于建筑面積大而且位置位于學校，根據我國的建筑采光設計標準(GB50033-2013)關于該類建筑側窗窗地面積比的規定(1:4)需要較大的開窗面積(在此強調，國家規定的窗地面積比指的是窗洞口面積和所在房間地面面積之比)。從平面來看，原來開窗的面積是足夠大的，但是出于對藝術造型的考慮，在建筑外部設置了曲面的藍色外墻構件，造型如(圖2)，藍色鋼筋混凝土墻表面開了較多的曲線洞口，這些洞口除了滿足美觀需要之外，也是為了一部分采光的需要。由于透過這些洞口的進光量遠遠小于透過原來開的側窗洞口的進光量，導致其實際窗地比的數值遠遠小于了國家對于窗地比的規定。該種情況的剖面圖及日照情況見(圖3)。

圖2 藍色外墻構件圖片來源：作者自攝

圖3 該類教育建筑的剖面圖及日照圖(其中冬天太陽高度角小)圖片來源：自繪

圖4 屋頂天窗分布圖圖片來源：作者自攝

當實際數值遠小于窗地面積比規定之后如何才能滿足使用需求呢？在此，有兩種方法：(1)采用人工照明補充，該類方法簡單有效，照度值可以很好的滿足國家標準要求(450lx)，照明均勻度可以做的很好(0.6)。但是這樣白天開燈浪費電能，與我們國家節能環保低碳的理念相違背，另外白天開燈的光與顯色性好、色溫好、光譜構成連續的太陽光相比不利于人們的視覺，如：熒光燈和緊湊型熒光燈的色溫偏高，偏白偏冷，不利于人們的使用，更不用說白熾燈一類暖黃色的光。(2)加天窗。加天窗在理論上很好的滿足了采光設計標準對于工作面照度的要求，也可以填補側窗采光窗地比的不足。為了滿足標準對于采光均勻度的要求，通常均勻分布的在屋頂開幾個窗戶，此時天窗窗地比的要求是1:8，如(圖4)所示。

2.2 開天窗之后使用過程中存在問題分析

開了天窗之后，在使用過程中卻出現了其他的問題。

(1)首先，國家的采光設計標準(GB50033-2013)3明確規定，不建議在教育建筑的專用教室、實驗室、階梯教室、教師辦公室等房間采用天窗采光。首先性價比不高，其次在采光方面，由于玻璃的透光能力太強，所以晴天光線太強，尤其是陽光直射的窗下和窗戶下面四周的位置，眩光非常明顯，讓使用者瞳孔急劇縮小，眼睛難以睜開以致無法看清東西。陰天的時候也會超過所需要的室內工作面照度。相當于這時的工作面照度接近室外照度。根據采光系數的定義，也就是采光系數接近100%(該值在這里僅取決于玻璃的透射比)。而到了夏天更是如此，尤其在較為炎熱的夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區，會導致建筑物室內尤其是天窗下面過熱過亮，嚴重影響使用者的熱舒適。在我國如今的國情下，很多的建筑物(如：合班教室，某些會議室)并沒有完全配備好空調，其室內熱、光環境狀況之惡劣可想而知。即使室內有了空調，也嚴重增加了空調的能耗。

(2)其次，國家建筑節能標準考慮到天窗節能性較差的問題，組成天窗的主要部分如：玻璃和金屬框的導熱系數遠遠大于其它圍護結構如鋼筋混凝土的屋頂和樓板，而且開窗所形成的縫隙的透風也導致了熱傳導的加大。在熱工方面，冬天天窗下面會有比較強烈的冷輻射，晴天則會進入太多的太陽輻射而導致過熱現象。節能規范也嚴格控制了天窗面積占屋頂面積的比例，所以開窗不能過大。

