生態建筑的材質對自然光的影響研究

肖迎蕾

（武漢工程大學藝術設計學院 湖北武漢 430000）

在建筑設計中，自然光的合理應用是建筑可持續發展的必要途徑，也是將現代建筑與自然元素的高度結合的重要手段。在滿足人類對生活和居住要求的同時，也促進了現代建筑的可持續發展。如今，新的建筑材質、結構工藝、施工方式的大量出現，使現代建筑形式擁有了更多改變和可能性。現在的自然采光技術中使用了大量的新材料和新技術。在優秀的生態建筑案例中，自然采光的設計將會涉及到很多學科和領域，也需要多個方面的技術配合才能實現。除了建筑學的相關內容，還會涉及材料學、光學、機械學、自動控制等其他學科領域。

1 自然光在生態建筑中的作用

1.1 自然光有助于調節室內環境

建筑的自然采光是生態建筑中的重要組成部分，自然光對調節室內環境有著不可或缺的作用。由于自然光具備照度平均、眩光小、光色好、持久性好的特點，它在對展現建筑藝術的塑造、體現材料的質感、真實反映建筑物體的外形特征、渲染室內環境的氣氛以及美化環境和實施構圖技巧等都很重要。我們可以根據空間和物體對采光的不同需求，對光照進行人為的控制，還可以達到不一樣的光照效果。

1.2 自然光有助于人們的身心健康和提高工作效率

自然光照也是提高人們健康和身心感受的重要原因之一，它可以用于治療特殊疾病或者為人們提供視覺上的撫慰，在醫院的建筑中的作用非常明顯。同時它還有可以提高工作效率的作用。據研究表明，如果在辦公室通過采用高質量的自然光進行照明，員工的工作效率能得到顯著的提高（可提高15%），并且員工的礦工率也會大大降低。同理，在教學環境中運用自然采光，對學生的身心健康和學習效率也有很大的益處。

1.3 自然采光能夠減少建筑耗能

從生態建筑設計的角度來講，自然采光還能夠減少建筑的耗能，從而減少對環境的損害。根據統計表明，在發達國家照明所消耗的能源超過了總耗能的9%，就我國發達地區，每年在照明上消耗能源約占總耗能的6%～9%。由于大部分建筑中都是以人工照明為主，因此每年建筑總耗能中約有30%～50%都是人工照明所消耗。如果能合理設計，自然光完全可以為建筑室內提供高質量的照明，可以大大減少人工造照明的能耗。自然光在給室內提供照明的同時還具有調節室內的溫度的作用，尤其是在高緯度地區，在建筑的設計上用來調節室內溫度的主要手段就是自然光引入，這樣可以減少室內暖氣的使用量，減少耗能。自然光與現代建筑的相結合也正是現在所倡導的低碳節能的設計理念和可持續發展戰略。

2 自然光在生態建筑中的運用

2.1 直接自然采光

在建造房屋時，為了獲得自然光源人們會在建筑物的墻壁和屋頂上設計各種形式的洞口，并安裝上透光率較好的材料（如玻璃和有機玻璃），用來防止風雨雪的侵襲，裝有這些材質的窗口被稱之為采光口。除了采光窗口之外，現代建筑中還會采用玻璃幕墻進行直接采光的方式。如今高層的玻璃幕墻建筑已成為城市中不可阻擋的趨勢和主流，玻璃幕墻改變了傳統建筑外墻的形式，減少了鋼材和混凝土的使用，這對于降低建筑材料的高能耗，達到節能降耗和節約資源的目的非常有幫助。另外，玻璃幕墻是能夠再循環利用的，這也符合環保的條件。

2.2 光導照明

對于一些不能使用自然光直接照明的區域，可以采用光導照明的方式。近些年來，在國外興起了一種新型的照明裝置——自然光導照明系統。該裝置能把太陽光線重新分配后再進行傳輸，能把室外的光線傳輸到室內任何需要自然光的地方，來獲得自然光帶來的特殊照明效果。

