基于動態采光模擬分析的東北地區教育建筑采光設計研究＊

劉萬里 王哲民 張伶伶

1 自然采光對于教育建筑的重要性

在教育建筑設計中，自然采光是不可或缺的影響因素。自然光作為人類繁衍生息的必要條件之一，影響了人體機能的進化方向。一方面，人的視覺感知能力在自然光環境下最為舒適和敏感，明亮的環境可以提高人的警覺度，降低困倦感，保證工作和學習效率；另一方面，自然光構成了人體生物鐘調節機制的重要基礎，參與睡眠周期和激素調節，能夠改善睡眠質量，對青少年的生長發育、心理健康、提升學習記憶能力有著重要影響[1]。大量醫學、心理學和教育學的相關研究表明，青少年在發育階段的眼球調節機能與環境光照度有關，不良的教室自然采光會顯著增加近視的發生率，教室自然采光水平與青少年學習成績具有直接的正向關聯[2]。因此，我國教育建筑的采光設計要求日趨嚴格，《中小學校設計規范》（GB 50099?2011）、《特殊教育學校建筑設計標準》（JGJ 76?2019）等規范標準在更新修訂中對教室的自然光照度標準均有明顯提升，新版《建筑采光設計標準》（GB 50033?2013）則不僅以強制性條文將普通教室的采光系數提升至3%，而且把規范的適用范圍擴大為“教育建筑”，將缺少專門規范的高等院校、職業學校等也涵蓋在內。

2 東北地區教育建筑采光設計的矛盾

當前，在生源壓力和城鎮建設用地趨于緊張的情況下，我國新建教育建筑通常以布局緊湊的多層建筑形式出現，以立面側窗采光為主，較少采用采光效率和均勻度更高的頂界面天窗。教育建筑采光設計主要以窗地比作為計算依據，若要達到現行規范要求的窗地比1/5的指標，通常需要尺度、面積較大的側窗，不僅給建筑立面設計帶來了較多限制，也和東北地區的氣候特點產生了尖銳的矛盾。東北地區緯度較高，以嚴寒氣候區為主，冬季漫長，白晝較短，自然光入射角度明顯低于南方地區。一方面，較大面積的側窗是外圍護體系中保溫隔熱的薄弱區域，冬季散熱量大，嚴重影響了建筑節能效果；另一方面，由于側窗面積大，且冬季自然光入射角度較低，教室中易產生大范圍的直射眩光，嚴重影響采光舒適度。當靠窗區域自然照度過高，與黑板等區域的照度差異過大時，會加大學生抬頭看黑板和低頭看書時眼球調節的負擔，增加近視幾率。根據多所東北地區大、中、小學校的實地調研結果，教室側窗眩光對教學狀態影響很大，絕大多數教室都不得不拉緊窗簾遮光，并開燈補充照度。這種方式雖然解決了眩光問題，但增加了人工照明的電能消耗，而且隔絕了室外景觀和新鮮空氣，導致室內環境封閉、課堂氣氛壓抑、師生情緒低沉，影響到學生生理、心理健康和學習效果，是東北地區教育建筑在實際使用中的突出癥結[3]。

3 引入動態采光模擬分析的方法

在《建筑采光設計標準》（GB 50033?2013）中，采光計算以全陰天天空漫射光所產生的光照度為依據，旨在最不利的天氣狀況下依然可以達到室內照度要求，漫射光均勻而柔和，同時不會產生眩光。但是在真實生活中，東北地區年均晴天比率高于陰天，冬季晴天比率更高，在冬季太陽高度角變小的情況下（表1），進入教室的自然光遠遠超過采光標準，并且會較長時間直射學生面部，眩光的影響強度和范圍明顯增大?？梢?，基于全陰天漫射光的窗地比采光計算方法，在東北地區教育建筑的采光設計中存在一定偏差，采用動態采光模擬分析可以更好地掌握晴天時教室中的實際采光效果。使用Ecotect Analysis、Daysim、Radiance等軟件，可以模擬全陰天狀態下教室內每一時刻的采光強度，也可以利用輻射得熱分析圖更為直觀地看出自然光在教室內的光照強度分布，基本等同于晴天時教室中易產生眩光的區域分布，能夠較為精確地比較分析不同采光策略的真實效果[4]。

