天花板形式對改善教室側窗采光效果的研究

王夢蕊

(華南理工大學建筑學院，廣東 廣州 510641)

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天花板形式對改善教室側窗采光效果的研究

王夢蕊

(華南理工大學建筑學院，廣東 廣州 510641)

大量研究證實，學校教室采用天然光照明有利于學生的身心健康，但實際調研中發現我國中小學校教室內照度不足、不均勻的現象非常普遍。本文通過對美國近年來新的學校采光設計案例的研究，發現不同的天花形式能夠增強教室側窗的采光效果，創造均勻的教室光環境。介紹并總結了五種較普遍的天花板形式，并基于廣州地區的氣候條件，運用RADIANCE對不同天花類型的教室單元進行模擬，試圖分析天花板形式對側窗采光效果的影響，為我國今后教室的采光設計提供了新的思路。

天花板；天然采光；教室；學校建筑

引言

大量的研究證實，天然光不僅能夠改善室內光環境質量，還有利于人們的身體健康和眼球的發育[1-3]。許多研究學者指出，教育建筑特別是中小學校教室應該采用天然光照明[4-5]。我國《建筑采光設計標準》(GB 50033—2013)中明確規定：“教育建筑的普通教室的采光不應低于采光等級Ⅲ級的采光標準值，側面采光的采光系數不應低于3.0%，室內天然光照度不應低于450 lx”[6]。但是實際上我國大多數中小學教室照度未能達到這一標準[7]。筆者2015年4月某日對廣州某小學進行實際光照測量，發現大部分教室的天然光照度不足。下午3點在不開燈的情況下一樓教室的平均照度甚至不足200 lx。雖然四樓頂層教室的平均照度基本達到了國家規定的450lx，但是自然光照度從窗口到教室中部衰減得極為嚴重，靠北面窗的桌面最高照度達到3 000多lx,而教室中部卻只有200 lx左右，教室內照度非常不均勻(見圖1)。不僅如此，由于靠窗邊的桌面眩光現象嚴重，許多學校老師上課時只能拉上窗簾，依靠人工光源采光，這種情況大大降低了青少年接觸天然光的機會，長期下去，不僅浪費能源，而且不利于青少年的視力發育和身體健康。筆者在研究大量西方國家學校采光設計的案例后，發現美國一些建筑事務所通過設計教室內不同的天花形式來促進側窗的采光效果，增加教室內中部的天然光照度。本文介紹了這些中小學校采光設計中常見的天花形式，并嘗試總結其特點及適用范圍。

圖1 廣州華陽小學教室照度實測情況Fig.1 The illuminance of Guangzhou HuaYang Elementary School

1 教室主要天花類型及案例

1.1 平頂型天花

平頂型天花是將結構梁藏在天花板內，由于沒有結構的阻礙，結合側窗反光板能將更多光線反射到室內深處(圖2)。

圖2 平頂型天花簡圖Fig.2 Flat ceiling drawing

美國BOORA建筑事務所2002年設計完成的達拉斯中學就采用了斜樓板和平頂型天花結合的采光設計手法。達拉斯中學位于美國北部俄勒岡州，是獲得美國LEED認證金獎的學校建筑。教室單元采用內廊式的布局方式，為了解決教室室內遠窗處的照度不足的問題，設計師在遠窗處增加導光管，而教室斜樓板與平頂天花結合的形式，能夠很好地將導光管隱藏在天花中。同時側窗上設置的反光板不僅能夠遮擋一部分直射光，還能將折射的光線通過光滑的天花傳遞到教室的更深處，也使室內光線更加均勻(圖3、圖4)。

圖3 反光板結合導光管的采光設計 (來源《Designing the sustainable school》)Fig.3 Reflector board combined with the light guide tube

圖4 教室單元室內實景圖Fig.4 The classroom of the Dalles Middle Scool

這種平頂型天花通常與斜樓板和導光管結合，適合于內廊式單邊開窗的單層或多層教室，適用范圍較廣。且由于其對建筑高度要求不高，也可應用于已經建成的老學校的采光設計的更新。但其教室深處需要導光管補充照明，而光線在導光管內有一定的衰減，故可應用的課室層數有限制。

