湘西鳳凰縣老洞村苗族傳統(tǒng)民居室內(nèi)采光分析★

李 哲，何臨風(fēng)，程夢飛

(中南大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410083)

1 概述

傳統(tǒng)民居在長期的演變過程中顯現(xiàn)出了針對其所在地域的適應(yīng)性，但在現(xiàn)行的評價標(biāo)準(zhǔn)下，傳統(tǒng)民居所沿用的建構(gòu)形式已經(jīng)難以滿足居民更高層次的生活需求。實地訪談的結(jié)果也顯示，當(dāng)?shù)鼐用癖M管認同傳統(tǒng)民居值得保護與傳承，但因為其居住環(huán)境較差，依然選擇新建城鎮(zhèn)式的住房。其中，光照作為人們所能感受的最為直觀的環(huán)境條件，能夠顯著地影響民居的居住質(zhì)量。在缺少人工照明的傳統(tǒng)民居中，天然采光成為了室內(nèi)照明的主要手段，因此，優(yōu)化天然采光方式，對改善傳統(tǒng)民居的居住質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。

老洞村地處武陵山脈西支，湘西鳳凰縣西北部，屬于典型的高寒山區(qū)苗族聚落。村寨南面背靠太平山逐級抬高，沿等高線分布，街巷錯綜曲折，呈現(xiàn)出自然生長的態(tài)勢[1]。當(dāng)?shù)孛窬訉訑?shù)基本上都在一到兩層，整體采用片石砌筑或者下部用片石做墻角，上部用夯土磚砌筑，少有全木房屋，且普遍帶有前院，以便居民的戶外勞作。這些自發(fā)建造的民居未經(jīng)現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)，建造過程中也缺少對室內(nèi)采光照明的考慮，從而難以滿足人們的視覺感受與心理健康需求，因此，有必要科學(xué)分析傳統(tǒng)民居采光現(xiàn)狀，并結(jié)合其地域特征采取合理的優(yōu)化策略。

2 測試對象及方法

2.1 測試對象

本次研究從村中選取某一民居進行實測。該民居為“L”型平面，長邊正面朝向南偏西約60°，屋前設(shè)有場院。民居采用穿斗式木構(gòu)架，室內(nèi)落柱較少，通過板石與夯土磚堆砌的墻體分隔空間，厚度約600 mm。民居主要面向場院開窗，窗臺高度約900 mm(見圖1)。

2.2 測試方法

調(diào)研發(fā)現(xiàn)民居一層為住戶日常活動的主要場所，因此本次研究僅針對民居一層進行測試。根據(jù)GB 50033—2013建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”)[2]中的規(guī)定，研究的測點按照網(wǎng)格法均勻布置，工作平面高度為0.75 m，測點之間相隔1 m。測試時間段為14:28～14:56，氣象條件為全陰天天空，室外天然光照度為23.5 klx。該地區(qū)屬于Ⅴ類光氣候分區(qū)，K值為1.20[3]。測點示意圖見圖2。

2.3 測試結(jié)果

測試中統(tǒng)計了該民居一層各房間的窗地比與采光系數(shù)均值，結(jié)果如圖3，圖4所示。對比標(biāo)準(zhǔn)可以發(fā)現(xiàn)，在窗地比方面，僅房間C與標(biāo)準(zhǔn)中的要求基本一致，其余兩處房間的窗地比均遠小于標(biāo)準(zhǔn)要求；在采光系數(shù)方面，盡管程度有所不同，所有房間采光系數(shù)均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 采光現(xiàn)狀分析

3.1 理論公式分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，側(cè)面采光系數(shù)的計算按照如下公式進行：

(1)

其中，Ac為窗口面積，m2;Az為室內(nèi)表面總面積，m2;τ為采光材料總透射比;Dd為窗對面遮擋物與窗的距離，m;Hd為窗對面遮擋物距離中心的平均高度，m;ρi為墻地頂飾面材料與普通玻璃窗的反射比;Ai為與ρi對應(yīng)的各表面面積。

由式(1)可知，側(cè)面采光系數(shù)受到諸多因素影響，其中窗口面積、采光材料總透射比、飾面材料反射比以及各飾面材料面積較易做出調(diào)整，是優(yōu)化的主要方向。由于老洞村民居絕大多數(shù)以普通白玻作為采光材料，而室內(nèi)的飾面材料往往采用單一材質(zhì)，因此本次研究主要針對窗口面積與飾面材料反射比進行測試分析[4]。

3.2 實地調(diào)研分析

3.2.1 窗口面積

窗口面積包含兩個方面的要素，一方面是本身的尺寸大小，另一方面是窗口構(gòu)造的遮擋效果。實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，老洞村民居的開窗尺寸通常小于其他地區(qū)民居；受氣候環(huán)境與經(jīng)濟技術(shù)條件限制，老洞村民居普遍采用板石與夯土磚砌筑外墻，厚度可達到600 mm左右，從而形成了較深的采光洞口，遮擋了天然光進入；此外，傳統(tǒng)民居在歷史演變過程中始終保留著復(fù)雜的窗欞結(jié)構(gòu)，進一步減小了窗口的有效采光面積[5]，見圖5。綜上所述，針對窗口的優(yōu)化可以從擴大窗口尺寸與簡化窗欞結(jié)構(gòu)兩方面著手。需要注意的是，窗口作為立面重要的構(gòu)成要素，對傳統(tǒng)民居的風(fēng)貌影響極大，因此采取的優(yōu)化策略應(yīng)當(dāng)考慮風(fēng)貌保護的需求，將調(diào)整控制在合適的范圍內(nèi)。

