參數化性能模擬的福清傳統民居光環境優化策略

賴思彬, 張兵華, 吳木生, 彭琳

(福州大學建筑與城鄉規劃學院, 古建筑保護福建省高校工程研究中心, 福建 福州 350108)

0 引言

中國民居的歷史悠久, 早期傳統民居以防御性作用為主, 以及抵御寒冷的天氣, 民居呈現出外封閉內開敞、 臥室封閉廳堂開敞的現象. 當地居民在自行建造過程中還受到技術和其他經濟條件等限制, 房間普遍存在開窗少、 窗口小的問題, 從而導致室內的采光不足. 光環境影響人體在視覺上的舒適性及身心健康, 即室內光環境迫切需要改進[1].

現階段, 國內外的學者在研究民居光環境上做了大量的室內環境實測和分析, 并探討其優化的策略和措施. 張宏儒等[2]以蘇州傳統民居為例, 通過采光實測與軟件模擬對比分析和總結當地民居生態設計要素, 驗證光環境設計的有效性. Kim等[3]使用Daysim程序創建模擬單元, 并采用照度和采光頻次(daylight factor, DF)指標評價采光性能, 發現與窗墻比的增大呈線性關系, 提出橫向與縱向的單元比值設計指南. 孫澄等[4]通過調研農村住宅, 研究總結了10項天然采光因素與采光照度的定量關系, 并建立其環境數據庫. Cammarano等[5]以不同建筑特征的房間對比, 研究自然采光隨著建筑特征變化而變化, 并分析每個特征的影響因素, 提出在室內采光的初步設計. 何苗等[6]通過采集閩南地區民居光環境實驗數據進行對比研究, 分析民居采光存在的主要問題和原因, 為制定當地采光標準作為參考并提出改善策略. Huang等[7]基于碳減排等方面考慮, 從窗高、 窗地比和窗寬比要素中研究城市住宅采光并提出初步設計優化策略. 黃海靜等[8]在黔東南地區采光不足問題上結合實驗測量研究, 通過軟件模擬驗證及分析影響因素并提出優化策略. 于姝亞等[9]通過ECOTECT 模擬并且進行定量研究, 結合對平立面的定量測量數據, 分析了傳統窯洞民居光環境在時間演化下的適應關系.

目前, 對光環境影響因素的定量研究較為完善, 大多數學者集中于光環境實測數據分析, 但對傳統民居地域性特征關注較少. 本研究以福清地區岑兜村典型合院式傳統民居為例, 在保留完整建筑歷史風貌的基礎上, 從建筑平面布局、 剖面空間及建筑材料等方面出發, 根據民居現狀實測分析與采光參數性能模擬相結合, 提出適用于當地民居的保護性改造策略.

1 岑兜村概況分析

1.1 地理位置分析

岑兜村地處福建省福清市海口鎮(北緯25°18′～25°52′, 東經119°03′～119°42′), 距離福州市90.2 km. 福清市10.2 km, 屬南亞熱帶海洋性氣候. 根據我國建筑規范標準[10], 福清市屬于光氣候區中的Ⅳ類區, 常年日照2 200～3 000 h, 光資源較為豐富. 岑兜村不僅依山傍水、 環境優美, 紅壤、 黃壤為主要土壤類型, 而且當地木石資源十分豐富, 居民們依托此優勢建造了具有地域性特征的民居. 近幾十年來, 還一直保留著完整較好的傳統民居, 以及村莊內不斷大量興建新的民居, 呈現出了新、 老民居共存的局面, 因此選用岑兜村傳統民居為研究對象.

1.2 傳統民居現狀分析

研究選取的典型傳統民居為林氏住宅, 位置處于海口鎮岑兜村, 是一座建于清末民國、 坐北朝南的合院式布局建筑(圖1). 根據民居現場測繪的尺寸, 建筑總長為31.48 m, 總寬為18.23 m, 面積為1 264.18 m2. 建筑組合平面布局為二進五開間, 由主軸線向兩側擴展, 屬于典型的“一明兩暗”布局、 木結構承重為主的傳統民居[11]. 其在立面上分為兩層, 側立面夯土墻為主, 毛石砌筑基礎, 有利于防潮與排水, 墻體厚度為0.42 m. 正立面5層花崗巖為裙堵, 紅磚為鏡面墻, 四扇新式開窗(圖2), 形成具有特色的立面形象[12]. 該民居縱深較長, 天井為主要采光區, 正立面有部分采光口, 側立面為輔助采光面(圖3).

