天花板形式對改善教室側(cè)窗采光效果的研究

王夢蕊

(華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，廣東 廣州 510641)

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天花板形式對改善教室側(cè)窗采光效果的研究

王夢蕊

(華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，廣東 廣州 510641)

大量研究證實(shí)，學(xué)校教室采用天然光照明有利于學(xué)生的身心健康，但實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)我國中小學(xué)校教室內(nèi)照度不足、不均勻的現(xiàn)象非常普遍。本文通過對美國近年來新的學(xué)校采光設(shè)計(jì)案例的研究，發(fā)現(xiàn)不同的天花形式能夠增強(qiáng)教室側(cè)窗的采光效果，創(chuàng)造均勻的教室光環(huán)境。介紹并總結(jié)了五種較普遍的天花板形式，并基于廣州地區(qū)的氣候條件，運(yùn)用RADIANCE對不同天花類型的教室單元進(jìn)行模擬，試圖分析天花板形式對側(cè)窗采光效果的影響，為我國今后教室的采光設(shè)計(jì)提供了新的思路。

天花板；天然采光；教室；學(xué)校建筑

引言

大量的研究證實(shí)，天然光不僅能夠改善室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量，還有利于人們的身體健康和眼球的發(fā)育[1-3]。許多研究學(xué)者指出，教育建筑特別是中小學(xué)校教室應(yīng)該采用天然光照明[4-5]。我國《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)中明確規(guī)定：“教育建筑的普通教室的采光不應(yīng)低于采光等級Ⅲ級的采光標(biāo)準(zhǔn)值，側(cè)面采光的采光系數(shù)不應(yīng)低于3.0%，室內(nèi)天然光照度不應(yīng)低于450 lx”[6]。但是實(shí)際上我國大多數(shù)中小學(xué)教室照度未能達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)[7]。筆者2015年4月某日對廣州某小學(xué)進(jìn)行實(shí)際光照測量，發(fā)現(xiàn)大部分教室的天然光照度不足。下午3點(diǎn)在不開燈的情況下一樓教室的平均照度甚至不足200 lx。雖然四樓頂層教室的平均照度基本達(dá)到了國家規(guī)定的450lx，但是自然光照度從窗口到教室中部衰減得極為嚴(yán)重，靠北面窗的桌面最高照度達(dá)到3 000多l(xiāng)x,而教室中部卻只有200 lx左右，教室內(nèi)照度非常不均勻(見圖1)。不僅如此，由于靠窗邊的桌面眩光現(xiàn)象嚴(yán)重，許多學(xué)校老師上課時(shí)只能拉上窗簾，依靠人工光源采光，這種情況大大降低了青少年接觸天然光的機(jī)會，長期下去，不僅浪費(fèi)能源，而且不利于青少年的視力發(fā)育和身體健康。筆者在研究大量西方國家學(xué)校采光設(shè)計(jì)的案例后，發(fā)現(xiàn)美國一些建筑事務(wù)所通過設(shè)計(jì)教室內(nèi)不同的天花形式來促進(jìn)側(cè)窗的采光效果，增加教室內(nèi)中部的天然光照度。本文介紹了這些中小學(xué)校采光設(shè)計(jì)中常見的天花形式，并嘗試總結(jié)其特點(diǎn)及適用范圍。

圖1 廣州華陽小學(xué)教室照度實(shí)測情況Fig.1 The illuminance of Guangzhou HuaYang Elementary School

1 教室主要天花類型及案例

1.1 平頂型天花

平頂型天花是將結(jié)構(gòu)梁藏在天花板內(nèi)，由于沒有結(jié)構(gòu)的阻礙，結(jié)合側(cè)窗反光板能將更多光線反射到室內(nèi)深處(圖2)。

圖2 平頂型天花簡圖Fig.2 Flat ceiling drawing

美國BOORA建筑事務(wù)所2002年設(shè)計(jì)完成的達(dá)拉斯中學(xué)就采用了斜樓板和平頂型天花結(jié)合的采光設(shè)計(jì)手法。達(dá)拉斯中學(xué)位于美國北部俄勒岡州，是獲得美國LEED認(rèn)證金獎(jiǎng)的學(xué)校建筑。教室單元采用內(nèi)廊式的布局方式，為了解決教室室內(nèi)遠(yuǎn)窗處的照度不足的問題，設(shè)計(jì)師在遠(yuǎn)窗處增加導(dǎo)光管，而教室斜樓板與平頂天花結(jié)合的形式，能夠很好地將導(dǎo)光管隱藏在天花中。同時(shí)側(cè)窗上設(shè)置的反光板不僅能夠遮擋一部分直射光，還能將折射的光線通過光滑的天花傳遞到教室的更深處，也使室內(nèi)光線更加均勻(圖3、圖4)。

