基于全年動態光環境模擬條件的穿孔金屬表皮參數對室內天然光環境效果的影響

劉宇波,劉彬艷,鄧巧明

(華南理工大學建筑學院，廣東 廣州 510640)

引言

穿孔金屬表皮是在金屬表皮的基礎上發展而來，經穿孔、沖孔、編織、焊接、拉伸等工藝，形成具有孔洞的金屬表皮材料，常與其他表皮組合形成復合表皮用于各個類型的建筑之中，如教育建筑、博物館、辦公樓、住宅等，如圖1所示。

圖1 穿孔金屬表皮案例照片Fig.1 Photo of buildings with perforated metal skin

設計師常出于形式的考慮對穿孔金屬表皮孔徑和孔隙率進行選擇，忽略了穿孔金屬表皮本身在隔熱和采光方面的潛力，如圖2所示。過小過密的孔洞，遮陽效果越好，但是室內自然光效果勢必會不佳；而孔洞過大，又會造成直射光進入室內，遮陽效果不佳。本文主要結合國際上新的動態采光指標，研究穿孔金屬表皮的設計參數如穿孔率和孔徑的變化對建筑空間天然采光效果方面的影響(圖3)。

圖2 穿孔金屬表皮在隔熱和采光方面的潛力Fig.2 The potential of the perforated metal skin for heat insulation and lighting

圖3 穿孔金屬表皮構造大樣Fig.3 Structural details of perforated metal skin

我國目前的采光標準《建筑采光設計標準》中以采光系數DF來制定，但是DF是有很多缺陷的，僅表示全陰天情況下的靜態采光指標，不能反映地域性光氣候特征、立面朝向等[1]。國外新發展起來的動態自然光評價標準UDI(有效全自然采光時間百分比)，是由Nabil和Mardaljevic提出的概念來取代現有規范標準中單一值方法[2]。sDA300/50%用來表示空間所有照度計算點中有多少百分比的計算點在一年中(指空間占有時間，按一天10 h計，即1 825 h)可以超過50%的時間僅在自然光照射下就達到300 lx[3]。該指標是2007年由北美照明工程學會(IESNA)發起，在美國多家知名研究機構和高校的研究人員的共同努力下，歷經6年的時間開發而成[4]。研究人員將300 lx作為衡量空間日光充足性的照度閾值，超過50%的空間能達到300 lx被認為是可以接受的，并且sDA300/50%于2012年已被IESNA作為采光衡量標準發布[5]。對不舒適眩光的評估方法有很多種，如Hopkinson 和 Chauvel 提出的DGI和CIE 推薦使用統一眩光值UGR。本文結合DF、100

國內已有大量的穿孔金屬表皮建筑建成案例，但是研究穿孔金屬表皮對室內空間天然采光效果影響的較少，對于穿孔金屬表皮設計參數的研究探索就更少。本文利用動態模擬軟件Daysim[6]，針對室內天然采光效果，對穿孔金屬表皮的設計參數如穿孔率、孔洞孔徑，結合統計學分析，作出初步的探索，以期對未來的穿孔金屬表皮參數選擇有借鑒意義。

1 設計對象

一般來說教室、辦公室、圖書館被認為是最需要采光的空間類型[3]。筆者團隊長期從事教育建筑研究，所以選取教室作為設計研究對象。根據設計規范要求以及建筑資料集案例提取總結出普通教室的標準室內單元，模型尺寸如圖4所示，房間內各表面反射率及窗玻璃透射率見表1，用于后文的設計模擬。

圖4 教室模型單元(國家建筑標準設計圖集(11J934-2)——中小學校場地與用房)Fig.4 Classroom model (National Architectural Standard Design Atlas (11J934-2)—— Primary and Secondary School Site and Room)

表1 教室材料光學參數Table 1 Optical parameters of classroom materials

2 研究方法

2.1 參數化模型建立及模擬分析

本文選擇參數化建模分析，使用rhino及grasshopper程序，grasshopper可以實現輸入相應參數直接生成模型。在grasshopper中將穿孔率和孔徑設置為輸入參數，可以實現隨時變化參數輸出模型。然后將模型導入到eco中，進行daysim的采光模擬運算；并將結果導入到統計分析軟件SPSS進行數據分析。

2.2 建模及參數設置

為了比較孔隙率和孔徑兩種參數分別對室內采光效果的影響，在rhino里可以設置一個參數固定不變，等距變換另一參數，來建立穿孔金屬表皮模型。Grasshopper結構圖如圖5所示，以期研究兩個參數分別對室內光環境效果的影響。但由于當孔徑越小，穿孔率越大時，模型孔洞過多會導致運算復雜，故運算的孔徑范圍選擇為35～78 mm，穿孔率選擇范圍為常見的5%～35%。兩兩組合有55組表皮模型，參數見表2。并加入與之對比的模型，采用傳統采光方式開窗，窗高2 100 mm，寬2 900 mm，窗間墻1 200 mm，窗臺900 mm高。金屬穿孔立面與傳統采光方式開窗立面對比如圖6所示。

