基于前策劃與使用后評估的圖書館中庭天窗采光設計研究
——以華北理工大學圖書館為例

郭娟利，周揚空，姜子信，呂大力，周 琨， 吳翠姑

(1.天津大學建筑學院 天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072；2.天津大學建筑設計規劃研究總院有限公司，天津 300072；3.河北省鳳凰谷零碳發展研究院，河北 保定 071051)

引言

隨著高校學生人數的增長和校區規模的擴大，高校圖書館體量也隨之增大，相應的對空間設計和室內舒適度也提出了更高的要求[1]。成功的圖書館設計，可以有效激發學生的學習積極性，提高學習效率[2]。張敏等[3]使用層次分析法分析得出在圖書館74個評估指標中，自然采光光環境所占權重最高，其值為0.041。相較于人工照明，自然光可以有效提高人的視覺舒適度并降低人工照明能耗。自然采光的優劣對閱讀、工作效率有著重要的影響，因此良好的自然采光設計對圖書館建筑設計尤為重要[4，5]。

郭琦等[6]通過對京津冀地區已建成的大型高校圖書館進行實際調研發現，部分閱覽空間存在著光環境設計缺陷。大進深空間不恰當的自然采光設計會帶來一系列光環境問題，中庭作為建筑內外空間聯系的媒介可以有效引入天然光照亮核心區域并降低人工照明的能耗[7]。透明天窗中庭起初作為交通樞紐和展示共享空間從20世紀90年代開始廣泛引入到圖書館設計中，現在為了更有效地利用空間，越來越多地圖書館嘗試將中庭區域作為閱覽區域[1，8]。而如何更好地對中庭透明天窗進行設計，保證中庭區域的光環境滿足讀者的閱讀使用需要，國內對相關問題的研究較少。

本文采用前策劃與后評估相結合的研究方法，以華北理工大學圖書館為研究對象，在前期設計階段利用Velux天然采光模擬軟件分別對平天窗、鋸齒形天窗和雙向鋸齒形天窗的圖書館中庭區域光環境進行定量模擬分析，綜合比選出光環境質量更佳的雙向鋸齒形天窗設計方案。在建成使用后，對華北理工大學圖書館的中庭區域進行包括問卷調查和現場實測的自然采光后評估，判斷雙向鋸齒形天窗中庭區域的實際自然采光光環境質量，為今后大型圖書館天窗設計提供一定的參考和借鑒。

1 研究方法

建筑的前期策劃是合理設計的一個保障，使用后評估是合理設計的標準。使用后評估為前期的建筑設計和策劃提供反饋，是構成從實踐到理論再到實踐這一閉合體系的關鍵一環[9]。利用前策劃與后評估相結合的方法可以使建筑師在今后的設計中讓建筑更好地為人服務。

1.1 項目介紹

本研究以唐山曹妃甸區的華北理工大學圖書館作為研究對象。該地區屬于第三類光氣候區和寒冷地區，在充分利用自然光的同時需要避免夏季過曬，并合理進行過渡季節的自然通風。圖書館為地上8層，總建筑面積69 000 m2，周圍空間開闊，無建筑物遮擋，圖書館實景如圖1所示。該項目圖書館天窗位于整個建筑的中部，尺寸為長39.7 m，寬15.4 m，五層通高24 m。其中4～7層為擁有中庭采光的閱讀空間，8層為與7層通高的局部躍層設計。

圖1 華北理工大學圖書館外景(圖片來源：岳意鶴攝)Fig.1 Exterior view of the library of NCST (Photo by Yue Yihe)

1.2 評價標準

本研究主要從以下2個方面評價中庭區域光環境：1)晴天眩光分析；2)陰天自然采光可利用性分析。眩光分析為判斷晴天工況下是否會出現照度過高導致的眩光；自然采光可利用性分析為判斷陰天工況下照度值和采光系數是否滿足最低使用需求。為了更全面地了解中庭區域的光環境，中庭區域又分為4層中庭廣場和4～7層的中庭連接區域(如圖2所示)。根據中國《建筑采光設計標準》GB 50033—2013和中國《建筑照明設計標準》GB 50034—2013，圖書館光環境的要求為0.75 m工作面照度標準值不低于300 lx，采光系數標準值不低于2%。但是目前，相關規范中對照度過高容易產生眩光的情況并未考慮。研究表明，最低在1 700 lx的自然光照情況下，人眼就可以感受到眩光，因此設定的自然采光可用閾值為300～1 700 lx[10]。

