京津地區高校體育館建筑采光典型模型研究

楊 笛，張明宇，韓國帥

(天津大學天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

京津地區高校體育館建筑采光典型模型研究

楊 笛，張明宇，韓國帥

(天津大學天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

本文面向中小型高校體育館采光照明設計領域，調研顯示，應用層面現狀不容樂觀。基于國內規范標準、相關論文及研究和實地調研數據，提出京津地區高校體育館典型建筑模型，為新技術的評估，設計階段的優化，分析及優化控制策略，相關標準和規范的編制，學術研究等研究和實踐基礎支撐。最后，借助Ecotect，Radiance和Evalglare軟件，對典型模型進行簡要評價。

體育館；采光；典型模型

引言

高校體育館因其數量眾多、覆蓋面廣、運營和維護都較為完善，已經成為城市體育基礎設施建設中的中堅力量。優秀的比賽廳光環境設計能夠顯著提升運動員和觀眾的使用體驗，降低建筑能耗，同時天然光還可以提升運動人群的身體機能和反應、判斷力。

典型建筑模型隨著建筑節能的提出和發展而發展。它的作用主要是評估新的節能技術、優化設計、分析先進的控制方案、制定節能標準和進行照明、通風、室內環境等研究。值得注意的是，它不是用來反映某些特定建筑的情況，而是代表一類建筑，因此是該類建筑各種節能研究的一致出發點。

1 典型建筑模型

美國能源部(DOE)(2011)聯合美國國家可再生能源中心、西北太平洋國家實驗室和勞倫斯伯克利國家實驗室，發布其典型商業建筑模型。該模型綜合了15類商業建筑和一類居住建筑，能夠代表2/3以上的美國商業建筑[1]。這一模型涵蓋了四個大項28個小項的參數信息，成為后來眾多能耗模擬軟件重要的數據基礎。

在光學模擬方面，勞倫斯伯克利實驗室開發的專業計算機光學模擬軟件Radiance是目前國際公認的能夠較為精確地模擬室內天然光的光學模擬軟件。在這一平臺進行光環境預測，需要首先建立合適的天然采光數字模型，包括建筑形態布局以及相關參數。

模型參數的來源有三類，包括標準、相關論文及研究和實地調研數據。本文選擇京津地區高校體育館比賽廳作為研究載體，通過對京津地區大量建成高校體育館的實際調研，對體育館建筑的使用情況、平面功能設計、剖面空間形式和立面采光口設計、室內建筑材質和室內光環境指標等進行了重點調查研究。通過多個方面的量化分析表格，概括京津地區高校體育館的建筑模型。

本文主要討論京津地區典型高校體育館建筑模式。首先，針對通用采光照明模擬軟件的模擬環境，對實際建筑進行簡化，歸納適合模擬天然采光的數字模型。其次，結合設計規范和已有學術研究，對模擬中關鍵參數的設定給出推薦。

2 實地調研和現狀分析

2.1實測選點依據

本文為國家自然基金項目《基于多目標優化分析的學校體育館天然采光設計理論研究》的前期調研部分，研究范圍選在基金項目中設定的京津地區。一方面因為京津地區高校分布密集，綜合型院校和專業型院校均有涵蓋，高校數量和層次豐富度居全國之首，具有較強的代表性。另一方面，按照室外天然光年平均總照度值劃分，京津地區屬于Ⅲ類光氣候區。Ⅲ類光氣候區的室外天然光照度不需要分區系數K值修正(即K值為1)，較其他分區更具有代表性。

