機場建筑的采光設計分析

遇大興，邊 宇

(華南理工大學建筑學院，亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640)

引言

機場建筑屬于城市中重要的大型公共建筑，其特點可概括為：體量巨大，通常由數個大跨度空間組成；24 h運營且全年無休；人流眾多，樞紐機場年均吞吐量以數千萬人次計。調研機場管理部門后得知：通常機場最為忙碌的時段為6:00—10:00以及17:00—21:00，這兩個時段中大部分時間可自然采光。故而從眾多機場使用者的體驗而言，天然光環境可視為機場的主要特征之一。據在深圳寶安國際機場T3航站樓內，針對旅客開展的隨機訪談得知：絕大多數的旅客認可屋頂上的天窗形式、明亮的采光效果使該機場給人印象深刻。實際上，人們普遍認為開敞的室內公共空間應當具有明亮的天然光照效果，并且能與室外有良好的視線溝通。直接采光是建筑利用太陽能最高效的方式，因為合理的采光設計產生的節省照明用電的效益巨大且裨益良多[1]。因此，無論就降低建筑能耗而言，還是從設計美學來講，亦或是從使用者視覺舒適度出發，充沛的采光、合理的遮陽、自發的光景觀對于機場建筑而言均具有重要意義[2,3]。但是，諸多機場的采光設計并不理想，普遍存在采光不足或欠缺眩光控制措施，人工照明與天然光聯動的設計也較少應用。對于機場航站樓這類連續運營的能耗密集型建筑，在建筑設計階段就應當做足工作以期達成環境友好、節能的目標。良好的采光設計是達成上述目標的有效策略，成功的采光設計可以帶來顯著的節能效益，能夠同時降低照明用以及空調能耗[4]。尤其在嶺南亞熱帶地區，一年中機場的制冷能耗遠大于采暖能耗，這就使得在進行機場采光設計時應該更加關注建筑維護結構上的開窗形式以及室外側以及自身的遮陽節能設計優化[5]，在保證充沛的天空漫射光進入室內的同時，避免過量太陽直射光輻射造成的室內過熱問題。

1 機場建筑的采光設計要求

建筑是光影的游戲，建筑采光設計是建筑設計的一部分，良好的采光設計應當與建筑的形式與功能統一[6,7]。尤其對于機場建筑，從建筑美學以及節能潛力等方面出發，采光設計都更應融入到整個建筑設計過程中，成為設計的必要部分。機場的采光需求與其他類型建筑有共同之處，也存在其自身特有的要求[8]，具體的采光設計目標可歸納為：

1)為旅客以及工作人員營造視覺舒適的空間。旅客在機場中的行為通常有明確的流線組織，包括辦理登機牌、托運行李、排隊安檢、候機登機等環節；工作人員則需要進行一定的視覺作業。使用者的行為要求候機樓內對應區域的環境照明達到相應水平(如：候機區域照度不低于300 lx，均勻度不低于0.7)[9]，且不應出現眩光等令視覺不舒適的情況(尤其在運營高峰時段，限制眩光指標如DGP或亮度對比度等)[10]。

倫敦希斯羅機場T2航站樓借鑒鋸齒形天窗采光原理進行了采光設計(圖1)。如圖2所示，連續布置的北向采光口在充分采光的同時遮蔽了主要來自南向太陽直射光，漸變的造型具有一定的韻律美感，同時營造出并不平淡的室內視覺效果。總體而言，通過并不繁雜的技術手段兼顧了功能與形式。對于屋頂采用單層結構且不使用格柵的航站樓，“鋸齒形天窗”及其衍生方案不失為良好的選擇，且經濟性突出。

圖1 倫敦希斯羅機場T2航站樓內景Fig.1 Inside view of London Heathrow airport T2

圖2 倫敦希斯羅機場天窗采光分析Fig.2 Daylighting analysis of skylight in London Heathrow airport