表1 南北方代表性城市自然光入射角數據

4 東北地區教育建筑采光設計優化方法探索

改善東北地區教育建筑自然采光效果的核心目標，是提升教室空間自然光環境的均勻度，關鍵在于優化采光方式，在保證標準要求的前提下降低室內照度差?？梢圆捎玫膬灮椒òㄟm度降低明亮區域的自然光照度，或是盡量提高較暗區域的自然光照度。以此為指導理念，研究沿兩個路線展開，其一是優化立面側窗的采光性能，使自然光能夠均勻柔和地射入教室[5]；其二是對較暗區域進行自然光采光補償。

4.1 優化立面側窗形態

優化立面側窗采光性能的難點在于窗地比1/5的標準對于開窗靈活性存在制約，使教室側窗很難突破水平大橫窗的形式。以當前中學教室中較為常見的70m2普通教室為例，按窗地比要求，需要14m2側窗，常規3 900mm的教室層高減去窗臺和框架梁等結構高度，最大窗高約為2 400mm，則側窗長度需達到5 900mm以上；如果采用8 400mm×8 400mm的柱網，則在減去教室前端固定不應開窗的1 000mm實墻和教室尾部結構柱占據的寬度后，可以開窗的外墻長度僅為7 000mm，開窗形式已基本沒有變化的余地。對此，研究嘗試從設置導光構件和改變開窗方式兩個思路進行探討。

4.1.1 設置導光構件

保持大窗形式，在窗洞的中上部設置導光構件，是一種較為成熟的自然采光調節手段，在國內外已有較多研究成果，在此重點探索針對東北地區四季自然光特點的解決方案。我國絕大部分區域位于溫帶，夏季自然光入射角高，直接射入室內的區域有限。但在冬季，東北地區自然光入射角大約處于13.5～25°區間，遠低于南方地區，由Ecotect軟件模擬可見，教室中超過一半的區域都受到較強眩光的影響（圖1）。因此，導光構件的設置原則應針對冬季自然光的特點，兼具降低近窗區域眩光影響、利用導光板和教室天花板的反射將自然光引入遠窗區域的功能[6]。

1 標準教室日光輻射分析（常規大窗）

由教室剖面可知，在高度方面，為避免上部漏光且不影響人的活動，導光構件不宜設置過低，兼顧對遠窗區域導光效果考慮，在側窗有效采光高度的2/3 左右為宜；在室內外長度方面，為了實現以室內反射為主的導光性能，導光構件應大部分在室內一側，長度由本地區冬至日自然光入射角和其上部窗高共同確定。以沈陽為例，使用Ecotect 和Daysim 軟件對多種高度和室內外長度的導光構件設計方案進行模擬比較，結果顯示距地2 400mm，室外保留300mm、向室內延伸1 100mm 左右，是導光效果較好且較為符合常規構造技術的導光構件做法（圖2）。當然，在實際應用時需要因地制宜，根據具體情況做出調整。

2 導光構件作用示意圖

在遼寧省實驗中學遼濱分校項目中，我們嘗試了在教學樓南向教室側窗設置導光構件的做法。教室立面設置高2 550mm、寬3 150mm的大窗，根據營口地區的冬季自然光入射角，在距地2 600mm的高度上設置了室外300mm、室內400mm的導光構件（該尺寸并未完全達到模擬計算的理想長度）。根據Ecotect軟件模擬分析和建成后使用效果，使用導光構件后，教室的自然光照度略有下降，但尚在標準范圍之內，采光均勻度則有一定提升，顯示導光構件發揮了積極作用（圖3?5）。

3 遼寧省實驗中學遼濱分校標準教室日光輻射分析（設置導光構件）

4 遼寧省實驗中學遼濱分校教學樓導光構件作用示意圖

5 遼寧省實驗中學遼濱分校教學區實景

在該項目實踐中，我們發現以鋼筋混凝土制作的導光構件的厚度和懸挑長度受制于材料技術，影響了實際應用效果。之后，我們對不透光全反射和半透光半反射導光構件進行了對比分析，由Ecotect和Daysim軟件模擬數據可知（表2,3），半透光半反射構件對教室內的照度和均勻度有一定提升（圖6,7）。然而導光構件雖然能提升遠窗區域的自然照度，但近窗區域的眩光范圍仍然較大。

