京津地区高校体育馆建筑采光典型模型研究

杨 笛，张明宇，韩国帅

(天津大学天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

京津地区高校体育馆建筑采光典型模型研究

杨 笛，张明宇，韩国帅

(天津大学天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

本文面向中小型高校体育馆采光照明设计领域，调研显示，应用层面现状不容乐观。基于国内规范标准、相关论文及研究和实地调研数据，提出京津地区高校体育馆典型建筑模型，为新技术的评估，设计阶段的优化，分析及优化控制策略，相关标准和规范的编制，学术研究等研究和实践基础支撑。最后，借助Ecotect，Radiance和Evalglare软件，对典型模型进行简要评价。

体育馆；采光；典型模型

引言

高校体育馆因其数量众多、覆盖面广、运营和维护都较为完善，已经成为城市体育基础设施建设中的中坚力量。优秀的比赛厅光环境设计能够显著提升运动员和观众的使用体验，降低建筑能耗，同时天然光还可以提升运动人群的身体机能和反应、判断力。

典型建筑模型随着建筑节能的提出和发展而发展。它的作用主要是评估新的节能技术、优化设计、分析先进的控制方案、制定节能标准和进行照明、通风、室内环境等研究。值得注意的是，它不是用来反映某些特定建筑的情况，而是代表一类建筑，因此是该类建筑各种节能研究的一致出发点。

1 典型建筑模型

美国能源部(DOE)(2011)联合美国国家可再生能源中心、西北太平洋国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室，发布其典型商业建筑模型。该模型综合了15类商业建筑和一类居住建筑，能够代表2/3以上的美国商业建筑[1]。这一模型涵盖了四个大项28个小项的参数信息，成为后来众多能耗模拟软件重要的数据基础。

在光学模拟方面，劳伦斯伯克利实验室开发的专业计算机光学模拟软件Radiance是目前国际公认的能够较为精确地模拟室内天然光的光学模拟软件。在这一平台进行光环境预测，需要首先建立合适的天然采光数字模型，包括建筑形态布局以及相关参数。

模型参数的来源有三类，包括标准、相关论文及研究和实地调研数据。本文选择京津地区高校体育馆比赛厅作为研究载体，通过对京津地区大量建成高校体育馆的实际调研，对体育馆建筑的使用情况、平面功能设计、剖面空间形式和立面采光口设计、室内建筑材质和室内光环境指标等进行了重点调查研究。通过多个方面的量化分析表格，概括京津地区高校体育馆的建筑模型。

本文主要讨论京津地区典型高校体育馆建筑模式。首先，针对通用采光照明模拟软件的模拟环境，对实际建筑进行简化，归纳适合模拟天然采光的数字模型。其次，结合设计规范和已有学术研究，对模拟中关键参数的设定给出推荐。

2 实地调研和现状分析

2.1实测选点依据

本文为国家自然基金项目《基于多目标优化分析的学校体育馆天然采光设计理论研究》的前期调研部分，研究范围选在基金项目中设定的京津地区。一方面因为京津地区高校分布密集，综合型院校和专业型院校均有涵盖，高校数量和层次丰富度居全国之首，具有较强的代表性。另一方面，按照室外天然光年平均总照度值划分，京津地区属于Ⅲ类光气候区。Ⅲ类光气候区的室外天然光照度不需要分区系数K值修正(即K值为1)，较其他分区更具有代表性。