圖1 航拍圖

1.3 光環境實測分析

測量時間為2022年5月10日—12日, 每日的9: 00—17: 00的9個時間點, 天氣多云、 全陰天, 滿足規范要求, 并同時采集此3 d內所有時間點實測的平均值, 作為該時間段的光照量數據. 二層閣樓均為儲藏間, 通常使用移動梯子上樓, 僅有部分房間還保留著樓梯. 因現今二樓不住人, 故只針對一層功能房間進行測量. 一層功能分別有臥室、 客廳、 廚房. 測量方案利用均分平面網格, 選取距地面0.75 m的工作平面進行測定, 將網格均等地布滿區域, 所有采光測試區點位間距為0.5 m(圖4)以滿足規范標準[13]. 采光測量儀器選用 SanLiang數字型照度計, 有效范圍為0～200 000 lx, 數據儲存2 000組. 每個點從該時間點的前后間隔5 min, 各取5次數據的平均值, 能夠極大減小誤差. 首先, 將每個房間測試點的采光照度取平均值作為該房間的平均照度. 其次, 測量得出該民居室內的窗地比(表1)和材料的透射系數(表2). 最后, 將實測所得的平均照度和窗地比值與規范標準值進行對比, 根據該傳統民居所在地區, 規定臥室、 客廳、 起居室和廚房的窗地比為 1/6, 采光照度標準值為300 lx, 采光系數為2.20%[10], 得出該民居部分主要功能房間的平均照度和窗地比遠小于標準值.

表1 房間窗地比實測與標準值對比

表2 房間表面的材料系數

圖4 測點分布圖(單位: mm)Fig.4 Distribution of measuring points(unit: mm)

2 光環境模擬和分析

2.1 模擬流程

通過實測的建筑平面導入Rhino中, 建立初步的基本模型, 提取到Grasshopper平臺中同步建立Honeybee模型(圖5). 模擬過程中, 先設置各個房間開窗位置、 地面和周邊建筑遮擋物. 賦予其材料參數: 室內墻體反射系數為0.3, 天花反射系數為0.20, 地面反射系數為0.22, 及玻璃的透射系數為0.42. 再利用ladybug獲取氣象數據文件[14], 分析采用全陰天天空模型符合《采光測量方法(GB/T 5699—2017)》規范, 最后拾取工作平面, 高度設置為0.75 m, 測點間距設置為0.5 m, 連接運算引擎實現結果可視化(圖6).

圖5 Honeybee模型Fig.5 Honeybee model

圖6 Grasshopper電池圖Fig.6 Grasshopper battery diagram

2.2 實測與模擬驗證

Ladybug和Honeybee的內核Radiance引擎已經過多次驗證采光模擬結果的可行性[15]. 本研究采用的epw氣象數據文件由中國氣象信息中心實測全國270個地面氣象站收集的氣象數據為基礎編制的[16]. 為驗證該地區氣象數據文件的可行性, 本次采光模擬試驗采用實測數據與模擬數據校對誤差, 將原室內采光照度模擬結果與實測數據對比, 其誤差率在2.78%～13.29%(圖7). 在檢驗其可行性的基礎上進行模擬分析評價研究[17].

圖7 采光照度實測值與模擬值對比Fig7 Comparison of measured and simulated lighting illuminance values

3 光環境優化設計策略

3.1 增加開窗透射系數

考慮到光環境改造會對該地區的歷史建筑風貌有所影響, 以不改變外墻的整體歷史風貌為原則, 根據窗戶構造形式, 改變該門窗的透射系數, 其實測的玻璃透射率為0.42, 查閱相關規范, 采用普通白玻璃, 其厚度為6 mm, 與原民居玻璃厚度相匹配透射率為0.84, 即在模型中設置并模擬, 其結果如圖8所示. 由于地域特點與民俗習慣, 傳統民居普遍采用“光廳暗房”結構營建, 正廳與前廳起著起居室的作用, 皆為開敞面向天井[18], 窗地比與采光量皆滿足標準值. 玻璃透射率對提升其他房間采光照度增幅較大, 整體通過300 lx標準值的房間占有率為5.71%, 其中臥室G和臥室M布局緊靠外墻, 通過外墻窗戶直接對外采光, 所以玻璃透射率對其增幅最大, 而臥室B和臥室C布局雖然緊靠東側外墻, 但受到周邊建筑的影響, 遮擋住了大部分的入射光, 所以玻璃透射率對其增幅最小, 且均未達到國家規范的標準值.