1.2 斜板型天花

斜板型天花比較常見，天花板形式一般是由靠窗一側向教室內部傾斜，有利于促進自然光線反射至教室深處(圖5)。這種天花形式對較低仰角的太陽光線作用較大，也可配合反光板增加采光效果。除此之外，這種斜板式天花要求外窗的上邊緣位置較高以確保光線能夠首先照射到天花板再進行擴散。

圖5 斜板型天花板簡圖Fig.5 Sloping ceiling drawing

美國克羅斯頓合作建筑事務所(Croxton Collaborative Architects)2003年設計完成的佛羅里大學工程學院瑞克爾(Rinker Hall)大樓的教室就采用了這種斜板型天花。佛羅里達大學位于佛羅里達州蓋恩斯維爾市，屬于亞熱帶濕潤氣候。瑞克爾大樓與傳統教學樓不同的是建筑并不是南北朝向而是東西朝向。原因是設計團隊通過計算機建模以及實地建造經驗發現在蓋恩斯維爾市極端的地理位置(29°，41′N)上，傳統南北向的建筑對于低于75°仰角的自然光線接受較少，陽光射入建筑深處的機會較低。瑞克爾大樓采用東西朝向的布局，以及斜板型天花與優化后的百頁窗結合的采光設計能夠較好地利用低角度太陽光，增加室內光線的進入量，并且幾乎沒有眩光現象的發生(圖6)。設計團隊經過大量的研究分析，證明瑞克爾大樓教室的采光設計增加了30%光照量，且低角度光線的增加量達到了48%。此外，在該設計中斜板式天花的最低點位于講臺處，形成的拱腹降低了講臺處的照度，有利于課堂多媒體教學(圖7)。

圖6 斜板式結合反光百葉的采光設計 (來源：http://www.croxtoncollaborative.com/)Fig.6 Sloping ceiling combined with shuttered windows

圖7 瑞克爾大樓教室內剖面圖 (來源：http://www.croxtoncollaborative.com/)Fig.7 Classroom section of the Rinker Hall

這種斜板型天花能夠有效地利用低角度陽光，增加教室深處的進光量。但由于天花板傾斜角度較大，對教室的層高有一定要求，否則盡頭處會過于壓抑。同時，由于天花板傾斜方向的暗示性，適用于黑板面對外窗的教室。

1.3 V形天花

V形天花的形狀如字母“V”一樣，有一個最低點和兩條不同方向的折邊(圖8)。這種天花一般結合側窗的反光板設置，相對于沒有裝修的平頂天花來說，這種天花能夠將更多光線反射到教室深處。

圖8 V形天花簡圖Fig.8 “V” style ceiling drawing

2002年建成的克拉克馬斯高中位于美國俄勒岡州的克拉克馬斯，這是美國的第一所LEED中學。這所中學同樣是由美國BOORA建筑事務所設計完成的。克拉克馬斯高中的教學樓為南北向的內廊式布局，建筑師為了加強雙面采光的效果，在走廊的屋頂上設計了長條形的天窗(圖9)。同時設置一個貫穿窗戶內外的擋光板構件將教學樓南側的窗戶分為高側窗和觀景窗兩個部分。如剖面分析圖所示(圖10)，直射的太陽光通過反光板的反射進入室內，再經過V形天花的反射到達教室的更深處，使室內充滿均勻的漫射光(圖11)。

這種V形天花結合反光板的采光設計適用范圍廣泛，但對于建筑層高有一定要求。

圖9 克拉克馬斯教學樓走廊屋頂天窗 (來源：http//www.boora.com/)Fig.9 Roof monitors on the corridor of the Clackamas High School

圖10 克拉克馬斯教學樓剖面圖(來源：http://www.boora.com)Fig.10 Academic building section of Clackamas High School

圖11 克拉克馬斯高中教室室內實景圖 (來源：http://www.boora.com)Fig.11 Classroom of Clackamas High School

