杭州市武林廣場地下空間采光分析

孫　靜，王飛翔

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京　100037)

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杭州市武林廣場地下空間采光分析

孫靜，王飛翔

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京100037)

摘要：地下空間的物理環(huán)境是當(dāng)前建筑物理環(huán)境的主要研究對象之一。以杭州武林廣場地下空間開發(fā)為例，重點分析設(shè)計思路與物理環(huán)境之間的契合點。選取武林廣場地下空間開發(fā)的局部空間作為研究對象，以光環(huán)境效果為研究內(nèi)容，分析下沉廣場為地下空間引入的天然光效果，同時也為下沉廣場等改善物理環(huán)境的設(shè)計手法提供設(shè)計依據(jù)。研究表明下沉廣場不僅使自然光從上至下得到了延續(xù)，而且不同節(jié)氣、天空模型對室內(nèi)的光照度以及亮度分布有不同的反映。這為改善地下商業(yè)空間的光環(huán)境、提高人體舒適度創(chuàng)造了有利條件。同時，為地下空間與物理環(huán)境的良好結(jié)合提供一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：物理環(huán)境；地下空間；光環(huán)境；數(shù)字模擬

引言

美國哲學(xué)家Arnold Berleant認(rèn)為：“環(huán)境是人們生活著的自然過程，是一種被體驗的自然，人所處的自然(包括人工自然)，由充滿價值的評價有機(jī)體、觀念和空間構(gòu)成的渾然整體”[1-2]。

室內(nèi)物理環(huán)境作為室內(nèi)環(huán)境的重要組成部分，包括空氣質(zhì)量、熱環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境和風(fēng)環(huán)境等作用因子。英國著名環(huán)境設(shè)計師IanLennoxMcHarg在《設(shè)計結(jié)合自然》一書描述了自己如何因為醫(yī)療環(huán)境的變化而給病情帶來的巨大好轉(zhuǎn)，正是明媚的陽光、清新的空氣為他奇跡般的恢復(fù)奠定了天時地利的條件[3]。加拿大建筑師Rogers 在長達(dá)10年的研究中發(fā)現(xiàn)親切、良好的醫(yī)療環(huán)境會給病人帶來治療上的積極作用[4-5]。有研究表明，在人的聽覺、視覺、觸覺、嗅覺的認(rèn)知世界里，80%的信息來自于視覺。因此，舒適的光環(huán)境，提高視覺效能對人的心理、生理會產(chǎn)生積極影響。

下沉廣場、天井對地下空間實際工程項目的光環(huán)境水平的貢獻(xiàn)，這種貢獻(xiàn)在不同氣象條件下的變化如何，是本文關(guān)注的重點。

過于封閉的、缺乏自然光與良好通風(fēng)的地下商業(yè)空間易于引起人員的不良心理反應(yīng)[5]。盡管《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》未對商業(yè)建筑提出采光標(biāo)準(zhǔn)值[6]，但當(dāng)商業(yè)空間采光滿足一定要求后，不僅有利于照明節(jié)能，更有利于提高室內(nèi)人員的滿意度；LEED評價體系規(guī)定主要作業(yè)面75%面積的采光系數(shù)應(yīng)不低于2%[7]。現(xiàn)代設(shè)計師在處理室內(nèi)空間環(huán)境上的手法也在不斷追隨著前人的腳步。一直以來，設(shè)計師在努力尋求創(chuàng)新、趣味的理念來解決包括物理環(huán)境在內(nèi)的一系列問題。日本建筑師Toyo Ito[8]為仙臺媒體中心帶來一種趣味性十足的解決辦法，如同解析幾何，將常規(guī)的柱子分解成多個“細(xì)管”，如果將建筑視為一生命體，那這些“細(xì)管”猶如毛細(xì)血管一般，流淌著整棟建筑的“血液”，因為這些“細(xì)管”承擔(dān)著建筑的結(jié)構(gòu)、采光、通風(fēng)等一系列功能，而2011年日本3·11大地震很好地證明了結(jié)構(gòu)設(shè)計師佐佐木的這種結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計是兩全其美的，不僅很好地解決了結(jié)構(gòu)、美觀問題，同時也將物理環(huán)境與建筑自身的屬性得到了很好的融合[9]。