2.2测试内容和测试方法

2.2.1 测试内容

时间：选择当天太阳光最稳定的时间段10:00—14:00；

指标：室内、室外的水平照度、场地内工作面照度、地面照度。

2.2.2 测试方法

测量仪器：照度计(动态范围：0.01～10 000 lx、0.1～100 000 lx)、测距仪(Leica Disto D5)；

本文室内光环境采光测试方法根据《采光测量方法》(GB/T 5699—2008)制定：

1)根据建筑柱网跨度，间隔3 m或4 m均匀布点，活动场地区域及场地周围，距离场地周围墙面1 m；

2)工作面照度选取距离地面0.8 m高度；

3)室外照度和室内照度同时进行测量；

4)测点距离墙、柱为0.5～1.0 m，建筑采光方式为单侧采光时应在距离内墙1 m处设置一测点，双侧采光时应在横剖面中间设置一个测点。

2.2.3 注意事项

1)摒除人工光的干扰，在只利用天然光的条件下进行现场调研；

2)在维持场地采光口常态(有些采光口长期处于遮蔽状态，调研时不改变采光口的遮蔽状态)的情况下进行调研，并对采光口遮蔽情况进行记录。

2.3数据分析与评价

2.3.1 调研数据

形体设计与采光效果调研数据见表1。

表1 形体设计与采光效果实测数据

2.3.2 评价参数

采光效果的评价参数可以分为两类，照度和采光系数等用于表征采光数量，照度均匀度等表征采光质量。按照高校体育馆使用类型，体育馆场地属于采光等级Ⅳ级[2]。在《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)中对室内天然光照度、采光系数和照度均匀度做了如表2所示规定[3]。

表2 体育馆采光设计标准

2.3.3 采光现状分析

图1为调研中九座体育馆的室内天然光照度情况。除了首都师范大学体育馆(30.62 lx)、天津工业大学体育馆(52.01 lx)不满足照度水平要求之外，其他七座体育馆均满足标准要求。

图1 高校体育馆照度平均值Fig.1 Average illuminance of tested gymnasium

体育馆的采光系数如图2所示。侧窗采光的南开大学体育馆(0.79%)，天窗采光的首都师范大学体育馆(0.58%)和天津工业大学体育馆(0.16%)均不符合规范要求。

图2 高校体育馆采光系数平均值Fig.2 Average lighting coefficient of tested gymnasium

照度均匀度如图3所示。南开大学体育馆照度均匀度为0.39，天津理工大学训练馆均匀度为0.41，天津师范大学训练馆均匀度为0.09，北京师范大学体育馆均匀度为0.25，首都师范大学体育馆均匀度为0.24和天津工业大学训练馆均匀度为0.16，均未达到0.5的均匀度要求。

图3 高校体育馆照度均匀度Fig.3 Uniformity ratio of illuminance of tested gymnasium

在调研的九座高效体育馆中，八座都存在不同程度的不达标情况。值得注意的是，在采光数量和采光质量之间，常常出现顾此失彼的现象。例如，照度平均值(2 424.46 lx)和采光系数(6.42%)最高的天津师范大学训练馆，均匀度(0.09)却最低；均匀度(0.80)表现出色的天津工业大学体育馆，照度平均值(52.01 lx)和采光系数(0.16%)却严重不满足要求。体育馆天然光环境急需改善。

3 高校体育馆采光模型的建立

3.1建立目的与适用范围

作为较为特殊的综合体育馆，高校体育馆也有区别于其他社会型体育馆的独特特征。调研显示，场馆主要作为全校师生体育上课、日常训练和社会健身的场所，其次用作比赛场地。同时37%的场馆还兼具文艺、集会的功能，用于承办学校重要活动，见表1。结合建筑设计[4]，因而从功能角度出发，高校体育馆典型模型须满足以下要求：

1)以教学活动为主；

2)容纳常见比赛项目；

3)场地满足日常训练和体育教学的需求；

4)能够兼顾对视听条件要求不严格的集会活动，如会议、演出、展览等。

这一模型应能够代表京津地区70%～75%的中小型高校体育馆，具备一定的代表性。另外的25%，由于其特殊性，不能够涵盖在本模型中。但其模型的搭建可以有选择地参考本模型参数。其次，本模型仅就京津地区高校体育馆进行探讨，相关参数及权重系数尚不能涵盖全国。

