上海地區建筑玻璃幕墻反射眩光特征研究

鄭耿濤

(上海建科環境技術有限公司，上海 200233)

引言

隨著城市化的快速發展，大量建筑玻璃幕墻開始使用，城市光污染逐漸引起關注[1]。因建筑缺乏統一規劃或大量采用大面積高反射率鍍膜玻璃，當玻璃幕墻受到太陽照射時，其鏡面反射形成強烈的眩光，對人的身體及工作生活產生有害影響。目前國內外已開展了玻璃幕墻光污染的相關研究：Liu[2]通過比較香港特別行政區和河南安陽建筑的建筑形態，得出玻璃幕墻建筑嚴重影響行車安全及人群健康。王寧和榮浩磊[3]以北京CBD核心區Z15地塊項目為例，探討城市CBD地區建筑光污染評價方法，李方鴻等[4]通過廣州玻璃幕墻建筑在不同季節及時間點的光環境監測，提出玻璃幕墻反射光影響因素，毛鶴群等[5]、楊偵和張明宇[6]、Wong[7]通過不同玻璃幕墻類型及影響因素研究，提出玻璃幕墻反射光有效的防治措施建議。張岱[8]分析光污染現狀，提出光污染防治立法研究，許巧云[9]通過對建筑玻璃幕墻的眩光污染影響因素分析，提供評估建筑玻璃幕墻眩光危害測試評估方法。王建平和王璐[10]根據反射光角度和亮度將光污染程度分成5級，展開反射光影響的特征研究。從玻璃幕墻光污染法規來講，國家層面尚無專門針對玻璃幕墻反射光危害影響的相關法律法規及評估體系，僅對玻璃幕墻設置有一般性規定[11]。而上海市從立法層面要求玻璃幕墻建設新、改擴建項目應進行玻璃幕墻反射光影響評價[12]。

玻璃幕墻光污染相關研究多為個案分析及防治措施的探討，光污染影響因素也是定性概括，且由于光污染影響的研究評價方法不一致，其相應建議未能有效結合現行法規要求開展。因此，本文基于上海市相關導則中光污染標準為評估基礎，對玻璃幕墻反射光的關鍵影響因素進行定量分析，以上海地區為例闡明玻璃幕墻反射眩光影響的時空變化特征、影響程度和影響范圍等規律，為建筑玻璃幕墻設計、建設及光污染防治相關防治措施提供參考。

1 研究方案

1.1 評價標準

光污染對象受影響程度與反射光的亮度值和反射光入射角度有關，也就是入射角度越小，反射光亮度值越大，則影響越嚴重.根據不同入射角及亮度值將影響程度由輕到重分級為：“可接受”，“輕微影響”和“強影響”[13]。本研究將產生“輕微影響”和“強影響”的反射光定義為眩光影響。

1.2 評價方法

1)亮度計算。反射光亮度取決于太陽光直射法向照度和反射材料(玻璃幕墻)室外可見光反射率。本研究設定四個典型反射率，分別為反射率20%、15%、10%和7%，對反射光影響程度的變化進行計算分析。計算公式[12]即

表1 影響程度分級標準Table 1 Influence degree and classification standard

(1)

(2)

式中：B為亮度；E為全晴氣候下太陽光直射法線照度；ρ為反射材料室外可見光反射率；h0為太陽高度角。

2)入射角計算。反射光入射角(也稱“眩光角”)是指經玻璃幕墻反射后的太陽光線(簡稱“反射光線”)與人眼水平視線(受照立面法線)的夾角。入射角A與反射光線高度角B、水平夾角C空間位置如圖1所示[3]。C取決于具體受照對象方位，假設受照立面正對著反射光線時，即C=0，則B=A。當玻璃幕墻垂直設置時，反射光線高度角等同于對應時刻太陽入射光線高度角。

