北京舊城四合院天然采光環(huán)境改造

李 燁，張海濱，張明宇

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400030；2.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)

引言

四合院是中國北方傳統(tǒng)民居的典型，代表了一種內(nèi)向型、以院落為中心、多戶居民共同生活的空間形式。近幾十年來，北京的城市建設(shè)取得了前所未有的成就，而在人群密集的舊城區(qū)，以四合院為代表的居住區(qū)內(nèi)人居環(huán)境狀況日益惡劣，外來務(wù)工人員的蜂擁入住及常駐居民的逃離讓這一問題日益凸顯，如何改善當(dāng)?shù)厮暮显旱娜司迎h(huán)境，留住合院聚居的住民成了迫在眉睫的問題。

天然采光是提升人居環(huán)境質(zhì)量的重要途徑。在以往的舊城改造中，建筑師往往傾向于利用人工照明替代天然光來解決設(shè)計中的采光問題，忽略了天然光帶給人們的重要作用。事實上，合理利用天然光，不僅可以獲得較高的視覺功效、節(jié)約能源，同時還是一項保護(hù)人體健康的長遠(yuǎn)措施。研究發(fā)現(xiàn)，在相同照度水平下，人們在天然光環(huán)境下的視覺功效比在人工照明條件下的高5%～20%[1]。目前關(guān)于居住環(huán)境改造的研究多集中于對青少年、老年等群體所處的住宅、辦公等區(qū)域的光環(huán)境[2, 3]研究，忽視了生活在四合院的群體同樣對天然光有著本質(zhì)需求的特征。另一方面，國內(nèi)關(guān)于四合院的更新改造多是從建筑美學(xué)的角度出發(fā)[4]，注重建筑外部及公共空間形式的塑造，忽略了室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量同樣會影響到居民的行為和生活方式這一現(xiàn)象。本文以北京市南鑼鼓巷一四合院的改造為例，嘗試以院內(nèi)存在的光環(huán)境問題導(dǎo)向為出發(fā)點，通過對院落及建筑單體光環(huán)境進(jìn)行改造來助力于人居環(huán)境質(zhì)量的提升。

1 研究背景

1.1 場地概況

研究對象設(shè)為帽兒胡同三號院，位于北京市東城區(qū)南鑼鼓巷，該地區(qū)日照充足，屬于Ⅲ類光氣候區(qū)。三號院位于帽兒胡同的入口端頭處(圖1)，作為少有的傳統(tǒng)規(guī)整形制四合院，由于缺乏一定的引導(dǎo)和約束，逐步背棄了胡同的純居住基因，轉(zhuǎn)而演變成了商、住混用，生活環(huán)境惡劣的大雜院。

圖1 三號院位置

1.2 光環(huán)境狀況

為明確帽兒胡同三號院的光環(huán)境現(xiàn)狀，筆者一行①參與調(diào)查的人員：重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院李燁、彭勇智、陳濤和石憲。進(jìn)行了實地調(diào)研。三號院屬于較為標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)四合院形制，但院落空間已被人為改造或破壞。院內(nèi)不僅留有舊時代的老房子，還四處充斥著居民的“私搭亂建”(圖2)。據(jù)統(tǒng)計，四合院內(nèi)現(xiàn)有住戶高達(dá)30余家，居住人數(shù)超過100人，有限的空間和高密度的人口不僅容易激發(fā)嚴(yán)重的鄰里矛盾，而且會帶來較為嚴(yán)重的采光問題。

圖2 三號院現(xiàn)狀

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，院內(nèi)雜物堆積現(xiàn)象較為普遍，走道及院落空間倍顯擁擠。加之部分居民出于利益需求私自加建二層，院落暴露面積及后排建筑采光受到一定程度的影響。在采光形式上，院內(nèi)民居多采用側(cè)窗采光的方式，其中新建建筑多采用較大面積的塑鋼玻璃窗，舊有建筑依然使用傳統(tǒng)紅木窗。由于年久失修或物品堆放，不少舊建筑的木窗口僅個別窗格能自由關(guān)閉。同時出于對個人隱私的保護(hù)，絕大多數(shù)采光口均采用了半透光的毛玻璃，室內(nèi)的照度受到了較為顯著的影響(圖3)。

圖3 三號院采光情況

1.3 問卷調(diào)查

作者通過問卷調(diào)查和采訪記錄方式，獲得返回問卷25份，其中獲得有效調(diào)查問卷23份，并對收集數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)整理分析。