圖3 反光板結(jié)合導(dǎo)光管的采光設(shè)計(jì) (來源《Designing the sustainable school》)Fig.3 Reflector board combined with the light guide tube

圖4 教室單元室內(nèi)實(shí)景圖Fig.4 The classroom of the Dalles Middle Scool

這種平頂型天花通常與斜樓板和導(dǎo)光管結(jié)合，適合于內(nèi)廊式單邊開窗的單層或多層教室，適用范圍較廣。且由于其對建筑高度要求不高，也可應(yīng)用于已經(jīng)建成的老學(xué)校的采光設(shè)計(jì)的更新。但其教室深處需要導(dǎo)光管補(bǔ)充照明，而光線在導(dǎo)光管內(nèi)有一定的衰減，故可應(yīng)用的課室層數(shù)有限制。

1.2 斜板型天花

斜板型天花比較常見，天花板形式一般是由靠窗一側(cè)向教室內(nèi)部傾斜，有利于促進(jìn)自然光線反射至教室深處(圖5)。這種天花形式對較低仰角的太陽光線作用較大，也可配合反光板增加采光效果。除此之外，這種斜板式天花要求外窗的上邊緣位置較高以確保光線能夠首先照射到天花板再進(jìn)行擴(kuò)散。

圖5 斜板型天花板簡圖Fig.5 Sloping ceiling drawing

美國克羅斯頓合作建筑事務(wù)所(Croxton Collaborative Architects)2003年設(shè)計(jì)完成的佛羅里大學(xué)工程學(xué)院瑞克爾(Rinker Hall)大樓的教室就采用了這種斜板型天花。佛羅里達(dá)大學(xué)位于佛羅里達(dá)州蓋恩斯維爾市，屬于亞熱帶濕潤氣候。瑞克爾大樓與傳統(tǒng)教學(xué)樓不同的是建筑并不是南北朝向而是東西朝向。原因是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算機(jī)建模以及實(shí)地建造經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在蓋恩斯維爾市極端的地理位置(29°，41′N)上，傳統(tǒng)南北向的建筑對于低于75°仰角的自然光線接受較少，陽光射入建筑深處的機(jī)會較低。瑞克爾大樓采用東西朝向的布局，以及斜板型天花與優(yōu)化后的百頁窗結(jié)合的采光設(shè)計(jì)能夠較好地利用低角度太陽光，增加室內(nèi)光線的進(jìn)入量，并且?guī)缀鯖]有眩光現(xiàn)象的發(fā)生(圖6)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量的研究分析，證明瑞克爾大樓教室的采光設(shè)計(jì)增加了30%光照量，且低角度光線的增加量達(dá)到了48%。此外，在該設(shè)計(jì)中斜板式天花的最低點(diǎn)位于講臺處，形成的拱腹降低了講臺處的照度，有利于課堂多媒體教學(xué)(圖7)。

圖6 斜板式結(jié)合反光百葉的采光設(shè)計(jì) (來源：http://www.croxtoncollaborative.com/)Fig.6 Sloping ceiling combined with shuttered windows

圖7 瑞克爾大樓教室內(nèi)剖面圖 (來源：http://www.croxtoncollaborative.com/)Fig.7 Classroom section of the Rinker Hall

這種斜板型天花能夠有效地利用低角度陽光，增加教室深處的進(jìn)光量。但由于天花板傾斜角度較大，對教室的層高有一定要求，否則盡頭處會過于壓抑。同時(shí)，由于天花板傾斜方向的暗示性，適用于黑板面對外窗的教室。

1.3 V形天花

V形天花的形狀如字母“V”一樣，有一個(gè)最低點(diǎn)和兩條不同方向的折邊(圖8)。這種天花一般結(jié)合側(cè)窗的反光板設(shè)置，相對于沒有裝修的平頂天花來說，這種天花能夠?qū)⒏喙饩€反射到教室深處。

圖8 V形天花簡圖Fig.8 “V” style ceiling drawing

2002年建成的克拉克馬斯高中位于美國俄勒岡州的克拉克馬斯，這是美國的第一所LEED中學(xué)。這所中學(xué)同樣是由美國BOORA建筑事務(wù)所設(shè)計(jì)完成的。克拉克馬斯高中的教學(xué)樓為南北向的內(nèi)廊式布局，建筑師為了加強(qiáng)雙面采光的效果，在走廊的屋頂上設(shè)計(jì)了長條形的天窗(圖9)。同時(shí)設(shè)置一個(gè)貫穿窗戶內(nèi)外的擋光板構(gòu)件將教學(xué)樓南側(cè)的窗戶分為高側(cè)窗和觀景窗兩個(gè)部分。如剖面分析圖所示(圖10)，直射的太陽光通過反光板的反射進(jìn)入室內(nèi)，再經(jīng)過V形天花的反射到達(dá)教室的更深處，使室內(nèi)充滿均勻的漫射光(圖11)。

