公共建筑中庭天然采光眩光模擬研究
——以四向中庭為例

呂晨歌，張明宇，趙春水，劉乾昌，吳傳德

(1.天津大學(xué) 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072；2.天津市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，天津 300070)

引言

公共建筑中庭空間的置入是最為常用的建筑設(shè)計手法之一，在設(shè)計師普遍關(guān)注中庭空間體驗感的同時，其中庭內(nèi)部的物理環(huán)境品質(zhì)也同樣應(yīng)受到重視。中庭空間尺度大，人員活動密集，常以天窗采光為整個空間提供較為充足的光照條件。但相關(guān)研究與經(jīng)驗表明，天窗采光的眩光問題較為嚴(yán)重，其不舒適眩光對使用者的體驗感有很大影響。合理進行采光設(shè)計的優(yōu)化，避免中庭過度眩光問題，則需對天窗采光提出合理設(shè)計要求。

1 研究背景

在公共建筑的中庭設(shè)計中，設(shè)計師往往會為了追求視覺效果的通透性而選擇設(shè)置大面積玻璃天窗，卻忽略了由此可能帶來的物理環(huán)境的影響。天窗的使用豐富了中庭的設(shè)計感和空間體驗，且保證了充足的采光，但是大面積開窗導(dǎo)致大量陽光直射，從而可能引起中庭中使用者的眩光感受。經(jīng)課題前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，公共建筑的中庭空間中，有很大一部分使用者表示經(jīng)常感受到眩光帶來的不舒適。

眩光是指視野中由于不適宜亮度分布，或在空間或時間上存在極端的亮度對比，以致引起視覺不舒適和降低物體可見度的視覺條件。它往往有很大的危害，如會引起刺眼感，導(dǎo)致視覺舒適性降低，分辨物體能力下降甚至短暫性視覺失能，并可能引起人的煩惱、厭惡和心理上的不舒適[1]。

① SVD表示空間中DGP>0.45的占用時間與總時間比值超過20%的占用空間百分比。

針對眩光問題，國內(nèi)外已有較多研究。在20世紀(jì)初，國際上對眩光問題開展了研究。我國于20世紀(jì)60年代意識到眩光的危害性，并針對眩光問題提出討論，隨后《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034—2004)提出用統(tǒng)一眩光值UGR評價公共建筑和工業(yè)建筑常用房間或場所的不舒適眩光[2]，到2013年我國《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)才明確提出了我國將不舒適眩光指數(shù)DGI作為評價不舒適眩光的參考指標(biāo)[3]。國際上關(guān)于眩光的研究領(lǐng)先于國內(nèi)水平，在眩光評價指標(biāo)的研究中，1972年有學(xué)者在DGI的基礎(chǔ)上進一步通過主觀評價實驗發(fā)現(xiàn)，僅通過計算得出的DGI數(shù)值，相較于真實天然光情況下的視覺體驗感收斂性較低，因此提出了新的評價指標(biāo)DGP[4]。2017年另一位學(xué)者對教室空間等具有固定視線場所提出評價空間眩光發(fā)生概率的指標(biāo)SVD[5]，但是該指標(biāo)不適用于無固定視線的情況。由此，現(xiàn)有眩光評價指標(biāo)還難以評價中庭等大空間無固定視線方向的情況。

本文選取典型四向中庭空間，在滿足采光照度要求(DF>3%且sDA>75%)的基礎(chǔ)上探討不同天窗面積及分布狀態(tài)的眩光發(fā)生概率指標(biāo)，篩選出合理的天窗布置方案及遮陽措施，為合理解決眩光問題提供設(shè)計指導(dǎo)。

2 模擬評價指標(biāo)

2.1 眩光評價指標(biāo)SFVD的引入

天然采光眩光發(fā)生概率DGP(Daylight Glare Probability)為已有眩光評價指標(biāo)，表示某個視野范圍內(nèi)發(fā)生眩光的概率百分比。DGP相較于其他眩光評價指標(biāo)的不同之處在于它考慮了人眼對光環(huán)境的適應(yīng)能力，同時對不均勻光源和大光源的眩光評價更加準(zhǔn)確。因此DGP相對來講更加接近使用者的主觀眩光評價，與人的主觀感受符合率更高。對于DGP的數(shù)值來說，眩光的發(fā)生概率分為四個等級：DGP<0.35為眩光不可察覺、0.350.45為無法忍受的眩光。在對DGP的研究基礎(chǔ)上，有學(xué)者在眩光評價指標(biāo)中擴展出DGPexceed，表示空間內(nèi)DGP>0.45的時間占總時間的百分比[6]。

