傳統(tǒng)民居光環(huán)境實測與模擬優(yōu)化
——以黔東南丹寨縣黃土寨苗族民居為例

黃海靜，董 張

(重慶大學 a.建筑城規(guī)學院; b.山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

傳統(tǒng)民居基本由村民自主建造，極少考慮建筑的光環(huán)境設計，建造時受當?shù)貍鹘y(tǒng)文化的影響和技術經(jīng)濟條件的制約，室內光環(huán)境質量普遍較差。光環(huán)境影響人體的視覺舒適、生理與心理健康[1-2]，傳統(tǒng)民居的室內光環(huán)境亟待改善。國內部分學者已關注到民居的光環(huán)境問題，并進行了有益的探索。如李莉萍[3]測量和比較了不同生態(tài)環(huán)境和地理氣候下云南地區(qū)幾種典型哈尼族民居的采光系數(shù)，并從房間開窗和應用新型材料等方面提出室內光環(huán)境的改善建議。在對重慶地區(qū)民居的窗地比、采光系數(shù)、照度均勻度等光環(huán)境現(xiàn)狀分析的基礎上[4-6]，李苑等[5]從改善天然采光性能的角度提出渝東南地區(qū)民居的營建策略；翟逸波[6]基于傳統(tǒng)民居天然采光界面的差異，提出針對單界面和多界面的采光技術策略。譚潔等[7]對孝感地區(qū)明清民居進行測繪，研究天井形態(tài)對民居光環(huán)境的影響，并探討其影響機制在建筑中庭空間的應用。何苗等[8]對閩南沿海地區(qū)民居的室內光環(huán)境進行實測調研，應用軟件模擬對民居光環(huán)境影響因素進行分析，并提出了優(yōu)化策略。現(xiàn)有光環(huán)境分析多基于測量數(shù)據(jù)，對傳統(tǒng)民居空間特征關注不足；而且光環(huán)境優(yōu)化除了滿足采光性能要求，還應整合考慮建筑的保護性改造策略。

不同地域的民居建筑空間及光環(huán)境特征不同。目前，針對黔東南傳統(tǒng)民居的研究多集中于其空間形態(tài)特征和室內濕熱環(huán)境，而對光環(huán)境的研究十分欠缺。黔東南苗族侗族自治州位于貴州省東南部，州境內大部分地區(qū)海拔500～1 000 m；處于亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)和Ⅴ類光氣候區(qū)，年平均氣溫為14～18 ℃，降雨量1 000～1 500 mm，相對濕度為78%～84%，年日照時數(shù)為1 068～1 296 h，天然光的年總平均照度低于30 klx，總體呈現(xiàn)出雨量大、濕度高、云霧多、日照少的氣候特征[9-10]，州境內傳統(tǒng)民居室內采光效果差，對其進行適宜性改造尤為必要。

黃土寨位于貴州丹寨縣城西南側，距丹寨縣城約1 km，常住人口700余人。村寨依山而建，順等高線層層跌落，呈明顯向心性布局。村寨中現(xiàn)有許多保留較好的傳統(tǒng)苗族民居(約占50%)依然在使用，形成了新老建筑并存、傳統(tǒng)與現(xiàn)代交融的風貌(見圖1)，映射出時代發(fā)展背景下中國傳統(tǒng)村落的普遍現(xiàn)狀[11]。

圖1 黃土寨布局形態(tài)

黃土寨的傳統(tǒng)民居都是村民自建，建造時因防御功能的需求、傳統(tǒng)生活方式的影響，以及技術經(jīng)濟條件的制約，房間開窗少且窗口小，室內光線微弱。隨著村寨規(guī)模的擴展，部分民居修建于北坡，因受山體遮擋，其室內天然光環(huán)境較南坡民居要差[12]。為滿足現(xiàn)代生活需求，一些村民開始自發(fā)地對傳統(tǒng)民居進行擴建，以期改善室內光環(huán)境，但由于村民自發(fā)改造，采光效果不能完全滿足要求。因此，科學分析傳統(tǒng)民居的光環(huán)境現(xiàn)狀，結合建筑空間特征研究保護性改造的適宜策略，營造滿足居住及視覺需求的傳統(tǒng)民居光環(huán)境顯得尤為重要。