3 建筑的材質對光線的影響

自然光是在建筑設計中表現材質特征設計好壞的關鍵點。每種材料都有其自身的特質，這決定了它有自己最佳的表達方式。設計師的目的是創造出一個舒適的光環境并展現建筑的材質特性，以達到一種藝術效果。

3.1 玻璃材質

玻璃材質由于它的采光效果好，是在現代建筑中使用最為普遍的建筑材質之一。選擇合適的玻璃材質對建筑自然采光和建筑保溫節能都是至關重要的。玻璃材料多種多樣，其中透明玻璃是最常見的，它價格便宜且具可見光透過率較高，能獲得較多的光線，但透明玻璃具有較高的導熱系數和遮陽系數，并且保溫和隔熱性能較差，如果長期用于建筑的門窗處，它的耗能約占建筑總耗能的50%，不利于節能。而吸熱玻璃是一種能透光可見，吸收熱輻射，防止一定熱輻射透過的玻璃。其主要的特點是吸收太陽光譜中的輻射熱，降低空調的冷負荷；使刺眼的光線變得柔和舒適，具有良好的防眩效果，吸收太陽光譜中的紫外線光能，減少紫外線對人體和室內物品的傷害。熱反射玻璃的熱反射能力很強，防止太陽輻射非常有效，該玻璃有多種顏色可供選擇，透光性較弱，可用于需要解決高亮度比引起的眩光問題的建筑物上，也可用于避免太陽輻射較大所引起的空調冷負荷增加的區域。玻璃材質中還包括玻璃磚，當光線透過玻璃磚，使原本強烈的直射光線失去了原本的方向并且變得模糊，但陽光仍然可以照射進來充滿整個空間，同時也減少了光污染，營造出一種溫馨柔和的空間感覺。光線的柔和效果使空間結構失去了體量感。建筑的內部空間和相對比較暗淡的空間，玻璃磚就在中間起到了光源作用，把原本刺眼的光線變得柔和了，感覺不到是光線發揮的作用，而是玻璃磚自己像是一塊塊晶瑩剔透的發光體。

3.2 木材

木材不能被稱之為光敏感材料，它的美在于當它沉浸在光環境之中時能傳達給人一種溫暖的感覺。木材自身的顏色和紋理就很多樣，當光線打到它的表面時，它們就開始相互作用，光線似乎可以滲透到木材上，使木材產生一種很有光澤，又很柔和的效果，同時光線照射在木材的表面時，好像也能被木材吸收了，使之變得溫暖、致密，具有充分的表現力。

3.3 金屬材料

金屬是一種光敏材料，任何光線的變化都會在上面迅速得到反應。在陽光充裕的地區，陽光打在拋光金屬上，往往會產生很多的眩光和刺眼的光線，造成一定的光污染，使用起來要十分的謹慎。目前，在建筑中我們更多采用的是磨砂金屬表面，這種材料更加的舒緩，讓人感覺很舒服，可以看成是一個表面上產生均勻連續的效果，但是金屬本身特有的活性幾乎喪失，其個性和采光的敏感性也相對減弱。金屬還有很強的可塑性，造型多變，它被廣泛用作現代生態建筑的表皮。如：比爾與美琳達蓋茨大樓就巧妙運用了金屬材料，建筑物的某些區域被可開合的多孔玻璃隔開，并覆蓋有多孔不銹鋼板在其外側，當陽光普照時，直射光可以轉換為漫射柔和的光，同時也安裝了可以控制光質的三維墻多孔不銹鋼板幕墻，即阻擋了直射光線又保證了視野。

4 新型的建筑材料對采光的影響

4.1 膜材料

膜結構通常由高強度和柔性膜材料制成，其具有良好的抗拉伸強度、抗撕裂強度、耐熱性和耐久性。其中ETFE薄膜是一種非纖維編織物基材的材質，也是膜結構中最常用的高性能材料。不同顏色得ETFE膜有不同的透光率，透明膜的透光率在90%～95%之間，一般超白玻璃透光率在92%，而普通玻璃為86%。例如，德國慕尼黑的安聯球場就大量采用了這種新型的膜材料，整個建筑外部區域都是由光滑且可擴展的ETFE膜材料制成，每到夜幕降臨時，可以發出不同顏色的光。這個建筑建造用的近3000塊充氣板都是由薄膜組成，其中98%是半透明的，它可以使足球場的草坪吸收足夠的自然光，而無需像其他普通足球場一樣要按期更換草坪。是現代生態建筑的經典案例。