(3)最后，天窗的漏水問題往往是比較嚴重的，天窗的連接構造也是比較難以處理的，天窗維護起來也比較麻煩，很多的天窗在降水量比較小的地區很容易出現積灰塵的情況，導致天窗透光率大幅度降低，甚至有的地區的天窗最后還有很多無法清理的臟東西，而在降水量大的地方，漏水問題變成了頑疾。從天窗的建筑構造角度分析起來是這樣的，出于建筑造型的需要，天窗往往是一體的，即使新型的點支式玻璃幕墻，玻璃本身是硬質的，兩塊玻璃之間很難用普通的構造方式(如：焊接，螺栓連接，鉚接等)來連接，幕墻玻璃之間一般是用耐候玻璃密封膠來封堵的，耐候玻璃密封膠在屋頂上長期受到風吹、日曬和雨淋，耐候性再好也會出現老化，老化之后就會出現裂隙，嚴重的還會出現脫落，以致漏雨的問題就會出現。如(圖5)。從天窗邊緣的黑色濕漬可以明顯的看出天窗曾經漏雨的情況。

圖5 天窗漏雨圖圖片來源：作者自攝

圖6 天窗涂黑處理(部分涂料已經脫落)圖片來源：作者自攝

很多的單位，尤其是學校甚至出現了天窗下面垂直投影下方的四周無人坐的窘境。經常會出現如下的景象，在很大的一間教室里，學生們都圍繞著天窗的投影下方外圍來坐座位，遠離天窗的不利因素，對于教育資源相對比較緊張的我國的學校而言，確實是非常的尷尬。

在建筑設計階段想盡了辦法解決了圖紙報批(滿足了采光和節能要求)的問題之后，在使用過程中卻出現以上問題。那么解決的方法是什么呢？很多的單位采取的方式比較極端，首先有些單位干脆就把天窗涂成黑色(圖6)。這樣透光量就減小了，至少可以滿足教室基本的使用，卻增加了白天開燈的時間。但是也需注意，在采用人工照明補償時，應把握如下原則：當天然光在室內工作面上產生的照度達到或超過國家相關規范所制定的標準時，關閉人工照明；反之則開啟人工照明進行補償。可以采用直接式的開關或漸變式的人工照明方式，漸變式的照明方式更利于節能[4]。其次的解決方式更加簡單，直接找窗簾或其他的布罩在天窗上面，或者干脆直接把天窗封掉，這些方法使用之后就把開天窗最初的目的給消除了，天窗沒有了任何的采光作用，沒有滿足基本使用要求，相當于僅僅是給建筑室內增加了“熱橋”而已。

3 如何解決開天窗房間的諸多問題

如上所述，建筑外部有封閉造型的房間出于采光的考慮，采用了開天窗的形式，而開天窗之后進而發生了諸多的問題。首先需要指出的是，隨著生活水平的提高，建筑造型的多樣化是必然的趨勢，人們的審美需求提高了，不再僅僅將目光放在滿足基本功能的方盒子上，本身值得肯定。而有了封閉一些的造型之后，天窗的出現成為很好的解決方式，人們不能對開天窗出現了很多問題就“因噎廢食”，害怕天窗，不用天窗甚至開了天窗再將其封閉掉，應該是采用更加合理的方式將這些問題更好的解決掉。

圖7 天窗改為高側窗圖片來源：作者自攝

圖8 天窗改為高側窗剖面圖圖片來源：自繪

圖9 天窗加漫透射膜圖片來源：作者自攝

(1)采用將天窗變成高側窗的形式。也就是說，在建筑設計階段，將開側窗和開高側窗跟整個建筑群的規劃以及建筑單體造型設計更好的結合起來，而不是被動的僅考慮造型。不應當在建筑功能的“方盒子”基本建好之后，再把外面為做造型而做造型的疊加一些“殼子”(圖7)。這種方式的優點是，采光更加合理，在一定程度上較好的避免了眩光，構造較為簡單，造價較低，更容易被使用者接受；不足之處在于采光效率降低，需要開更多的側窗或者高側窗，從(圖8)可以看出雖然天窗上部采用磨砂玻璃，一定程度上減輕了眩光，但是高側窗部分仍然是存在著一定程度眩光的。另外，根據開天窗的效率而言，平天窗的效率最高，其次為梯形和鋸齒形天窗，最后是矩形天窗[5]。這種高側窗其實就是矩形天窗，因此，采光的效率明顯不高。