2.2測試內容和測試方法

2.2.1 測試內容

時間：選擇當天太陽光最穩定的時間段10:00—14:00；

指標：室內、室外的水平照度、場地內工作面照度、地面照度。

2.2.2 測試方法

測量儀器：照度計(動態范圍：0.01～10 000 lx、0.1～100 000 lx)、測距儀(Leica Disto D5)；

本文室內光環境采光測試方法根據《采光測量方法》(GB/T 5699—2008)制定：

1)根據建筑柱網跨度，間隔3 m或4 m均勻布點，活動場地區域及場地周圍，距離場地周圍墻面1 m；

2)工作面照度選取距離地面0.8 m高度；

3)室外照度和室內照度同時進行測量；

4)測點距離墻、柱為0.5～1.0 m，建筑采光方式為單側采光時應在距離內墻1 m處設置一測點，雙側采光時應在橫剖面中間設置一個測點。

2.2.3 注意事項

1)摒除人工光的干擾，在只利用天然光的條件下進行現場調研；

2)在維持場地采光口常態(有些采光口長期處于遮蔽狀態，調研時不改變采光口的遮蔽狀態)的情況下進行調研，并對采光口遮蔽情況進行記錄。

2.3數據分析與評價

2.3.1 調研數據

形體設計與采光效果調研數據見表1。

表1 形體設計與采光效果實測數據

2.3.2 評價參數

采光效果的評價參數可以分為兩類，照度和采光系數等用于表征采光數量，照度均勻度等表征采光質量。按照高校體育館使用類型，體育館場地屬于采光等級Ⅳ級[2]。在《建筑采光設計標準》(GB 50033—2013)中對室內天然光照度、采光系數和照度均勻度做了如表2所示規定[3]。

表2 體育館采光設計標準

2.3.3 采光現狀分析

圖1為調研中九座體育館的室內天然光照度情況。除了首都師范大學體育館(30.62 lx)、天津工業大學體育館(52.01 lx)不滿足照度水平要求之外，其他七座體育館均滿足標準要求。

圖1 高校體育館照度平均值Fig.1 Average illuminance of tested gymnasium

體育館的采光系數如圖2所示。側窗采光的南開大學體育館(0.79%)，天窗采光的首都師范大學體育館(0.58%)和天津工業大學體育館(0.16%)均不符合規范要求。

圖2 高校體育館采光系數平均值Fig.2 Average lighting coefficient of tested gymnasium

照度均勻度如圖3所示。南開大學體育館照度均勻度為0.39，天津理工大學訓練館均勻度為0.41，天津師范大學訓練館均勻度為0.09，北京師范大學體育館均勻度為0.25，首都師范大學體育館均勻度為0.24和天津工業大學訓練館均勻度為0.16，均未達到0.5的均勻度要求。

圖3 高校體育館照度均勻度Fig.3 Uniformity ratio of illuminance of tested gymnasium

在調研的九座高效體育館中，八座都存在不同程度的不達標情況。值得注意的是，在采光數量和采光質量之間，常常出現顧此失彼的現象。例如，照度平均值(2 424.46 lx)和采光系數(6.42%)最高的天津師范大學訓練館，均勻度(0.09)卻最低；均勻度(0.80)表現出色的天津工業大學體育館，照度平均值(52.01 lx)和采光系數(0.16%)卻嚴重不滿足要求。體育館天然光環境急需改善。

3 高校體育館采光模型的建立

3.1建立目的與適用范圍

作為較為特殊的綜合體育館，高校體育館也有區別于其他社會型體育館的獨特特征。調研顯示，場館主要作為全校師生體育上課、日常訓練和社會健身的場所，其次用作比賽場地。同時37%的場館還兼具文藝、集會的功能，用于承辦學校重要活動，見表1。結合建筑設計[4]，因而從功能角度出發，高校體育館典型模型須滿足以下要求：

1)以教學活動為主；

2)容納常見比賽項目；

3)場地滿足日常訓練和體育教學的需求；

4)能夠兼顧對視聽條件要求不嚴格的集會活動，如會議、演出、展覽等。

這一模型應能夠代表京津地區70%～75%的中小型高校體育館，具備一定的代表性。另外的25%，由于其特殊性，不能夠涵蓋在本模型中。但其模型的搭建可以有選擇地參考本模型參數。其次，本模型僅就京津地區高校體育館進行探討，相關參數及權重系數尚不能涵蓋全國。