本文的研究對象杭州市武林廣場地下商業(yè)空間開發(fā)項目無論從建筑規(guī)模、地理位置以及商業(yè)價值等方面都是非常具有代表性的地下空間開發(fā)項目。

1研究內(nèi)容

本文以實際工程項目杭州市武林廣場地下商業(yè)空間開發(fā)為案例，引用數(shù)字模擬技術(shù)，分析地下空間形態(tài)與物理環(huán)境的關(guān)系，研究下沉廣場對地下空間光環(huán)境的重要影響。

1.1氣象條件

杭州地處歐亞大陸的東岸，東經(jīng)120°10’，北緯30°18’。杭州屬于我國建筑熱工設(shè)計分區(qū)III區(qū)(夏熱冬冷區(qū)域)，光氣候區(qū)III區(qū)，根據(jù)中國光氣候資源分布圖可知，全國的年平均總照度在25klx ～43klx，杭州地區(qū)的年平均總照度處于全國中游水平，約為33klx。

1.2項目概況

武林廣場地處杭州市下城區(qū)傳統(tǒng)的武林商圈內(nèi)，南面為西湖風(fēng)景名勝區(qū)，北面為京杭大運河，見圖1。本項目占地面積3.98公頃，用地南北長190米，東西長220米，北鄰浙江省展覽館，南毗環(huán)城北路，西有廣場西通道，東至廣場東通道，東北側(cè)有地鐵1、3號線換乘站，從地塊的地下3層穿過。設(shè)計師在此保留原有廣場的主中軸線理念，依據(jù)功能定位將廣場分成東、中、西三個區(qū)域，東區(qū)為下沉廣場區(qū)、西區(qū)是綠化景觀區(qū)，中部尊重市民的集體記憶，保留有音樂噴泉和展覽館。下沉廣場作為項目的開放空間，貫穿于整個設(shè)計過程，直通地下一二層的8處連續(xù)下沉廣場構(gòu)成U形平面，將陽光、天空漫射光引入地下空間，見圖2。下沉廣場不僅是人們進(jìn)入室內(nèi)的過渡空間，也起到了延續(xù)豎向空間交流的作用。

圖1　區(qū)位分析Fig.1　Location analysis

圖2　U形下沉廣場Fig.2　U-shaped sunken square

1.3物理環(huán)境關(guān)注點

杭州地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，如何應(yīng)對夏季高溫、遮陽隔熱是熱工設(shè)計重點考慮的問題。杭州夏季的主導(dǎo)風(fēng)向東南方向，有效利用東南風(fēng)來改善室內(nèi)外熱環(huán)境是行之有效的辦法之一。夏季充沛的雨水對植物生長來說是利好條件，因此景觀設(shè)計自然不可或缺，將景觀與自然氣候加以良性結(jié)合也是關(guān)鍵要素。杭州冬季濕冷，同時也是全年日照時數(shù)最低的季節(jié)，有效利用太陽直射光、天然漫射光來改善濕冷環(huán)境是物理環(huán)境不可忽視的重要組成部分。

1.4設(shè)計策略

下沉式廣場，作為半開敞空間，能在炎熱的

夏季為地下商業(yè)空間引入新鮮的空氣，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。從室內(nèi)對流角度來看，8個小型的下沉廣場形成一個有機(jī)的整體。兩兩之間的通長連廊為空氣壓力差的產(chǎn)生創(chuàng)造了良好的條件，有利于內(nèi)部空氣之間的對流，改善整個地下廣場的自然通風(fēng)效果。由下沉廣場進(jìn)入公共交通空間后，其上方的懸挑式結(jié)構(gòu)能保護(hù)人們遠(yuǎn)離夏季太陽直射光的強(qiáng)輻射作用。