圖2 中庭區域Fig.2 Atrium area

1.3 圖書館中庭天窗前期策劃

1.3.1 圖書館天窗形式

如圖3所示，常見的天窗形式主要有平天窗、矩形天窗、鋸齒形天窗和導光管等[11]。對于大體量高校圖書館建筑，矩形天窗和導光管采光口面積受限，對圖書館內部的自然采光效果提升有限，因此本研究僅考慮平天窗和鋸齒形天窗，同時引入一種較為新穎的天窗采光形式——雙向鋸齒形天窗。雙向鋸齒形天窗兼具平天窗和鋸齒形天窗的優點，既保證了足夠的采光口面積，又可以利用變截面梁充當反射板對太陽光進行漫反射，避免陽光垂直照射易導致眩光的問題。側面還設置可以開啟的通風窗，可以迎合過渡季主導風向進行自然通風，如圖4所示。

圖3 常見天窗采光形式Fig.3 Common skylight lighting forms

圖4 雙向鋸齒形天窗Fig.4 Bidirectional zigzag skylight

1.3.2 圖書館天窗采光設計模擬

利用VELUX軟件分別對平天窗、鋸齒形天窗和雙向鋸齒形天窗的中庭區域光環境進行定量模擬分析。VELUX是一款準確快速的可視化天然采光分析軟件，可以幫助建筑設計師在設計之前通過計算機模擬對建筑天然采光效果及空間效果有一個直觀的判斷，軟件模擬的最大誤差低于5.13%,平均誤差低于 1.29%[12]。為了提高模擬分析效率，僅對最不利工況進行模擬，分別為夏至日晴天12:00和冬至日陰天12:00。

1.4 圖書館雙向鋸齒形天窗使用后評估

1.4.1 主觀評價

本研究主觀評價形式為問卷調查，問卷分4次在周末隨機發放。問卷內容分為兩個部分，第一部分為讀者基本信息的獲取：性別、年齡、專業、年級和是否經常來圖書館等，以保證樣本的客觀多樣性；第二部分為對中庭自然光環境評價的信息采集，評價選用7級指標，可以準確客觀地反映使用者的感受。

1.4.2 現場實測

客觀評價通過實地測試的方式來收集中庭區域的照度值，并與測試日期相同工況下的模擬結果進行對照驗證模擬準確性。測試選用CL-200A型照度計進行測量，分別在陰天和晴天工況下對中庭區域測點0.75 m工作面照度值進行測量，測試日期分別為2019年10月17日(陰)和10月19日(晴)。中庭廣場測點按照GB/T 5700—2008《照明測量方法》以2.0 m×2.0 m為間距進行選取，中庭連接區域測點以布置桌面座位為依據，間隔2.0 m。測試時人工照明關閉，測試時間控制在12:00—13:00之間，此時自然采光相對穩定，適宜長時間多測點的數據采集，測試圖如圖5所示。

圖5 中庭測點布置Fig.5 Layout of measuring points in the atrium

2 前期設計階段中庭天窗形式的比選

2.1 VELUX模擬分析模型建立

為了在簡化模型的同時保證模擬的準確性，模型中庭設置在10～34 m高度處，8層與7層為通高設置。模型內僅設置基本的結構，沒有布置書架和書桌等物品。鋸齒形和雙向鋸齒形天窗最高處均高出樓板2.4 m,鋸齒形天窗朝南45°設置，雙向鋸齒形為東西向設置，不同天窗形式的模型如圖6所示,模型主要的材料設置參數如表1所示。

圖6 不同天窗形式模型圖Fig.6 Models of different skylights

表1 模型模擬參數設置表

2.2 夏至晴天眩光分析

夏至日12:00晴天工況下各形式天窗4層中庭區域照度情況如圖7所示。下面對各層中庭區域的光環境模擬結果及其變化規律分述如下：

圖8是通過計算機模擬得到的不同天窗中庭區域夏至日晴天的照度情況。平天窗、鋸齒形天窗和雙向鋸齒形天窗在4層中庭廣場區域的照度平均值分別為1 111.7 lx、482.5 lx和1 054.3 lx, 照度最大值分別為1 590 lx、705.18 lx和1 387 lx,均位于300～1 700 lx的正常閾值范圍內。平天窗和雙向鋸齒型天窗的采光情況接近，鋸齒形天窗照度水平遠低于兩者，但平天窗采光多為陽光直接照射，非常容易在夏季出現眩光和光斑問題。

