博物館日光直射區域光環境的模擬分析
——以中國國家博物館西大廳為例

唐 銘，柳 敏，張 濱，羅 濤，韓云飛，張 拓

(1.中國國家博物館，北京 100006；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100033)

引言

中國國家博物館位于北京天安門廣場東側，總建筑面積約為20萬m2，用地面積約為7萬m2，建筑高度為42.5 m，地上5層，地下2層。其中西大廳是觀眾進、出博物館的重要集散場所，也是重要的公共區域。西大廳除不定期舉辦開幕式等活動以外，部分墻面和地面區域還用于藏品的展陳。西大廳西側立面是玻璃幕墻，天然光為西大廳提供采光的同時，天然光直射也可能對展品造成損害。為定量分析西大廳天然光環境現狀，更加合理利用天然光，2017年起我們開始了對博物館天然光環境的研究工作，重點開展了日光直射區域的天然光模擬研究。

本研究采取現場實測與計算機模擬相結合的方法，通過現場調研明確分析對象和光環境需求；通過實測天然光照度和幕墻材料的光熱學性能等，獲得計算機模擬所需的參數；結合西大廳的光環境需求，利用專業光環境分析軟件[1]，建立計算機模型，對太陽直射光對西大廳全年的影響范圍和時間進行模擬，最終得到相關數據和結論。

1 太陽直射光的影響分析

1.1 建立模型

西大廳內可以作為藏品展陳使用的區域主要是一層和二層平臺的部分墻面，以及沿墻區域，因此，本研究選擇主要的幾個墻面區域進行太陽直射光的影響分析，分別是南區1～6號墻面、北區圖1～6號墻面。圖1為南區待分析墻面平面示意圖，圖2為南區待分析墻面空間示意圖，北區與南區建筑結構完全對稱。

圖2 南區待分析墻面空間分布示意圖(北區對稱)Fig.2 Spatial sketch map of the wall to be analyzed in the South (symmetrical in the north)

西大廳幕墻朝向為正西，午后直射日光進入西大廳的情況較為常見，而日光一年四季又處于變化當中，為了綜合評價直射日光對西大廳特別是展陳立面的影響，本研究對全年直射日光的光影變化進行模擬分析。模擬計算分為兩個階段：①選擇一年中的典型日(春秋分、夏至、冬至)，對太陽直射光在西大廳主要墻面上形成的光斑范圍和影響時間進行分析；②選擇典型日，對透過不同區域幕墻的日影影響范圍進行逐時分析。分析時，考慮建筑和構件的遮擋影響。

本次建模計算所用軟件為斯維爾sun2014日照分析軟件，模型如圖3、圖4所示。為了定量評估直射日光的影響，就全年日光對各立面的累計影響時間進行分析。這里選擇了春分、夏至、秋分、冬至四個典型日，以典型日中以太陽光可以照進西大廳內的起止時間為分析時間段，進行模型計算參數設置(如表1所示)。

1.2 室內日影模擬與計算

對典型日期的室內日影情況進行模擬，可以得到日影的影響區域和變化軌跡。以下選取的是西大廳南區在春分、夏至、秋分、冬至四個典型日某些時刻的日影圖(如圖5所示)。

表1 計算參數設置Table 1 Setting of calculation parameters

經過模型分析，可以得到各個區域在不同節氣的受日光直射的總時長和分布區域。圖6所示僅列舉出南區1號墻面、北區1號墻面在不同典型日的日光直射累計等時線圖。

經計算得出南北兩區各墻面在不同典型日太陽直射的時段，分別見表2和表3。

由以上分析可知，南區2號和6號墻受影響較小，分別只在一個季節內有直射陽光照射影響時間比較集中，可以考慮作為展陳使用，但在對應時間內應考慮采取一定的措施。1號墻在春季、秋季上午受日照直射時間較短，且基本在非展覽開放時間內，只有冬季上午陽光直射的時間較長，所以1號墻也可以作為展陳使用，但在冬季上午有陽光直射的時間內應考慮采取一定的措施。4、5號墻的可展陳面積最大，但據表1可知4、5號墻在四個季節內有直射陽光的時間都較長，累計時間都在4 h以上，需要考慮展品的安全性。

圖3 計算用模型截圖(室外視點)Fig.3 screenshots of computational model (outdoor view)

圖4 模型透視圖Fig.4 Scenograph of model

圖5 南區典型日部分時刻日影變化Fig.5 Changes of sunshadows on typical days in southern area

墻面陽光直射時間春分夏至秋分冬至1號墻07:45—09:45—07:05—09:259:50—12:152號墻—16:12—19:12——3號墻—05:20—08:10——4號、5號墻14:59—18:2015:45—19:4114:44—18:0612:09—16:496號墻——16:12—18:40—

表3 北區各主要墻面在不同節氣的陽光直射時間統計

北區各墻面整體受直射光影響的程度比南區大。其中1號墻只在夏季早晨有直射陽光，受影響較小；2、3號墻面夏至日和冬至日受直射陽光影響較小，可作為展陳使用。而春季和秋季上下午墻面都有直射光影響，墻面大部分直射陽光照射總時長超過4小時，作為展陳使用的話，需要采取一定的遮擋措施；4、5號墻面在四個季節的下午都有較長時間的直射陽光影響，可以看出除冬季外，其他季節大部分面積內有直射陽光的時長都在4小時以上，受影響較大。6號墻在四個季節的下午都有直射陽光，冬季直射時間很短，在春季、夏季和秋季下午需要考慮采取一定的遮擋措施。

