導光管與采光天窗在建筑設計過程中的應用辨析

鄭 巖 吳 江

(中國建筑技術集團,北京 100013)

0 引言

我國能源發展戰略行動計劃中提出要堅持“節約、清潔、安全”的戰略方針，重點實施節約優先、立足國內、綠色低碳和創新驅動四大戰略，加快構建清潔、高效、安全、可持續的現代能源體系[1]。回溯近年來建筑業發展，高度不斷增加，地下空間不斷拓展，加之復雜形體的不斷出現，照明作為建筑中主要能耗環節之一，增量明顯，因而節能需求也日益迫切。

照明的節能措施眾多，天然光導光系統是其中與建筑設計本身關系較密切的一種，主要指采用各種光學技術實現改變天然光傳輸方向，進而引導天然光對建筑空間進行照明的系統[2]。采光天窗和導光管系統均屬此類，早期采光天窗應用較為廣泛，近年來導光管系統逐步普及，多被稱為取代前者的一種技術措施。誠然相比前者，導光管系統在相同照明效果下優點眾多，但二者從采光原理到設計手法上均有諸多差異，屬于適用范圍不同而非產品迭代。基于此，本文從建筑設計自身需求出發，談一談兩者的異同以及選用原則。

1 系統原理辨析

1.1 導光管系統

導光管系統工作原理是通過采光罩采集自然光線，經過導光管傳輸后，由漫射裝置把自然光線照射到室內需要的地方，如圖1所示。系統由屋面采光罩、防雨裝置、導光管和室內漫射器四部分組成[3]。目前廣泛應用于地下室、大進深公共建筑等空間。

導光管系統利用自然光，光源穩定顯色性好，節約能源，并隔絕紫外線和紅外線的不利影響。導光管傳輸效率高，材料全反射率達99.9%，傳輸距離最大可達20 m，還可以改變光照方向；室內照度均勻，無眩光與頻閃。

1.2 采光天窗系統

采光天窗一般指建筑頂面天窗，基于建筑造型需求有各種形狀——小到民居中的老虎窗，大到公共建筑中庭的采光頂。天窗具有采光效率高、體現自然光影變化、與外界景觀互通、以及可設開啟扇等優勢。近年來采光天窗的技術更新主要包括智能化控制、密封性能提升、以及玻璃材料的優化等。

1.3 對比分析

1.3.1采光原理

采光天窗是光線的直射，與進入建筑內部的光線角度、范圍，開口大小，結構和覆土的高度以及太陽高度角有關，如圖2所示。開窗寬度越大，入射范圍越大；覆土和結構的總厚度越大，入射范圍越小；太陽高度角變化，入射光線也會隨之變化。對于導光管系統，光線經多次折射由漫射器進入室內，光線照射角度與漫射器的自身性能有關，不受覆土及結構高度和太陽高度角變化的影響。

1.3.2構造作法

二者預留洞口的作法基本一致，如圖3所示，頂部與外界交接處需注意保溫與防水處理。此外導光管系統還需在洞壁安裝埋件，以便安裝導光管；室內漫射器在安裝時還需注意與吊頂銜接，整體構造作法更為復雜。采光天窗的尺寸、造型更靈活，洞口可根據設計需要預留，二次設計中可再次分隔并選取開啟扇。而導光管系統開洞尺寸取決于導光管的選擇，直徑在300 mm～2 500 mm區間[4](含安裝寬度)，開口尺寸小，對頂面的影響較小。

1.3.3采光效果

采光天窗進入室內的光線主要是直射，亮暗界限比較清晰，明暗差異比較大；而導光管系統是漫反射，室內接近燈光效果，邊界柔和，照亮范圍更廣。如圖4所示地下車庫中采用采光天窗和導光管系統的效果對比，導光管系統效果更好。

2 應用實例分析比較

基于以上對比分析，從空間、效果等設計要素出發，采光天窗主要應用在需要通透感或體現光影變化的空間位置；而導光管節能表現突出，主要優勢在于傳輸距離遠且方向可調。以下分別選取常見的三類空間實例，比較二者在實際應用中的適用性。

2.1 地下車庫中的采光天窗與導光管系統

采光天窗構造簡單，初期投入成本低，常用在住宅小區地下車庫中。如圖4a)所示，采光天窗作為對已有照明的補充，也成為地下車庫與地面景觀、建筑互通的開口，兼具通風功能；其地面開口也需與景觀結合處理。