3.2典型模型參數選取

3.2.1 參數來源

典型模型是由一系列對采光效果至關重要的參數組成的。從計算方法中溯源，可以詳盡找出設計中所需的關鍵參數[5]。

在GB 50033—2013中，側窗采光室內平均照度En計算公式為

天窗采光室內平均照度En計算公式為

其中，利用系數(CU)是由頂棚反射比(ρp)、墻面反射比(ρq)和室空間比(RCR)決定。而室空間比RCR的計算方法為

式中Ew為室外照度；Ac為窗洞口面積；Az為室內表面總面積，是頂棚、墻面、地面、窗洞口的表面積(Ap，Aq，Ad，Ac)的總和；τ為窗戶總透射比，由采光材料透射比(τ0)、窗結構的擋光折減系數τc、和窗玻璃污染折減系數(τw)決定；ρj為室內各表面反射比的加權平均值；θ為側窗中心點計算的垂直可見天空的角度值；Ac/Ad為窗地比；h為天窗下沿距參考平面的高度；b為房間進深；l為房間長度。

從式(1)、式(2)、式(3)中可以看出，照度由18個參數決定。這些參數相互影響，錯綜復雜。它們之間的制約關系可以用圖4表示。歸因溯源可以發現，從根本上來說，照度由7個參數決定，分別是θ、Ew、ρp,q,d、h、b、l和窗設計。

圖4 室內照度參數歸因Fig.4 Daylighting parameter attribution

3.2.2 參數梳理

根據設計流程，將這7個參數分為四個大類。下面針對體育館典型模型建立的目標，對這些參數進行梳理。

1)環境參數。具體體現在室外照度和環境遮擋兩方面。室外照度受地區、日期、天氣等影響顯著。環境遮擋方面，出于安全疏散考慮，體育館一般被廣場或較寬道路環繞，遮擋較少，可以認為θ是90°；

2)室內空間尺寸。包括空間長、寬、高。注意，公式中的h指的是天窗下沿距參考平面的高度，但在體育館中，參考平面為地面，這一參數可以認為是室內高度。空間長、寬和高進而又影響了窗地比、室空間比等中間參數。

調研結果證明了，這些參數對照明效果影響顯著。用Pearson相關性指標檢查它們對采光效果的影響程度，通常按絕對值在以下數值范圍判斷變量的相關程度：相關系數在0.8～1.0為極強相關；0.6～0.8為強相關；0.4～0.6為中等程度相關；0.2～0.4為弱相關；0.0～0.2為極弱相關或無相關。正值和負值分別代表正相關和負相關。結果見表3。照度平均值與空間高度(-0.749)及窗地比(0.624)之間存在強相關關系。采光系數與空間高度(-0.435)及窗地比(0.521)也存在中等程度的相關關系。照度均勻度與五項參數均呈現出中等即以上相關性，與寬度(0.804)和室空間比(-0.838)甚至顯示出極強的相關關系。

表3 室內空間尺寸和采光評價參數的相關性分析

注：室空間比只包括天窗采光的體育館

3)室內反射系數。是頂棚、墻面、地面、窗洞口的光反射比(ρp，ρq，ρd，ρc)和表面積(Ap，Aq，Ad，Ac)的函數。

4)窗設計參數。涵蓋采光方式、窗戶位置、形式、尺寸、窗玻璃以及窗框的設計等眾多方面，靈活多變，是采光研究和實踐基礎的核心部分。不應該在基礎模型階段就直接限定。

綜上所述，典型建筑模型應該包括環境參數、室內空間和反射系數三大類共6項參數。

3.3設計參數選取

3.3.1 環境參數

如前文所述，按照《建筑采光設計標準》(GB 50033—2013)中對全國光氣候分區的劃分，京津地區處于我國光氣候分區中的Ⅲ區。光氣候系數K值為1.00；室外天然光設計照度值為15 000 lx，高于時認為完全利用太陽光，設計照度的天然光利用時數3 154 h；室外照度臨界值為5 000 lx，低于該值時認為完全采用人工照明，臨界照度的天然光利用時數為3 909 h；在室外設計照度和室外臨界照度之間，認為平均開啟一半照明，采光依附系數視為0.5，這段時間稱為部分利用天然光時數，為717 h[3]。