圖10 天窗加漫透射膜剖面圖圖片來源：自繪

圖11 天窗下加漫透射膜吊頂棚剖面圖圖片來源：自繪

圖12 可調式天窗窗簾圖片來源：網絡

(2)受到陰天天窗采光更均勻的啟發，陰天(根據云量的多少也叫多云天或者全云天)的情況下，由于云層的反射和折射作用，使光線變得更加擴散和均勻，不再有晴天時候的太陽直射光，天空以擴散光和漫射光為主。按照這種類似的原理，將玻璃改造為半透明(如磨砂、夾層、貼膜、光致變色或電致變色玻璃等)，使光線無規則、非定向擴散透射，或者直接加貼半透射膜(圖9、圖10)。這種方式的優點是構造簡單，效果好，光線更加均勻，可以借鑒“被動式太陽房”進行采暖(類似于大棚的溫室)；不足之處在于天窗的構造復雜，如采用特殊玻璃則造價高，節能效果較之側窗一般會差。

(3)采用漫透射膜制作成室內的擴散吊頂棚。優點是該膜既滿足了采光均勻度要求，又滿足了節能的需要(增加了空氣夾

層，增加了熱阻)，而且又美觀大方，拆換都方便，具有一定的實用價值。不足之處在于二次施工會降低室內的凈空高度，要聯合考慮建筑剖面使用情況。半透明膜的材料可以選擇磨砂半透明EVA膜等類型，尺寸以綜合了冬天和夏天的太陽高度角情況下坐在邊排同學看不到太陽直射光為準(圖11)。

(4)在天窗外側采用可拉動或根據天空亮度不同自動升降半透明或者可調式的窗簾，該種類型造價較高，維護比較麻煩，更換率比較高。運行和一次投入的費用較大(圖12)。

4 結論

綜上所述，為了追求造型而忽視采光的問題在如今很多建筑中是廣泛存在的，為了改善和克服這些問題，可以通過開高側窗代替天窗、采用半透明漫透射玻璃、在天窗玻璃上貼半透明膜或者在天窗外側加半透明或者可調式窗簾等方式。相信通過上述的方式，可以對從事相關設計的建筑設計師在城市規劃和建筑設計中有所啟發和幫助。

[1]全建軍. 引進日光，關掉電燈[J]. 上海節能，2010(3): 24-28.

[2]杜甜甜，曹煒. 寒地辦公建筑天窗采光性能優化設計研究[J]. 城市建筑，2014(5): 118-119.

[3]GB50033-2013,建筑采光設計標準[S].

[4]李靜，李桂文. 基于天窗采光的建筑節能優化設計研究[J]. 城市建筑， 2010.(6)112-113.

[5]陳仲林，唐鳴放. 建筑物理(圖解版)[M]. 北京:中國建筑工業出版社，2009.

Research on Building Skylight Problems——especially with closed modeling outside

LIUHui,DUFeng

(Faculty of Architecture and Urban Planning of Fujian University of Technology, Fuzhou 350118)

The paper started with skylight design and utilize of buildings with closed modeling, analyzed the significance and helplessness. The paper pointed out the proceeding problems with the skylight appeared and obtained the problems such as too much dazzle, too bright, too hot etc through investigation and drawing analysis finally drew the specific solution such as using high side window, sticking film on the glasses, suspending ceiling with materials diffusing light and adopting adjustable window curtain etc.

Skylight; Closed Modeling; Dazzle; Lighting Design Specification

劉輝(1978. 1- )，女，講師。

2015-03-30

TU834.3+5

A

1004-6135(2015)08-0024-04