天窗方位對長春高校教學(xué)樓中庭光環(huán)境影響的模擬分析

周洪濤，徐陽

（吉林建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，長春 130119）

0 引言

隨著教育文化事業(yè)的不斷發(fā)展，教育空間越來越豐富。由于中庭內(nèi)部視覺效果佳、有效組織交通的使用等特點(diǎn)，在公眾建筑設(shè)計(jì)中愈加受到設(shè)計(jì)師的歡迎，也越來越多的出現(xiàn)于教學(xué)建筑中，使用功能上也越來越多元化。但中庭采光也存在著眩光、照度不均勻等問題，文中通過模擬分析，探索天窗方位對中庭光環(huán)境的影響，為提高長春地區(qū)高校教學(xué)建筑中庭光環(huán)境設(shè)提供一些有益的參考。

1 高校實(shí)地調(diào)研

據(jù)2021 年統(tǒng)計(jì)，吉林省長春市共有高校41 所，此次共調(diào)研長春41 所高校中的12 所高校共計(jì)52 棟教學(xué)樓。所調(diào)研的教學(xué)樓建設(shè)年代在1935～2013 年之間，其中設(shè)有中庭的教學(xué)樓均建設(shè)于2000 以后，說明隨著時(shí)代的發(fā)展，技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及師生對于教學(xué)樓建筑的多方面需求，中庭在高校教學(xué)樓建筑中的地位不斷攀升，成為高校教學(xué)樓建筑中一個(gè)重要的建筑形式。

調(diào)研的52 棟高校教學(xué)樓中，層高為3.6m 的教學(xué)樓有13 棟，層數(shù)為5 層的教學(xué)樓有28 棟，占比最高，中庭天窗長寬比分布基本在1:1～1:5 之間。調(diào)研中共有5 所學(xué)校的8 棟教學(xué)樓內(nèi)存在中庭。中庭的形式及尺寸如表1 所示。

表1 調(diào)研長春高校教學(xué)樓中庭數(shù)據(jù)匯總 m

2 模擬過程

2.1 建筑軟件的選擇及導(dǎo)入

在軟件模擬上，選擇Ecotect 軟件輸出到Radiance進(jìn)行準(zhǔn)確的光環(huán)境模擬分析，依靠Ecotect 圖形界面來控制Radience 進(jìn)行模擬，免去了命令式的繁瑣操作過程。在模型的建立上，選擇Sketch up，它使得設(shè)計(jì)師可以直接在電腦上進(jìn)行十分直觀的構(gòu)思，是三維建筑設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具。并且Sketch up 可以很好地導(dǎo)入ecotect 進(jìn)行分析。操作流程如圖1 所示。

圖1 Ecotect 光環(huán)境模擬流程圖

建筑的自然采光模擬不僅需要典型中庭建筑的空間模型參數(shù)，同時(shí)需要選取合理的、符合實(shí)際的天空模型，室內(nèi)空間材質(zhì)等，才能保證模擬的科學(xué)性和可靠性。CSWDEPW（Chinese Standard Weather Data,CSWD）的數(shù)據(jù)是中國氣象信息中心氣象資料室與清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系合作開發(fā)的《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》。

2.2 建筑模型設(shè)置

調(diào)研的7 棟長春高校教學(xué)樓中庭天窗尺度如圖2、圖3（其中1 棟圓形中庭不記錄在內(nèi)），7 棟教學(xué)樓有3 棟教學(xué)樓中庭東西向長度大于南北向長度，3 棟教學(xué)樓中庭南北向長度大于東西向長度。依據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，高校層高為3.6m、層數(shù)為5 層的占比最高，且中庭天窗比例大部分在1:1～1:5 之間，因此模擬建筑模型設(shè)置為中庭長24m 寬8m，天窗長度寬度為1:3 的中庭，建筑高度為3.6m，建筑環(huán)廊寬度為3m 的5 層建筑作為典型建筑模型。

圖2 各樓層采光系數(shù)對比圖

圖3 夏至日晴天各樓層水平照度最大值對比圖

2.3 參數(shù)設(shè)置及評價(jià)指標(biāo)

2.3.1 建筑參數(shù)的設(shè)置

依據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，模擬中庭方位對建筑中庭內(nèi)部采光的影響，設(shè)置東西長24m 南北長8m 的中庭與南北長24m 東西長8m 的平天窗中庭對比。分析夏至日及冬至日8:00、10:00、12:00、14:00、16:00 的采光系數(shù)、晴天最大照度值及中間天空照度均勻度三方面在工作面0.1m 交通為主要活動(dòng)進(jìn)行評價(jià)。建筑室內(nèi)表面反射比值設(shè)置為頂棚及墻面為0.75、地面為0.32、玻璃透射系數(shù)為0.62。

2.3.2 評價(jià)指標(biāo)

（1）采光系數(shù)，是指室內(nèi)給定平面上的一點(diǎn)，由直接或間接地接收來自假定和已知亮度分布的天空漫射光而產(chǎn)生的照度與同一時(shí)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。