1 光環(huán)境現(xiàn)狀測試及分析

現(xiàn)狀調研以黃土寨中原始風貌保存較好的一棟苗族民居為實測對象(見圖2和圖3)，該民居所在地海拔970 m，朝向北偏東75°；面闊3間，進深4間，穿斗式結構，主要材料為杉木，小青瓦懸山屋頂；是典型“下畜上人”的苗族民居功能布局模式，由一樓畜養(yǎng)及儲藏層、二樓居住及閣樓層構成。

圖2 測試的苗族民居

圖3 測試民居室內采光實景

選取該民居室內主要功能房間進行測試，包括客廳(A)、堂屋(B)、主臥(C)、廚房(D)、餐廳(E)。其中，次臥與主臥功能和空間形態(tài)類似，不重復測量；底層為畜圈及農(nóng)具儲藏，不住人，未測量；二層的退堂是半室外陽臺，不在測量范圍內。測試時段為2018年7月17日至2018年7月19日每天的10:00～15:00。測試采用網(wǎng)格法均勻布點，布點間距為1 m，工作面高度為0.75 m(見圖4)。

圖4 民居測點布置示意圖

測試在全陰天天氣下進行，實測室外天然光照度值為11.2 klx。黃土寨所在的黔東南地區(qū)屬于Ⅴ類光氣候區(qū)，根據(jù)《建筑采光設計標準(GB 50033—2013)》[13]確定各房間窗地比標準值，將實測所得窗地比值與標準值對比，如表1所示。該民居的主要功能房間的窗地比均遠低于國家標準值，室內采光面嚴重不足，其中廚房、客廳、臥室的窗地比與標準的差值極大。

表1 窗地比實測值與標準值對比

根據(jù)實測照度值(見表2)計算得到的采光系數(shù)與標準值對比顯示，該民居主要功能房間采光系數(shù)均遠低于國家標準值，其中堂屋采光系數(shù)與標準值相差較大，客廳、廚房也差距較大(見表3)。

表2 主要功能房間實測照度值及相關數(shù)據(jù)

綜合表1～表3分析發(fā)現(xiàn)：①堂屋的窗地比遠大于其他房間，但其采光系數(shù)卻最低，原因是堂屋外有退堂，光線需經(jīng)退堂空間才能射入堂屋；②客廳與主臥的窗地比相同，但采光系數(shù)僅為主臥的1/2，且其照度均勻度也比主臥差。這與房間形態(tài)及開窗方式有關，客廳進深較大且窗戶開在短邊墻體上，因而客廳深處采光較差；而主臥進深較小，窗戶開在長邊墻體上，光線更易到達房間深處。

表3 采光系數(shù)實測值與標準值對比

2 光環(huán)境模擬及優(yōu)化分析

2.1 光環(huán)境模擬參數(shù)設置

針對民居光環(huán)境現(xiàn)狀問題，運用Ecotect Analysis 2011對其室內光環(huán)境進行模擬。根據(jù)《采光測量方法(GB/T 5699—2017)》[14]《建筑采光設計標準(GB 50033—2013)》設置模擬參數(shù)：天空照度模型設為全陰天空，室外天空照度值及模擬時間與實測數(shù)據(jù)一致；工作面取0.75 m高處，測點間距為50 mm；該民居室內地板、天花板、墻體均為棕色杉木板，其反射系數(shù)取值0.15；窗戶為單層6 mm普通白玻、木窗框、窗戶潔凈程度一般，設為Average Windows(即x=0.75)。

將原室內采光系數(shù)模擬結果與實測數(shù)據(jù)對比，其誤差率僅4.3%～7.6%(見表4)。在驗證其可行性的基礎上，從采光系數(shù)[15]、照度和照度均勻度幾個方面，進行光環(huán)境模擬分析評價及優(yōu)化設計研究。為排除窗戶潔凈程度對模擬結果的影響，優(yōu)化模擬中將窗戶潔凈程度設為Clean Windows(即x=1)，模擬結果如圖5所示。