在各層中庭連接區域，三種類型天窗照度均值和最大值都隨層數的增加而增加，且增長速度越來越快。平天窗和雙向鋸齒形天窗的各層照度均值均能滿足300～1 700 lx的閾值，但平天窗7層連接區域的照度最大值達到了1 927 lx,超過1 700 lx的閾值上線，非常可能出現眩光。鋸齒形天窗采光水平最差，即使在夏至晴天工況下，4～6層中庭連接區域照度均值仍無法滿足300 lx的最低使用要求。

圖8 晴天工況下各層中庭照度分布(夏至日12:00時)Fig.8 Illumination distribution on the different floor under sunny condition (12:00 on the summer solstice)

2.3 冬至陰天自然光可利用性分析

2.3.1 照度標準值

冬至日12:00陰天工況下各形式天窗4層中庭區域照度情況如圖9所示。下面對各層中庭區域的光環境模擬結果及其變化規律分述如下：

圖9 陰天工況下中庭4層照度分布(冬至日12:00時)Fig.9 Illumination distribution on the 4th floor under cloudy sky condition (12:00 on the winter solstice)

圖10是通過模擬得到的不同天窗4～7層中庭區域陰天最不利工況的照度情況。在中庭廣場區域，平天窗、鋸齒形天窗和雙向鋸齒形天窗的照度均值分別497.7 lx、190.9 lx和461.3 lx，除了鋸齒形天窗，其他兩種天窗類型均滿足300～1 700 lx的正常使用區間。照度最小值分別為284.96 lx、103.04 lx和279.09 lx,均低于300 lx最低要求。平天窗和雙向鋸齒形天窗照度水平近似，僅照度最低值小幅低于300 lx，而鋸齒形天窗則差距較大。

圖10 陰天工況下中庭各層照度分布(冬至日12:00時)Fig.10 Illumination distribution on each floor under cloudy sky condition (12:00 on the winter solstice)

在中庭連接區域，照度水平整體變化趨勢和夏季情況類似，三種類型天窗照度均值和最小值都隨著層數的增加而增加，且增長速度越來越快，在7層達到最大。各形天窗自然光可利用性均較差。鋸齒形天窗在冬季的采光尤為不利，4～7層照度均值均無法達到300 lx的最低值，平天窗和雙向鋸齒形天窗表現較好，僅在4～5層無法滿足。從最低照度值看，鋸齒形天窗全部低于300 lx,平天窗和雙向鋸齒形天窗也僅在7層能滿足300 lx的最低使用要求，不利于陰天工況下的全自然采光，需要進行輔助的人工照明設計。

2.3.2 采光系數

采光系數可以有效反映空間的自然采光能力，圖11為三種類型天窗中庭區域在冬至日陰天午時12:00的采光系數均值。三種形式天窗在中庭廣場區域采光系數均值均高于2%且保持在較高水準，分別為8.3%、3.18%和7.69%，自然采光效率高。

圖11 各層采光系數(冬至日12:00時)Fig.11 Daylighting factor on each floor (12:00 on the winter solstice)

中庭連接區域采光系數的趨勢和照度均值趨勢相同，逐層增加且增速變大。鋸齒形天窗受限制于采光口獲得光照少，4～6層采光系數均低于2%，自然采光效率低，無法滿足使用需要。平天窗和雙向鋸齒形天窗采光系數接近且自然采光能力較強，均能滿足2%的最低要求，最小值分別為3.02%和2.53%。

2.4 天窗選型

綜上，通過方案設計階段運用計算機性能模擬對三種類型天窗中庭區域光環境進行分析發現，鋸齒形天窗自然采光能力最差，無法滿足圖書館建筑正常使用。平天窗和雙向鋸齒形天窗中庭采光能力均較好，冬至陰天工況下僅部分低層連接區域存在明顯缺陷，在夏至晴天工況下，平天窗在4層中庭廣場區域和7層中庭連接區域照度最大值分別達到了1 590 lx和1 967 lx,接近甚至超過了1 700 lx的正常使用閾值上限，并且和雙向鋸齒形天窗可以利用大面積的變截面梁作為反射板對自然光進行有效的漫反射不同，平天窗采光為太陽直射光，非常容易出現眩光。同時，在實際使用過程中，平天窗面臨著復雜的雨后排水、漏水問題，因此綜合考慮選擇雙向鋸齒形天窗作為華北理工大學圖書館的中庭天窗形式。

