天津地區(qū)天然采光下的辦公室空間型體研究

于傳坤，王立雄，馮子龍

(天津大學(xué)，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

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天津地區(qū)天然采光下的辦公室空間型體研究

于傳坤，王立雄，馮子龍

(天津大學(xué)，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

以天津地區(qū)辦公建筑為例，通過(guò)實(shí)地調(diào)研獲得辦公建筑主要功能房間辦公室的空間尺寸、窗地比等數(shù)據(jù)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行模擬試驗(yàn)，借用Ecotect、Radiance軟件建立模型并進(jìn)行模擬。以采光系數(shù)平均值和采光均勻度從數(shù)量和質(zhì)量?jī)煞矫孢M(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，通過(guò)定量分析，最終得出辦公室最優(yōu)空間尺寸組合、窗地比等。研究工作不僅可以降低照明能耗，同時(shí)還可以給使用者營(yíng)造良好的天然光環(huán)境，提升視覺(jué)感受。研究結(jié)果可對(duì)建筑師在方案設(shè)計(jì)階段有效利用天然光提出有價(jià)值的建議。

辦公室；天然采光；進(jìn)深；窗地比；采光均勻度；照明；建筑

引言

中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，各種類型建筑大量建設(shè)，其中公共建筑占建設(shè)比例較大，而辦公建筑作為公共建筑普遍的建筑類型，建設(shè)規(guī)模龐大。據(jù)調(diào)查，在發(fā)達(dá)國(guó)家至少有50%的從業(yè)者在辦公樓里工作，所以我們要重視辦公建筑室內(nèi)天然光環(huán)境的需要及發(fā)展，營(yíng)造一種更為高效、和諧、愉悅的工作環(huán)境[1]。天然光給人一種積極向上的心理，同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，在相同照度水平下，人們?cè)谔烊还猸h(huán)境下的視覺(jué)功效比在人工照明條件下的高 5%～20%[2]，因此天然光可以給人更優(yōu)良的視覺(jué)感受，從而有利于提高人們的工作效率，更好滿足人們閱讀、辦公的需求。

當(dāng)今國(guó)家大力倡導(dǎo)綠色建筑，并不斷細(xì)化綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，原因之一就是綠色建筑的節(jié)能潛力。據(jù)調(diào)查，人工照明用電損耗占整個(gè)商業(yè)建筑能耗的25%～40%，在特定的情況下使用天然采光可以節(jié)約52%的人工照明用電[3]，數(shù)量相當(dāng)可觀。我國(guó)天然光資源充足，充分利用天然光資源，是節(jié)約建筑能耗，提升建筑能源效率行之有效的途徑[4]。光是營(yíng)造建筑空間環(huán)境的重要因素之一，隨著人們?cè)絹?lái)越重視環(huán)境、資源等問(wèn)題，建筑師也越來(lái)越重視對(duì)天然光的利用[5]。因此，建筑師利用天然光營(yíng)造良好的辦公室天然光環(huán)境是至關(guān)重要的。

1 調(diào)研

天津位于東經(jīng)116°43′至118°04′，北緯38°34′至40°15′之間，地處華北平原北部海河下游，東臨渤海，北靠燕山[6]，屬于我國(guó)熱工分區(qū)Ⅱ區(qū)(寒冷地區(qū))，光氣候分區(qū)Ⅲ類。

辦公建筑可以分為行政辦公樓、專業(yè)性辦公樓、出租寫(xiě)字樓、綜合性辦公樓[7]。在調(diào)研中，限于實(shí)際條件，此次調(diào)研主要針對(duì)專業(yè)性辦公樓中的科研辦公樓、出租寫(xiě)字樓進(jìn)行。調(diào)研對(duì)象主要是辦公建筑主要功能房間——辦公室(見(jiàn)圖1～圖3)。調(diào)研目的是對(duì)辦公室天然采光影響因素進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，最終對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸類整理，為后期模擬建立辦公室常規(guī)模型提供相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。影響辦公室天然采光質(zhì)量的因素主要有朝向、進(jìn)深、窗地比、窗戶透光率、窗臺(tái)高度等[8-9]。目前國(guó)內(nèi)建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是基于靜態(tài)天空模型，因此本文排除了朝向這一個(gè)影響因素。由于實(shí)際使用中窗戶清潔程度不一，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的窗戶透光率并不能代表建筑師設(shè)計(jì)時(shí)的情況，因此本文排除了窗戶透光率的影響，該因素在模擬中設(shè)定統(tǒng)一值。本文探討的是天然采光下辦公室的空間型體，因此影響因素中加入層高、開(kāi)間，最終本文確定的辦公室天然采光影響因素為進(jìn)深、層高、開(kāi)間、窗地比、窗臺(tái)高度。