這種V形天花結(jié)合反光板的采光設(shè)計(jì)適用范圍廣泛，但對于建筑層高有一定要求。

圖9 克拉克馬斯教學(xué)樓走廊屋頂天窗 (來源：http//www.boora.com/)Fig.9 Roof monitors on the corridor of the Clackamas High School

圖10 克拉克馬斯教學(xué)樓剖面圖(來源：http://www.boora.com)Fig.10 Academic building section of Clackamas High School

圖11 克拉克馬斯高中教室室內(nèi)實(shí)景圖 (來源：http://www.boora.com)Fig.11 Classroom of Clackamas High School

1.4 倒V形天花

倒V形天花板如同倒寫的“V”字母，有一個(gè)最高點(diǎn)和兩個(gè)不同方向的折邊，可以節(jié)省高度空間(圖12)。結(jié)合反光板使用同樣可以達(dá)到將光線引入室內(nèi)深處的作用。

美國BOORA事務(wù)所2008年設(shè)計(jì)建成的斯坦福大學(xué)的環(huán)境和能源(Y2B2)大樓中就運(yùn)用了這種倒V形天花與反光板結(jié)合的采光方式。斯坦福大學(xué)位于美國加利福尼亞州，該地區(qū)為亞熱帶地中海氣候，冬暖夏涼，全年陽光充足。為了加強(qiáng)教室的雙面采光效果，設(shè)計(jì)師在教室單元間增加中庭空間,且教室的南面面向中庭的部分做退臺處理，能夠更加有效地利用自然光。這樣做不僅增加了各樓層陽光的進(jìn)入量，也有利于將光線反射到低樓層。教室北面設(shè)置反光板不僅能兼做遮陽板阻擋夏季大部分的直射光線，還能在冬季將更多的陽光反射到室內(nèi)(圖13)。倒V形天花和反光板的結(jié)合為斯坦福Y2B2大樓教室?guī)砹司鶆虺渥愕淖匀还狻?/p>

這種倒V形天花結(jié)合反光板的采光設(shè)計(jì)適合于雙側(cè)采光的單層或多層教室，并且其對建筑高度要求較低。由于天花板特殊的倒V形，低角度的陽光易被反射到空間中部，降低了兩側(cè)窗與教室中部的照度差。

圖12 倒V形天花簡圖Fig.12 Inverted “V” styleceiling drawing

圖13 Y2B2大樓剖面分析圖(來源：http://www.boora.com)Fig.13 Y2B2 building sectional drawing

1.5 復(fù)合型天花

復(fù)合型天花是多種天花結(jié)合在一起的天花板形式，同樣是裝修后期加入，不影響建筑的原本結(jié)構(gòu)形式(圖14)。復(fù)合型天花板能夠一定程度上彌補(bǔ)單一天花類型的不足。

圖14 復(fù)合型天花簡圖Fig.14 Compound ceiling drawing

美國RB+B建筑事務(wù)所2012年設(shè)計(jì)完成的奧羅拉山中學(xué)位于美國科羅拉多州丹佛市。當(dāng)?shù)貧夂驗(yàn)榇箨懶园敫珊禋夂颍湎臒幔觋柟獬渥恪W羅拉山中學(xué)教學(xué)樓為南北向內(nèi)廊式布局，為了解決教室室內(nèi)遠(yuǎn)窗處照度不足的問題，設(shè)計(jì)師采用了一種復(fù)合型天花板：天花近窗處為斜板式天花，遠(yuǎn)窗處類似于倒V形天花。這種天花板結(jié)合了兩種天花形式的優(yōu)點(diǎn)，有利于將引入的陽光反射到教室深處，能夠平衡遠(yuǎn)窗處與近窗處的照度差(圖15)。

這種復(fù)合型天花一定程度上解決了斜板式天花對室內(nèi)層高要求較高的問題，但同時(shí)也增加了建造的難度。

圖15 奧羅拉山中學(xué)教室實(shí)景圖 (來源：http://www.rbbarchitects.com)Fig.15 Classroom of the Aurora Hills Middle School

2 不同天花形式的模擬研究

由于上述國外案例分別位于美國不同的氣候區(qū)，為了驗(yàn)證天花在我國嶺南地區(qū)的亞熱帶濕熱氣候下對增強(qiáng)側(cè)窗采光的實(shí)際效果，筆者嘗試對其中的幾種天花形式進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。