從視覺角度而言，下沉廣場可以定義為環(huán)境亮度的過渡空間。人眼在不同亮度的環(huán)境中是需要一定的適應(yīng)時間，而環(huán)境亮度的過渡恰當(dāng)與否對人眼的適應(yīng)水平起著至關(guān)重要的作用。

下沉廣場內(nèi)各界面會形成其特有的環(huán)境亮度。當(dāng)人們從高亮度的室外進(jìn)入亮度相對較低的室內(nèi)商業(yè)空間，即人眼在逐步接近暗空間的條件下，下沉廣場能夠為人眼適應(yīng)環(huán)境亮度轉(zhuǎn)化提供一個過渡場所，因此，人眼的適應(yīng)效果會更加自然。此外，下沉廣場也是一處人與人之間進(jìn)行交流的過渡空間，對于長時間處于封閉空間的人來而言，適當(dāng)?shù)目臻g變化不會過于乏味，提高人對場所的滿意度。地下空間的光環(huán)境見圖3。

圖3　下沉廣場光環(huán)境Fig.3　Light environment of sunken square

2光環(huán)境分析

2.1分析條件與工具

本文將利用數(shù)字計算工具，選取武林廣場地下空間開發(fā)的局部空間作為研究對象，以光環(huán)境效果為研究內(nèi)容，分析在下沉廣場為室內(nèi)場所所引入的天然光水平，從而驗證武林廣場地下空間開發(fā)項目在光環(huán)境上所具有的應(yīng)用效果，最終的目的是希望能為今后設(shè)計工作關(guān)于物理環(huán)境方面的考慮提供指導(dǎo)作用。

本次模擬實驗天空模型以全陰天空為主，同時也結(jié)合部分晴天空模型，計算工具選用由哈佛大學(xué)設(shè)計學(xué)院(GSD)開發(fā)的Diva for Rhino，版本號為2.0。該計算軟件無論是對于靜態(tài)光環(huán)境還是光環(huán)境的全年動態(tài)分析都有較好的計算精度。

本次模擬的主要研究對象是地下商業(yè)空間，因此針對武林廣場的地下一層與地下二層各選取2處商業(yè)空間(共計4個房間)進(jìn)行光環(huán)境分析，主要分析指標(biāo)是室內(nèi)采光系數(shù)與室內(nèi)空間亮度分布。地下一層的房間編號為1-1和1-2，地下二層的房間編號為2-1和2-2，見圖4和圖5。本次模擬用的Diva for Rhino軟件界面參見圖6。

圖4　地下一層計算用房間Fig.4　The plan of basement 1

圖5　地下二層計算用房間Fig.5　The plan of basement 2

圖6　Diva for Rhino軟件界面Fig.6　Interface of Diva for Rhino

2.2采光系數(shù)分析

采光系數(shù)是衡量采光水平的重要指標(biāo)。室內(nèi)采光系數(shù)的計算前提是全陰天空，天空各方向的亮度相同，與建筑朝向無關(guān)。本次模擬的計算結(jié)果以偽彩圖的形式給出，見圖7和圖8。本次研究選取距室內(nèi)地面750mm高的作業(yè)面作為計算平面，房間1-1和1-2的面積為167.04m2(長×寬：19.4×8.7)，房間1-2和2-2的面積為290.16m2(長×寬：37.2×7.8)，為保證計算精度，計算網(wǎng)格不宜取得過大，因此確定網(wǎng)格的計算間距為500mm[10]。

圖7　地下一層房間1-1和1-2平均采光系數(shù)計算結(jié)果Fig.7　The result of average daylight factor ofRoom 1-1 and 1-2 in basement 1

圖8　地下二層房間2-1和1-2平均采光系數(shù)計算結(jié)果Fig.8　The result of average daylight factor ofRoom 2-1 and 2-2 in basement 2