表4 原室內采光系數(shù)模擬值與實測值對比

圖5 潔凈窗戶時采光系數(shù)模擬結果

2.2 光環(huán)境優(yōu)化模擬分析

2.2.1 增加外墻開窗

對傳統(tǒng)民居光環(huán)境的改造優(yōu)化，以建筑風貌影響最小化為前提，根據(jù)外墻木板格構關系(外墻木板寬度為150～300 mm)，采用主要功能房間原有窗戶的構成單元尺寸(主要為400 mm×800 mm和650 mm×650 mm 2種)為模數(shù)，在外墻上均勻增加開窗(見圖6)。根據(jù)窗地比標準值計算得出客廳和廚房(餐廳)各需增加6扇窗戶，堂屋和3間臥室各需增加2扇窗戶，以此為依據(jù)建立優(yōu)化模型并計算，如圖7和表5所示。可以看到，增加開窗能提升室內采光系數(shù)和照度均勻度，除堂屋各項指標遠低于標準值以外，其余房間的平均照度和采光系數(shù)均達到標準要求；客廳、廚房(餐廳)增設窗戶數(shù)量過多，對建筑風貌影響較大，但同時這2個房間的采光系數(shù)增幅也最大，因此，實際改造中可考慮適當減少開窗數(shù)量并結合其他措施進行整合優(yōu)化來滿足采光要求。

圖6 外墻開窗示意圖

圖7 增加開窗后采光系數(shù)模擬結果

表5 增加開窗前后數(shù)據(jù)對比

2.2.2 提高室內反射比

由于該民居室內界面均為杉木板，不適合粉刷，提高室內反射比較好的方式是使用淺色墻紙。根據(jù)《建筑采光設計標準(GB 50033—2013)》將室內房間的墻體、樓板、天花板的反射系數(shù)均設為0.72，模擬結果如圖8和表6所示。可以看到，單純通過淺色墻紙來提高室內反射比一定程度上能改善室內采光效果，但各房間提升幅度不大，除餐廳外，其余房間的采光系數(shù)和照度值仍未達到國家標準要求。

圖8 提高室內反射比后采光系數(shù)模擬結果

表6 提高室內反射比前后數(shù)據(jù)對比

2.2.3 增設頂部采光口

1)屋頂設置亮瓦：由于閣樓(閣樓是苗族傳統(tǒng)民居重要的儲藏空間和熱濕環(huán)境的調節(jié)空間，一般設置在堂屋以外的房間上方)的存在，僅在通高的堂屋屋頂處增設亮瓦。傳統(tǒng)民居中亮瓦設置為3列或5列，一列3片。據(jù)窗地比標準值計算得到需增加的采光面積，在堂屋屋頂均勻布置8處亮瓦，每處3列，一列3片，亮瓦為底瓦，蓋瓦采用小青瓦(見圖9(a))，以減小對傳統(tǒng)風貌的影響。

2)特殊部位頂部采光：利用民居臥室上部的檐下空間設置頂部采光口，以窗地比標準值計算得到需增加的采光口面積為參考，在每個臥室頂部均勻增加3個采光口(見圖9(b))；因臥室一側非建筑主要形象面，且采光口位于屋檐下，對建筑風貌影響較小。模擬結果如圖10和表7所示，增設頂部采光口后，各房間的室內采光系數(shù)大幅提高，均達到國家標準要求；室內照度均勻度提升效果顯著，尤其是堂屋；主臥和堂屋的室內照度值雖沒有達到國家標準，但差距不大。總體來說，增設頂部采光口能使室內光環(huán)境質量得到極大改善。

圖9 頂部采光口示意圖

圖10 增設頂部采光口后采光系數(shù)模擬結果

表7 增設頂部采光口前后數(shù)據(jù)對比

3 傳統(tǒng)民居光環(huán)境綜合優(yōu)化設計策略

由模擬結果可知，增加開窗能大幅提高室內照度和均勻度，但部分房間增加開窗的數(shù)量過多，會對建筑傳統(tǒng)風貌造成破壞；提高室內反射比能整體提高室內采光系數(shù)和照度均勻度，但效果不佳，不能使室內采光系數(shù)和照度達到國家標準值；堂屋屋頂增設亮瓦、臥室利用檐下空間增設頂部采光口能極大程度地提升室內采光系數(shù)和照度均勻度。

