建筑底層室內自然采光面積配比優化仿真

苗凌童，陳 凱

(長春工業大學人文信息學院，吉林 長春 130000)

1 引言

當前城市化進程速度逐漸加快，土地資源緊張對土地資源的利用率要求不斷提升，因此使商業建筑和居民住宅高度越來越高。大量高建筑的聚集導致建筑底層室內采光不足，對太陽光的利用不充分。一個好的室內采光設計對人們生活辦公影響較大，光照不足的環境對人們的心理和生理上均有一定影響。較黑暗的環境使人的眼部肌肉緊張，長期以來會造成眼供血不足，造成眼類疾病，而在心理上光照不足的環境會阻礙人體的荷爾蒙分泌，影響其工作、學習的注意力。而建筑的底層受周邊建筑高度遮擋，使其采光面積較小，因此人們對建筑的底層采光需求較高。目前研究底層建筑采光優化方法有很多，如翟穎妮等人[3]研究的建筑底層自然通風與采光優化方法，該方法使用正交試驗方式獲得建筑底層的通風和采光數據，并使用數值模型方法計算最佳的通風和采光指標，依據該指標提出優化策略，但該方法所使用的數值模擬模型對其輸入參數要求極高，當建筑物的參數不夠精準時，其最佳采光指標則不夠準確，因此應用效果不佳。趙寅[4]提出的自然采光口最優角度獲取法則利用蟻群算法計算建筑立面采光口最佳角度，通過計算太陽光照角度、底層建筑尺寸等分析太陽高度和底層建筑之間的關系，進而提出采光優化策略并使用仿真軟件進行仿真，但該方法僅針對建筑的通風口進行優化具備一定的片面性。針對上述問題，本文提出建筑底層室內自然采光面積配比優化方法并仿真，以提升建筑底層室內的陽光利用率。

2 建筑底層室內自然采光面積配比優化方法

2.1 仿真對象地理狀況及建筑尺寸

以某住宅底層一樓為仿真研究對象，該住宅樓正前方有周圍建筑物密集且具備較高綠植，該建筑長度為90m，寬度為40m，高度為78.3m。其庭院下沉高度為4.5m，室內實測長度為13.24m，寬度為11.08m，寬度為5.5m，室內窗口尺寸為1600mm*980mm。

2.2 室內自然光面積配比評價指標

室內自然光環境可由動態指標和靜態指標來評價，其中動態指標是指在一個完整的時間序列內，室內的光面積配比變化情況，而靜態指標則是在某一個固定時間點時，室內的光環境情況。通常評價室內自然光面積配比的評價指標為光通量、采光系數、照度和照度均勻度，評價指標的計算方式如下：

人的眼睛對不同波長的太陽光的視見率不同，因此無法直接利用太陽光的輻射功率計算太陽光對人視覺的能量。而光通量是在某一時間段內某波段的太陽光輻射能量和視見率的乘數來描述的，其單位為流明，以符號Φ表示。光通量表達公式如下

Φ(κ)=Km∑Φe，κV(κ)

(1)

式中，κ表示波長，Φ(κ)表示該波長下的光通量；Φe，κ表示光譜輻射通量；Km表示光敏度；V(κ)表示光譜光視光效率。

采光系數由C表示，其是在室內某平面內的點在陰天狀態下天空漫射光形成的光照度，是描述陽光照射亮度的指標，表達公式如下

(2)

式中，Fn、Fw分別表示室內自然光光照度和室外日光光照度。

采光系數是依據全天陰天時天空的散漫光來計算的，此時為采光條件最差的情況，但由于室外光環境變化復雜，室內的采光系數標準無法界定，在此依據居住建筑采光系數標準來衡量建筑底層室內自然采光系數。居住建筑采光系數標準如表1所示。

表1 居住建筑采光系數標準

自然光照度表示在某單位面內所有的光通量，即光通量密度，單位為勒克斯，由符號lx表示。自然光照度表達公式如下

(3)

式中，F表示自然光照度；A表示被照明面；d表示單位面積。

當光通量照射在上A時，A的照度表達公式如下

(4)

自然光照度均勻度是描述特定工作面上的采光系數最低和采光系數平均值的指標，在建筑采光標準中，室內采光度不得低于0.7，因此本文在此以自然光照度均勻度數值為0.7作為衡量指標，當室內照度均勻度高于該數值時，則表示室內自然采光面積配比較好。