首先，商業(yè)空間獲取天然光的方式主要有兩種：天空直射漫射光和墻壁間接反射光。這些光線最后透過玻璃面后進(jìn)入商業(yè)空間，而由于商業(yè)空間的天空可視角接近于0，因此除地下一層的局部入口外，可見天空角度幾乎接近于0，四個房間的天然光主要來源為間接反射光，因此房間的平均采光系數(shù)并不高，這一點從之后的亮度分布圖更加直觀。其次，房間1-1和1-2的平均采光系數(shù)分別為0.18%和0.10%，由于受到上部開口的影響，房間深處的采光系數(shù)較低，而房間入口處采光系數(shù)超過1%，為密閉的地下室引入了適當(dāng)?shù)淖匀还饩€，有助于人的視覺活動和對外界時間變化的感知。房間2-1和2-2的平均采光系數(shù)分別為0.05%和0.02%。15000lx室外設(shè)計照度的條件下，室內(nèi)天然光照度分別為7.5lx和2lx，而最高值能達(dá)到150lx，達(dá)到采光等級V級，分別位于商業(yè)入口處。自然光線的引入為室內(nèi)的人員帶來時間感知的可能，而不再是完全的密閉空間。

2.3亮度分布

室內(nèi)空間亮度分布表征了室內(nèi)整個空間亮度的分布水平。亮度比照度更能體現(xiàn)對人眼的直觀感受。

本次亮度分布的天空條件分為全陰天空和晴天空兩種。考慮到夏至日太陽高度角最大，日照較強(qiáng)，因此選取天空模型為晴天空，而杭州地區(qū)冬季陰天較常見，因此冬至日選取全陰天空。

地下一層的兩個房間1-1和1-2模擬結(jié)果是基于晴天空條件，夏至日一天當(dāng)中9:00、12:00、15:00和18:00四個時刻的室內(nèi)亮度分布，分別見圖9和圖10；而地下二層的兩個房間2-1和2-2不僅得到了夏至日晴天空的室內(nèi)亮度分布，見圖11和圖12。增加全陰天空條件下四個典型節(jié)氣日春分、夏至、秋分和冬至日正午12:00的室內(nèi)亮度分布，見圖13和圖14。計算結(jié)果表明，相較于全陰天空，由于晴天空的太陽角度的瞬時變化，室內(nèi)亮度分布變化較劇烈，室內(nèi)光影效果在不同時刻體現(xiàn)得越發(fā)豐富。

圖9　房間1-1亮度分布(夏至日晴天空9:00、12:00、15:00和18:00)Fig.9　Luminance distribution of Room 1-1(Time of Clearsky of summer solstice 9:00, 12:00, 15:00和18:00)

圖10　房間1-2亮度分布(夏至日晴天空9:00、12:00、15:00和18:00)Fig.10　Luminance distribution of Room 1-2(Time of Clearsky of summer solstice 9:00, 12:00, 15:00和18:00)

圖11　房間2-1亮度分布(夏至日晴天空9:00、12:00、15:00和18:00)Fig.11　Luminance distribution of Room 2-1(Time of Clearsky of summer solstice 9:00, 12:00, 15:00和18:00)

圖12　房間2-2亮度分布(夏至日晴天空9:00、12:00、15:00和18:00)Fig.12　Luminance distribution of Room 2-1(Time of Clearsky of summer solstice 9:00, 12:00, 15:00和18:00)

圖13分別是四個房間在晴天空條件下夏至日9:00、12:00、15:00、18:00四個時刻的亮度分布圖。時間的變化伴隨著太陽高度角的變化，因而室內(nèi)光影也在時刻動態(tài)變化。房間1-1和2-1朝東，時間從上午9:00進(jìn)入下午18:00，室內(nèi)陰影強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。而當(dāng)天空模型換成全陰天時，由于無太陽直射光的影響，房間2-1室內(nèi)陰影的變化并不明顯，見圖14。

圖13　房間2-1亮度分布(全陰天中午12:00春分、夏至、秋分、冬至)Fig.13　Luminance distribution of Room 2-1(Overcast day, 12:00,vernal equinox, summer solstice, autumnal equinox, winter solstice)

