玻璃幕墻建筑反射眩光的影響因素分析

楊 偵，張明宇

(天津大學，天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

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玻璃幕墻建筑反射眩光的影響因素分析

楊 偵，張明宇

(天津大學，天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

城市中大面積的玻璃幕墻形成的反射眩光已成為日間的主要光污染源。強烈眩光給周邊居民生活及交通帶來嚴重影響，但缺乏相對完善的防控設計理論。為研究如何在建筑設計階段通過采取設計措施預防高強度反射眩光的形成，我們分析了各具體因素的影響特點，結合調研中發現的玻璃幕墻反射眩光的方位、范圍、形態、強度等指標，將各項因素歸納為環境、建筑形體、材料構造三方面因素，并將各因素對應于建筑設計的各個階段，提出了各設計階段控制玻璃幕墻建筑反射眩光的設計策略。

玻璃幕墻；反射眩光；影響因素；建筑設計；城市；環境；控制

引言

玻璃幕墻鮮明的個性和美學特點，倍受設計者的青睞，但是在城市規劃、建筑設計等方面考慮欠周而帶來的光污染問題，成為影響城市環境的一個重要方面。隨著玻璃幕墻反射光影響附近居民的事件報道越來越多，反射眩光污染問題愈加受到社會和學術研究的重視。

關于玻璃幕墻有害反射光的問題國內外已經有相應研究。Naai-Jung Shih等模擬分析了我國臺北地區玻璃幕眩光污染狀況，并提出光反射邊界(BRA)概念[1]。Justin S. J. Wong等通過對香港ICC大廈的深入研究，分析了不同幕墻形態對反射眩光的影響[2]。林若慈在文獻[3]中提出了不舒適眩光的評價等級、檢測方法以及反射光控制建議。王建平等通過玻璃幕墻光污染特征進行計算，得出不同朝向玻璃幕墻產生的眩光隨季節的變化規律[4]。高成康等通過對實例的監測評價，探討了眩光的評價方法以及眩光對環境的影響[5]。

近些年各地方相繼出臺了法規[6]治理玻璃幕墻反射光污染，然而玻璃幕墻建筑反射眩光的防控設計缺乏完整的理論體系，與之相應的建筑設計或改造理論相對薄弱。如何在建筑規劃和設計之初將玻璃幕墻反光污染控制在要求之內，而非在產生光污染之后再修補和改造，對于節約人力物力以及保證建筑的完整性有實際意義。為有效控制建筑玻璃幕墻反射光，需要對影響因素有透徹的了解，本文通過分析總結得到影響玻璃幕墻反射光的主要因素及具體因素的影響特點，并對影響的范圍和類型進行歸納分級，為玻璃幕墻建筑的反射眩光防控理論提供依據。

1 玻璃幕墻反射眩光產生的相關因素

根據建筑玻璃幕墻反射眩光產生因素的不同屬性，將主要因素分為環境、建筑形體、材料與構件因素三類。

1.1 環境因素

太陽光的方位角、高度角和太陽輻射強度，首先受到地理緯度、時刻、季節和天氣因素的影響，將其統稱為地理環境；玻璃幕墻建筑周邊的存在的現有建筑與綠化等，均會對光線有所影響，將其統稱為周邊環境。

1.1.1 地理環境

1)地理緯度。建筑所處位置的地理緯度決定太陽方位角和高度角，太陽高度角又決定著反射光的影響范圍。如圖1所示，當建筑玻璃幕墻參數相同時，不同緯度的地區，同一時刻玻璃幕墻反射光的影響范圍隨著緯度的增大而增大。另外，不同緯度地區，同一時刻太陽輻射強度也有所不同。

圖1 不同緯度地區同一時刻的反射光影響范圍與幕墻高度的比值(計算選取春分日)Fig.1 The ratio of the reflected light radiation to the height of the curtain wall at the same time in different latitudes(the calculation select spring equinox day)

2)季節。不同季節會產生不同的眩光分布，測算時需要考慮全年各季節產生的眩光狀況。天津市不同季節太陽光在不同方位的照射累積時間，如圖2所示，以天津市為例，春分、秋分日太陽光線更多時間位于西南和東南方向，此時朝向東南或西南方位的玻璃幕墻容易產生大面積的反射光；同理，在夏至日太陽光絕大多數時刻來自于東向和西向，而南向相對較少；在冬至日，太陽光主要位于正南向，而其他方向較少。