由于DGPexceed沒有引入眩光評價的上限值，可能導(dǎo)致模擬結(jié)果無法代表全年的眩光水平。本文研究借鑒參考以往研究，國外學(xué)者針對教室空間眩光評價使用SVD(Spatial View Discomfort)[5]表征教室空間視線相對固定時的眩光發(fā)生幾率這一概念①，針對中庭視線隨機這一狀態(tài)，將其修正為針對中庭視線眩光研究的評價指標(biāo)SFVD(Spatial Field of View Discomfort)，它表示全年中庭內(nèi)DGP>0.45的占用時間與總時間比值超過20%的占用視線百分比，認為SFVD<10%的情況下對應(yīng)的中庭天窗布置方案為眩光程度較輕的設(shè)計方案。

2.2 采光量評價指標(biāo)

1)DF。采光系數(shù)DF指在室內(nèi)參考平面上的一點的照度與同一時刻該天空半球在室外無遮擋水平面上產(chǎn)生的天空漫射光照度之比。該指標(biāo)為靜態(tài)評價指標(biāo)。

2)sDA。空間天然采光百分比sDA表示工作平面符合全天然采光百分比要求的部分占所有空間面積的比值。該指標(biāo)為動態(tài)評價指標(biāo)。

美國LEED(v4)能源評級系統(tǒng)對空間內(nèi)的sDA做出規(guī)定，即為了獲得LEED(v4)能源等級系統(tǒng)的日光積分，每個空間必須滿足sDA300/50%>55%(2積分)或sDA300/50%>75%(3積分)[7]，這個要求旨在為空間提供足夠的光線。因此，本次模擬設(shè)定在DF>3%及sDA300/50%> 75%的基礎(chǔ)上對眩光程度較輕的天窗開窗方案進行篩選，具體模擬評價指標(biāo)取值及模擬時間見表1。

表1 模擬評價指標(biāo)取值及模擬時間 Table 1 Value of simulation evaluation index and simulation time

3 眩光模擬實驗設(shè)計

3.1 模擬平臺及氣象數(shù)據(jù)

模擬平臺借助基于Rhino的Grasshopper平臺中編程及插件與Ladybug & Honeybee銜接的Daysim、Radiance軟件作為基礎(chǔ)。

光氣候數(shù)據(jù)選用CSWD(Chinese Standard Weather Data)，CSWD是中國氣象局于1971～2003年根據(jù)270個站臺測來的典型年氣象數(shù)據(jù)，是由其中12個最接近歷史平均值的典型月組成的假想氣象年[8]，具有較大的普遍性。氣象數(shù)據(jù)中所包含的氣象元素有室外溫度、露點溫度、太陽輻射和風(fēng)速，本次光環(huán)境模擬選用了其中天津地區(qū)基于光氣候的天空亮度分布數(shù)據(jù)。

3.2 模擬模型

本文模擬選擇中庭模型參數(shù)：兩層四向中庭建筑(四個側(cè)面不與外界直接接觸，采用頂部天窗采光的中庭形式)。中庭平面為矩形，處于建筑內(nèi)部，面寬27 m、進深13 m、高11 m，且所處建筑周圍無遮擋。壁面材質(zhì)及天窗透射比固定。模型所取固定參數(shù)及模擬變量設(shè)置分別如下：

1)固定參數(shù)。固定參數(shù)如表2所示。

表2 典型模型固定參數(shù)表Table 2 Typical model fixed parameter table

2)模擬變量及取值范圍。本文選用的模擬變量為天窗布置方式及天窗面積比。

①天窗布置方式：按本文模擬需要，將天窗布置方式分為以下五種：

a.中心集中式。該天窗布置在中庭屋頂正中心，長寬比例與中庭屋頂相同，天窗與地面面積比變化時以天窗正中心為定點縮放，見圖1。

圖1 中心集中式天窗與地面面積比為0.3、0.5的情況Fig.1 When the area ratio of the central centralized skylight to the ground is 0.3 and 0.5

b.縱向布置式。該天窗布置方式為縱向均勻布置三個條形天窗。將屋頂縱向三等分，三個天窗均布置在三個部分正中心，天窗與地面面積比變化時以各自正中心為定點縮放，見圖2。

圖2 縱向布置式天窗與地面面積比為0.3、0.5的情況Fig.2 When the area ratio of the longitudinally arranged skylight to the ground is 0.3 and 0.5

c.橫向布置式。該天窗布置方式為橫向均勻布置六個條形天窗。將屋頂橫向六等分，六個天窗均布置在六個部分正中心，天窗與地面面積比變化時以各自正中心為定點縮放，見圖3。

圖3 橫向布置式天窗與地面面積比為0.3、0.5的情況Fig.3 When the area ratio of the transversely arranged skylight to the ground is 0.3 and 0.5

d.四角布置式。該天窗布置方式為均勻布置四個天窗。將屋頂橫向、縱向等分為四部分，天窗均布置在每部分中心位置，天窗與地面面積比變化時以各自正中心為定點縮放，見圖4。