3.2.2 飾面材料

實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，老洞村除了少數(shù)木構(gòu)民居在木板上涂刷桐油之外，大部分土石外墻的民居仍以大白粉刷作為墻體飾面材料，而部分建設(shè)較晚的民居則采用水泥砂漿抹面的做法，見圖6。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，室內(nèi)墻面適宜的反射比為0.3～0.6之間，而由于缺少及時的維護，以及灶炕火塘長時間煙火的熏烤，當(dāng)?shù)孛窬邮覂?nèi)表面的飾面材料受到了較大的破壞與污染，反射比通常介于0.16～0.23之間，低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值。綜上所述，可以采用較高反射比的飾面材料提高室內(nèi)整體光感，并及時進行維護以使飾面材料正常發(fā)揮作用。

4 優(yōu)化模擬分析

對民居室內(nèi)采光的優(yōu)化模擬通過Ecotect Analysis 2010軟件進行。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，天空照度模型設(shè)為全陰天空，計算參考平面為0.75 m，室外天空照度值和模擬時間與實際情況保持一致，窗戶潔凈程度為一般[6]。室內(nèi)光環(huán)境的模擬結(jié)果主要通過采光系數(shù)進行評價[7]，將原始條件下的模擬結(jié)果與實測數(shù)值進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 原始條件下采光系數(shù)模擬值與實測值對比 %

以上數(shù)據(jù)顯示模擬結(jié)果與實測值的誤差率在5%以內(nèi)，說明軟件模擬具有足夠的可信度。在此基礎(chǔ)上，從窗口優(yōu)化與飾面材料反射比優(yōu)化兩個方面對民居室內(nèi)采光進行模擬分析。

4.1 窗口優(yōu)化

4.1.1 窗口尺寸

盡管加大窗口尺寸能夠有效改善民居室內(nèi)光照條件，過大的窗口尺寸容易導(dǎo)致局部眩光[8]，從村落的整體性角度來看，不加控制地擴大窗口也將造成民居傳統(tǒng)風(fēng)貌的破壞。因此，必須在一個限定范圍內(nèi)找出兼顧室內(nèi)采光與民居風(fēng)貌的最佳選擇。基于以上考慮，研究中結(jié)合窗口與民居外墻兩者的尺寸關(guān)系，以窗墻比作為變量展開實驗[9]。對當(dāng)?shù)?2棟典型民居進行測算后，發(fā)現(xiàn)其窗墻比介于0.08～0.23之間，且多數(shù)集中于0.11附近，因此研究從窗墻比0.06開始，以0.03的步進值逐漸提升至0.24，觀察采光系數(shù)的相應(yīng)變化，見表2,圖7。

表2 采光系數(shù)隨窗墻比變化

結(jié)果顯示，隨著民居窗墻比的提高，模擬圖像中紅色區(qū)域的面積明顯擴大，這表明民居室內(nèi)有更多區(qū)域被照亮，采光系數(shù)增加，但分析折線圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)窗墻比超過0.15時，采光系數(shù)的增長速率放緩，此時房間的采光系數(shù)已經(jīng)接近甚至超過標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)值，即進一步提高窗墻比對室內(nèi)采光的改善意義不大。從模擬圖像中也可以看出窗墻比超過0.15后局部區(qū)域呈現(xiàn)為黃色，說明進一步提高窗墻比將降低室內(nèi)光照的均勻度，并可能導(dǎo)致眩光。綜上所述，當(dāng)民居的窗墻比控制在0.15附近時，采光效果較好，見圖8。

4.1.2 窗欞結(jié)構(gòu)

當(dāng)?shù)孛窬拥拇皺艚Y(jié)構(gòu)大多采用矩形組合，通過雕花相互連接，鏤空較大；也有少部分窗欞由繁復(fù)的花草紋樣構(gòu)成，鏤空較小但數(shù)量更多[10]。考慮到實際情況，模擬時以數(shù)量最多的矩形格窗欞為對象，改變其虛實比與鏤空的分布形式，分析采光系數(shù)的變化，如圖9，圖10所示。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)孛窬哟皺艚Y(jié)構(gòu)的虛實比介于0.87～1.64之間，模擬中通過改變窗欞格柵的寬度，使虛實比從0.9開始以0.2的步進值逐漸提升至1.7，結(jié)果顯示，當(dāng)虛實比從0.9提升至1.7時，采光系數(shù)僅提升0.02，提升幅度過小，此外，與無窗欞的情況進行對比后，發(fā)現(xiàn)兩者采光系數(shù)仍相差約0.35，說明在現(xiàn)有范圍內(nèi)，通過改變格柵寬度來提高虛實比難以有效優(yōu)化民居室內(nèi)采光效果，見圖11，圖12。在鏤空形式方面，研究中保持窗口尺寸與透光區(qū)域面積不變，選取一種基本窗欞樣式設(shè)置1倍、2倍與4倍的鏤空面積并按相同比例減少鏤空數(shù)量，結(jié)果顯示，鏤空較大時，采光系數(shù)相對于鏤空較小時僅提升約0.03，說明在虛實比恒定的情況下，改變窗欞鏤空分布形式對室內(nèi)采光的影響不明顯，見表3，表4。綜上所述，在盡量保留窗欞原有風(fēng)貌的情況下，以上優(yōu)化措施對民居室內(nèi)采光的改善效果較差，需要提高優(yōu)化程度，或采取其他措施。

