从自然采光谈建筑改造中节能与艺术的结合——以某国家重点实验室建筑改造为例

田海鹏，胡伟

(中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州221000)

1 既有建筑改造的必要性

西方很多发达国家在上世纪已经看到建筑改造的重要性。“20世纪80年代至90年代——事实上，可说从60年代起——古旧建筑已成为建筑业的主要问题。最近的一项调查表明美国建筑界70%以上的工程与古旧建筑的再利用有关。［1］”

然而，在国内，由于城市的快速更新与发展，对于建筑本身的反复摧毁与建造，产生的资源浪费和环境污染已经形成了恶性循环。据统计，我国建筑平均使用周期不到30年，而美国约为80年，欧洲建筑的平均使用周期则超过80年，有些甚至超过了100年。有关资料显示，目前我国每年老旧建筑拆除率占新建建筑面积的40%左右，中国每建成1 m2的房屋，约释放出0.8 t碳。由此可见，必要的改造比大量的新建可减少投资、节约造价、缩短工期，有利于环境的改善，建筑垃圾的减少以及对于低碳事业的响应。

2 自然采光设计的重要性

自然采光，是将室外光线引入建筑内部，将其按一定的设计手段进行分配。而利用自然光，并不仅仅体现在简单的照明上，它充分表达出各种环境、美学和人的因素。当然，作为被动式设计中的一种，自然采光在节能减排上也同样发挥了巨大的作用。可以说，自然采光是实现建筑可持续设计的一件重要工具，与当今的低碳生活不谋而合。

2.1 自然采光的节能性

在过去很长一段时间里，自然采光在建筑设计中广泛运用。很多的民用建筑，包括对于建筑体量的控制、采光井的安排以及庭院的布置等都是为了获取自然光线，创造优美的自然环境。如我国古代的天井，建筑挑檐下的空间以及四面维合的庭院都是对于自然光的有效利用。然而随着电气时代的发展，人们对于封闭型建筑和人工照明的过度依赖使得自然采光的需求明显降低。但是，面对全球的环境问题，自然资源的逐渐短缺，对于健康生活的关注等等，人们试图亲近自然、降低能耗、减少污染的要求逐渐迫切，建筑的自然采光再一次受到重视。

自然采光属于建筑的被动式设计。合理的利用自然采光以减少照明用电的同时也相应的增加了建筑的热吸收，从而在避开电耗高峰阶段的同时节省了大量的电能。资料显示，“照明用电占整个商业建筑能耗的25%～40%，而自然采光可在特定的情况下可以节省52%的照明用电。［2］”由此可见，合理的利用自然光对于建筑节能起到了重要的作用。

2.2 自然采光的艺术性

与其他建筑现象相比，自然光具有场地的特定性。这种特定性是自然光的流动带给建筑的本身，也是建筑本身的形式对于光线造成的影响。正如约翰·蒂尔曼·利莱所说:“自然光跟随建筑形式而流动，建筑形式跟随自然光而改变。［3］”

而涉及光线对于建筑的作用，我们不得不想到路易斯·康。他认为:“只有有自然光的空间才是真正的建筑空间，［4］”建筑与自然光是密不可分的整体。成功的自然光设计是如何将光线合理的引入室内，无论是侧面还是顶部。这种艺术性在使用者身上则体现在空间给人的各种感受。如哪种光照适合安静的交流、大声的讨论、一个人的学习、集体的聚会等等，光线与之可能产生的阴影对于人们情绪的影响在任何时候都是不可忽视的，“在很大程度上，人们见面的方式会受到环境的支持或者阻碍。［5］”

虽然很多的建筑物都将自然光引入到室内，但是实际上并没有几座建筑这样做的目的是出自照明。因此，我们可以发现在自然光透过窗户射入室内的同时，人工照明并没有因此而减少或是调暗。这里不仅是人们节能意识的缺失，建筑物的大进深、不合适的窗户面积，对于光线控制手段的缺乏以及没有合理的计算有效光线等原因直接影响了建筑的使用。