2.3 建筑底層光照環境仿真模型建立及采光點位置標記

Ecotect生態建筑大師是建筑性能分析輔助軟件，其可將建筑參數、環境導入其中，為用戶呈現可視化的分析圖和表。當建筑結構發生變化時，可清晰描述其室內環境變化情況。Ecotect生態建筑大師的可操作頁面簡潔，具有強大的建模工具，可建立畫面逼真的建筑三維模型。將住宅樓的參數導入到Ecotect生態建筑大師內，利用該軟件輸出住宅樓的RIF/PTS文件后，使用軟件內的計算函數計算住宅樓網格分析點，構建住宅樓光照環境如圖1所示。

圖1 住宅樓光照環境

對住宅樓底層采光點進行標記，標記位置如圖2所示。

圖2 采光點標記位置

2.4 室內自然采光面積配比優化策略

依據上個小節的住宅樓光照環境和室內采光點標記位置，提出其自然采光面積優化策略如下：

第一：增設連廊。對于南向戶型的住宅樓，其南側為采光面，南側窗戶位置處的采光較為充足，進戶向北側延伸的地方靠近建筑的核心筒，無法采光。此時需通過構建連廊的方式，使住宅樓的核心筒間互相連通，形成采光井，實現住宅的雙向采光，。

第二：降低窗臺高度、更換合適透光度的玻璃和擴大開窗尺寸。住宅窗洞口是其室內采光的主要手段，大多數住宅的采光方式均為單側采光。當窗臺過高、窗口尺寸過小時均會遮擋陽光照射面積，而窗玻璃透光度不同則對室內光照影響較大。雖然玻璃的透光度越高，室內光照情況越好，但其在短時間內會使室內溫度明顯增加，在夏天增加了空調制冷負荷，不符合當前“綠色生態”需求，而在較寒冷區域則較適用高透光度玻璃，所以視住宅區域而選擇合適透光度的玻璃也很重要。綜上所述，窗口大小、窗臺高度和玻璃透光度均可調整底層住宅室內自然采光面積配比。

第三：安裝室內外反光板。

當室內空間較大時，可在住宅高窗外安裝反光板和在太陽光照射入戶區域內安裝反光板，變更太陽光入射室內角度，使其光照區間增大。

第四：變更室內軟裝。使用淺色明亮系色彩的地磚、墻紙等替換掉深色地磚和墻面，靠近窗臺區域不設置大型衣柜、酒柜等較高的家具等。

3 仿真研究

依據Ecotect生態建筑大師構建住宅樓光照環境和采光點標記位置，模擬全天陰天狀況下和光照條件較好時，依據本文提出的室內自然采光面積配比優化策略對該住宅底層室內自然光環境進行優化，分析其自然光面積配比情況，。

3.1 增設連廊效果

在Ecotect生態建筑大師軟件內模擬為該住宅樓增設連廊，并繪制該住宅樓底層室內增設連廊前后的自然光臨界照度分布情況，結果如圖3所示。

圖3 增設連廊前后底層室內自然光臨界照度

分析圖3可知，該住宅區底層室內不同采光標記點位置處分布的采光系數曲線區域不同。在對該住宅區增設連廊后，相同數值的采光系數曲線分布區域得到了擴大，表明增設連廊后該室內的照明度得到較好的提升，其自然采光面積配比得到了較好的優化。

3.2 降低窗臺高度測試

在生態建筑大師軟件內將該住宅樓底層室內窗臺高度降低至0.8m，測試窗臺高度降低前后采光分布情況，結果如圖4所示。

圖4 窗臺降低后建筑底層室內采光分布情況注：上圖內X方向表示與窗臺平行方向，坐標0位置為窗臺正中央位置，Y方向表示光照向室內延伸方向。

分析圖4可知，該建筑底層室內的光照度越靠近窗臺其數值越高，且光照度數值順著太陽入射延伸方向逐漸降低，靠近窗口中間的位置光照度數值較高。而應用本文方法將其窗臺降低后，相同數值的光照度曲線分布區域均得到了擴大。其中數值為5.089的光照度曲線分布區域擴大較為明顯，其最大分布數值由最初的0.1m左右擴展到0.3m左右。而數值為2.211的光照度曲線分布區域已超過2.4m。綜合上述結果可知：本文方法應用后可擴大建筑底層室內的光照度分布區域，使其自然采光面積配比增加。