1.4 倒V形天花

倒V形天花板如同倒寫的“V”字母，有一個最高點和兩個不同方向的折邊，可以節省高度空間(圖12)。結合反光板使用同樣可以達到將光線引入室內深處的作用。

美國BOORA事務所2008年設計建成的斯坦福大學的環境和能源(Y2B2)大樓中就運用了這種倒V形天花與反光板結合的采光方式。斯坦福大學位于美國加利福尼亞州，該地區為亞熱帶地中海氣候，冬暖夏涼，全年陽光充足。為了加強教室的雙面采光效果，設計師在教室單元間增加中庭空間,且教室的南面面向中庭的部分做退臺處理，能夠更加有效地利用自然光。這樣做不僅增加了各樓層陽光的進入量，也有利于將光線反射到低樓層。教室北面設置反光板不僅能兼做遮陽板阻擋夏季大部分的直射光線，還能在冬季將更多的陽光反射到室內(圖13)。倒V形天花和反光板的結合為斯坦福Y2B2大樓教室帶來了均勻充足的自然光。

這種倒V形天花結合反光板的采光設計適合于雙側采光的單層或多層教室，并且其對建筑高度要求較低。由于天花板特殊的倒V形，低角度的陽光易被反射到空間中部，降低了兩側窗與教室中部的照度差。

圖12 倒V形天花簡圖Fig.12 Inverted “V” styleceiling drawing

圖13 Y2B2大樓剖面分析圖(來源：http://www.boora.com)Fig.13 Y2B2 building sectional drawing

1.5 復合型天花

復合型天花是多種天花結合在一起的天花板形式，同樣是裝修后期加入，不影響建筑的原本結構形式(圖14)。復合型天花板能夠一定程度上彌補單一天花類型的不足。

圖14 復合型天花簡圖Fig.14 Compound ceiling drawing

美國RB+B建筑事務所2012年設計完成的奧羅拉山中學位于美國科羅拉多州丹佛市。當地氣候為大陸性半干旱氣候，冬冷夏熱，全年陽光充足。奧羅拉山中學教學樓為南北向內廊式布局，為了解決教室室內遠窗處照度不足的問題，設計師采用了一種復合型天花板：天花近窗處為斜板式天花，遠窗處類似于倒V形天花。這種天花板結合了兩種天花形式的優點，有利于將引入的陽光反射到教室深處，能夠平衡遠窗處與近窗處的照度差(圖15)。

這種復合型天花一定程度上解決了斜板式天花對室內層高要求較高的問題，但同時也增加了建造的難度。

圖15 奧羅拉山中學教室實景圖 (來源：http://www.rbbarchitects.com)Fig.15 Classroom of the Aurora Hills Middle School

2 不同天花形式的模擬研究

由于上述國外案例分別位于美國不同的氣候區，為了驗證天花在我國嶺南地區的亞熱帶濕熱氣候下對增強側窗采光的實際效果，筆者嘗試對其中的幾種天花形式進行計算機模擬。

首先，選用嶺南地區常見的沒有設計天花的雙側窗采光教室單元為原型對照模型(圖16、圖17)：窗地比為2.7/10，墻面及頂棚為墻面抹灰，側窗為普通單層玻璃，并在教室南面側窗增加反光板，反光板為鋁制金屬材質。同時在梁架下附加天花結構，在保證凈高的情況下，分別形成V形天花、斜板型天花、倒V天花以及平頂天花四個衍生教室單元模型(圖18～圖21)。假設采用RADIANCE分別模擬廣州全陰天、春分日晴天、夏至日晴天、冬至日晴天(均為早上十點)各模型的采光情況。模擬計算中，運用控制變量法，保證各個計算模型設定環境以及建筑參數相同。

圖16 原型教室平面圖Fig.16 Prototype classroom plan

圖17 無天花的原型教室剖面圖Fig.17 Prototype classroom section without ceiling

圖18 V形天花教室剖面圖Fig.18 “V” style ceiling section

圖19 斜板型天花教室剖面圖Fig.19 Sloping ceiling section

由各教室單元在全陰天、春分日、夏至日、秋分日的平面照度彩線圖(圖22)我們可以看出，增加天花的教室室內光線照度均有所提升。此外，筆者還在各個模型室內從南到北設置九個數據采集點(圖23)來分析室內的照度變化。各教室單元在全陰天、春分日、夏至日、秋分日以及冬至日的照度折線圖如表1所示。