圖2 天津市不同季節太陽光照射在各方位的累積時間(精確到一分鐘，單位：min)Fig.2 Cumulative time of solar light irradiationin different position in different seasons in Tianjin(accurate to one minute, unit: min)

3)時刻。在一天中太陽高度角隨時間呈正態分布。在實際觀測中發現，在天津地區夏季，玻璃幕墻建筑產生眩光影響的時間段大致在9：00之前和15：00之后(太陽高度角在10°～45°)，而在9：00到15：00之間，受到太陽高度角過高的影響，此時段難以形成的強烈的反射眩光。另外，隨著太陽方位在一天中的不斷變化，反射光的影響范圍也有所不同，圖3所示為南向玻璃幕墻在天津冬至日不同時刻反射光的影響范圍。

圖3 天津冬至日南向玻璃幕墻不同時刻反射光的影響范圍Fig.3 Radiation range of reflected light at different time of glass curtain wall in Tianjin winter solstice

4)天氣。太陽光線的強度還受到天空云量、云狀、空氣質量等因素影響。晴天少云的天氣最容易產生大面積的反射眩光，而在陰天多云時，或空氣污染的情況下，太陽直射光強度受到削弱，則不會形成強烈的反射光。

1.1.2 周邊環境

玻璃幕墻建筑的周邊環境會很大程度影響反射眩光的影響程度，周邊的高大建筑物和綠化可以有效阻擋入射光和反射光，從而削弱眩光污染的程度。如圖4所示，鄰近街道位置的住宅立面受到較強的眩光反射，而在同一方向的同一時刻，沒有臨街的住宅立面由于受到前方建筑和樹木綠化的遮擋，并沒有受到反射光眩光影響。另外，當新建玻璃幕墻建筑附近存在其他玻璃幕墻建筑時，眩光會在玻璃幕墻之間二次或多次反射，甚至將反射眩光匯聚于同一個區域，帶來更加嚴重的眩光污染。

圖4 周邊建筑和綠化對反射光的影響Fig.4 The influence of surrounding buildings and greening on reflected light

1.2 玻璃幕墻建筑的形態

玻璃幕墻建筑單體，由于其朝向、平面形式、立面分隔、幕墻剖面以及幕墻尺寸的不同，會產生不同形態和不同影響范圍的反射眩光。

1)建筑朝向。玻璃幕墻的朝向直接決定著反射光的影響方位，根據玻璃幕墻的朝向結合太陽光運行軌跡，可以大致判斷出其輻射的影響范圍，不同朝向的玻璃幕墻在相同時刻的輻射范圍不盡相同。例如，四塊參數相同的玻璃幕墻分別朝向南、西、東向，其產生的反射眩光滯留范圍大不相同(如圖5所示，選擇在天津市冬至日)：東向玻璃幕墻反射光影響范圍均位于東北方向，朝向西向的幕墻影響范圍均位于西北方向，南向幕墻眩光范圍面積最大，并對稱分布于東南和西南方位，而北向的幕墻在一天內均沒有產生任何反射眩光。

圖5 朝向分別為南，西，東的玻璃幕墻的輻射范圍(以60min為一個計算間隔)Fig.5 Curtain wall toward the south, west, east of the radiation range (with 60 minutes for a calculation interval)

2)平面形式。建筑平面形態會影響玻璃幕墻反射光的平行、匯聚及分散。如圖6所示，當太陽光照射在平直的幕墻平面將得到平行的反射光；照射在凸起的平面將會使反射光分散，不易形成相對集中的眩光影響；而凹形的平面形態將會將反射光聚集，甚至將光線匯聚于很小的區域，加劇眩光污染。

圖6 不同平面形態玻璃幕墻的反射光分布Fig.6 Reflection light distribution of glass curtain wall with different plane shapes