2)保證室內室外能有良好的視線溝通，使機場內部具有良好的視野。需注意平衡大面積使用透明玻璃幕墻與過多太陽得熱之間的矛盾。尤其需要依據朝向布置幕墻，并利用屋頂挑檐或其他形式的外遮陽或在室內側裝置必要的遮陽設施，達成較好的效果并有效限制眩光。圖3所示為希斯羅機場T2航站樓內候機區幕墻使用外遮陽的做法，保證視野的基礎上，有效限制眩光可能給旅客帶來的干擾，且對于防止室內過熱起到一定的作用。

圖3 希斯羅機場候機區Fig.3 Waiting area in Heathrow airport

3)降低對機場跑道上的飛行員可能帶來的反射眩光干擾。候機樓的幕墻等任何可能反射太陽光的建筑部件，都需要進行必要的光線反射分析，以確保在飛行員視野內不出現強烈的反光。

2 機場建筑的采光設計案例分析

2.1 廣州新白云國際機場

新白云國際機場是華南地區最重要的交通樞紐之一[11]。圖4是新白云機場航站樓內景，包裹著碩大體量的表皮采用單層金屬結構，通過屋頂中間一條帶狀采光口進行自然采光[12]，為了遮蔽太陽直射光、避免室內形成強烈的陰影，在該帶形天窗下，安裝了透光率約14%的可透光張拉膜材料，限制眩光的同時大幅降低了采光效率，且受限于采光口面積，如此大跨度空間內，除去靠近幕墻區域外的范圍內，天然光照度整體偏低。圖5為2017年8月26日8:00測試得到的游客任一視角內的亮度分布圖，此時刻視線方向垂直照度Ev=325 lx，視野范圍內平均亮度為111 cd/m2，但窗亮度超過4 000 cd/m2，屋頂平均亮度約為60 cd/m2，地面平面亮度為41 cd/m2。由此可知，即使在室外天然光照度較高的時段也需開啟人工照明進行補充。使用大面積玻璃幕墻可以保證視野(圖6)，但由于室內屋頂與地面亮度低，易給使用者帶來視野范圍內亮度對比過強的感受。除北向以外，在候機樓中全部簡單使用大面積幕墻的做法也值得進一步商榷[13]。

圖4 廣州新白云機場候機樓內景Fig.4 Inside view of Guangzhou new Baiyun airport

圖5 某游客視野內亮度分布(廣州新白云機場)Fig.5 Luminous distribution of an anonymous visitor’s sight view (Guangzhou new Baiyun airport)

圖6 廣州新白云機場候機樓中幕墻Fig.6 The glass curtain in terminal building in Guangzhou new baiyun airport

對于高大空間的人工照明系統而言，一味使用間接照明易造成低效率、高能耗。對于單層屋頂結構且不使用格柵吊頂的航站樓，燈具的安裝與隱藏需進行理性地推敲后實施，依托立柱端頭安裝燈具或依附結構進行吊裝等途徑都可結合建筑結構、光學設計等工作進行嘗試。

2.2 深圳寶安國際機場T3航站樓

深圳寶安國際機場T3航站樓建筑設計上的顯著特點正是與建筑設計高度結合的采光系統，也是該機場給人印象最深之處。圖7為寶安機場內景圖，晴天空天況下，視線范圍內眩光控制較好，光線柔和，視野內亮度對比不強烈。雙層表皮的優勢之一在于可以更加靈活地組織、設計采光系統[1,14]。各類型天窗中，通常情況下平天窗易產生眩光[15,16]。但是，如圖8所示，由于采用了雙層表皮設計，外層與內層的錯位安排使得此類采光系統確保漫射光入射室內的同時，遮蔽了一大部分太陽直射光，且由于采光口所占屋頂面積比較大，則營造出較為明亮的天然光環境。

