中小學校教學建筑的采光設計

李云慧

摘要：我國大部分地區處于溫帶，天然光充足，有利于建筑對天然光的利用。中小學校教學建筑充分利用天然光可以給學習營造創造良好的光環境，有益于學生身心健康;另外一方面中小學校教學建筑充分利用天然光有利于節約電力能源，有益于社會可持續發展。強化設計人員對中小學校教學建筑采光設計不僅國家工程建設技術規范要求，也是社會科學發展的要求。

關鍵詞：學校建筑;天然光;采光系數;照度

1 中小學校教學建筑采光技術應用的重要意義

我國大部分地區處于溫帶，天然光充足，有利于建筑對天然光的利用。中小學校建筑可以充分利用天然光，一方面天然光的辨認能力優于人工光，充分利用天然光不僅可以給學習營造創造良好的光環境，提高學生學習和生活的環境質量，有益于學生身心健康;另外一方面中小學校建筑充分利用天然光有利于節約能源，促進經濟社會可持續發展。

2 中小學校教學建筑采光設計的要點

根據?《建筑采光設計標準》（GB50033 - 2013）、《中小學校設計規范》（GB 50099-2011），中小學校建筑采光設計的要點主要有以下方面：

2.1 教育建筑的普通教室的采光不應低于采光等級Ⅲ級的采光標準值，側面采光的采光系數不應低于3.0% ，室內天然光照度不應低于4501x。

2.2 中小學學校建筑普通教室、 科學教室、 實驗室、 史地、 計算機、 語言、美術、書法等專用教室及合班教室、圖書室均應以自學生座位左側射人的光為主教室為南向外廊式布局時，應以北向窗為主要采光面。

2.3 教學用房室內各表面的反射比值頂棚0.70～0.80、前 墻0.50～0.60。

2.4 各教室前端側窗窗端墻的長度不應小 于 1.00m，窗間墻寬度不應大于 1.20m。

2.5 側面采光時，采光口距離地面高度0.75米以下的部分不計入有效采光面積。

2.6 教學用房及教學輔助用房的窗玻璃應滿足教學要求，不得采用彩色玻璃。

3 基本原理

《建筑采光設計標準》GB50033-2013以采光系數平均值作為采光設計的關鍵性評價指標。

3.1 采光系數

在室內參考平上的一點，由直接或間接地接收來自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而產生的照度與同一時刻該天空半球在室外無遮擋水平面上產生的天空漫射光照度之比。

室內某一點的采光系數C，計算公式為：

式中：? En—室內照度;

Ew—室外照度（lx）。

3.2 平均采光系數

通常按單個房間計算平均采光系數，即房間內劃分網格上各個交點上的采光系數算術平均值。

3.3 采光系數標準值

在規定的室外天然光設計照度下，滿足視覺功能要求時的采光系數值。《建筑采光設計標準》GB50033-2013中規定的采光系數標準值和室內天然光照度標準值為參考平面上的平均值。在同一室外天然光設計照度值的條件下，對于同一個房間，滿足采光系數標準值即滿足室內滿足天然光照度標準值。

4 計算方法

采光設計計算通常采用軟件模擬進行計算，斯維爾軟件提供了三種計算模式：模擬法、公式法和公式擴展法。

4.1 模擬法

在Dali中，模擬法就是調用計算工具Radiance進行采光模擬計算，最后將計算結果返回到Dali進行處理分析，這是最真實、最常用的方法。

Radiance是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室以及瑞士洛桑生態技術聯邦局開發的采光模擬核心程序，采用了蒙特卡洛算法優化的反向光線追蹤算法，相對于光能傳遞算法來說光線追蹤更適合于精確的建筑采光分析。

圖5.3 模擬值與理論計算的關系

經過大量的計算和軟件模擬對比，發現Radiance軟件模擬出的數值與理論計算的結果均離散在歸納函數附近。說明Radiance軟件可以提供精確度高的結果。國際上采光標準制定與論文基本上都采用Radiance進行模擬，國際上大部分商用采光分析軟件都基于Radiance程序內核開發，該程序的分析計算結果受到廣泛認可。

4.2 公式法、公式擴展法

公式法就是經過實際測量和模型試驗確定的，在大量經驗數據的基礎上總結得到的采光系數平均值公式的計算方法，即《建筑采光設計標準》GB 50033-2013中“采光計算”一節提供的公式方法，一般用于粗算。

