基于自然采光模擬的建筑平面設計優化分析

許浩天，石團團 ，沈念俊

（安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230032）

1 概述

自然采光是指通過合理布局建筑內部空間及設計圍護結構透光部分（門、窗等）比例來讓建筑獲得自然光線的方法。自然采光良好的建筑，可以節約照明用電，同時保證人居舒適度；不分時間的一律采用人工照明，不僅不節能，對人的身心健康也會產生不利影響。

在超高層辦公建筑中，往往由于核心筒的存在，建筑平面內區的自然采光不夠理想，為解決此問題，就需要對其進行優化設計。在優化設計中，通過對自然采光的多次模擬分析，研究其采光系數及采光系數達標面積的變化，可以有效的使建筑平面往更好的方向進化。

本文以合肥市某超高層辦公建筑為例，介紹其標準層平面通過自然采光模擬進行優化的過程。該建筑總建筑面積123644.93m2，其中，地上建筑面積105738.58m2，地下建筑面積 17906.35m2，地上 32層，核心筒結構。建筑1層為商鋪，層高5.9m；2層以上為辦公，層高4.5m；其中11層和22層為避難層，層高3.7m。建筑總高度143.8m。

2 建筑采光相關要求

2.1 采光系數要求

《建筑采光設計標準》（GB 50033-2013）關于辦公建筑室內采光標準值的基本規定見表1[1]。

辦公建筑的采光系數及室內天然光照度標準值 表1

光氣候系數：本建筑所在的合肥市，處于IV級光氣候區。

光氣候系數K=1.10

室外天然光設計照度值Es=13500.0lx

光氣候系數K值 表2

由上述可以得出，本建筑的采光系數要求如表3。

辦公建筑側面及頂部采光系數標準值 表3

2.2 綠色建筑對采光的要求

《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2014）中對建筑采光的相關要求有以下幾點[2]。

“8.2.5 建筑主要功能房間具有良好的戶外視野，評價分值為3分。對居住建筑，其與相鄰建筑的直接間距超過18m；對公共建筑，其主要功能房間能通過外窗看到室外自然景觀，無明顯視線干擾。”

“8.2.6 主要功能房間的采光系數滿足現行國家標準《建筑采光設計標準》（GB 50033）的要求，評價總分值為8分，并按下列規則評分。

①居住建筑：臥室、起居室的窗地面積比達到1/6，得 6分；達到1/5，得 8分。

②公共建筑：根據主要功能房間采光系數滿足現行國家標準《建筑采光設計標準》（GB 50033）要求的面積比例，按表8.2.6的規則評分，最高得8分。”

公共建筑主要功能房間采光評分規則 表4

“8.2.7 改善建筑室內天然采光效果，評價總分值為14分，并按下列規則分別評分并累計。

①主要功能房間有合理的控制眩光措施，得6分；

②內區采光系數滿足采光要求的面積比例達到60%，得4分；

③根據地下空間平均采光系數不小于0.5%的面積與首層地下室面積的比例，按表8.2.7的規則評分，最高得4分。”

地下空間采光評分規則 表5

3 建筑模型的建立

3.1 基本信息

城市：合肥（北緯 31.8。

7,東經 117.23。）

光氣候區：IV區

建筑分類：公共建筑（辦公）

建筑周邊遮擋：無

朝向：南向

體形系數：0.09

建筑面積（地上）：105738.58m2

建筑層數：32

建筑物高度：143.80m

3.2 原理概要

依據《建筑采光設計標準》（GB 50033-2013），采光系數一般針對全陰天模型進行計算，全陰天就是天空完全由云層遮蔽的狀態，這時的室外天然光全部視作天空擴散光，因此天空亮度的分布就會較為穩定，天頂亮度大約是地平線亮度的3倍。