（2）照度均勻度指規(guī)定表面上最小照度與平均照度之比。

（3）最大照度為水平面照度的最大值，由Mardaljevic和Nabil 研究結(jié)果表明：“當(dāng)照度小于100lx時(shí)，建筑室內(nèi)人員很難進(jìn)行基本的活動(dòng)，無法滿足需求；當(dāng)照度位于100～2000lx 區(qū)間時(shí)，天然針對三個(gè)區(qū)間，當(dāng)照度小于100lx 時(shí)，建筑采光的亮度比、照度分布均滿足人體視覺活動(dòng)水平，能夠提供舒適的工作環(huán)境，將其視為有效照度區(qū)間；當(dāng)照度大于2000lx，很容易產(chǎn)生眩光等不舒適問題[1]。”

3 模擬結(jié)果

3.1 采光系數(shù)對比

由圖2 可知，在長寬比、層數(shù)及層高相同的前提下，南北向較長的中庭內(nèi)部各層采光效果均要優(yōu)于東西向較長的中庭。從圖2 看出，隨著樓層的升高，采光的優(yōu)勢越明顯。

3.2 夏至日及冬至日晴天最大照度對比

在夏至日的晴天，太陽照度較高，當(dāng)水平面照度過高時(shí)極易發(fā)生眩光現(xiàn)象。但由于地域與太陽角度的關(guān)系，南北向較長與東西向較長的兩種中庭，在某些時(shí)間段的表現(xiàn)會出現(xiàn)差異。在夏季的8:00～16:00 期間，兩種形式的中庭，太陽最高照度都達(dá)到了40000lx以上，在理論上都極易產(chǎn)生眩光現(xiàn)象。但在1f、2f、3f 的兩種中庭的對比來看，南北向較長的中庭在8:00、14:00 以及16:00 三個(gè)時(shí)間點(diǎn)模擬的數(shù)據(jù)均有所下降。在1f 的模擬數(shù)值中，東西向較長的中庭8:00、14:00、16:00 的水平照度最大值分別為32020、40020lx 以及8120lx，而南北向較長的中庭水平照度的最大值分別為948、1472lx 以及745lx。在2f 的模擬數(shù)值中，0.1m水平面上，東西向較長的中庭在8:00 以及16:00 兩個(gè)時(shí)間段的水平照度最大值分別為28000lx 和28050lx，而南北向較長的中庭水平照度最大值為1190lx 和990lx，由圖3 可以看出，夏季平天窗采光且不設(shè)遮陽設(shè)施的前提下，東西向較長的中庭較南北向較長的中庭更易出現(xiàn)眩光現(xiàn)象。

在冬至日的晴天，太陽照度雖然相比于夏至減弱，但眩光問題依然存在。由圖4 可知，在冬至日的晴天，南北向較長的中庭在1f、2f 及5f 的水平照度相較于東西向較長的中庭，趨勢基本一致。但在3f 處，南北向中庭在12:00 最大的水平照度值為18010lx，易出現(xiàn)眩光現(xiàn)象。在4f 處，東西向中庭在10:00 的時(shí)候水平照度最大值為45050lx，極易出現(xiàn)眩光現(xiàn)象。

圖4 冬至日晴天各樓層水平照度最大值對比圖

3.3 夏至日及冬至日中間天空照度均勻度平均值對比

由圖5、圖6 可知，夏至日中間天空南北向較長的中庭各層照度均勻度平均值要好于東西向較長的中庭。冬至日中間天空照度均勻度各層平均值東西向較長的中庭要好于南北向較長的中庭。

圖5 夏至日中間天空各樓層照度均勻度平均值對比圖

圖6 冬至日中間天空各樓層照度均勻度各層平均值對比圖

4 結(jié)語

（1）通過對采光系數(shù)的模擬，在中庭長寬比、層數(shù)及高度不變的前提下，南北向較長中庭的采光系數(shù)高于東西向較長的中庭，所以南北向較長的中庭采光效果要好于東西向較長的中庭。

（2）通過對晴天最大照度的模擬，在中庭長寬比、層數(shù)及高度不變的前提下，南北向較長的中庭相較于東西向較長的中庭，在夏至日某些時(shí)刻的最大照度有所降低，眩光有所改善，冬至日并無明顯區(qū)別。

（3）通過對中間天空照度均勻度的模擬，在中庭長寬比、層數(shù)及高度不變的前提下，夏至日南北向較長的中庭的照度均勻度要好于東西向較長的中庭，冬至日東西向較長的中庭的照度均勻度要好于南北向較長的中庭。

（4）從建筑采光系數(shù)、晴天最大照度以及中間天空照度均勻度平均值三方面分析可知，南北向較長的中庭采光效果好于東西向較長的中庭，在進(jìn)行長春高校建筑設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先設(shè)置南北向較長的中庭。

（5）夏季晴天，長春高校教學(xué)建筑中庭空間易產(chǎn)生眩光，同樣面積的中庭空間，南北向較長時(shí)，在10～14 時(shí)宜采用遮陽實(shí)施，如設(shè)計(jì)成東西向長時(shí)，全天均應(yīng)采用遮陽設(shè)施。