圖14　房間2-2亮度分布(全陰天中午12:00春分、夏至、秋分、冬至)Fig.14　Luminance distribution of Room 2-2(Overcast day, 12:00,vernal equinox, summer solstice, autumnal equinox, winter solstice)

此外，根據(jù)以上計算結(jié)果可知，房間的同一位置，在不同時間所觀察到的室內(nèi)亮度分布是不同的。春秋分的室內(nèi)亮度分布是比較接近的，夏至日天空亮度較高，地面亮度高，墻面的亮度相對低一些，而冬至日恰好相反，由于較低的太陽高度角，為室內(nèi)墻面提供了較高的亮度。

3結(jié)論

下沉廣場的設(shè)計延續(xù)是本項目對于物理環(huán)境方面的內(nèi)在訴求。天然光的引入不僅為人們與自然的交流的延伸至地下創(chuàng)造了條件，而且對于提高人的心理舒適度有較大的幫助。光影變化豐富了室內(nèi)空間，為人與人之間的交流增添了樂趣。此外，景觀綠化也是改善建筑微氣候不可或缺的元素之一。

參考文獻(xiàn)

[1] 阿諾德·柏林特. 環(huán)境美學(xué)[M]. 張敏，周雨，譯. 第一版. 長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社, 2006.

[2] 魏飛. 現(xiàn)代醫(yī)院門診部環(huán)境設(shè)計探析[D].南京：東南大學(xué), 1999.

[3] 麥克·哈格. 設(shè)計結(jié)合自然[M]. 黃經(jīng)緯，譯. 第一版. 天津：天津大學(xué)出版社, 2006.

[4] 田樹軍. 地下商業(yè)空間中的環(huán)境設(shè)計研究[D].長沙：湖南大學(xué), 2006.

[5] 潘永峰. 城市地下商業(yè)空間步行出入口設(shè)計研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)建筑學(xué)院. 2008.

[6] Fanger P O. Thermal Comfort[M]. Copenhagen: Danish Technical Press, 1970.

[7] 建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：GB 50033—2013[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2014.

[8] 劉梅,于波,姚克敏. 人體舒適度研究現(xiàn)狀及其開發(fā)應(yīng)用前景[J]. 氣象科技， 2002，30(1).

[9] 建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：GB 50034—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2014.

[10] 韓天辭. 鄂爾多斯 20+10 P22A基于采光模擬的中庭優(yōu)化設(shè)計方法[D]. 北京：清華大學(xué)， 2012.

[11] 室內(nèi)工作場所照明CIE S 008/E-2001[R]. CIE，2001.

Daylight Analysis of Underground Space of

Wulin Square in Hangzhou

Sun Jing, Wang Feixiang

(BeijingUrbanEngineeringDesign&ResearchInstituteCo. ，Ltd，Beijing100037，China)

Abstract：Physical environment of underground space is currently one of the main objects in the field of building physical environment. In this paper, Wulin square underground space of Hangzhou was used as the meeting point of design idea and physical environment. The part of underground space in Wulin squarewas seen as major object, and the role of daylight introduced to underground is analyzed. The purpose of this research is to know about the effect of daylight in the underground space, then provide the design evidence for many physical measures like sunken square. The conclusion shows that Sunken square not only makes the daylight pour from the top to the bottom continuously, but also different Solar Term and Sky Model can result in various illuminance and luminance distribution. Then it makes the beneficial condition for lighting environment and personal comfort improvement of underground space. Meanwhile, better combination between the underground space and physical environment can be inspired.

Key words:physical environment；underground space；daylight；digital simulation

通訊作者：孫靜,E-mail：54996254@qq.com

基金項目：國家科技支撐計劃(項目編號：2012BAJ01B00)，項目名稱：城市地下空間開發(fā)應(yīng)用技術(shù)集成與示范；國家科技支撐計劃(項目編號：2012BAJ01B05)，項目名稱：城市地下空間建筑設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)化研究

中圖分類號：TU113

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.007