在建筑室內，參考平面上的點，其采光系數可按以下公式計算。

全樓外窗（含透光幕墻）、外墻面積表 表6

圖1 建筑軸測圖模型

式中：

En——全陰天模型下的建筑室內某點由天空漫射光產生的照度值（lx）；

Ew——全陰天模型下與室內某點照度同地點、同時間，在無遮擋的室外水平面上由天空漫射光產生的室外照度值（lx）。

3.3 分析軟件

使用軟件：PKPM自然采光模擬軟件。

計算采光系數時，此軟件使用的是逐點照度模擬計算法。通過對工程模型各房間距地750mm高度處的平面按給定精度劃分為網格，并輸入室內材料、周邊遮擋等對采光產生影響的參數，調用軟件內部嵌入的美國Radiance計算內核，使用蒙特卡洛算法優化的反向光線追蹤算法，對每個網格取一點進行迭代照度計算。將計算出的室內照度值En與室外照度值Ew的比值（百分比）作為該點的采光系數計算值。

3.4 參數設置

天空狀態：全陰天

模擬依據：《建筑采光設計標準》（GB50033-2013）

《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2014）

網格與墻體間距為：200mm

模擬空間網格間距為：540mm

本工程劃分網格數為：13618個

模擬范圍：標準層（位于建筑2層）

室內材料：參考《全國民用建筑工程設計技術措施節能專篇-建筑》表6.3.1的不同材料構造的光學性能參數參考值[3]及《建筑采光設計標準》（GB 50033-2013）中表5.0.4和附錄D進行賦值計算分析。建筑的采光也取決于材料顏色、材質及表面狀況，其決定了光的反射、投射以及吸收性能，模擬時依據工程的實際使用材料進行選值。

4 模擬及優化過程

4.1 第一版平面圖模擬分析

建筑第一版平面圖在內區設置了較多辦公房間，內部兩個中庭面積過小且形狀狹窄，電梯間布置在建筑中間位置，室內采光效果極差，尤其是內區辦公房間。

圖2 第一版標準層平面圖

圖3 第一版標準層采光系數分布圖（2層）

上述采光模擬結果可見，建筑2層采光系數達標面積比例僅16.5%；中庭至接近底層時，采光效果較差，中庭部分采光系數基本在1.5%以下，且電梯兩側的內區辦公房間基本沒有自然光射入，采光效果極差。

4.2 第二版平面圖模擬分析

因上述第一版標準層平面采光模擬結果不佳，故對其進行優化調整，取消了全部內區辦公房間設置，擴大了中庭面積，由此希望能夠改善內區采光，并再次進行模擬分析。

第一版標準層采光系數達標面積比例匯總 表7

圖4 第二版標準層平面圖

圖5 第二版標準層采光系數分布圖（2層）

第二版標準層采光系數達標面積比例匯總 表8

上述采光模擬結果可見，建筑2層采光系數達標面積比例為19.6%，較第一版標準層平面有所提升，但整體達標面積比例依然偏低。

4.3 第三版（最終版）平面圖模擬分析

第二版標準層平面采光模擬結果仍然不佳，再次對其進行優化調整，中庭優化為一個，布置于建筑中間位置，使其形狀不再狹窄，且走廊靠近中庭部分設置外窗，增加走廊自然采光效果，同時，將電梯分散到中庭四角，也可以起到縮短行走流線的作用。

圖6 第三版標準層平面圖

進一步優化平面至第三版后，根據模擬結果，建筑2層采光系數達標面積比例達到了46.62%，此數值較第一版標準層平面提升了1.83倍，采光效果改善明顯；且建筑2層中庭的采光系數提升至3%左右，采光效果亦較好。故采用此版標準層平面作為最終版設計并建設實施。

5 結論

通過對合肥市某超高層辦公樓的標準層平面的自然采光模擬及兩次修改優化，該建筑2層采光系數達標面積比例由第一版標準層的16.5%提升至最終版標準層的46.62%，提升幅度達1.83倍。由此可見，自然采光模擬對超高層辦公建筑的平面圖設計具有十分重要的作用，既是保證其人工環境舒適度的前提，也是其設計過程中進行針對性優化的有力手段。

圖7 第三版標準層采光系數分布圖（2層）

第三版標準層采光系數達標面積比例匯總 表9