圖6 金屬穿孔立面與傳統采光方式開窗立面對比圖Fig.6 Metal perforated facade and traditional window facade comparison

表2 55組穿孔金屬表皮孔徑和孔隙率Table 2 The pore size and porosity of 55 groups of perforated metal skin

圖5 Grasshopper結構圖Fig.5 The Grasshopper structure diagram

將55組模型導入到Daysim進行采光模擬。

表3 daysim里參數設置Table 3 Parameter settings in the daysim

續表3

3 模擬結果與討論

55組穿孔金屬板模型加一組對比模型，分別按照六個指標進行數據分析，如表4中柱狀圖所示。同一種顏色表示相同孔隙率，從左到右孔徑由小到大，最后一個為對比組。

表4 六種指標與孔隙率、孔徑關系柱狀圖Table 4 Six metrics are related to porosity and pore diameter

3.1 對比組與穿孔金屬表皮組

由表4可以看出，對比組的 DF、sDA300/50%、UGR、DGI 值均大于穿孔金屬表皮組。其中 DF 為 6.5%，sDA300/50%為 100%，說明在沒有穿孔金屬表皮時，普通教室內部整體照度值較高，但同時 UGR、DGI 值也較高，分別為 27.2 和 25.3，根據表5所示，屬于眩光不舒適范圍。且其均勻度值屬于最低，說明室內照度雖高，但屬于近窗處過亮而遠窗處過暗，造成了均勻度低的問題，而且100

表5 常見眩光指數評價范圍Table 5 Evaluation range of the common glare index

3.2 穿孔金屬表皮組之間對比

如表4所示，六個指標均隨著孔隙率大小的變化而變化。DF、sDA300/50%、UGR、DGI 隨著孔隙率的增大先增大。而有效天然采光 UDI 指標隨著孔隙率的增大先增大，到孔隙率為15%時達到最大，后隨著孔隙率的增大反而減小。而均勻度則在孔隙率為10%時達到最大，在15%時次之。

而孔徑對其中四個指標(DF、100

綜上所述，對比組較穿孔金屬表皮組雖整體值高，但容易造成眩光和照度不均勻的問題，影響室內視覺舒適度，所以采用穿孔金屬表皮在一定程度上可以避免眩光。在穿孔金屬板組中，孔隙率對六個指標的影響較大，孔徑僅對 UGR、DGI 有一定影響。同時也反映出，動態 UDI 結果與靜態 DF 結果不同，UDI不僅能反映光照不足的情況，同時也能反映光照過量的情況，這也正說明 DF 等靜態采光指標不能反映設計參數變化對室內光環境的影響，因此有必要采納使用動態采光指標對穿孔金屬板的參數設計進行判斷。

3.3 模擬數據回歸分析

為了更好地知道參數與各個指標間的關系，筆者將孔隙率、孔徑、UDI、DF、sDA300/50%、均勻度、UGR、DGI數據導入到SPSS中進行分析。結果驗證之前的分析，孔徑對DF、UDI、sDA300/50%、均勻度的影響可以忽略，孔隙率對DF、UDI、sDA300/50%、均勻度的影響較大。以下分別對五個指標進行分析。

3.3.1 穿孔率、孔徑與DF

由表6可以看出，孔隙率的標準化系數0.996明顯大于孔徑0.006，說明在兩個變量間，孔隙率對DF的影響大于孔徑。在SPSS中當設置自變量選入方式為逐步法時，自變量孔徑沒有達到入選標準而被剔除，更進一步說明孔隙率對DF的影響遠遠大于孔徑，且孔徑對DF的影響可以忽略。

表6 孔徑、孔隙率與DF相關度分析Table 6 Correlation analysis of porosity/pore and DF

將自變量孔徑排除后，單獨對自變量穿孔率與DF進行回歸分析。得出DF與穿孔率間有高度正相關(r=0.999)，且呈線性關系，隨著穿孔率越大DF越大。

圖7 孔隙率與DF線性回歸分析圖Fig.7 Porosity and DF linear regression analysis diagram

舉例說明，當孔徑為77 mm時，孔隙率以步長為5%變化，DF會隨著孔隙率的增大呈線性變化，隨孔隙率的增大而增大。當保持孔隙率為5%，孔徑以步長為10 mm變化，DF與孔徑變化線性關系不明顯(表7)。

表7 孔徑77 mm、孔隙率5%與DF線性回歸分析Table 7 Pore 77 mm /porosity 5% and DF linear regression analysis diagram