首先，選用嶺南地區(qū)常見的沒有設(shè)計(jì)天花的雙側(cè)窗采光教室單元為原型對照模型(圖16、圖17)：窗地比為2.7/10，墻面及頂棚為墻面抹灰，側(cè)窗為普通單層玻璃，并在教室南面?zhèn)却霸黾臃垂獍澹垂獍鍨殇X制金屬材質(zhì)。同時(shí)在梁架下附加天花結(jié)構(gòu)，在保證凈高的情況下，分別形成V形天花、斜板型天花、倒V天花以及平頂天花四個(gè)衍生教室單元模型(圖18～圖21)。假設(shè)采用RADIANCE分別模擬廣州全陰天、春分日晴天、夏至日晴天、冬至日晴天(均為早上十點(diǎn))各模型的采光情況。模擬計(jì)算中，運(yùn)用控制變量法，保證各個(gè)計(jì)算模型設(shè)定環(huán)境以及建筑參數(shù)相同。

圖16 原型教室平面圖Fig.16 Prototype classroom plan

圖17 無天花的原型教室剖面圖Fig.17 Prototype classroom section without ceiling

圖18 V形天花教室剖面圖Fig.18 “V” style ceiling section

圖19 斜板型天花教室剖面圖Fig.19 Sloping ceiling section

由各教室單元在全陰天、春分日、夏至日、秋分日的平面照度彩線圖(圖22)我們可以看出，增加天花的教室室內(nèi)光線照度均有所提升。此外，筆者還在各個(gè)模型室內(nèi)從南到北設(shè)置九個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)(圖23)來分析室內(nèi)的照度變化。各教室單元在全陰天、春分日、夏至日、秋分日以及冬至日的照度折線圖如表1所示。

圖20 倒V形天花教室剖面圖Fig.20 Inverted “V” style ceiling section

圖21 平頂型天花教室剖面圖Fig.21 Flat ceiling section

圖22 各教室單元在全陰天、春分日、夏至日、秋分日的平面照度彩線圖

Fig.22 The illuminance diagrams in the cloudy day，Vernal Equinox、Summer solstice，Autumnal equinox

通過上述的計(jì)算機(jī)模擬，筆者發(fā)現(xiàn)在上述條件下，增設(shè)這幾種天花后的教室內(nèi)的照度均比原型提

高了200 lx左右，在不同的氣候條件下每種天花形式各有其優(yōu)點(diǎn)。但是值得注意的是，影響室內(nèi)采光效果的因素比較多，不同氣候區(qū)、采光口的位置、大小以及教室尺寸等都會對最后的采光效果產(chǎn)生影響。天花板形式對整體采光效果不能夠起到?jīng)Q定性因素，但其對于幫助自然光在室內(nèi)擴(kuò)散，增加自然光照度及均勻度仍有一定的作用，特別是若與側(cè)窗反光板結(jié)合能夠起到較好的效果。

3 結(jié)語

我國目前學(xué)校建筑普遍沒有對天花進(jìn)行額外的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)梁板通常直接裸露，平行設(shè)置的橫梁使天花表面形成一個(gè)個(gè)“深井”，不能對自然光線產(chǎn)生引導(dǎo)作用，甚至?xí)璧K一部分光線的折射，不利于自然光在室內(nèi)擴(kuò)散。且由于結(jié)構(gòu)梁直接暴露，室內(nèi)也不甚美觀。而上述案例在學(xué)校建筑設(shè)計(jì)中，為教室增設(shè)不同類型的天花，與側(cè)窗和反光板結(jié)合以增強(qiáng)采光效果。計(jì)算機(jī)模擬證實(shí)無論是上述哪一種天花形式，相較于沒有增設(shè)天花的普通教室，自然光照度均有一定提高。這為我們未來的設(shè)計(jì)實(shí)踐提供了新的思路：針對不同的教室單元布局，如內(nèi)廊式教室、外廊式教室，以及單側(cè)與雙側(cè)采光教室，若選用合適的天花類型能夠增強(qiáng)側(cè)窗的采光效果，提高自然光照度和均勻度。但值得注意的是，天花對于照度的影響還比較有限，在我們進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮建筑的整體采光設(shè)計(jì)，創(chuàng)造良好的室內(nèi)光環(huán)境。

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Research on the Forms of Ceilings for Enhancing Daylighting of Side Windows of Classrooms

WANG Mengrui

(SchoolofArchitecture,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

Large numbers of studies illustrated that daylighting is conducive to adolescents’ health. But the illumination in many classrooms is insufficient and uneven in China. The paper introduces some researches on newly daylighting design casesof the USA in the recent years, as well as the cases of that different forms of ceilings can enhance the intensity of illumination and create a good lighting environment for classrooms.The paper summarizes five common forms of ceilings, and simulates different types of ceiling by RADIANCE.The paper tries to find out the influence of ceiling for the daylighting classrooms. The research offers a new direction for our daylighting design of classrooms.

ceilings; daylighting; classroom; school buildings

國家自然科學(xué)基金(51478186)

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.019