6 遼寧省實驗中學遼濱分校標準教室日光輻射分析（設置半透射半反射導光構件）

7 遼寧省實驗中學遼濱分校導光構件作用示意圖（設置半透射半反射導光構件）

表2 Ecotect 模擬不同導光構件的采光數據分析及日均輻射

表3 Daysim 模擬分析冬至日當日采光數據

4.1.2 改變開窗方式

改變開窗方式具有雙重意義，既能解決大窗眩光問題，也是教育建筑立面形式探索的方向，幫助突破千篇一律的大窗定式。在窗地比制約下滿足開窗面積存在較大壓力，因此我們需要更加精準地分析普通教室的布置方式，探討普通尺寸上的更多可能性，爭取更大的外墻面積，這是探索靈活開窗方式的基礎?！冻鞘衅胀ㄖ行W校校舍建設標準》（建標[2002]102號）規定，小學普通教室面積不應小于61m2，中學普通教室面積不應小于67m2；《中小學校設計規范》（GB 50099?2011）要求，前排課桌與黑板的最小間距不應小于2 200mm，最后一排課桌后沿與黑板的距離不應大于9 000mm，且與教室后墻間距不應小于1 100mm，其中同樣明確了課桌尺寸、行距、排距等相關要求，可以由此推算出常規普通教室平面尺寸介于進深6 700～7 800mm、開間9 100～10 500mm之間為宜?？梢娫跐M足課桌椅擺放原則的前提下，適度減小教室進深尺寸可以一舉兩得，既能增大開間尺寸，從而增大可供開窗的側墻面積，提升開窗形式的靈活度，也能在進深變小后，提高教室內側采光最不利區域的照度，在一定程度上改善教室自然光照的均勻度[5]。誠然，適當加大層高也可以增加側窗面積，并使教室內側獲得更多自然光，但會增加工程造價，不如調整平面尺寸更為經濟實用。

在側窗總面積不變的前提下，較長的側墻為突破常規的大窗形式提供了變化余地。研究嘗試減小側窗寬度、增加側窗數量，較小的側窗之間有墻垛相隔，使入射光變得相對分散，避免產生大面積眩光；在滿足規范要求的窗間墻垛不大于1 200mm的情況下，室內不會產生明顯的暗影區，能夠有效提升室內自然光均勻度。通過Ecotect軟件對比模擬了相同側窗面積下四種不同窗寬和墻垛的組合（表4），數據顯示，四種組合的采光系數平均值在6.4%以上，遠遠優于標準中3%的指標要求；室內天然光照度平均值均在500lx以上，優于標準中450lx的要求；其中，四窗組合的采光均勻度最優，五窗組合與之接近，均明顯優于兩組大窗的形式。由四種組合的日均輻射圖對比可知，數量較多、寬度較窄的側窗均勻排布形成的“柵格化”外墻界面，在采光系數平均值、室內自然光照度平均值方面雖然稍弱于大窗形式，但仍能完全滿足標準要求，且在采光均勻度方面有大幅提升，室內采光舒適度更佳（表5）。

表4 Ecotect 模擬不同開窗方式的采光數據及日均輻射

表5 不同開窗組合下教室日光輻射分析

在大連理工大學遼東灣校區中我們嘗試了上述做法。在教學樓、實驗樓的設計中，根據高等學校小班制授課的特點，適當縮小了教室進深，在立面上形成700mm寬的豎窗和墻垛相間的均勻柵格化肌理，滿足窗地比要求。從Ecotect軟件模擬分析和建成后使用效果來看，教室自然光環境均好于相同尺寸的大窗形式（表6）。柵格化肌理的立面形式極具秩序感，形成了端莊嚴謹而富有現代感的當代理工高校建筑氣質（圖8）。在圖書信息中心的設計中，采用700mm窗口和350mm墻垛的做法，配合4 200mm的層高，形成通透的立面肌理，滿足了大型閱覽空間的窗地比要求；建筑體量圓潤流暢，窗洞口靈活錯落，塑造出別具濱水濕地意象的建筑形象；400mm深的窗洞口刷涂白色反光涂料，室內空間光線柔和，營造了靜謐而舒適的學習氛圍（圖9,10）。