圖8 增加開窗透射率采光照度模擬結果Fig.8 Simulation results of lighting illumination by increasing the window transmittance

3.2 提高室內反射比系數

考慮到既有建筑的主要空間結構延續使用, 保持建筑平面布局形式, 房間開間進深, 屋架結構不變. 基于歷史建筑風貌的保護和整體性原則, 盡量保持門窗雕刻和屋頂裝飾前提下, 對室內的空間表面材料進行改造[19]. 由于該民居采用的室內材料為杉木板, 實測淺黃色木板反射率為0.30, 杉木板不適合整體墻面粉刷, 所以提升室內反射比相對較好的方式是采用圖釘, 利用淺色墻紙裝訂在杉木板里, 既方便又節省成本. 通過查閱相關規范, 采用塑料墻紙黃白色, 其反射率為0.72, 即在模型模擬中, 將數值賦予墻體、 地面、 屋面. 依據建立的模型進行運算, 模擬結果如圖9所示. 從結果可以看出, 單純從室內的反射比上來改善光環境, 效果甚小, 未有房間能通過標準值, 整體的房間采光強度增幅率不到5%, 所以必須整合其他措施優化來滿足采光需求.

圖9 提高室內反射比采光照度模擬結果Fig.9 Improved indoor reflection ratio lighting simulation results

3.3 增加內墻開窗面積

區別于普通住宅, 該傳統民居布局形式為四合院形式, 由于周邊的中高層新建建筑的興起, 阻擋了大部分天然光從側面射入, 重要的功能房間主要還是依靠天井采光口[20]. 在其原有木窗單元尺寸的基礎上增加內窗, 以420 mm×800 mm和450 mm×1 000 mm為模數(圖10), 通過對內墻的開窗設置, 滿足規范的窗地比值. 由于該民居主要功能房間以中軸對稱分布, 部分房間不滿足窗墻比值, 以450 mm×1 000 mm為模數增加開窗面積, 即臥室B與臥室O需要增加2扇窗戶, 廚房C與廚房P需要增加3扇窗戶, 臥室D與臥室Q需要增加4扇窗戶, 臥室E與臥室K需要2扇窗戶, 臥室F與臥室L需要增加2扇窗戶, 總計內墻開窗面積為11.70 m2. 模擬結果見圖11, 由圖11可知, 增加內墻開窗滿足窗地比的標準值, 整體采光量增幅對比優化前相對較大, 通過300 lx標準值的房間占有率為2.01%, 其中由于臥室B與臥室O布局上緊靠臥室F與臥室L, 內墻開窗位置受到極大的限制, 所以其增幅最小, 廚房C與廚房P布局上緊靠天井, 內墻開窗位置靈活, 直接對天井采光, 所以其增幅最大, 但采光照度均達到標準值.

圖10 內墻開窗示意圖Fig.10 Diagram of interior wall opening window

圖11 增加內墻開窗面積采光照度模擬結果Fig.11 Simulation results of lighting illumination by increasing the window area of the inner wall

3.4 增設頂部采光口面積

主要功能房間進深太長, 采用外部開窗形式也滿足不了室內的采光需求, 則需要從屋頂處增設亮瓦. 福清傳統民居基本上墻體以紅磚、 屋頂以紅瓦為建筑材料[21], 則亮瓦為底瓦, 蓋瓦采用當地的紅瓦, 對整體的歷史建筑風貌影響較小. 亮瓦在設置上分為兩種情況, 每處設置的亮瓦區域模數為0.45 m2(0.45 m×1.00 m)面積.

1) 通高空間. 廚房C與廚房P為通高空間, 在屋頂處可直接鋪設亮瓦(圖12), 通過直接采光來滿足采光量的需求. 但亮瓦的可采光面積需根據屋檐下的檁條位置來確定, 由窗地比的標準值, 可得廚房C與廚房P頂部均需要設置3處亮瓦, 亮瓦面積設置為2.70 m2.