1.3 日光直射照度分析

由以上分析可知，受日光影響最大的是南區4號墻、5號墻、北區4號墻、5號墻，需要做重點分析。影響這些區域的直射陽光主要從14：00開始，由西大廳西側玻璃幕墻進入。目前西側玻璃幕墻的部分區域進行了貼膜處理，我們對西側幕墻未貼膜中空玻璃區域、室外貼膜區域、室內貼膜區域的光熱性能參數分別進行了測試，測試結果見表4。

表4 西大廳西側玻璃幕墻光熱性能測試結果

圖6 1號墻面在典型日的日光直射累計等時線Fig.6 Daylight isochron of No.1 wall in typical day

圖7 北京市典型年光照度全年分布Fig.7 Annual distribution of typical annual illumination in Beijing

可以看到，玻璃幕墻上遮光膜的主要作用是減少了幕墻太陽直射輻射，可見光透射比和太陽光直接透射比降低顯著，室外貼膜方式降低更為明顯。貼膜后，紫外透射比大為降低，小于1/1000，這對于保護室內展品是有利的。根據北京市的典型年光氣候數據和表4的測試數據[2,3]，可以計算出透過西側幕墻后，影響到這些區域的太陽輻照強度。計算結果顯示：在直射日光條件下，透過幕墻的天然光照度典型日的峰值為2 000～6 000 lx。

2 分析與討論

2.1 天然光環境評價與建議

1)從以上研究結果看，即使是透過幕墻上貼膜區域，日光直射照度峰值也能達到2 000 lx以上，因此在日光直射影響區域內不宜展陳對光敏感的藏品；本研究模擬計算了假設在幕墻部分區域貼雙層膜之后的光熱性能數據，日光直射照度峰值降至300 lx以下。這里存在一個矛盾：從藏品安全角度，需要降低天然光照度；從建筑采光角度，降低天然光照度后會明顯影響大廳空間的采光效果。

2)西大廳在不同季節和不同時段的天然光強度及分布差異大。總體上看，每天12：00之前和17:00以后，天然光對西大廳影響較小，14:00—17:00時段內天然光對西大廳的影響強度和范圍最大。既需要引入天然光，又需要解決在特殊時段天然光直射強度過高的狀況，后續可以考慮引入光線調節系統，根據外界氣象條件變化智能調控進入室內的天然光作為解決方式。

3) 目前西大廳主要采用頂部金鹵燈，現場實測其照明所提供的照度貢獻值約為100 lx，如何繼續優化人工照明控制系統、提高燈具的能效、根據天然采光情況合理補充人工照明，需要進一步的研究和探索。

2.2 博物館自然光使用的問題

關于博物館是否應當引入天然光、如何引入天然光的問題一直被討論，當前博物館照明研究人員普遍持以下觀點：

1)在保證藏品安全的前提下，博物館可以引入天然光，尤其是公共空間區域和文物保護修復工作室，應該盡量引進天然光[4]。天然光能提高人員的舒適度、能保證修復過程中藏品的色彩還原度。

2)適度引入天然光有助于博物館節能。

3)引入天然光面臨的問題主要有：天然光照度不穩定、不易控制；自然光或對藏品造成傷害；天然光或產生熱效應，不利于博物館室內溫濕度穩定。

因此，業界人員普遍支持博物館引入天然光，天然光能對博物館帶來諸多益處，關鍵在于如何通過技術手段解決面臨的相關難題。

3 總結與展望

1)本研究借助建筑日照分析方法，結合博物館藏品保護、展示對天然光的特殊要求，以國家博物館西大廳為例，對其主要墻面和區域進行了日照范圍、時長和照射強度等的分析。本研究是建筑物理學與博物館藏品預防性保護的交叉學科的應用，為基于藏品安全、藏品展示和綠色節能理念的博物館環境科學的研究提供了新思路[5,6]。

2)在有天然光進入的博物館空間區域內進行藏品布展時，可參考本研究方法進行天然光環境分析。在位置選擇上，盡量避開天然光的長時間直射；在藏品選擇上，盡量選擇對光不敏感的無機材質藏品，比如石質器、玻璃制品、瓷器、部分金屬器等[7]，在保護措施上，可以根據天然光變化情況安裝遮光或調光設施，以減少展品的總曝光量。

3)現代博物館引入天然光時應當綜合考慮藏品保護、人員體驗、高效節能等因素，如何做到科學地引入天然光值得深入的研究和探索。博物館建筑設計與天然光合理引入，天然光對展品材質影響的定量評價，天然光、展陳效果和人員感受的關系，天然光對博物館室內熱濕環境的影響，天然光在博物館的高效利用技術，博物館建筑的玻璃幕墻材料選擇等問題仍是今后博物館天然光環境研究領域重點探討的課題。