圖1 反射光角度模型Fig.1 Reflected light angle model

1.3 研究模型

光污染評價實際工作中，通過光污染影響范圍判斷分析對象是否受反射，然后根據該影響時段的影響程度進一步判斷該影響是否符合法規要求。故本文分別對“影響程度”和“影響范圍”的一般特征進行研究。

1)“影響程度”研究：亮度值可以根據不同季節、時刻及玻璃材料反射率進行推算，亮度值計算時僅考慮全晴太陽直射光(不考慮天空散射光以及氣候影響)。而入射角值取決于幕墻以及受影響對象的方位，根據上述入射角計算方法，入射角以最不利條件考慮(即所有的受照立面都是正對著反射光線情況下(水平夾角C=0))，入射角值就可以簡化等同于該時刻的太陽高度角。

2)“影響范圍”研究中：論文主要關注反射眩光(“輕微影響”和“強影響”)的影響范圍，反射光影響范圍又與玻璃幕墻形狀、玻璃高度、朝向有關，故建筑模型設置幕墻高度為100 m，建筑平面形狀為邊長300 m正方形，各立面均為豎直的全玻璃幕墻。

根據以上模型基礎，研究上海地區(北緯31°12＇)在不同季節、不同時刻及不同反射率的幕墻反射光影響程度。據此進一步評價玻璃幕墻建筑在不同朝向時，反射眩光的影響范圍。

2 結果與討論

2.1 反射光影響程度研究

太陽反射光亮度值與太陽高度角成正相關關系，太陽初升時高度為0，對應亮度值也為0，至中午12：00高度角和亮度值達到頂峰，下午各時間點的高度角及亮度值與上午成對稱關系。同時，太陽反射光亮度值與玻璃幕墻反射率成完全正相關關系。圖2～圖4分別為典型日冬至日、春秋分和夏至日在不同反射率下反射光的影響程度。

圖2 春秋分日時不同反射率反射光的影響程度Fig.2 The degree of influence of reflected light at different reflectivity during equinox

圖3 冬至日不同反射率反射光影響程度Fig.3 The degree of influence of reflected light at different reflectivity during winter solstice

圖4 夏至日不同反射率反射光影響程度Fig.4 The degree of influence of reflected light at different reflectivity during summer solstice

2.2 不同反射率影響分析

反射率在10%～20%之間時可能出現反射眩光影響(“輕微影響”或“強影響”)；反射率如果控制在7%～10%之間時最大影響為“輕微影響”，可以消除所有“強影響”；反射率如果控制在7%以下，反射光影響均可接受，消除所有的反射眩光(“輕微影響”和“強影響”)。根據現有玻璃幕墻制造技術研究，生產及使用反射率低于7%的玻璃幕墻可行，且低反射率玻璃案例已經在上海等地得到應用，但低反射率玻璃會增加玻璃透射率，從而影響建筑節能及外觀。

2.3 反射時長分析

由表2分析，春分日秋分日時產生眩光影響(“輕微影響”或“強影響”)集中在6:34—8:24和15:36—17:26之間，影響時長總和最大為220 min；夏至日眩光影響則集中在5:36—7:28和16:32—18:24之間，影響時長總和最大為224 min；冬至日反射眩光影響集中在7:40—10:16和13:44—16:20之間，影響時長總和最大為312 min。

表2 典型日上午時段不同反射率眩光影響匯總Table 2 Summary of the impact of glare at different reflectivity in the morning

2.4 不同日期影響分析

雖然冬至日照時長要短于春分秋分和夏至，但從眩光影響(“輕微影響”或“強影響”)時長來說，冬至日產生的影響時長要大于春分日和夏至日，各典型日主要的影響時間點為太陽升起后(或者日落前)0.5～2.5 h之間。眩光影響根據入射角和亮度兩個因素進行判斷，初升(日落)時雖太陽入射角較小，但亮度值較低，故不易造成“眩光影響”。同樣接近中午時，雖然太陽反射光亮度值較大，但入射角也較大，同樣不易造成“眩光影響”。冬至日雖然日照短，但其入射角在0°～30°的時間較長，故長時間低角度反射光更易引起“眩光影響”。