3.2典型模型参数选取

3.2.1 参数来源

典型模型是由一系列对采光效果至关重要的参数组成的。从计算方法中溯源，可以详尽找出设计中所需的关键参数[5]。

在GB 50033—2013中，侧窗采光室内平均照度En计算公式为

天窗采光室内平均照度En计算公式为

其中，利用系数(CU)是由顶棚反射比(ρp)、墙面反射比(ρq)和室空间比(RCR)决定。而室空间比RCR的计算方法为

式中Ew为室外照度；Ac为窗洞口面积；Az为室内表面总面积，是顶棚、墙面、地面、窗洞口的表面积(Ap，Aq，Ad，Ac)的总和；τ为窗户总透射比，由采光材料透射比(τ0)、窗结构的挡光折减系数τc、和窗玻璃污染折减系数(τw)决定；ρj为室内各表面反射比的加权平均值；θ为侧窗中心点计算的垂直可见天空的角度值；Ac/Ad为窗地比；h为天窗下沿距参考平面的高度；b为房间进深；l为房间长度。

从式(1)、式(2)、式(3)中可以看出，照度由18个参数决定。这些参数相互影响，错综复杂。它们之间的制约关系可以用图4表示。归因溯源可以发现，从根本上来说，照度由7个参数决定，分别是θ、Ew、ρp,q,d、h、b、l和窗设计。

图4 室内照度参数归因Fig.4 Daylighting parameter attribution

3.2.2 参数梳理

根据设计流程，将这7个参数分为四个大类。下面针对体育馆典型模型建立的目标，对这些参数进行梳理。

1)环境参数。具体体现在室外照度和环境遮挡两方面。室外照度受地区、日期、天气等影响显著。环境遮挡方面，出于安全疏散考虑，体育馆一般被广场或较宽道路环绕，遮挡较少，可以认为θ是90°；

2)室内空间尺寸。包括空间长、宽、高。注意，公式中的h指的是天窗下沿距参考平面的高度，但在体育馆中，参考平面为地面，这一参数可以认为是室内高度。空间长、宽和高进而又影响了窗地比、室空间比等中间参数。

调研结果证明了，这些参数对照明效果影响显著。用Pearson相关性指标检查它们对采光效果的影响程度，通常按绝对值在以下数值范围判断变量的相关程度：相关系数在0.8～1.0为极强相关；0.6～0.8为强相关；0.4～0.6为中等程度相关；0.2～0.4为弱相关；0.0～0.2为极弱相关或无相关。正值和负值分别代表正相关和负相关。结果见表3。照度平均值与空间高度(-0.749)及窗地比(0.624)之间存在强相关关系。采光系数与空间高度(-0.435)及窗地比(0.521)也存在中等程度的相关关系。照度均匀度与五项参数均呈现出中等即以上相关性，与宽度(0.804)和室空间比(-0.838)甚至显示出极强的相关关系。

表3 室内空间尺寸和采光评价参数的相关性分析

注：室空间比只包括天窗采光的体育馆

3)室内反射系数。是顶棚、墙面、地面、窗洞口的光反射比(ρp，ρq，ρd，ρc)和表面积(Ap，Aq，Ad，Ac)的函数。

4)窗设计参数。涵盖采光方式、窗户位置、形式、尺寸、窗玻璃以及窗框的设计等众多方面，灵活多变，是采光研究和实践基础的核心部分。不应该在基础模型阶段就直接限定。

综上所述，典型建筑模型应该包括环境参数、室内空间和反射系数三大类共6项参数。

3.3设计参数选取

3.3.1 环境参数

如前文所述，按照《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)中对全国光气候分区的划分，京津地区处于我国光气候分区中的Ⅲ区。光气候系数K值为1.00；室外天然光设计照度值为15 000 lx，高于时认为完全利用太阳光，设计照度的天然光利用时数3 154 h；室外照度临界值为5 000 lx，低于该值时认为完全采用人工照明，临界照度的天然光利用时数为3 909 h；在室外设计照度和室外临界照度之间，认为平均开启一半照明，采光依附系数视为0.5，这段时间称为部分利用天然光时数，为717 h[3]。