圖1 天津大學(xué)理學(xué)院辦公室Fig.1 Office in science faculty, Tianjin University

圖2 天津大學(xué)管理學(xué)院辦公室Fig.2 Office in management faculty, Tianjin University

圖3 中國(guó)汽車工業(yè)工程有限公司辦公室Fig.3 Office in Automotive Engineering Corporation

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，出租寫(xiě)字樓基本都是臨路臨河，科研辦公建筑則主要分布于學(xué)校、科研單位等，集中分布在科技園區(qū)之內(nèi)[10]，凈層高(見(jiàn)圖4)大部分在3 m左右；進(jìn)深(見(jiàn)圖5)多在5 000～9 000 mm之間；開(kāi)間(見(jiàn)圖6)多在4 000～8 000 mm之間；窗地比(見(jiàn)圖7)主要集中在1/5～1/4之間，而根據(jù)《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 67—2006)規(guī)定，辦公室最小窗地比為1/6[11]；窗臺(tái)高(見(jiàn)圖8)則可以定為900 mm。

圖4 凈層高調(diào)研數(shù)據(jù)圖示Fig.4 Survey data of story height

圖5 進(jìn)深調(diào)研數(shù)據(jù)圖示Fig.5 Survey data of depth (scatter diagram)

圖6 開(kāi)間調(diào)研數(shù)據(jù)圖示Fig.6 Survey data of bay (scatter diagram)

圖7 窗地比調(diào)研數(shù)據(jù)圖示Fig.7 Survey data of ratio of glazing to floor area (scatter diagram)

圖8 窗臺(tái)高調(diào)研數(shù)據(jù)圖示Fig.8 Survey data of windowsill height (scatter diagram)

依據(jù)上述前期調(diào)研數(shù)據(jù)可以得出，影響辦公室天然采光各因素的取值范圍：進(jìn)深5 000～9 000 mm；開(kāi)間4 000～8 000 mm；層高3 000～4 000 mm；窗地比1/6～1/3；窗臺(tái)高900 mm。

2 模擬及數(shù)據(jù)處理

2.1 模型提取

為達(dá)研究目的，本文借用ECOTECT、RADIANCE軟件進(jìn)行模擬試驗(yàn)，為建立辦公室常規(guī)模型，需要進(jìn)一步對(duì)各因素水平分級(jí)：

進(jìn)深：5 000～9 000，便于構(gòu)建模型，以1 000為間隔取值5 000、6 000、7 000、8 000、9 000共5個(gè)水平分級(jí)；

開(kāi)間：4 000～8 000，便于構(gòu)建模型，以1 000為間隔取值4 000、5 000、6 000、7 000、8 000共5個(gè)水平分級(jí)；

層高：3 000～4 000，便于構(gòu)建模型，以300為間隔取值3 000、3 300、3 600、3 900、4 200共5個(gè)水平分級(jí)；

窗地比：1/6 ～ 1/3, 便于構(gòu)建模型,取值1/3、1/4、1/5、1/6共4個(gè)水平分級(jí)。

此外，據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)5.0.4條規(guī)定，辦公室常規(guī)模型內(nèi)表面反射比設(shè)定為：天花0.7，墻面0.7，地面0.3。天津地區(qū)位于中國(guó)光氣候區(qū)Ⅲ類，據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)2.1.13條規(guī)定，采光均勻度為假定平面上采光系數(shù)最低值與平均值之比；4.0.8條規(guī)定，辦公建筑辦公室側(cè)面采光時(shí)采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值不低于3%，即假定平面采光系數(shù)平均值不低于3%。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

模擬試驗(yàn)得到模擬結(jié)果后如何評(píng)價(jià)辦公室天然采光效果好壞，則需要選定特定的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)量化比較。

首先，辦公室天然采光要滿足建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。選定的工作面照度隨天空情況而時(shí)刻變化，某一時(shí)刻的照度大小并無(wú)法表示辦公室天然采光效果如何，而連續(xù)時(shí)刻照度的獲得又不易完成。采光系數(shù)簡(jiǎn)言之是照度比值，在特定場(chǎng)所下是不變的，因此可選定采光系數(shù)來(lái)評(píng)定辦公室天然采光效果，選取采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，既數(shù)量指標(biāo)選定采光系數(shù)平均值[12]。