3)立面形式。按照建筑立面玻璃幕墻不同形態將其分為完整面、橫向帶窗、豎向帶窗、網格狀四種類型，圖7為不同立面形式。玻璃幕墻產生的反射眩光形態與幕墻形態相對應，完整面玻璃幕墻將產生整塊眩光影響區域，橫向和豎向帶窗玻璃幕墻的眩光形態對應為橫向和豎向的條狀，而網格狀玻璃幕墻的眩光形態多為碎片或點狀。

圖7 (a)(b)(c)(d)依次分別為完整面狀、橫向帶窗、豎向帶窗、網格狀Fig.7 The vertical surfaces are the complete surface, the horizontal line, the vertical line, and the grid

4)幕墻剖面。根據建筑幕墻的縱剖面的形態分為垂直幕墻和斜幕墻，斜幕墻又可分為傾斜向上，傾斜向下兩類(如圖8所示)。根據光的反射原理可知，反射面傾斜向下的幕墻將會反射角度更高的反射光，并縮短眩光影響范圍；反射面傾斜向上的幕墻將會反射角度更低的反射光，增加眩光影響范圍，甚至產生向上的反射光。

圖8 玻璃幕墻不同傾角對反射光方向的影響示意Fig.8 Influence of different inclination of glass curtain wall on the direction of reflected light

5)幕墻尺寸。幕墻尺寸參數分別為高度和面積，其中幕墻高度其影響反射光投射距離的遠近，玻璃幕墻的面積影響反射光影響范圍的面積大小。根據光的反射原理，玻璃幕墻反射光的投射距離和幕墻高度，投射面積和幕墻面積均呈現線性增長關系。當太陽日出不久或接近日落時刻，反射光投射的最遠距離和覆蓋面積均將超過玻璃幕墻高度和面積的5倍。

1.3 幕墻材料與遮擋構件

1)幕墻材料。反射率ρ越大的玻璃將會反射更多的能量，其影響反射眩光的強度的大小。幕墻材料選擇時，應盡量選擇反射率較低的材料，不宜使用可見光反射比大于0.30的鏡面材料，以防過高亮度眩光的產生。除玻璃以外，光澤的金屬面板也會產生反射眩光，圖9所示為美國洛杉磯華特迪士尼音樂廳的全金屬面板產生的眩光污染。

圖9 美國洛杉磯華特迪士尼音樂廳Fig.9 Walt Disney concert hall Los Angeles California

2)遮擋構件。在幕墻表面設置遮擋構件可以有效減弱反射眩光的輻射，能夠形成遮擋的構件如遮陽格柵、遮陽板、幕墻明框等。凸起的格柵可以阻擋入射和反射光的傳播，從而明顯控制幕墻眩光的影響范圍。如圖10為高寬均為9 m的玻璃幕墻，以每隔1 800 mm布置寬100 mm的不透光豎向格柵，計算格柵不同凸起高度對眩光影響面積的影響(計算時間選擇春分日9∶00)。除了凸起高度以外，格柵的寬度、間距、材料以及角度均會影響眩光的影響范圍。

圖10 不同凸起高度的遮陽格柵對反射眩光影響面積的影響Fig.10 Effect of shading grid with different raised height on glare affected area

綜上分析可以看出，玻璃幕墻建筑的不同因素對反射眩光的特征影響有所不同。建筑所處的地理緯度和周邊環境影響反射眩光的范圍及強度；建筑的立面、剖面形態、幕墻尺寸和遮擋構件影響反射眩光的范圍和形態；建筑平面形態和朝向影響反射眩光的范圍、形態以及方位，而天氣因素和幕墻材料對反射眩光的強度有所影響。

2 影響因素分類和設計策略

通過以上分析可知，玻璃幕墻建筑反射眩光的影響范圍、形態、強度、方位等特征，按其來源分析受到多方面因素的共同影響，且各因素的影響程度及所產生的影響特征也有所不同。為在建筑設計之初防控玻璃幕墻建筑產生強烈的反射眩光，或對玻璃幕墻建筑進行針對性的設計改造，需將各項因素拆解并分別分析討論，并明確其所處的設計階段，進而實現在建筑設計過程中預判并采取相應設計手段來控制、調整玻璃幕墻的反射眩光，以有效實現玻璃幕墻反射眩光的防控。