圖12 屋頂亮瓦鋪設示意圖Fig.12 Schematic diagram of roof tile laying

2) 閣樓空間. 臥室B與臥室O, 臥室D與臥室Q局部二層閣樓用來做儲藏功能, 也能起到濕熱環境調節空間的功能. 而一層用來做臥室功能, 利用閣樓上部的檐下空間來設置亮瓦, 亮瓦的可采光面積受到閣樓位置的限制,為滿足窗地比值, 則各需要設置2處亮瓦和4處亮瓦, 亮瓦設置為5.40 m2面積. 臥室E與臥室K, 臥室F與臥室L二樓整層為儲藏間, 則需要拆卸部分的閣樓面積來滿足一層臥室的采光需求, 采光面積受限于檁條的位置, 為滿足窗地比值, 則各需要設置2處亮瓦, 亮瓦面積設置為1.80 m2. 總計亮瓦設置面積為9.90 m2. 可以從模擬結果(圖13)看出, 增加頂部采光口滿足窗地比的標準值, 對比優化前房間單體采光量增幅較大, 通過300 lx標準值的房間占有率為36.62%, 其中廚房C與廚房P達到標準值, 其余房間雖然未達到標準值, 但差距不大, 并且采光口設于屋檐下, 對其整體風貌影響較小.

圖13 增設頂部采光口面積采光照度模擬結果Fig.13 Add the lighting illumination simulation results of the top lighting port area

3.5 光環境綜合優化設計策略

基于以上單項優化結果分析, 可以得出需要考慮建筑材料、 空間結構、 建筑風貌等因素來綜合提出優化設計策略. 即采用單層普通白玻璃, 透射率設置為0.84, 室內墻體, 地面, 屋面采用塑料黃白色墻紙, 反射比設置為0.72. 廚房C與廚房P增設1.35 m2內墻開窗面積, 同時各房間屋頂的中心對稱放置亮瓦(圖14), 確保能夠最大效率地增加采光量, 各增加2處亮瓦, 臥室Q和臥室D單獨增設4處亮瓦, 亮瓦設置面積為16.20 m2. 臥室E與臥室K, 臥室F與臥室L二層閣樓各需要拆除3.90 m2作為采光口, 總計設置的采光面積為24.00 m2. 模擬結果如圖15所示, 可見該民居各房間室內的平均采光照度大幅度增加, 通過300 lx標準值的房間占有率為61.51%, 并滿足國家規范標準. 由于采光受到周邊中高層新建住宅的遮擋, 僅有臥室A, 臥室B及臥室O還未達到規范值, 但距離標準值相差不大, 且驗證了屋頂亮瓦采光效率的有效性.

圖14 亮瓦剖面設置示意圖Fig.14 Schematic diagram of bright tile profile setting

圖15 綜合優化采光照度模擬結果Fig.15 Simulation results of daylighting were comprehensively optimized

4 結語

在Grasshopper平臺中以Ladybug獲取氣象數據文件建立了Honeybee模型, 根據傳統民居的光環境現狀調研實測和模擬, 結果顯示, 該民居的采光照度遠低于標準值, 且玻璃材料參數、 室內反射比、 空間形態和開窗大小等因素影響采光性能. 通過模擬各影響因素進行量化和對比分析, 針對合院式的平面布局和閣樓形式的剖面類型, 提出如下幾點整體傳統民居保護性改造策略. 1) 在室內墻面裝飾上可采用淺色墻紙來提高室內反射比, 以及通過局部改變木墻門窗構造來增加玻璃透射率, 能夠起到優化整體光環境的作用. 2) 靠近天井的房間, 考慮增設內墻門窗, 直接對天井采光. 3) 當內墻采光不足時, 利用當地紅瓦元素進行亮瓦處理, 增設頂部采光口. 結合以上的優化策略, 可為該地區民居與新建民居改造更新提供一定價值的參考意義. 但在模擬過程中, 在一定程度上簡化了模型, 造成部分房間的模擬與實測誤差值相對較大. 今后該Grasshopper平臺還可以將光環境、 熱環境和風環境相結合, 通過優化算法的銜接, 實現更加精準、 從局部到整體改造的參數化設計.