表3 采光系數(shù)隨鏤空分布變化

表4 采光系數(shù)隨窗欞虛實比變化

4.2 飾面材料反射比優(yōu)化

提高飾面材料反射比對優(yōu)化民居室內(nèi)采光的意義在于改善了室內(nèi)光照的均勻度，從整體上提高了室內(nèi)光環(huán)境的質(zhì)量。當(dāng)?shù)攘康墓饩€進入室內(nèi)時，高反射比的飾面材料能夠?qū)⒏嗟墓饩€反射到深處，從而改善傳統(tǒng)民居在進深較大時采光不足的情況，見圖13。研究中以墻壁的反射比為對象，從0.15開始以0.15的步進值逐漸提升至0.75，分析采光系數(shù)的變化，見表5。

表5 采光系數(shù)隨墻壁反射比變化

結(jié)果顯示，當(dāng)墻壁的反射比從0.15提升至0.75時，采光系數(shù)提高0.5，說明提高墻壁反射比能夠較為明顯的改善民居室內(nèi)采光情況，見圖14。從模擬結(jié)果中可以看出，隨著墻壁反射比的提高，民居室內(nèi)紫色區(qū)域面積明顯增加，而紅色區(qū)域面積基本保持不變，說明在采光系數(shù)最大值提升較小的情況下，采光均勻性得到了有效改善。此外，觀察折線圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)墻壁的反射比提高至0.6以后，采光系數(shù)增加的速率明顯提高，這與分析公式得出的結(jié)果一致。因此，在對民居墻壁反射比進行優(yōu)化時，最好選擇反射比在0.6以上的飾面材料，從而達到更好的采光效果。

5 結(jié)論

對老洞村傳統(tǒng)民居的實地調(diào)研顯示當(dāng)?shù)孛窬邮覂?nèi)光環(huán)境質(zhì)量較差，各項指標(biāo)未能滿足GB 50033—2013建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定。結(jié)合采光計算公式與當(dāng)?shù)孛窬訉嶋H情況進行分析后，以民居窗口與飾面材料反射比為研究對象，通過Ecotect Analysis 2010軟件進行模擬分析，探討其對民居室內(nèi)采光的影響：

1)窗口尺寸：綜合考慮采光優(yōu)化與風(fēng)貌保護兩方面的需求后，將窗口尺寸與外墻尺寸結(jié)合，以窗墻比作為變量進行采光效果的模擬分析。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)窗墻比提高至0.15左右時，民居的采光系數(shù)已基本達到標(biāo)準(zhǔn)，繼續(xù)提高窗墻比，則容易導(dǎo)致眩光，降低室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量，同時，0.15的窗墻比接近當(dāng)?shù)孛窬哟蠖鄶?shù)采用的數(shù)值。因此，從改善采光與保護風(fēng)貌兩方面來看，在民居采光優(yōu)化時將窗墻比控制在0.15左右較為合適。

2)窗欞結(jié)構(gòu)：針對窗欞結(jié)構(gòu)的分析考慮了虛實比與鏤空分布形式兩方面的影響，結(jié)果顯示，在老洞村民居現(xiàn)有窗欞結(jié)構(gòu)的虛實比范圍內(nèi)通過調(diào)整窗欞寬度來進行優(yōu)化，采光系數(shù)僅提高0.02，對室內(nèi)光環(huán)境的改善不明顯；對比大而集中與小而分散兩種鏤空分布形式，發(fā)現(xiàn)兩者差距仍然較小，說明在盡量保留窗欞結(jié)構(gòu)原有風(fēng)貌的情況下，針對虛實比與鏤空分布形式的優(yōu)化策略難以發(fā)揮效果，需要提高優(yōu)化程度，或是采取諸如活動式窗欞等其他策略。

3)飾面材料反射比：針對老洞村民居飾面材料反射比較低的情況，以標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定數(shù)值為參考進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)隨著反射比提高，室內(nèi)采光的最大值提升較小而均勻性改善較大，此外，當(dāng)反射比超過0.6之后，采光系數(shù)提升的速率明顯提高，結(jié)合現(xiàn)有市場分析，建議采用反射比介于0.6～0.8的飾面材料以獲得更好的采光效果。