3.3 窗口尺寸變化測試

以窗墻比作為衡量不同窗口尺寸指標，在仿真環境下設置不同窗墻比，測試不同窗墻比對該建筑底層住宅室內的采光度影響。

圖5 不同窗墻比時室內采光系數平均值

分析圖5可知，在不同窗墻比時，建筑底層采光系數平均值呈線性分布狀態，且窗墻比數值越高，則室內的采光系數平均值越大。通過在模擬軟件內調整本文提出的變更窗口大小后，仿真的不同窗墻比數值時的室內采光系數平均數值與理想數值偏差不大。由此可知，本文提出的建筑底層室內自然采光面積配比優化策略具備良好的應用效果。

3.4 不同透光度玻璃測試

以普通白玻璃、普通藍玻璃和雙層中空玻璃為材料，在仿真軟件內模擬不同該地層住宅安裝不同玻璃時，其室內采光系數變化情況，其中普通白玻璃、普通藍玻璃和雙層中空玻璃的透光系數分別為：0.76、0.65、0.62。測試結果如表2所示。

表2 不同透光度玻璃對底層建筑室內自然采光面積配比指標影響

分析表2可知，當天氣狀況不同時，建筑底層安裝的玻璃不同，其室內采光系數最大值、和光照均勻度數值均不同，其中晴天時的建筑底層室內采光效果要好于陰天狀況時。在采光系數平均值、最大值和最小值角度，普通白玻璃的采光效果要高于普通藍玻璃和雙層中空玻璃，但雙層中空玻璃和普通藍玻璃的差值相對較小。而雙層中空玻璃的室內采光系數最小值要高于其它兩種，其原因在于雙層玻璃雖然可阻擋一定的太陽光入射，但其中空結構可折射部分太陽光，使太陽光入射角度發生變化，使其室內采光的最小值稍大。而普通藍玻璃由于帶顏色的原因，可均勻太陽光線，因此其應用時可使建筑底層室內采光度更加均勻。綜合上述分析，不同種類的玻璃對建筑底層采光影響較大，雙層中空玻璃的應用效果要高于其它類型的玻璃。

3.5 室內軟裝變更效果

以該住宅區底層某兩居室為實驗對象，變更該住戶室內軟裝格局，在仿真軟件內模擬軟裝變化后的采光系數分布變化情況，結果如圖6所示。

圖6 室內軟裝變化前后采光系數分布

分析圖6可知，適當變更建筑底層室內家具格局會改變其室內采光效果。該室內最初的家具格局為梳妝臺、高大綠植均放置在臥室內窗口兩側，次臥放置的書柜將窗口遮住將近三分之一，而客廳的沙發和高大綠植會遮擋陽臺的陽光，廚房位置餐桌正置于窗口位置。對該室內軟裝進行變更后，改變了梳妝臺、書柜、高大綠植、沙發、茶幾和餐桌的位置，將遮擋窗口的位置均空余出來。而從采光系數分布來看，在未對該室內格局進行調整時，其不同數值的采光系數曲線分布范圍均較小，而對該室內格局進行調整后，各個數值的采光系數分布區域均得到了擴大，尤其是采光系數為4.09lx的曲線，其在客廳的分布區域與廚房的分布區域得到了重合。綜合上述結果可知，本文方法所提出的建筑底層室內自然采光面積配比優化策略應用效果較好。

從自然光照度角度展開驗證，以晴天和陰天情況作為實驗條件，測試經過本文方法對該室內軟裝進行重新布置后，其自然光照度變化情況，結果如圖7所示。

圖7 不同天氣情況下室內軟裝變更前后的自然光照最小值變化情況

分析圖7可知，建筑底層室內在陰天和晴天兩種天氣情況下，其自然光照最小值在室內的不同位置均不同。其中主臥、客廳的自然光照最小值數值最高。而在該室內軟裝變更前，在不同天氣狀況下室內不同位置自然光照最小值均較低，尤其是廚房、衛生間、門廳、餐廳等位置處的自然光照最小值幾乎相同，晴天時數值約為0.78，陰天時數值約為0.7。而依據本文方法對該室內軟裝變更后，該室內所有位置處的自然光照最小值均得到了提升，最明顯的是廚房、衛生間、門廳和餐廳等位置處，不論是在晴天還是陰天，其自然光照最小值均超過0.83。上述結果表明：建筑底層室內采光效果可通過調整其室內軟裝來提升，本文方法的應用效果較好。

4 結論

本文以某建筑底層住宅為仿真研究對象，以建筑建模軟件構建其模型和仿真環境，依據所提的建筑底層室內自然采光面積配比優化方法對其進行優化并仿真其應用效果。經過實驗驗證，本文所提的建筑底層室內自然采光面積配比優化方法具備良好的應用效果，可有效提升室內不同位置的采光度和采光系數，且采光系數分布區域擴大效果明顯。