2.5 反射光影響范圍研究

玻璃幕墻反射光影響范圍與玻璃幕墻方位相關，因此，本研究模擬玻璃幕墻建筑(四個立面均為玻璃幕墻，各立面玻璃幕墻高為100 m，寬度為300 m，玻璃幕墻反射率為15%)在不同日期及不同朝向時的反射眩光影響范圍(“輕微影響”和“強影響”)。建筑正向分布時(四個立面朝向為正東、南、西、北)影響范圍見圖5，建筑物逆時針旋轉15°、30°、45°和60°時的影響范圍見圖6。

圖5 建筑正向分布時(四個立面朝向為正東南西北)影響范圍Fig.5 The range of influence when the four facades are facing east,west,south,and north

圖6 建筑物逆時針旋轉15°、30°、45°和60°時的影響范圍Fig.6 The range of influence when the building is rotated to 15°、30°、45°和60°

1)從影響范圍來說，各朝向的玻璃幕墻輕微影響面積略大于“強影響”，這是因為在同條件下“輕微影響”的反射光高度角是小于“強影響”高度角，則“輕微影響”反射的距離較遠。

2)從產生影響立面說，當建筑正向分布時(四個立面朝向為正東南西北)，東立面和西立面在各日期均會產生眩光影響。北立面在春秋分和冬至日時不會產生眩光影響，南立面在夏至日不會產生眩光影響。主要原因是北立面玻璃幕墻在春、秋、冬時由于太陽方位角關系，不會產生反射；南立面雖然在夏時會產生反射，但是由于入射角度較大，不構成“輕微影響”或“強影響”。當旋轉玻璃幕墻建筑時，各朝向的玻璃幕墻或多或少都會產生一定影響。

3)建筑四個立面為正向分布時(各立面)，以及建筑旋轉45°時，同一個日期內上午和下午的影響范圍呈軸對稱，對稱軸為過建筑中心點的經度線，這是由于太陽光方位角上午和下午時間點也是對稱關系造成的。

4)建筑正向分布時反射眩光影響范圍集中在東西兩側，建筑物旋轉15°和30°時反射眩光影響范圍集中在西南和東北方向，而建筑物旋轉45°后反射眩光影響位置集中到南側和北側。建筑物旋轉60°時反射眩光影響范圍集中在西北側和東南側。旋轉30°和旋轉60°的反射光影響范圍呈對稱關系，同理建筑物旋轉75°后也和旋轉15°的反射光影響范圍呈對稱關系。

3 結論

本文通過模擬玻璃幕墻建筑建立了三維空間模型，對影響玻璃幕墻光反射的各因素進行了定量分析。得出結果如下。

1)冬至日反射眩光影響時長(“輕微影響”或“強影響”)要明顯高于春秋分和夏至日。春秋分時最大時長為220 min，夏至日最大時長為224 min，冬至日最大時長為312 min。

2)反射率小于7%時，反射光影響均可接受，消除所有的眩光影響( “輕微影響”和“強影響”)。反射率如果控制在7%～10%之間時最大影響為“輕微影響”，玻璃幕墻反射率大于10%時，可能出現“輕微影響”和“強影響”。

3)當建筑正向分布時(四個立面朝向為正東南西北)，春分秋分和冬至反射眩光影響范圍集中在東、西和南，夏至影響范圍影響集中在東、西和北。且各日期“輕微影響”范圍要大于“強影響”。

4)建筑正向分布時反射眩光影響集中在東側和西側；建筑物旋轉15°和30°時，反射眩光影響范圍集中在西南側和西北側；當建筑物旋轉45°反射眩光影響范圍集中在南側和北側。

上述結論表明，在玻璃幕墻建筑進行規設計時，就應該結合當地一年四季的太陽運行規律，綜合考慮反射率和朝向等因素對反射光的影響，以求在建筑設計階段有效控制玻璃幕墻反射眩光的影響。