導光管系統初期投資大，多在公共建筑中有節能要求的車庫內采用。如圖5所示，寧夏回族自治區黨委辦公樓導光管系統采用平板采光罩，頂面與廣場兩側的鋪地平齊。日間車庫內通過導光管系統采光，夜間導光管將車庫內燈光引導到地面，作為夜景照明。

2.2 高大空間中的導光管系統與采光天窗

體育館、展館、廠房一類高大空間中，日間照明能耗較大，采光天窗會被其結構層遮擋，而導光管系統可以緩解這一矛盾，同時還可以避免眩光。如圖6所示，屋頂中間兩圈導光管作為場館內日間照明的主要來源，增加其可利用自然光照明的空間比例，節約能源。

設計中需要營造通透的效果，且與室外景色相互呼應的時候，更多是采用采光天窗。如圖7首都機場T3航站樓中的屋頂的三角形天窗，引入陽光的同時起到引導旅客行進方向的作用；天窗本身也成為建筑夜景鳥瞰中的重要細節。

2.3 展館中的導光管系統與采光天窗

導光管系統可以應用在大型展館中，以其柔和的效果，代替傳統燈具作為展陳設計中的重點照明，突出展品或建筑造型細節等。如圖8中展館陳列區線型布置漫射器，既柔和又可以節能。利用其可以改變光線方向和遠距離傳輸的特性，導光管系統還可以將光線引入到原本無采光條件的內部空間。

玻璃在展館設計中歷來是作為弱連接存在的，是建筑中虛的部分。在以形體塑造為主要設計原則的博物館、展覽館建筑設計中，玻璃是造型和構圖的重要元素。除此之外在展陳空間內部，采光天窗還可以起到與重點照明燈光一樣的作用：如圖9展廳中天窗設在展品頂部后側，起到了強調與突出展品的作用。

3 總結

3.1 應用特點歸納

導光管系統與采光天窗同屬天然光導光系統，是基于采光需求不同分異的技術措施。在某些情況下，導光管系統取代了采光天窗，解決需要采光但可開洞面積小，需要均勻采光效果，或覆土較深不利于采用天窗等一系列問題。而采光天窗在通透感，結構輕薄、通風功能等方面的特點，則是導光管系統不能取代的。二者在應用中各有所長，適用空間也略有區別(見表1)。

表1 采光天窗及導光管系統適用特點對比分析

二者相比，采光天窗在建筑設計中介入地更早，往往作為設計內容的一部分出現在造型設計階段；而導光管的介入相對后置，是解決能耗增加的一種節能方案，這也是二者在參與設計過程時的最大區別。

3.2 設計導向策略

天然光采光系統的應用是與空間需求和設計概念相匹配的。

基于前文分析，采光天窗的應用在設計階段就要予以考慮，要兼顧與整體空間造型上的虛實結合，以及通風采光需要。而導光管在體現節能貢獻的同時，解決頂面環境緊湊、結構高大或覆土較深等帶來的問題，且滿足光源均勻的功能需求(見表2)。

表2 采光天窗及導光管系統選用要求

3.3 專業協作與評價

為達到更優的節能目標，在具體設計過程中要與電氣專業密切配合，結合計算分析使自然采光與人工照明方相互補充。同時基于節能考慮，自然光采光系統也不是孤立存在的，與人工照明系統、調光控制系統等的復合設計與智能控制可以達到更好的節能效果，同時保證室內的光環境更加舒適。

對于自然光采光系統應用的標準如規模和效果上的量化要求，在國內國際綠色建筑評價標準中都有體現。如《北京市綠色建筑一星級施工圖審查要點》，條款8.2.7改善室內天然采光效果中關于合理控制眩光、增加地下空間自然光采光面積等要求，條款11.2.9“建筑頂層全部采用導光管”作為被動節能措施參與創新評分[4]。LEED評價體系中的環境質量、創新部分對于可作為得分點的新技術定義和采用自然光照明比例都有具體要求[5]。

4 結語

導光管系統更偏向于節能為導向的細部設計，采光天窗更多與空間開敞性能相關，但兩者都不僅是博眼球的噱頭或是拿來主義的強塞，而是基于建筑設計的一種適應性技術措施。作為建筑師，首先要基于使用功能和設計概念的需求進行分析，選擇相應的技術手段以實現之。當然，節能與創新，也是我們設計工作中重要的一環，在實際項目中的謹慎使用和細致設計尤為重要：我們應力求使其成為建筑中融合而又新穎的部分，而非可有可無的點綴。正如節能設計在建筑設計中所扮演的角色一樣，使各種節能措施切實而恰如其分的應用其中，為整個建筑、以致整個社會的能源節約與健康發展貢獻力所能及的力量。