由此可见，看似简单的引入光线，却需要精心的规划，综合各种因素。好的自然光能够使人的心情变得愉快，从而提高工作效率，也只有满足了人们的生理和心理需要，自然光才能将节能与艺术有机的结合在一起。

3 某国家重点实验室改造设计中的探索与实践

3.1 项目概况

中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，位于徐州解放南路矿大文昌校区，占地1 900 m2，建筑面积4 021 m2，框架结构，共两层。原建筑所面临的主要问题是:①平面布局不合理，无法满足实验室的功能需求;②无自然采光通风，原建筑全天依靠人工照明和机械通风，耗能巨大;③墙体外饰剥落渗水，也无外保温措施，不利节能降耗;④主入口水平与立体交通并行，人流交叉严重。通过一系列的改造措施，弥补了旧建筑的种种缺陷，满足了现在使用者的科研教学需求。这里笔者主要针对其中的自然采光设计，研究建筑改造中如何把握节能与艺术相结合的策略和方法。

3.2 原有建筑自然采光分析

原有建筑为34 m×64 m×12 m的建筑体块，由于内部没有采光井，仅靠四周的侧窗采光。因此，内部走廊阴暗憋睹，几乎没有自然光线射入。经Ecotect软件模拟测试，二层空间改造前平均日光照度为802.8 Lux，采光系数平均值为16.06%，最低处照度为20.58 Lux，采光系数为0.41%。按照我国2001年发布的《建筑采光设计标准》，校园建筑室内天然光临界照度值为100 Lux，最小自然采光系数为2%。由此可见，原有建筑在光线分布上存在很大的问题。

3.3 改造中的自然采光设计

好的自然采光设计要合理利用场地信息，全面考虑光线、热舒适度、私密性、噪声、视觉、使用功能等等，也就是综合考虑环境、建筑与人三者之间的关系。

针对原建筑存在的问题，在改造中进行了大量的模拟与推敲，理论与实践的结合。笔者针对本例分析认为可以从以下几个方面总结思路和方法。

3.3.1 自然光的合理引入

在重点实验室的采光设计中，主要问题和挑战集中在巨大的楼板面积、相应较大的楼板厚度以及两层的结构形式上。尤其是底层的空间，由于周围都是封闭的盒子，中心部分极其昏暗，因此，通过创造出一个明亮宽敞的中庭将整个建筑内部串联起来。将原有的“口”字形周边采光方式，变成“井”字形采光，打造出一个亲近自然的中庭空间。经计算机模拟测试，自然采光量明显提升，室内平均日光照度值提高为1 248.09 Lux，采光系数平均值为22.48%。二层空间投下的光线创造出视觉上的趣味性、戏剧性，而周围的玻璃隔断也为光线的射入埋下伏笔。大面积自然光的射入使得走廊内部和周边室内空间无需使用人工照明也能很好的满足使用要求，从而大大降低了室内照明的耗电量(图1)。

3.3.2 自然光决定空间的使用功能

空间的使用功能来自于对生理、心理、文化和精神的考虑。不同的功能形成了不同的使用空间，不同的使用空间具有不同的使用要求，于是，光线在这里就像是一条线索，将不同的空间串联起来。

在重点实验室的改造过程中，中庭的引入使空间重新排序，依照从中心到四周光线逐渐的减弱，相应的空间也逐渐完成由公共——半公共——半私密——私密的转换。随着私密性的加强与之相对应的使用空间则可以划分为交通空间——交谈空间——讨论空间——工作空间(图2)。因此，在空间的组织上，围绕天井设计了公共走廊，人们可以依靠着中庭四周的栏杆享受自然光或者进行交谈。走廊的四周是会议室和报告厅，落地安全玻璃的使用将自然光最大化的引入，保证了在开会讨论或者做报告时不利用人工照明也能满足使用要求。公共空间的光线影响了人们的情绪，并促进了使用者在特定环境下更容易投入注意力的行为。在会议室和报告厅之后，私密性进一步加强，于是，实体墙，实木门则打造了独立、安静的办公空间，使用者在封闭的空间内部不再受外界的打扰，更好的投身于自身的工作之中。