2.1 影響因素分類

根據玻璃幕墻建筑產生的反射眩光不同，影響因素可以分為：環境，建筑形態，材料和構造三大方面，共九項具體因素。其中：環境因素包括地理環境和周邊環境兩項因素；建筑形態包括朝向與方位、平面形態、立面形態、剖面形態和幕墻尺寸五項因素；材料與構件包括幕墻材料、遮擋構件兩項因素。將玻璃幕墻反射眩光相關影響因素繪制如圖11所示。

圖11 玻璃幕墻反射眩光相關影響因素框架圖Fig.11 Frame chart of the influence factors of reflecting light in glass curtain wall buildings

將以上各因素對應于建筑設計的各個階段：選址和場地設計階段，建筑設計階段和幕墻技術設計階段；各類因素對反射眩光的影響特征分別為：反射眩光影響的范圍，強度，形態和方位。各項因素對應關系如表1所示。

表1 玻璃幕墻反射眩光影響因素分類Table 1 Classification of factors affecting the reflection of glass curtain wall

2.2 設計策略

在實際設計項目中，玻璃幕墻建筑所處的場地往往不具備可選擇性，但可對其場地行進一步的設計優化。在具體設計時，應依據影響反射眩光特征來選擇相應的具體因素，現結合建筑設計階段得出以下設計建議：

1)場地設計時，首先應當考慮建筑周邊環境因素，分析玻璃幕墻眩光影響范圍內的居住、學校、醫院等眩光敏感建筑、以及車流量較大的交通干道，并結合當地太陽的運行軌跡，考慮利用周邊臨近建筑和樹木的遮擋，對敏感點位進行全年的眩光分析，找出眩光的影響時刻從而判斷玻璃幕墻建筑最佳朝向。

2)玻璃幕墻建筑單體設計時應從平面形態、立面分隔、玻璃幕墻的傾斜、幕墻高度和面積等多方面進行，采取不同的建筑形體控制手段，以改變反射眩光的影響范圍、形態和方位，將眩光污染控制在要求的范圍之內。

3)建筑玻璃幕墻應盡量采用反射率較低的材料，以降低反射眩光的亮度，同時在玻璃幕墻表面設置格柵，遮擋入射和反射眩光的傳播途徑，從而減少眩光的影響范圍，并可通過改變格柵間隔、凸起高度和寬度等參數，實現經濟有效的格柵布置。

4)玻璃幕墻建筑的反射眩光受到多因素的共同影響，在設計時可以輔以計算機軟件等工具，結合建筑設計的多方面因素共同分析，以尋求控制玻璃幕墻反射眩光的最佳方案。

3 結論

玻璃幕墻反射眩光的影響因素為環境、建筑形體、材料構造三方面，其中環境因素分為地理環境和周邊環境；建筑形體因素分別為朝向、平面形態、立面形態、幕墻剖面形態和幕墻尺寸；材料構造因素指幕墻面板的反光材料和幕墻表面的遮擋構件。

在玻璃幕墻建筑進行規劃設計時，應充分考慮場地周邊的敏感建筑的分布，并結合當地一年四季的太陽運行規律，綜合考慮影響眩光的各方面因素，對影響反射眩光的各項指標進行針對性設計，以求在建筑設計階段將玻璃幕墻反射眩光得到有效的控制。本文僅從宏觀角度提出針對設計的建議，更加完善的策略需要針對各項具體因素開展進一步深入的研究。

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Analysis of Influencing Factors of Reflecting Light in Glass Curtain Wall Buildings

YANG Zhen, ZHANG Mingyu

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

The Glass curtain walls have grown incrementally popular in building construction in urban China. However, sunlight reflected by large areas of glazing became a main cause of light pollution in the daytime, potentially threatening the safety of adjoining residents and vehicle drivers. In order to study how to prevent the formation of high intensity reflected glare in the architectural design stage, this study investigated the design parameters and their influence on indirect sunlight glare. Through summarization and analysis of ranges, intensity, shapes and direction of reflected glare from glazed facades, this paper explored the passive influence of glazing curtain wall in 3 major aspects: surroundings, architectural forms and glazing types. Design strategies were proposed as an effort to address the problem during the stages of design.

glass curtain wall; reflected light; influencing factors; architectural design; city; enviromment; control

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.010