3.3.2 比賽廳平面形態

調研中，如表4所示，75%的體育場選用了矩形平面。一般的高校訓練館也都采用這種簡單的平面形式，可以適應大多數的比賽訓練項目訓練和日常上課要求，因此是高校訓練館中最為典型的平面形式。

表4 體育場平面形態

從平面上劃分，比賽廳分為總賽區和觀眾看臺。在體育場所照明中，總賽區指的是比賽場地和比賽中規定的無障礙區。

調研中，72%的體育館由總賽區和看臺組成。體館場地大小的設計一般都參考各類運動項目的尺寸，而文藝演出舞臺、集會等功能對場地的規模要求，并沒有特殊的數據要求。同時，比賽場地占地面積一般會超過文藝匯演、集會等尺寸要求。高校體育館的運動項目比較統一，多為羽毛球和籃球場地，因此其比賽場地可歸納為矩形，且短邊尺寸接近，在36 m左右。中小型體育館常見尺寸為40 m×70 m。適用于2 000～6 000座規模之間的高校體育館，適用于觀眾席三面布置、兩面布置、單面布置。這種尺寸可以布置訓練場如：2個籃球場(網球場、排球場)、10個羽毛球場等，如圖5所示。

圖5 基本尺寸布置示意Fig.5 An example of suggested gym plan layout

3.3.3 剖面形態

1)空間高度。訓練館活動場地的高度應由運動項目的訓練需要決定，無比賽要求的多功能訓練場地凈高宜選擇10～12.5 m，可以適應大多數的運動項目訓練要求。如中國礦業大學(北京)體育館室內凈高12 m，滿足了該館作為籃球和羽毛球訓練館的使用功能。

另外，體育館建筑設計根據不同的比賽項目對于比賽廳凈高的要求各不相同。根據《體育建筑設計規范》(JGJ 31—2003)中的相關規定[2]，訓練館室內凈高不低于10 m，由于室內籃球場的室內凈高設計要求為12 m，室內羽毛球場的室內凈高設計要求為9 m，預留兩米的結構高度1 m，所以無看臺要求的訓練館的建筑高度確定為13 m。

2)頂棚形式。在實際調研過程中，高校體育館建筑比賽廳屋頂最常見類型的是水平型，少量為曲面型和側傾型。曲面型屋頂形式是指比賽廳上空屋頂趨勢垂直相對于比賽場地，有上凸式和下凹式，導致這種原因一般是對體育館建筑造型設計的追求。傾斜型屋頂會形成活動場地上空一邊高一邊低的空間形式，在進行比賽活動時，會對運動員的視線引導產生一定的干擾，所以這類屋頂形式適用于平面較小、規格較低的比賽訓練場地。

水平型屋頂形式是最常見的一種屋頂形式，在高校體育館中應用最為廣泛。這種屋頂形式因為與比賽場地平行，在進行體育活動觀看時，不會影響比賽場地對觀眾的視線引導。

3.3.4 室內材質

調研中，體育館室內飾面材料較為統一。頂棚為混凝土及鋼結構(反射比0.20)，墻面為大白粉刷(反射比0.75)。45%的場館地面選用淺色木地板(反射比為0.58)，45%的場館為綠色PVC運動地板(反射比0.3)，見表5。根據GB 50033—2013《建筑采光設計標準》中的相關規定[3]，將室內—除地板外各種材料的反射比均按較不利的情況考慮。

表5 相關表面采光物理特性

3.4 典型模型確定

依據上述調研及分析結果，可以基本確定典型模型的基本信息如下：

表6 典型模型相關參數

4 典型模型評價

在Ecotect中建立體育館采光模型，并用Desktop Radiance對模型的采光質量進行分析。

建筑模型位于北京，時間選在夏至日正午12時。如前文所述，室外天然光環境為CIE標準全陰天。空間平面為70 m×40 m矩形，總賽區為36 m×40 m矩形，兩側設有看臺。屋頂為水平型屋頂，空間高度13 m。總賽區設置天窗，布置如圖6所示，窗地比為0.09。