調(diào)查結(jié)果顯示，盡管四合院院落擁擠，但是庭院的采光滿意度卻未受到較大影響(圖4)，多數(shù)居民都對院落的光環(huán)境狀況持滿意態(tài)度。然而，由于院內(nèi)居民住所的類型、位置等不同，較大部分的居民對自身住所的采光滿意度較低(圖5)。經(jīng)問詢后歸納發(fā)現(xiàn)，居民認(rèn)為有多種因素影響了自身住所的采光(圖6)。其中，房間設(shè)計不合理、雜物堆積影響、采光口面積小等因素占較大比例。為彌補(bǔ)采光缺陷，打造宜人的室內(nèi)光環(huán)境，絕大多數(shù)居民選擇增加人工照明的方式來滿足日常需求(圖7)。

圖4 庭院采光滿意度

圖5 室內(nèi)采光滿意度

圖6 影響房屋采光的因素

圖7 較暗房間的處理方式

2 問題分析

為解決居住環(huán)境問題，明確改造方向，筆者通過資料查閱及走訪問詢的方式，逐漸厘清了三號院的空間演變情況，并梳理出了三號院室內(nèi)光環(huán)境不佳的主要原因在于“由四合院內(nèi)的產(chǎn)權(quán)矛盾導(dǎo)致的空間矛盾，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的采光問題”這一條線路。

2.1 產(chǎn)權(quán)矛盾

北京舊城四合院的產(chǎn)權(quán)類型經(jīng)歷了極為復(fù)雜的演化。建國之初，為確保社會秩序的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，政府開始對城區(qū)房屋產(chǎn)權(quán)進(jìn)行清理登記，厘清公私產(chǎn)權(quán)成分。從1958年開始，四合院涌現(xiàn)出以“國家經(jīng)營租賃”形式的大量私房，極大地緩解北京城市住房緊張的社會狀況[5]。1980年起，隨著國家推行私有產(chǎn)權(quán)房的政策，北京四合院逐步演化為公產(chǎn)房、私產(chǎn)房、軍隊產(chǎn)權(quán)房混雜并存的產(chǎn)權(quán)類型，并呈現(xiàn)出產(chǎn)權(quán)破碎化的特征，同一個院子內(nèi)部的不同房屋甚至都有著不同的產(chǎn)權(quán)屬性[6]。而后至今，四合院形成了以私產(chǎn)房為主，各產(chǎn)權(quán)方在院內(nèi)無序加建房屋的混雜局面。

2.2 空間矛盾

產(chǎn)權(quán)矛盾帶來的產(chǎn)權(quán)混亂問題引發(fā)了居民對四合院公共空間的爭奪。對于居民而言，物質(zhì)空間的不足驅(qū)動他們本能的、盡可能多的去搶占公共空間[7]，這種普遍存在于各個四合院的特殊現(xiàn)象無疑讓“私搭亂建”這種無聲協(xié)議的方式充斥著院內(nèi)的各個角落。而后，隨著近年來商業(yè)活動的入侵，院落空間不再只是居民的交往場所，而成為充當(dāng)著外來人員與游客的城市公共空間，院落空間的屬性界限越來越模糊，胡同符號逐漸成了南鑼鼓巷締造商業(yè)的表面道具。

2.3 采光矛盾

空間矛盾的日益激烈迫使居民賴以生存、活動的場所演變成大雜院。院內(nèi)居民為保護(hù)自身權(quán)益，紛紛采用廉價物品進(jìn)行空間占位，不僅損害了院落的禮序，同時給自身住房的光環(huán)境造成了嚴(yán)重的困擾。開敞明亮的院落空間愈發(fā)顯得擁擠，堆積的雜物和違建的建筑又阻擋了天然光射入房間內(nèi)部，特別是進(jìn)深稍大的房間往往需要人工照明來彌補(bǔ)采光不足。另一方面，由于無序堆放的雜物或加建房屋的遮蔽，建筑的采光口及采光面積減少，室內(nèi)光環(huán)境受到較為嚴(yán)重的損害。

3 基于光環(huán)境主導(dǎo)的改造方式

3.1 改造策略

盡管三號院表面上形制規(guī)整，但其內(nèi)部存在著舊城四合院普遍的空間斗爭。這種斗爭一方面映射出鄰里共存聚居的生活矛盾，同時又有居民迫切改善自身生存環(huán)境的焦急心態(tài)和美好憧憬。因此，對三號院的改造勢在必行，且可從兩方面進(jìn)行。首先是對三號院公共空間禮序的構(gòu)建，旨在明晰大雜院產(chǎn)權(quán)關(guān)系基礎(chǔ)上，通過重塑公共與私密空間的關(guān)系，整合院落建筑物或構(gòu)筑物，進(jìn)而提升四合院內(nèi)的光環(huán)境質(zhì)量。其次是對個人居住空間的改造，從光環(huán)境角度出發(fā)，嘗試通過改善室內(nèi)采光環(huán)境來提升居民居住體驗和滿意度，進(jìn)而削弱居民對公共空間的無盡索取。