在膜材料中，PTFE膜結構也是其中的一種，它最大的優點在于有較高的耐久性、防火性與防污染性，但是與ETFE膜材料相比，其材料成本和加工成本較高，柔軟度較低。施工中為避免玻璃纖維斷裂，必須采用特有的工具與施工工藝。例如，北京地鐵西二旗車站的屋面、立面維護材料和結構就是用此材料制成，整體空間內部是一個長而大的空間，幾乎無承重柱。由于PTFE膜結構的半透光特性，白天無需人工照明即可在站內獲得充足而柔和的光線。夜晚十分，車站內的燈光也可以透射出去，外觀看上去像兩個閃閃發光的紙燈籠，為準備乘車的人指引方向。

4.2 半透明石頭

建筑師所用于建筑材料的石頭當中有種半透明效果的石頭，這種材質的石頭具有與眾不同的表現能力。相比其他石材，半透明的石頭有很好的透明度，但它的魅力只能通過光線來表達。在作為建筑的物的立面時，半透明石材背面的光線可以呈現石材正面的自然紋理。例如，耶魯大學珍本圖書館就選用了透明的天然大理石板的作為建筑的外表面，入口和周圍的外墻都是棕色玻璃，以方便自然光線的滲透。灰白色紋理的大理石板，它能通過一定量的外部光線，并同時阻隔太陽的熱量和紫外線的攝入。在太陽光下半透明石板能在室內呈現出夢幻般的景象，陽光可以穿過這種大理石墻形成斑駁的光影，大理石圖案也清晰可見，就像一幅抽象的畫，也能透過大理石看到外面樹枝的影子流動。

在我國的奧林匹克公園北部的中國國家美術館的外墻也是采用這種新型的透明石頭。這種石材在各種燈光下具有優異的透光能力，它與自然光線相互映襯，并在不同的人工照明情況下產生變幻莫測的投影效果。還可以通過天氣和季節顯示出不斷變化的環境。此外，這種石材還可以根據人與展館之間的距離來展現出館內奇特的內容令人好奇。

4.3 透光混凝土

混凝土本是一種常見的建筑用材，但是把樸素的混凝土與透光材料巧妙的結合，它們就能像玻璃一樣透光，這就是透光混凝土的魔力。透光混凝土作為建筑材料，能夠滿足建筑結構的安全性要求，如抗壓性、抗滲性、耐久性、抗凍融等；還可以滿足室內在采光、節約資源等方面的需要。目前，在中國使用透明混凝土最成功的案例是上海世博會意大利館。意大利館外墻采用復合體系，外圍采用透明混凝土堆砌，內側是采用ETEE結構，這樣充分解決了室內部分空間的照明問題解，達到了節能的效果。作為建筑材料，透明混凝白天可以利用自然光來減少人造光源的使用，有效地控制室內溫度，減少紫外線輻射，并控制自然光對室內物體的毀壞程度，增強室內空間的整體美感其。實用透明混凝土建造的建筑物本身就是一件藝術品。

5 結語

盡管自然光的運用只是生態建筑的一小部分，但它在建筑的外部環境與內部環境之間的關系中起著重要作用。不同的建筑材質對采光有不同的影響。如今，大量的新型采光材料和建筑技術應運而生，采光技術將使建筑的創造更有突破性，新材料的使用將使采光效果更有意義。從建筑環境的角度出發，根據當地的現實情況，最大程度的運用自然光，用恰當的形式將其引入建筑中，再利用不同的材料營造舒適的光環境，建立一個健康、舒適、生態、可持續的建筑環境，來改善我們的居住環境。