圖4 四角布置式天窗與地面面積比為0.3、0.5的情況Fig.4 When the area ratio of the four corner layout skylight to the ground is 0.3 and 0.5

e.均勻分布式。該天窗布置方式為均勻布置多個天窗。天窗與地面面積比變化時以各自正中心為定點縮放。本文采取縱向三排、橫向六列的劃分方式，共計18個天窗，見圖5。

②天窗面積比：模擬控制天窗面積與地面面積比例區(qū)間為0.1～0.5，步長為0.1，共計25組變量數(shù)據(jù)，見表3。

圖5 均勻分布式天窗與地面面積比為0.3、0.5的情況Fig.5 When the area ratio of the uniformly distributed skylight to the ground is 0.3 and 0.5

表3 控制變量取值表Table 3 Value table of control variables

3.3 基于sDA和DF的初步篩選

以滿足sDA與DF規(guī)范要求對開窗形式進行篩選。sDA與DF模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不同天窗分布及面積條件下sDA數(shù)值分布圖Fig.6 Numerical distribution of sDA under different skylight distribution and area conditions

圖7 不同天窗分布及面積條件下DF數(shù)值分布圖Fig.7 Numerical distribution of DF under different skylight distribution and area conditions

根據(jù)LEED能源評級系統(tǒng)對sDA與DF數(shù)值的要求(sDA>75%、DF>3%)，可保留天窗面積比為0.2及以上的所有天窗形式，以及天窗面積比為0.1的橫向布置式天窗。以上21個模型可對眩光進行進一步篩選。

3.4 模擬點位及視線方向

針對中庭空間視線方向的不確定性，為全面研究不同視線狀態(tài)下的眩光情況，考慮各種不同位置及可能視線方向，選取中庭內(nèi)16個主要視線，包括中庭邊緣八個點位看向中心的八個視線及中庭中心點位向周圍的八個視線方向，選取高度為距地面1.5 m的人眼高度作為SFVD的典型模擬場景，見圖8、圖9。

圖8 模擬點位及視線選擇圖示Fig.8 Analog point and line of sight selection diagram

圖9 各模擬視線偽色圖Fig.9 Pseudo color map of each simulated line of sight

4 結(jié)果分析與展望

4.1 結(jié)果分析

本文基于SFVD這一指標(biāo)，在初步篩選滿足sDA和DF的基礎(chǔ)上，探討了五種天窗類型從天窗面積比0.1～0.5區(qū)間內(nèi)共計21種布置方案的眩光指標(biāo)，獲得SFVD模擬結(jié)果見圖10，并分析提出優(yōu)選天窗布置方案。

由圖10可看出，同一種天窗類型當(dāng)天窗與地面面積比增大時，對應(yīng)SFVD值增大，呈線性趨勢；同一面積比的不同天窗類型SFVD值與天窗開窗類型沒有固定規(guī)律，不同天窗面積比條件下眩光程度各有優(yōu)劣。當(dāng)天窗面積比增大時，縱向布置式、橫向布置式和均勻分布式三種天窗形式分布眩光影響程度相對較小。

圖10 不同模型SFVD分布圖Fig.10 SFVD distribution of different models

根據(jù)模擬結(jié)果統(tǒng)計，按照SFVD<10%的評價指標(biāo)，可分析結(jié)論如下，具體如表4所示。

1)天窗面積比在0.4以上時，對應(yīng)SFVD值全部超過10%，因此在天窗采光時不推薦天窗面積比高于0.4；

2)在滿足DF與sDA要求下，對不同天窗布置方案選用可行性考慮如下：

a.天窗面積比為0.1的橫向布置式天窗、天窗與地面面積比為0.2的橫向布置式、四角布置式和均勻分布式天窗四種方案SFVD值為0，是眩光影響程度最小的優(yōu)選方案；

b.天窗面積比為0.2的中心集中式和縱向布置式天窗、天窗與地面面積比為0.3的全部五種天窗形式、天窗與地面面積比為0.4的縱向布置式天窗八種方案SFVD值為6.3%，是眩光影響程度較小的可選方案；

c.剩余九種方案SFVD值均超過了10%，為不推薦選擇的眩光影響程度較大的設(shè)計方案。

表4 天窗布置方案選擇表Table 4 Skylight layout scheme selection table

4.2 展望

本文所提出的SFVD是基于室內(nèi)空間無固定視線的狀態(tài)下，為滿足整體空間眩光影響較小而引入的概率統(tǒng)計類評價指標(biāo)，具有一定的適用性和代表性，模擬得出的天窗占屋頂面積比可作為中庭方案設(shè)計時供設(shè)計師參考使用。但同時值得注意的是，SFVD指標(biāo)可能存在不足，即篩選所得優(yōu)選方案仍存在個別點位在某一時刻上眩光值較大的問題，需在具體設(shè)計中進一步探討。