在對大雜院的改造上，通過有效的協(xié)調(diào)途徑和合理的補(bǔ)償機(jī)制，在明確建筑產(chǎn)權(quán)歸屬的前提上對功能碎片化的建筑進(jìn)行產(chǎn)權(quán)置換或合并，重新構(gòu)建公共空間秩序，延長居民在院內(nèi)采光、交流的時長；而對居住空間的光環(huán)境改造，這里引入一種較為普遍的“植入新的建筑類型”的方法[8](圖8)。主要是通過拆除影響主建筑采光的附屬建筑物或構(gòu)筑物(有產(chǎn)權(quán))，改為新建等面積的透明或半透明廊道植入胡同中，與原有建筑產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的新舊對比關(guān)系，構(gòu)建了不同種類的新型公共空間。這種方式減弱了常規(guī)的私密空間形式，強(qiáng)化了共享與共生的空間理念。引入的玻璃廊道不僅是增加采光面積，提升采光效果，更是對部分使用空間的重新組織，是以空間改造為主線，結(jié)合采光口改造進(jìn)行的提升策略。改造方案上始終貫徹“拆補(bǔ)平衡”的方針，最大化保全各方利益。

圖8 居住空間的改造方式

3.2 評價指標(biāo)

本著以光環(huán)境問題為導(dǎo)向的方式進(jìn)行改造，其評價指標(biāo)多以量化性采光指標(biāo)為準(zhǔn)，具體可分為兩部分。對于庭院公共空間的光環(huán)境評價以采用總?cè)照諘r長為主，室內(nèi)空間的光環(huán)境評價采用采光均勻度和采光系數(shù)平均值兩項指標(biāo)。其中采光均勻度是衡量光環(huán)境質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，它是指在規(guī)定的某一工作平面的采光系數(shù)的最小值與其平均值的比值，雖然在《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)[9]中對側(cè)面采光建筑的室內(nèi)采光均勻度不做要求，但是提升采光均勻度對于營造高質(zhì)量的室內(nèi)光環(huán)境和保障人眼健康至關(guān)重要。采光系數(shù) Daylight Factor(簡稱 DF)，是在全陰天情況下，室內(nèi)給定平面上一點由天然光而產(chǎn)生的照度，與此刻室外無遮擋水平面上天空散射光所產(chǎn)生的光照度的比值，常作為通用的光環(huán)境評價指標(biāo)，不同功能區(qū)側(cè)面采光的評價標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 建筑概況

4 模擬計算與結(jié)果分析

4.1 計算工具

研究需要利用模擬軟件得到大寒日下室內(nèi)外采光效果的閾值下限，如果滿足了一年中最差的環(huán)境條件，那么一年中的任何環(huán)境下均符合采光要求。基于此，研究采用基于Ecotect平臺的Radiance插件對該院落和居住空間進(jìn)行光環(huán)境模擬計算。Radiance是美國勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL) 在20世紀(jì) 80 年代開發(fā)的一款的天然光模擬軟件系統(tǒng)，采用蒙特卡羅反向光線跟蹤算法來計算模擬場景的光環(huán)境，能夠較為準(zhǔn)確客觀的模擬天然采光[10, 11]，是學(xué)術(shù)界比較認(rèn)可的光環(huán)境模擬軟件。

4.2 邊界條件

(1)采用CIE全陰天空模型；若此條件滿足照度標(biāo)準(zhǔn)要求，則在有晴天、云天條件下更可進(jìn)一步改善室內(nèi)照度。

(2)計算室外日照時長時，選擇大寒日進(jìn)行模擬。

(3)模擬的氣象數(shù)據(jù)采用北京地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)。

(4)將距室內(nèi)地面1.20 m和0.75 m高的水平面分別作為計算公共空間和居住空間的室內(nèi)外光環(huán)境的參照平面。

(5)由Radiance材質(zhì)編輯器創(chuàng)建模型材質(zhì)，建筑墻體、頂棚及地面反射率分別設(shè)定為0.7、0.7、0.2。改造前后的玻璃的透射率分別設(shè)定為75%和85%，反射率均設(shè)置為5%。