圖20 倒V形天花教室剖面圖Fig.20 Inverted “V” style ceiling section

圖21 平頂型天花教室剖面圖Fig.21 Flat ceiling section

圖22 各教室單元在全陰天、春分日、夏至日、秋分日的平面照度彩線圖

Fig.22 The illuminance diagrams in the cloudy day，Vernal Equinox、Summer solstice，Autumnal equinox

通過上述的計算機模擬，筆者發現在上述條件下，增設這幾種天花后的教室內的照度均比原型提

高了200 lx左右，在不同的氣候條件下每種天花形式各有其優點。但是值得注意的是，影響室內采光效果的因素比較多，不同氣候區、采光口的位置、大小以及教室尺寸等都會對最后的采光效果產生影響。天花板形式對整體采光效果不能夠起到決定性因素，但其對于幫助自然光在室內擴散，增加自然光照度及均勻度仍有一定的作用，特別是若與側窗反光板結合能夠起到較好的效果。

3 結語

我國目前學校建筑普遍沒有對天花進行額外的設計，結構梁板通常直接裸露，平行設置的橫梁使天花表面形成一個個“深井”，不能對自然光線產生引導作用，甚至會阻礙一部分光線的折射，不利于自然光在室內擴散。且由于結構梁直接暴露，室內也不甚美觀。而上述案例在學校建筑設計中，為教室增設不同類型的天花，與側窗和反光板結合以增強采光效果。計算機模擬證實無論是上述哪一種天花形式，相較于沒有增設天花的普通教室，自然光照度均有一定提高。這為我們未來的設計實踐提供了新的思路：針對不同的教室單元布局，如內廊式教室、外廊式教室，以及單側與雙側采光教室，若選用合適的天花類型能夠增強側窗的采光效果，提高自然光照度和均勻度。但值得注意的是，天花對于照度的影響還比較有限，在我們進行建筑設計時，需要考慮建筑的整體采光設計，創造良好的室內光環境。

[1] HESCHONG L,WRITW LR, OKURA S. Daylighting impacts on human performance in school[J]. Journal of Illuminating Engineering Society,2002,31(2):101-117.

[2] FIGUEIRO MG, REA MS. Lack of short-wavelength light during the school days delays dim light melatonin onset (DLMO) in middle school students[J].NeuroEndocrinology Letters,2010, 31 (1): 92-96.

[3] FRENCH AN, ASHBY RS, MORGAN IG, et al. Time outdoors and the prevention of myopia[J].Exp Eye Res, 2013,114:58-68.

[4] PETER Boyce, CLAUDIA Hunter, OWEN Howlett. The Benefits of Daylight through Windows[R].New York:Renselaer Polytechnic Institute Troy,2003.

[5] LESLIE Russel, SMITH Aaron, RADETSKY Leora, et al. Patterns to Daylight Schools for People and Sustainability.Lighting Research Center,2010.

[6] 建筑采光設計標準:GB/T 50033—2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[7] 2010年全國學生體質與健康調研結果[J].中國衛生學校,2011(9):I0001.

Research on the Forms of Ceilings for Enhancing Daylighting of Side Windows of Classrooms

WANG Mengrui

(SchoolofArchitecture,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

Large numbers of studies illustrated that daylighting is conducive to adolescents’ health. But the illumination in many classrooms is insufficient and uneven in China. The paper introduces some researches on newly daylighting design casesof the USA in the recent years, as well as the cases of that different forms of ceilings can enhance the intensity of illumination and create a good lighting environment for classrooms.The paper summarizes five common forms of ceilings, and simulates different types of ceiling by RADIANCE.The paper tries to find out the influence of ceiling for the daylighting classrooms. The research offers a new direction for our daylighting design of classrooms.

ceilings; daylighting; classroom; school buildings

國家自然科學基金(51478186)

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.019