3 使用后評價

3.1 客觀評價

圖12分別是晴天和陰天工況下4～7層中庭區域實測和對應工況下模擬的照度值與采光系數。實測各項具體數值如表2所示。

圖12 雙向鋸齒形天窗圖書館中庭區域光環境Fig.12 Light environment on the atrium area of the library of bidirectional zigzag skylight

表2 雙向鋸齒形天窗中庭區域光環境測試數據

4～7層中庭各區域的各項采光指標均和模擬數值有一定的差異，但變化趨勢保持一致。實測的照度值普遍高于模擬數值，實測采光系數低于模擬值。經過分析認為，產生差異的原因主要有以下4點：1)實測時室外照度和軟件模擬默認的晴天和陰天模型照度值不同；2)使用后裝修、桌子的布置情況對圖書館室內的光環境存在一定影響；3)簡化的模型在模擬時存在一定誤差；4)實際測試時室外光環境一直處于變化中，無法絕對靜止。

通過實測發現，中庭連接區域照度和采光系數均隨層數的增加而增加且增速變大。晴天工況下中庭各區域的照度值均能夠滿足300～1 700 lx的正常使用閾值；陰天工況下，雖然采光系數和照度均值均滿足最低要求，但4～6層中庭連接區域照度最小值遠低于300 lx，層數越低照度均值和最小值隨之下降。實測結果符合有關學者通過模擬和等比模型對不同層中庭連接區域采光影響規律的研究。由于底層中庭連接區域的光線主要是由上層垂直壁面的反射引入，經過多次反射和衰減，底層采光效果存在一定的缺陷，在陰天工況下自然采光效果更加糟糕[13]。因此在底層的中庭連接區域需要設置一定的人工照明，保證在自然采光不夠的情況下進行輔助照明，滿足讀者的使用要求。

3.2 主觀評價

在發放的200份問卷調查中，排除無效問卷后為169份。在對第一部分受訪者基本信息的統計中發現，受訪者中女性占比較多，達到66.27%，專業覆蓋率達到89.66%，85.80%的受訪者年齡集中在19歲至23歲，符合大學生的年齡分布。綜上，本次問卷調研數據具有比較全面的代表性。

圖13 中庭區域自然采光環境主觀評價Fig.13 Subjective evaluation of natural lighting environment on atrium area

圖13分別為使用者對中庭桌面自然采光明亮程度和中庭自然光環境滿意程度的評價數據分析。超過總人數一半的使用者認為中庭區域的桌面亮度水平是舒適的，占總人數的55.02%,但也有30.18%的受訪者認為桌面亮度有點暗，最后利用7級指標來加權平均，得出中庭桌面的明亮程度為-0.22，介于-1有點暗和0舒適之間。從中庭光環境滿意程度結果來看，選擇比較滿意的人數最多，占總人數的40.83%，選擇比較滿意、滿意和非常滿意的人數共占總受訪人數的78.70%。利用7級指標進行加權平均，得出受訪者對中庭光環境的滿意程度為1.04，位于1比較滿意和2滿意之間。主觀問卷評價和客觀實際測試結果相符合，雙向鋸齒形天窗中庭區域可以較好地滿足圖書館中讀者的使用要求，但是在底部中庭連接區域照度相對較低，尤其是在陰天工況，容易出現自然采光不足的情況。

4 結論

前期模擬結果顯示，自然采光能力為平天窗>雙向鋸齒形天窗>鋸齒形天窗。鋸齒形天窗采光能力較弱無法滿足圖書館使用要求，平天窗雖然采光能力最強，但容易出現眩光，綜合考慮排水問題，最終選用雙向鋸齒形天窗。

建成后的現場實測與模擬結果數值存在一定差距，但整體趨勢一致。中庭廣場采光充足，中庭連接區域照度和采光系數隨層數增加而增加，且增長速度越來越快。晴天自然采光質量較好，但陰天低層中庭連接區域采光水平較差，局部照度明顯低于300 lx。中庭區域桌面亮度和光環境滿意程度的評價平均值分別為-0.22和1.04，位于舒適(0)偏有點暗(-1)和比較滿意(1)偏滿意(2)。

綜上所述，大體量圖書館中庭采用雙向鋸齒形天窗可以較好地進行自然采光滿足使用需要，但需在底層中庭連接區域合理輔助人工照明避免不利工況帶來的自然采光不足。