(6)計算時，只考慮影響室內(nèi)光環(huán)境的因素，保證光學(xué)分析的科學(xué)性而并非追求視覺效果，對模型進(jìn)行簡化處理，提高計算速度。

4.3 計算結(jié)果

4.3.1 公共空間的光環(huán)境

公共空間的模擬以整個院落模型為主。整個院落內(nèi)僅存在一棵枯樹，由植物帶來的采光遮擋問題可不被考慮，更多的是關(guān)注合院內(nèi)諸多的加建建筑，其建筑朝向、平面形式及立面形式等多為不固定形態(tài)。因此，在建立模型時根據(jù)研究需要對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?.20 m處作為參照平面，對大寒日院落空間的總?cè)照諘r長進(jìn)行模擬計算，結(jié)果如圖9所示。將模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)量化，如表2所示。

根據(jù)北京市現(xiàn)行住宅設(shè)計規(guī)范[12]可知，每套住宅至少應(yīng)有一個居住空間能獲得冬季日照，且獲得冬季日照的居住空間不應(yīng)低于大寒日日照2h的標(biāo)準(zhǔn)。由表2可知，改造前后的院落采光時長均未達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但改造后的院落在面積幾乎不改變的情況下，院落總?cè)照諘r長、直射光的比例均得到較為顯著地增加，院落上堆積的雜物得到了較好的處理，公共空間光環(huán)境質(zhì)量得到了相應(yīng)的提升。

4.3.2 居住空間的光環(huán)境

研究選取了位于三號院南側(cè)的“倒座”A、B作為典型模型進(jìn)行模擬，改造后的模型依據(jù)改造策略對周邊加建建筑或構(gòu)筑物進(jìn)行拆除，并對構(gòu)建好的玻璃廊道進(jìn)行功能植入(圖10)。倒座部分的具體參數(shù)如表3所示。

由居民自行搭建的建筑或構(gòu)筑物，往往充當(dāng)廚房、儲物等非居住功能，且置于主建筑南側(cè)，對主建筑的采光造成了嚴(yán)重遮擋。在進(jìn)行模擬時，如果這些加建部分與主建筑進(jìn)行統(tǒng)一采光計算，會造成計算結(jié)果的嚴(yán)重不精確。因此，模擬計算時只考慮主建筑的采光情況，對加建部分不予以考慮。倒座部分改造前后的采光模擬結(jié)果如圖11所示。將倒座部分的模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)量化，詳見表4。

由表4得知，倒座A、B部分經(jīng)過改造后，采光系數(shù)、采光均勻度以及平均照度值均有了較大的提升。特別是倒座A部分，改造前由于附屬建筑的遮擋，主體建筑的室內(nèi)光環(huán)境效果很差，無論是采光系數(shù)還是照度值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到規(guī)范要求。改造后，建筑前后空間貫通，晝間有更多的天然光直射入內(nèi)，室內(nèi)光環(huán)境有較大程度改善且基本達(dá)到采光標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖9 改造前后室外院落空間總?cè)照諘r長對比

表2 模擬計算結(jié)果

圖10 建筑改造示意

表3 建筑概況

表4 改造前后光環(huán)境對比

5 結(jié)論與建議

四合院的改造是一個集理論思考和實踐探究并舉的課題。作為舊城改造的一個縮影，對帽兒胡同三號院的光環(huán)境改造實則是對舊城更新模式的一種探索。文章構(gòu)建了以解決光環(huán)境問題為導(dǎo)向的改造設(shè)計方案，并以建筑技術(shù)的視角來量化改造效果，對其的光環(huán)境改造可以為日后的舊城改造提供參考。

圖11 倒座部分采光計算結(jié)果

1)對四合院的改造可能不局限于建筑功能的重新排布，更重要的是厘清矛盾根源，確定住區(qū)建筑品質(zhì)的缺失及提升靶點，以解決問題為導(dǎo)向，制定提升住區(qū)建筑品質(zhì)的針對性措施。

2)對舊城四合院的改造設(shè)計，實際上應(yīng)該是在基于“拆補(bǔ)平衡”的原則、保全各方利益的基礎(chǔ)之上對其空間禮序的重新構(gòu)建，是一種整體性的改造思路。

3)改造的物質(zhì)基礎(chǔ)應(yīng)該是對居民基本生活品質(zhì)的有效保障，以提升光環(huán)境質(zhì)量的改造途徑可能是改善人居環(huán)境的一個重要途徑。

4)改造成果僅以采光指標(biāo)來衡量，對大面積開窗可能造成的建筑熱工問題有待進(jìn)一步探究。