通過Radiance軟件模擬，得到在標準CIE全陰天下，以地面作為參照面的采光模擬結果，如圖7所示。照度平均值為1 273.28 lx，大于標準值150 lx；采光系數平均值為2.38%，大于標準值1.0%；均勻度0.59，符合規范要求。

圖6 建筑簡化模型Fig.6 Ecotect model of reference building

圖7 照度偽色圖Fig.7 Pseudo-color image of daylighting illuminance

不舒適眩光指數DGI只能借助模擬軟件計算得到[6]。本文采用Radiance和Evalglare結合的辦法。Evalglare是一款通過HDR圖像計算眩光指數的插件，搭載在Daysim平臺之中。首先，確定受到側窗眩光影響最大的位置，如圖8所示。其次，在Ecotect內，計算點位置距地面1.65 m處建立180°魚眼攝像機，表征觀察者視野。設定時間為夏至日正午。通過Radiance渲染得到HDR圖像[7]，如圖9所示。最后，使用Evalglare對HDR圖像進行計算，得到觀察點DGI值為17，并未超過限值27。Evalglare用高飽和度的顏色指示了眩光位置，如圖10所示。

圖8 觀察點位置圖Fig.8 Layout of gymnasium plan

圖9 觀察點視野圖Fig.9 Fish eye shot from view point

圖10 眩光點示意圖Fig.10 Glare area of fish eye view

5 總結

本文面向中小型高校體育館采光照明設計領域。首先調研了高校體育館天然光采光現狀，形勢不容樂觀。其次分析了體育館設計中基礎參數和采光效果之間的相關關系，肯定了建筑空間形態對采光效果的關鍵性影響。之后，基于國內規范標準、相關論文及研究和實地調研數據，提出京津地區高校體育館典型建筑模型空間平面為矩形70 m×40 m的平面尺寸，總賽區為36 m×40 m，空間高度13 m，兩側設有看臺，屋頂為水平型屋頂，側窗采光，并對室內表面材質做了明確界定。最后，借助Ecotect，Radiance和Evalglare軟件，對這一模型進行簡要評價。

本文提出的高校體育館典型建筑模型為體育場采光設計的基礎階段研究，將為新技術的評估，設計階段的優化，分析及優化控制策略，相關標準和規范的編制，學術研究等研究和實踐基礎支撐。

[1] MICHAEL Deru, KRISTIN Field, DANIEL Studer, et al. U.S. Department of Energy commercial reference building models of the national building stock[R]. Oak Ridge: NREL,2011.

[2] 體育建筑設計規范:JGJ 31—2003[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2003.

[3] 建筑采光設計標準:GB 50033—2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[4] 建筑設計資料集(2版)[M].北京：中國建筑工業出版社，1995.

[5] ZHAO Yang, MEI Hongyuan. Dynamic simulation and analysis of daylighting factors for gymnasiums in mid-latitude China[J]. Building and Environment. 2016, 63:56-68.

[6] HOPKINSON R G. Glare from daylighting in buildings[J]. Applied Ergonomics, 1972, 3(4):206-215.

[7] WIENOLD J, CHRISTOERSEN J. Evaluation methods and development of a new glare prediction model for daylight environments with the use of CCD cameras[J]. Energy and Buildings. 2006, 38(7):743-757.

ReferenceBuildingModelforSchoolGymnasiumDaylightinginBeijing-TianjinRegion

YANG Di, ZHANG Mingyu, HAN Guoshuai
(KeyLaboratoryofArchitecturalPhysicsandEnvironmentalTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072，China)

This paper proposed a reference building model for school gymnasium in Beijing-Tianjin region. Some of the input parameters for the building model came from previous studies and national standard, while others were determined from survey data analyses in Beijing and Tianjin. The model showed good daylighting qualities through brief examination with the help of Ecotect, Radiance and Evalglare. The model was designed to be used in further researches to assess new technologies, optimize designs, analyze advanced controls, develop energy codes and standards, and to conduct lighting and daylighting studies.

gymnasium; daylighting; reference model

TU113

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.025

國家自然科學基金項目《基于多目標優化分析的學校體育館天然采光設計理論研究》(項目批準號：51578368)