圖7 深圳寶安機場內景圖Fig.7 Inside view of Shenzhen Baoan airport

圖8 深圳機場雙層蜂窩表皮采光分析Fig.8 Daylighting analysis of double layered honeycomb-type envelope in Shenzhen airport

圖9為2017年8月26日8:00寶安機場內測試得到的游客任一視角內的亮度分布圖，此時刻視線方向垂直照度Ev=579 lx，視野范圍內平均亮度為187 cd/m2，屋頂平均亮度為248 cd/m2，地面平面亮度為48 cd/m2。比較而言視野內亮度分布更加合理，未出現強烈亮度對比。

根據對寶安機場內隨機選取的游客進行的問卷調查得知，完成訪問的97名游客中，常旅客44位(年乘坐航班6次以上)。在問卷中設計了4個主要問題：

1)將寶安機場的天然光環境分為了“優”、“良”、“中”、“差”4個級別讓受測人員進行評價。

2)列出首都國際機場T3、上海虹橋機場T2、廣州新白云機場、上海浦東機場、杭州蕭山機場、成都雙流機場、深圳寶安機場T3，7個國內吞吐量居前的機場，讓受測人員根據印象選取天然光環境最為明亮，視覺舒適度最高的機場。

3)在以上7個機場中選擇天然光環境最令人滿意的(如果受測人員未曾使用過以上7個機場中的4個或以上，則其問卷作廢)。

4)請指出寶安機場采光設計中的問題。

根據以上問卷調查得知，41%的受訪人員認為寶安機場天然光環境為“優”；有效問卷中69%認同寶安機場T3航站樓為上述7個國內主要機場中天然光環境最為明亮的，約29%的問卷認為寶安機場天然光環境最令其滿意；指出的問題主要集中于采光口布置過于密集，如密集恐懼癥，室內方向感不強、對于屋頂開孔過多，節能效果欠佳。

根據以上分析與問卷調查可知，總體上寶安機場T3航站樓的采光設計，令使用者滿意，其主要優點在于采光充足的同時限制了不適眩光，即室內天然光環境整體明亮，視覺舒適度高。

綜合而言，此類天窗做法較為復雜對于設計(參數化設計)、分析、優化均提出了較高的要求。尤其雙層多開孔結構系統涉及的參數多，為了得到較為優化的參數組合，則有必要通過研究結合動態采光提出擇優方法，當前世界上新建機場大多采用該設計思路，這也是天然采光研究的未來方向之一[17]。

3 結束語

經過以上分析與論述，我們總結機場建筑的采光設計的建議如下：

1)對于單層結構屋頂機場建筑，通常可歸類為鋸齒形天窗及其衍生方案，采光效率高，跨度巨大，應將采光口適度分散，化整為零，成條形或矩陣式，均勻連續布局，不宜過于集中，同時需兼顧大面積玻璃幕墻采光和遮陽措施。

2)機場建筑屋頂天窗下采用(如廣州新白云機場)張拉膜材料，透光效率偏低，采光口面積偏小，張拉膜透光率僅為14%，限制眩光的同時，也大幅降低了采光效率，建議控制其使用范圍，或僅限局部使用或選用其他透光率高的節能材料。

3)對于雙層結構屋頂機場建筑，由于上下雙層的透光格柵設計，采光均勻度高，可通過控制開孔率及調整雙層結構間距，達到有效眩光控制，提高視覺舒適度的效果。

4)機場建筑作為大型公建，不需過分強調“上帝視角下”的屋頂第五立面，應在滿足自然采光的前提下，建筑體型與節能設計相結合，簡化機場雙層屋頂外觀形式，并與內部結構管線有機結合，內外兼修。

通過在廣深兩地機場的開展的調研、實測和分析，我們收集并總結了機場建筑在應用天然光方面普遍采用的做法以及存在的問題，提出了具有實際意義的解決方案。我們希望透過本文能夠啟發相關設計人員形成大跨度公共建筑的天然采光設計策略。