4.2.1 側面采光可按下列公式進行計算。

5 采光計算參數取值

本文以XX市濱江小學教學樓為例采用模擬法進行采光分析計算，具體如下：

5.1 模擬分析條件說明

天空模型：CIE全陰天天空。

計算光線反射次數：2次

分析參考平面：功能房間取距地面0.75m，公共空間取地面

分析計算網格劃分的間距：根據房間面積的情況對網格進行合理劃分，如下表所示;

房間面積（m²）

網格大小（m）

≤10

0.25

10～100

0.50

≥100

1.00

周邊環境：考慮分析區內的建筑物之間遮擋

室內環境：忽略室內家具類設施的影響，只考慮永久固定的頂棚、地面和墻面、。

5.2 建筑飾面材料參數

室內采光效果受內部和外部兩種因素的影響。內表面反射比就是內部影響因素之一，外部因素除了天空亮度外，建筑外表面反射情況也是重要的影響因素。本項目中建筑內外飾面材料，如頂棚、墻面、地面、建筑外表面，其材質、顏色對應不同的反射比，給室內光環境來帶不同的采光效果，反射比數據參考《建筑采光設計標準》GB50033-2013附錄D中的表D.0.5 飾面材料的反射比ρ值，具體參數情況見下表：

5.3 門窗類型參數

窗戶決定了建筑內部的采光水平。工程中最為常見也最廣為使用的一種采光途徑就是在建筑側墻上安裝窗戶或者在建筑頂部安裝天窗等采光構件。窗的位置、尺寸、形態等都會對室內采光帶來不同程度的影響。建筑中的常用的透光門也會對自然光的傳播提供便利。這些透光構件的性能參數與采光系數的計算息息相關。

本項目中透光門、窗戶的性能參數包括門窗尺寸、擋光系數、窗框類型、玻璃類型、可見光透射比和反射比，參數具體數值情況詳見下文。

5.3.1 普通窗

門窗表（略）

門窗計算參數：外窗可見光透射比0.89、玻璃反射比0.08

計算需考慮外窗玻璃的污染折減系數影響，系數取值0.9。

5.4 房間模擬結果

本項目為住宅建筑，根據《建筑采光設計標準》GB 50033-2013要求，需計算建筑內臥室、起居室的采光系數，此為標準強制性條文要求;同時還需計算廚房、衛生間、過道、餐廳、樓梯間的采光系數，此為非標準強制性條文要求。計算結果見下表： （匯總簡略表）

5.4.1 采光效果分析彩圖

采光系數分析彩圖可以直觀地反應建筑內各個房間的采光效果，本項目中各樓層中標準要求房間的室內采光情況如下所示：

6 結語：

通過上述采光分析可知本項目各普通教室的采光系數不應低于3.0% ，滿足《建筑采光設計標準》GB 50033-2013要求。

通過以上案例采光分析計算可以總結如下：在對中小學校教學建筑進行采光設計時應綜合考慮，教室房間進深不宜過大、外窗之間的窗間墻盡可能小，在樓地面0.75米以上高度的外窗為有效外窗，外窗設計應充分利用其層高，同時建筑層間挑檐及外廊對建筑采光產生影響，采光設計應合理的設計房間內各表面的反射比值、外窗可見光透射比值、玻璃反射比值，建筑室內墻面飾面盡可能選擇白色或淺色飾面，外窗玻璃宜采用白玻且不應采用彩色玻璃，設計在綜合考慮以上要素后通過計算不小于規范采光系數標準值時則認為采光符合要求。

中小學校教學建筑充分利用天然采光不僅可以給學生學習營造創造良好的光環境，有益于學生保護視力及身心健康;同時有利于節約電力能源，有益于經濟社會可持續發展。

參考文獻：

[1]中國建筑科學研究院.?《建筑采光設計標準》（GB50033-2013）.北京：中國建筑工業出版社，2012.

[2]北京市建筑設計研究院天津市建筑設計院.《中小學校設計規范》（GB50099-2011）.北京：中國建筑工業出版社，2011.

[3]邊宇.建筑采光.北京：中國建筑工業出版社，2019.

[4]重慶建筑工程學院.建筑采光和照明設計.北京：中國建筑工業出版社，1980.

[5]中國建筑標準設計研究院有限公司.《民用建筑設計統一標準》（GB50352-2019）.北京：中國建筑工業出版社，2019.