其次，辦公室天然采光要注重采光質(zhì)量。近年來(lái)，人們生活質(zhì)量越來(lái)越高，人們對(duì)建筑光環(huán)境越來(lái)越重視。天然采光主要依靠天空亮度，而天空亮度分布不均，建筑師在實(shí)際設(shè)計(jì)中也就不好精確控制，設(shè)計(jì)不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)亮度比過(guò)大，光線分布不均等[13]，從而導(dǎo)致采光質(zhì)量低下。采光質(zhì)量主要包含采光均勻度、窗眩光和光反射比等[14]，窗眩光更多的采用主動(dòng)遮陽(yáng)措施或者提升內(nèi)飾面光反射比來(lái)避免，而光反射比前面章節(jié)已限定，因此質(zhì)量指標(biāo)選定采光均勻度。

綜上所述，本文采用兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，既數(shù)量指標(biāo)采光系數(shù)平均值，質(zhì)量指標(biāo)采光均勻度。

2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

辦公室天然采光影響因素水平分級(jí)限定完畢，如果采用完全試驗(yàn)方案，每個(gè)因素的每個(gè)水平都相互搭配進(jìn)行試驗(yàn)，需要提取500個(gè)模型，工作量太大。因此采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析方法以減少模型量和模擬次數(shù)[15]。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用正交表科學(xué)地安排與分析多因素試驗(yàn)的方法，能均勻地挑選出代表性強(qiáng)的少數(shù)試驗(yàn)方案，用部分試驗(yàn)來(lái)代替全面試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，推出較優(yōu)的方案，并了解全面試驗(yàn)的情況。窗地比集中位于1/5～1/4之間，為了便于試驗(yàn)，形成4因素5水平等水平正交試驗(yàn)，因此增加窗地比1/4.5的情況。

等水平正交表記號(hào)Ln(tq)，其中L是正交表代號(hào)，n代表實(shí)驗(yàn)次數(shù)(正交表行數(shù))，t代表因素水平數(shù)，q代表最多能安排的因素個(gè)數(shù)(正交表列數(shù))。具體正交試驗(yàn)步驟如下：

1)確定試驗(yàn)指標(biāo)。本試驗(yàn)?zāi)康氖翘綄まk公室的最佳采光條件，既最優(yōu)天然采光影響因素組合。為提高試驗(yàn)準(zhǔn)確度，降低試驗(yàn)誤差影響，試驗(yàn)以采光系數(shù)平均值(Cav)、采光均勻度作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，尋求不同影響因素組合下的最優(yōu)解。

2)挑因素，選水平，列因素水平表。根據(jù)專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定試驗(yàn)因素和水平層級(jí)。前面已提到本文探討的辦公室天然采光影響因素為進(jìn)深、層高、開(kāi)間、窗地比、窗臺(tái)高度，各影響因素的水平分級(jí)也已在2.1小節(jié)提出，從而列出因素水平表，見(jiàn)表1。

3)選正交表、編制試驗(yàn)方案。本試驗(yàn)為4因素、5水平試驗(yàn)，故而選擇正交表L25(56)安排模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)方案以及試驗(yàn)結(jié)果記錄如表2所示，并對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行極差分析，如表3所示。

表1 因素水平表Table 1 Factor levels

表2 模擬試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Simulation test results

注：表中1、2、3、4、5(除試驗(yàn)號(hào)1列外)代表不同影響因素的5個(gè)不同水平分級(jí)，可以對(duì)應(yīng)表1查看

注：①Ki表示任意列上水平號(hào)為i時(shí)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和；②ki表示Ki的平均值Ki/5； ③R表示極差，即該列中kmax-kmin

2.4 模擬結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)表2模擬結(jié)果分析，采光系數(shù)平均值均大于3%，滿足建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)對(duì)表3中極差R分析，極差R代表該因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響大小。①以采光系數(shù)平均值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，RC值最大，RA、RB、RD值接近，因此，窗地比對(duì)采光系數(shù)平均值影響最大；②以采光均勻度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，極差RA值最大，RB、RC、RD值接近，因此，進(jìn)深對(duì)采光均勻度影響最大。