图1 改造后的中庭效果

图2 加入中庭根据光线强弱进行空间的划分

通过分析我们可以看到，自然光的引入与建筑和周围环境形成了一个特定的场，这个场与使用者之间产生联系，不同用途的空间也就相应的产生。从某种角度来看，自然光和使用空间具有唯一性。因此，如果没有合理的分析，全面的把握，将光线、建筑、人有机的结合起来，即使将光线引入建筑内部，也不能很好的发挥其作用。

3.3.3 将艺术融入自然光

对于设计师而言，自然光是一条通向重新考虑被动式设计的生态和美学潜力的道路。可惜的是，“包括惰性、缺乏兴趣、对被动式设计的有效性缺乏理解，甚至这些年来对自然光美学的蔑视［6］”，使我们在面对自然光时，更多的是出于对功能的单一考虑，而忽略了自然光的艺术性。

在重点实验室的改造中，通过中庭引入了光线，借鉴中国古代天井的设计手法，在一层空间融入了一个室内庭院。均匀的铺上深色的砂石，架设防腐木栈道，在角落植入翠竹软化环境使整个内庭显得清新而稳重，干净而典雅。既符合了公共空间的使用要求，又淡淡的融入一丝中国传统文化的气息。为了增加整个中庭的戏剧性和偶然性，在中庭不大的面积中大胆的融入了钢构楼梯，将四周的墙壁刷白，以更好的记录阳光在建筑中留下的表情(图3)。

总之，一切都是围绕光线在布置空间，选择不同的物体，材料，然后让它们在同一个时间内发生联系，引起使用者共鸣的联系就是建筑的艺术表现。这就像亚历山德拉·蒂恩在《路易斯·康的建筑哲学中》所论述的那样:“……光线所具有的赋予建筑生命的能力依赖于其自身的生命力、易变性［7］。”从光线的时间性出发，笔者认为虽然有很多自然光的设计手法可以借鉴和利用，但是似乎在表现力方面顶光是不可或缺的。我们从前面分析的很多案例中可以隐约的感受到，无论是门廊，内庭、天窗，顶光成为了一种关乎美学、经验以及节能因素全面统筹的设计手段。

图3 具有传统文化气息的中庭空间

4 结束语

我国目前正处于产业结构不断调整和城市化快速发展阶段，既有建筑的改造与利用是解决我国目前在能源与经济问题上的一种合理有效的方法。而被动式的自然采光设计将会是一项重要的节能手段。它是在适应自然环境的同时利用自然环境，其本质还是对于建筑自身的思考，因此对建筑师提出了较高的要求。值得欣慰的是，很多的经验已经告诉我们自然光具有无穷的魅力，如何更好的发挥其作用和表现力，是我们需要用心体会和研究的关键所在。

本文仅是针对在节能和艺术两者结合上进行了研究和分析，希望能够为推动节能减排的工作尽一点微薄之力。而对于建筑师自身需要知道，自然光的强大远不止这些，如生理与心理的健康、生活质量、采暖和制冷以及如何设计窗口等都有很多值得我们细细琢磨的地方。希望我们不断的从自然光中汲取灵感和智慧，更好的推动其使用与发展，这也是为我们的低碳事业的早日实现做出自己的一点贡献。

［1］肯尼思·鲍威尔．旧建筑改建和重建［M］．于馨，杨智敏，司洋，译．大连理工大学出版社，2001:10

［2］于慧利，王东升．建筑节能［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2008:115

［3］John Tillman Lyle．Regenerative Design for Sustainable Development［M］．New York:John Willey＆Sons，1994:43

［4］［美］戴维·B·布朗宁，戴维·G·德龙，路易斯·I·康．在建筑的王国中［M］．马琴，译．北京:中国建筑工业出版社，2004:205

［5］Christopher Day．Places of the Soul［M］．Northamptonshire，England:Thorsons Publishing Group，1990:56

［6］［美］玛丽·古佐夫斯基．可持续建筑的自然光运用［M］．汪芳，李天骄，谢亮蓉，译．北京:中国建筑工业出版社，2004:74

［7］Alexandra Tyng．Beginnings:Louis I．Kahn's Philosophy of Architecture［M］．New York:John Willey＆Sons，1984:130－131