若以此推斷可知，當沒有金屬表皮遮擋時，室內的采光系數最大。但顯然與筆者試圖研究的穿孔金屬表皮參數設置對室內采光效果的影響相背離。

3.3.2 自變量穿孔率、孔徑與因變量UDI

由表8可以看出，穿孔率的標準化系數明顯大于孔徑。

表8 孔徑、孔隙率與UDI相關度分析Table 8 Correlation analysis of porosity /pore and UDI

單獨對自變量穿孔率與UDI進行回歸分析。得出UDI與穿孔率間有高擬合曲線關系，R2為0.862。根據擬合公式Y=22.892+591.332-1 394.151x2推測，當穿孔率為21.2%時，UDI取值達到最大值。如圖8所示，UDI值在穿孔率為15%時達到最大，存在一定誤差。但可以看出，并非隨著孔隙率越大，UDI取值越大，UDI可以反映出較高室內照度對室內采光舒適度的影響，比DF更適合作為采光評價指標。

圖8 穿孔率、孔徑與UDI回歸分析圖Fig.8 Porosity /pore and UDI regression analysis diagram

3.3.3 自變量穿孔率、孔徑與因變量sDA300/50%

單獨對自變量穿孔率與sDA300/50%進行回歸分析如圖9所示。因IESNA規定sDA300/50%時，未給出上限[3]，因此對其分析結果與DF近似，隨著穿孔率越大，值越大。但可以通過50%出現的位置稱為有效采光進深。這里有效采光進深的定義相比較于某 DF 數量值(如3%)所在進深位置更為合理，因為 DF 指標本身僅反映了較少的采光影響因素[7]。如圖10所示，通過sDA300/50%來確定有效采光進深發現，隨著空隙率的增大，有效進深逐漸加大，在20%孔隙率時，有效進深已大于教室進深的一半(3.85 m)。且當穿孔率為35%時，可能會出現窗邊過亮的情況，因此應綜合考慮其他相關指標。

圖9 穿孔率與sDA300/50%線性回歸分析圖Fig.9 Porosity and sDA300/50% regression analysis diagram

圖10 穿孔率與有效進深Fig.10 Porosity and effective depth

3.2.4 自變量穿孔率、孔徑與因變量均勻度

由于模擬的教室采用的是側面采光，因此會存在照度均勻度較差的情況。根據德國DIN標準和英國CIBSE指南，一般照明方案產生的均勻性應優于0.6或0.8。從圖11自變量穿孔率與均勻度進行回歸分析，得出均勻度與穿孔率間有中強相關(r2=0.452)。在穿孔率為10%時，均勻度最大為0.7左右。當穿孔率大于10%時，隨著穿孔率越大，均勻度越大，因為明亮的光線集中在窗戶附近，均勻度越低，室內的照度對比度越大，視覺舒適度越低，照度均勻度較差時，人的瞳孔會不斷變換大小，易產生疲勞感，引起視覺功能下降，從而影響工作和學習[8]。

圖11 穿孔率與均勻度回歸分析Fig.11 Porosity and uniform regression analysis diagram

3.3.5 自變量穿孔率、孔徑與因變量 UGR、DGI

由圖12可以看出，UGR 與穿孔率呈高擬合曲線關系。據表5可知，UGR=22 時，剛剛不舒適，所以當穿孔率≤20%時，UGR≤22。而 DGI 與孔徑呈高擬合曲線關系，當 DGI=22時，屬于可接受，此時孔徑為40～50 mm之間。綜合來看，當穿孔率≤20%，孔徑為40～50 mm之間時，室內受眩光的影響較小。

圖12 穿孔率與UGR回歸分析及孔徑與DGI回歸分析Fig.12 Porosity and UGR regression analysis diagram &Pore and UGR regression analysis diagram

4 結論

文章通過以上對模擬數據的統計和分析發現，在教室外立面運用穿孔金屬表皮有利于避免眩光，增大室內照度均勻度，提高視覺舒適度。同時還發現金屬表皮的穿孔率是影響室內采光效果的主要因素。DF及sDA300/50%均隨著孔隙率的增大而增大，在 20%孔隙率時，有效進深已大于教室進深的一半(3.985 m)。UDI 與孔隙率存在曲線關系，到達最大值 時，會隨著孔隙率的增大而減小。這與我們判斷的孔隙率的增大會帶來室內靠窗局部過亮，反而 UDI 會減小的情況是吻合的。同時在此種模擬條件下，當孔隙率達到 15%時，室內采光效果 UDI 最佳。均勻度與孔隙率也存在曲線關系，在穿孔率為10%時，均勻度最大為0.7 左右。穿孔率為15%時，均勻度在0.5～0.6之間。孔徑大小對眩光舒適度有一定影響，孔徑為40～50 mm 之間時，室內受眩光的影響較小。

由此可見，在評價建筑的天然光環境時，使用動態的光環境指標代替傳統的評價 DF 有其必要性。通過對比六個指標可以綜合判斷，穿孔率在 15%～20%時，孔徑為40～50 mm之間時，此種條件下室內天然采光效果較好。本文采用的模型是標準教室室內單元，實際情況中可能會存在差異，目前分析得出的結論可以作為當前案例的天然光環境設計或者改善的參考。在實際情況中，若模型參數變化，可能會導致不同的結果。