8 大連理工大學遼東灣校區教學樓采用柵格化立面開窗形式

9 大連理工大學遼東灣校區圖書信息中心圓潤的體量和靈活錯落的窗洞口

10 大連理工大學遼東灣校區圖書信息中心自習區均勻的采光效果

表6 大連理工大學遼東灣校區教學樓典型教室日光輻射分析

4.2 增加自然采光補償

增加自然采光補償的目的是提升教室遠窗區域照度，減弱與近窗區域的照度對比，從而提升室內自然光的均勻度，配合立面側窗形態優化效果更佳。增加自然采光補償最直接的方式是在教室與走廊相鄰的內墻上設置高側窗，有效改善教室最內側自然光不足的區域采光強度。在前文模擬分析的四組開窗形式中，增加高窗普遍能提高教室遠窗區域照度約10%，在窄窗方案中更顯出其效果（表7）。

表7 增設高側窗后不同開窗方式下教室日光輻射分析

設置高側窗的目的是把走廊里的自然光引入教室。但在東北地區，很多教育建筑為了減小體形系數以降低熱量耗散，而采用走廊雙側布房的做法，造成了走廊里照度偏低，高側窗無光可用的尷尬局面。研究將上下貫通的“采光補償調節腔”植入建筑背光一側，利用腔體頂部的天窗、集光罩等引入自然光，在腔體內高反射涂料的漫反射作用下進入各層走廊，使走廊背光一側增加了多個間接的自然光源。腔體不僅給室內導入自然光，而且兼有通風、換氣作用，顯著提升了室內環境質量[7]（圖11）。

11 大連理工大學遼東灣校區采光補償調節腔剖面示意圖

在大連理工大學遼東灣校區的教學樓、實驗樓設計中，設置了由東西兩側實墻和南北兩側玻璃磚共同圍合的“光井”。其實質是被動式采光補償調節腔，在屋面之上設置玻璃集光罩，光線在腔體內實墻面上反復反射至建筑底層，有效提升走廊的自然光照度，也在一定程度上提升了南向教室的自然采光均勻度。利用“光井”對室內環境的改善，設計在走廊北側保留了靈活布置的開放空間，優化建筑北立面并減少開窗，提升建筑整體保溫性能，而“光井”的設置解決了走廊較暗、通風不暢的問題，成為本項目獨具特色之處（圖12?15）。

12 大連理工大學遼東灣校區教學樓內置“光井”分布示意圖

13 大連理工大學遼東灣校區教學樓無“光井”日光輻射模擬

14 大連理工大學遼東灣校區教學樓有“光井”日光輻射模擬

15 大連理工大學遼東灣校區教學樓北立面鮮明的虛實對比

5 結語

教育建筑的采光設計看似涉及具體的技術問題，但在實際工作中往往使建筑創作受到很大限制，讓建筑師很頭疼。東北地區自然光的四季變化特點使采光、眩光、節能等各方面矛盾更加尖銳，成為無法忽視的難題，提示我們《建筑采光設計標準》（GB 50033?2013）等規范中以窗地比作為計算依據的采光設計方法，不能完全體現不同地域環境中自然光對使用者的影響，應該逐漸引入動態采光模擬分析，優化采光設計方法的科學性，提高自然采光設計的精準度。

本研究結合創作實踐，依據不同項目的空間需求、環境特色，探索“量身定制”的采光方式，并對設計階段的模擬研究結果在建成后進行了效果驗證，修正了一些做法。更重要的是在探索過程中進行思路轉換，引導我們跳出了原來錙銖必較般計算開窗面積的局限，嘗試從平面形態、立面肌理、腔體植入等更為宏觀的視角去解決問題。本研究雖然借助軟件模擬分析，但核心依然是以空間形態層面的創造性思維解決“卡脖子”的技術問題，使建筑設計突破“唯指標論”的束縛，體現了建筑師的價值，希望能為當前越來越關注數據模擬的建筑創作提供一點啟發。

圖片來源

1?4,6,7,11?14 作者自繪

5,8?10,15 天作建筑研究院提供

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