天窗方位對(duì)長(zhǎng)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(yáng)

（吉林建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，長(zhǎng)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(lái)越豐富。由于中庭內(nèi)部視覺(jué)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(lái)越多的出現(xiàn)于教學(xué)建筑中，使用功能上也越來(lái)越多元化。但中庭采光也存在著眩光、照度不均勻等問(wèn)題，文中通過(guò)模擬分析，探索天窗方位對(duì)中庭光環(huán)境的影響，為提高長(zhǎng)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(zhǎng)春市共有高校41 所，此次共調(diào)研長(zhǎng)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(shuō)明隨著時(shí)代的發(fā)展，技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及師生對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)春高校教學(xué)樓中庭數(shù)據(jù)匯總 m

2 模擬過(guò)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(lái)控制Radience 進(jìn)行模擬，免去了命令式的繁瑣操作過(guò)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(guó)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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)度大于南北向長(zhǎng)度，3 棟教學(xué)樓中庭南北向長(zhǎng)度大于東西向長(zhǎng)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(zhǎng)24m 寬8m，天窗長(zhǎng)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(duì)比圖

圖3 夏至日晴天各樓層水平照度最大值對(duì)比圖

2.3 參數(shù)設(shè)置及評(píng)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(duì)建筑中庭內(nèi)部采光的影響，設(shè)置東西長(zhǎng)24m 南北長(zhǎng)8m 的中庭與南北長(zhǎng)24m 東西長(zhǎng)8m 的平天窗中庭對(duì)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(píng)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(píng)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(lái)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(wú)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(wú)法滿足需求；當(dāng)照度位于100～2000lx 區(qū)間時(shí)，天然針對(duì)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(jué)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(wèn)題[1]。”

3 模擬結(jié)果

3.1 采光系數(shù)對(duì)比

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

3.2 夏至日及冬至日晴天最大照度對(duì)比

在夏至日的晴天，太陽(yáng)照度較高，當(dāng)水平面照度過(guò)高時(shí)極易發(fā)生眩光現(xiàn)象。但由于地域與太陽(yáng)角度的關(guān)系，南北向較長(zhǎng)與東西向較長(zhǎng)的兩種中庭，在某些時(shí)間段的表現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)差異。在夏季的8:00～16:00 期間，兩種形式的中庭，太陽(yáng)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(duì)比來(lái)看，南北向較長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yáng)設(shè)施的前提下，東西向較長(zhǎng)的中庭較南北向較長(zhǎng)的中庭更易出現(xiàn)眩光現(xiàn)象。

在冬至日的晴天，太陽(yáng)照度雖然相比于夏至減弱，但眩光問(wèn)題依然存在。由圖4 可知，在冬至日的晴天，南北向較長(zhǎng)的中庭在1f、2f 及5f 的水平照度相較于東西向較長(zhǎng)的中庭，趨勢(shì)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(duì)比圖

3.3 夏至日及冬至日中間天空照度均勻度平均值對(duì)比

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

圖5 夏至日中間天空各樓層照度均勻度平均值對(duì)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(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

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

（2）通過(guò)對(duì)晴天最大照度的模擬，在中庭長(zhǎng)寬比、層數(shù)及高度不變的前提下，南北向較長(zhǎng)的中庭相較于東西向較長(zhǎng)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(wú)明顯區(qū)別。

（3）通過(guò)對(duì)中間天空照度均勻度的模擬，在中庭長(zhǎng)寬比、層數(shù)及高度不變的前提下，夏至日南北向較長(zhǎng)的中庭的照度均勻度要好于東西向較長(zhǎng)的中庭，冬至日東西向較長(zhǎng)的中庭的照度均勻度要好于南北向較長(zhǎng)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(zhǎng)的中庭采光效果好于東西向較長(zhǎng)的中庭，在進(jìn)行長(zhǎng)春高校建筑設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先設(shè)置南北向較長(zhǎng)的中庭。

（5）夏季晴天，長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)，在10～14 時(shí)宜采用遮陽(yáng)實(shí)施，如設(shè)計(jì)成東西向長(zhǎng)時(shí)，全天均應(yīng)采用遮陽(yáng)設(shè)施。