通過(guò)對(duì)表3中K值分析，同列的Ki值大小代表該因素不同水平層級(jí)的優(yōu)劣。①以采光系數(shù)平均值為評(píng)價(jià)指標(biāo)：窗地比對(duì)應(yīng)優(yōu)水平為C1，即窗地比1/3；進(jìn)深對(duì)應(yīng)優(yōu)水平為A2，即進(jìn)深6 000；開(kāi)間對(duì)應(yīng)優(yōu)水平為B5，即開(kāi)間8 000；層高對(duì)應(yīng)優(yōu)水平為D2，即層高3 300。②以采光均勻度為評(píng)價(jià)指標(biāo)：窗地比對(duì)應(yīng)優(yōu)水平為C5，即窗地比1/6；進(jìn)深對(duì)應(yīng)優(yōu)水平為A1，即進(jìn)深5 000；開(kāi)間對(duì)應(yīng)優(yōu)水平為B2，既開(kāi)間5 000；層高對(duì)應(yīng)優(yōu)水平為D3，即層高3 600。綜合兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，窗地比優(yōu)水平在C1、C5中選擇，當(dāng)舍棄C1選C5時(shí)采光系數(shù)平均值對(duì)應(yīng)K值降低37.8%，而采光均勻度對(duì)應(yīng)K值僅上升6.9%，所以窗地比優(yōu)水平選C1，即窗地比1/3；同理，進(jìn)深優(yōu)水平選擇A1，即進(jìn)深5 000；開(kāi)間優(yōu)水平選擇B5，即開(kāi)間8 000；層高優(yōu)水平選擇D3，即層高3 600。

綜上所述，辦公室天然采光質(zhì)量影響因素窗地比對(duì)采光系數(shù)平均值影響最大，進(jìn)深對(duì)采光均勻度影響最大；辦公室天然采光效果空間尺寸優(yōu)組合為進(jìn)深5 000 mm，開(kāi)間8 000 mm，層高3 600 mm；窗地比優(yōu)水平為1/3。

3 結(jié)語(yǔ)

1)辦公室是辦公建筑中主要功能房間，本文得出辦公室天然采光質(zhì)量在多因素影響下，窗地比對(duì)采光系數(shù)平均值影響最大，進(jìn)深對(duì)采光均勻度影響最大，因此在方案設(shè)計(jì)階段辦公室天然采光優(yōu)先考慮允許范圍內(nèi)控制辦公室窗地比或者進(jìn)深；

2)本文通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬最終得到辦公室天然采光下空間尺寸、窗地比優(yōu)組合為進(jìn)深5 000 mm，開(kāi)間8 000 mm，層高3 600 mm，窗地比1/3。由于各因素水平分級(jí)是階梯性分布，得到的可能是較優(yōu)情形，但可以給建筑師在方案設(shè)計(jì)階段提供一定的辦公室空間尺寸依據(jù)，從而較好地利用天然光。無(wú)論辦公建筑是何種空間型體，具體到每個(gè)房間擺放時(shí)建筑師都盡可能擺成人們習(xí)慣使用的矩形辦公室，因此在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)具有很高的應(yīng)用指導(dǎo)價(jià)值；

3)完全試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致模擬工作量太大，不易完成，而正交試驗(yàn)可以減少模擬次數(shù)，而且結(jié)論具有代表性，通過(guò)部分試驗(yàn)即可窺見(jiàn)全面試驗(yàn)的情況。因此，可以給多影響因素研究提供借鑒，不過(guò)還有待進(jìn)一步細(xì)化各影響因素水平層級(jí)，使各影響因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間變化趨勢(shì)更明顯，更明顯的看出全面試驗(yàn)情況；

4)本文中辦公室計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)以建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)值為依據(jù)，采用的是全陰天天空模型，設(shè)計(jì)者要考慮實(shí)際天空環(huán)境下的辦公室采光情形，避免眩光影響。

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The Study of Office Space under Daylighting in Tianjin Area

YU Chuankun，WANG Lixiong，F(xiàn)ENG Zilong

(Tianjin University， Tianjin Key Laboratory of Architectural Physics and Environmental Technology， Tianjin 300072， China)

This article takes the office buildings in Tianjin area as example. offices’ data, including space size, ratio of glazing to floor area and so on, were collected through filed research. Simulation was conducted with orthogonal experiment method. ECOTECT and Radiance software were used for modeling and simulation. The average value of daylight factor and uniformity of daylighting are used to evaluate the result of simulation. In the end, we can get the most suitable design size and ratio of glazing to floor area for office. The study is aimed at reducing the energy consumption of lighting, meanwhile we can create a good daylight environment in order to improve visual perception for users. The result of this study can help architect use daylight well in building design.

office; daylighting; depth; ratio of glazing to floor area; uniformity of daylighting；lighting; building

馮子龍，E-mail: 721237183@qq.com

TU113

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.003