基于上述單項優(yōu)化結果分析，統(tǒng)籌考慮地域氣候、采光需求、建筑風貌、空間結構及材料特性等因素，提出綜合優(yōu)化措施，即：二層所有房間均采用淺色墻紙，其反射系數(shù)為0.72；客廳和廚房/餐廳在建筑山墻上對應位置各增加2個開窗，每個開窗面積為0.42 m2；堂屋空間在屋頂上均勻布置6處亮瓦，亮瓦總面積為0.96 m2；3個臥室在建筑檐下各增設1個頂部采光口，每個采光口面積為0.72 m2。模擬分析顯示，民居的主要功能房間的采光系數(shù)和平均照度值均高于國家標準要求，且照度均勻度明顯提升(見圖11和表8)。

圖11 綜合優(yōu)化后采光系數(shù)模擬結果

表8 綜合優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

由此，可總結出傳統(tǒng)民居光環(huán)境綜合優(yōu)化設計策略如下：

1)以對原建筑風貌和結構影響最小化為民居改造前提，根據(jù)采光需求，綜合考慮原民居立面板材格構關系，在山墻面適當增設采光窗口(見圖12)，確定其位置、形態(tài)與排列方式[16]。當增設采光窗口有難度時，可考慮將全木門(苗族民居多為格扇門[17])替換為上部帶玻璃格柵的木門(見圖13)，改善室內光環(huán)境。

圖12 增設采光口示意

圖13 木門改造示意

2)該類傳統(tǒng)民居為木結構，室內界面均由杉木板拼接而成，且層高較矮，僅2.2 m，不適合粉刷、吊頂和鋪設地面磚，宜采用淺色墻紙整體提高室內照度，并可減弱室內眩光引起的視覺不適(見表9)。

表9 室內界面各優(yōu)化措施對比

3)對于無閣樓的空間可考慮在屋頂適當位置均勻設置亮瓦(見圖14)；對于上部有閣樓的房間，可充分利用建筑的空間特征，在一些不顯眼、不影響建筑風貌的部位(如檐下)考慮開設可開啟的輔助采光口(見圖15)，既能改善采光，又利于通風。

圖14 屋頂亮瓦設置示意

圖15 檐下采光口設置示意

4)由于房間亮光集中在采光口附近，不易達到房間深處，且該地區(qū)民居夏季需考慮遮陽，因此可考慮在采光窗內部設置可調節(jié)的反光百葉(見圖16)，夏季正午可阻擋并反射過強的直射光，冬季和夏季午后又可將天然光反射到天花板，并漫射到室內空間，使光線更易到達房間深處，照度均勻度更佳。

圖16 可調反光百葉示意圖

5)結合黔東南四季分明、濕度高、日照少的氣候特征和居民日常生活方式，可考慮夏季將外門開啟輔助采光，既改善民居室內采光質量，也能使室內獲得良好的通風效果以帶走室內濕熱空氣，但同時應考慮門洞的遮陽設計。

4 結 論

從傳統(tǒng)民居的光環(huán)境現(xiàn)狀調研入手，對黔東南地區(qū)丹寨縣黃土寨的一棟典型苗族民居的窗地比、室內照度及采光系數(shù)進行實測，結果顯示，該傳統(tǒng)民居的主要功能房間的采光性能遠低于國家建筑采光設計標準的要求，室內光環(huán)境質量差。對各房間的采光數(shù)據(jù)進行分析，指出室內光環(huán)境受采光口大小及其位置分布、室內空間形態(tài)、室內表面材料的反射性能等因素的影響。在此基礎上，通過軟件模擬對各影響因素進行量化和對比分析，結合黔東南地區(qū)的氣候特征，以對原建筑風貌和空間結構的影響最小化為改造前提，提出傳統(tǒng)民居光環(huán)境綜合優(yōu)化改造策略：1)山墻面適當增加采光窗，或將全木門替換為上部帶花格柵玻璃的木門；2)無閣樓房間可增設屋面亮瓦，有閣樓房間可增設檐下頂部采光口；3)結合內墻材料鋪貼淺色墻紙，整體提高室內照度；4)在采光口上部設置可調節(jié)反光百葉，既可遮擋太陽直射又可提高照度均勻度；等等。