3.3.2 比赛厅平面形态

调研中，如表4所示，75%的体育场选用了矩形平面。一般的高校训练馆也都采用这种简单的平面形式，可以适应大多数的比赛训练项目训练和日常上课要求，因此是高校训练馆中最为典型的平面形式。

表4 体育场平面形态

从平面上划分，比赛厅分为总赛区和观众看台。在体育场所照明中，总赛区指的是比赛场地和比赛中规定的无障碍区。

调研中，72%的体育馆由总赛区和看台组成。体馆场地大小的设计一般都参考各类运动项目的尺寸，而文艺演出舞台、集会等功能对场地的规模要求，并没有特殊的数据要求。同时，比赛场地占地面积一般会超过文艺汇演、集会等尺寸要求。高校体育馆的运动项目比较统一，多为羽毛球和篮球场地，因此其比赛场地可归纳为矩形，且短边尺寸接近，在36 m左右。中小型体育馆常见尺寸为40 m×70 m。适用于2 000～6 000座规模之间的高校体育馆，适用于观众席三面布置、两面布置、单面布置。这种尺寸可以布置训练场如：2个篮球场(网球场、排球场)、10个羽毛球场等，如图5所示。

图5 基本尺寸布置示意Fig.5 An example of suggested gym plan layout

3.3.3 剖面形态

1)空间高度。训练馆活动场地的高度应由运动项目的训练需要决定，无比赛要求的多功能训练场地净高宜选择10～12.5 m，可以适应大多数的运动项目训练要求。如中国矿业大学(北京)体育馆室内净高12 m，满足了该馆作为篮球和羽毛球训练馆的使用功能。

另外，体育馆建筑设计根据不同的比赛项目对于比赛厅净高的要求各不相同。根据《体育建筑设计规范》(JGJ 31—2003)中的相关规定[2]，训练馆室内净高不低于10 m，由于室内篮球场的室内净高设计要求为12 m，室内羽毛球场的室内净高设计要求为9 m，预留两米的结构高度1 m，所以无看台要求的训练馆的建筑高度确定为13 m。

2)顶棚形式。在实际调研过程中，高校体育馆建筑比赛厅屋顶最常见类型的是水平型，少量为曲面型和侧倾型。曲面型屋顶形式是指比赛厅上空屋顶趋势垂直相对于比赛场地，有上凸式和下凹式，导致这种原因一般是对体育馆建筑造型设计的追求。倾斜型屋顶会形成活动场地上空一边高一边低的空间形式，在进行比赛活动时，会对运动员的视线引导产生一定的干扰，所以这类屋顶形式适用于平面较小、规格较低的比赛训练场地。

水平型屋顶形式是最常见的一种屋顶形式，在高校体育馆中应用最为广泛。这种屋顶形式因为与比赛场地平行，在进行体育活动观看时，不会影响比赛场地对观众的视线引导。

3.3.4 室内材质

调研中，体育馆室内饰面材料较为统一。顶棚为混凝土及钢结构(反射比0.20)，墙面为大白粉刷(反射比0.75)。45%的场馆地面选用浅色木地板(反射比为0.58)，45%的场馆为绿色PVC运动地板(反射比0.3)，见表5。根据GB 50033—2013《建筑采光设计标准》中的相关规定[3]，将室内—除地板外各种材料的反射比均按较不利的情况考虑。

表5 相关表面采光物理特性

3.4 典型模型确定

依据上述调研及分析结果，可以基本确定典型模型的基本信息如下：

表6 典型模型相关参数

4 典型模型评价

在Ecotect中建立体育馆采光模型，并用Desktop Radiance对模型的采光质量进行分析。

建筑模型位于北京，时间选在夏至日正午12时。如前文所述，室外天然光环境为CIE标准全阴天。空间平面为70 m×40 m矩形，总赛区为36 m×40 m矩形，两侧设有看台。屋顶为水平型屋顶，空间高度13 m。总赛区设置天窗，布置如图6所示，窗地比为0.09。

通过Radiance软件模拟，得到在标准CIE全阴天下，以地面作为参照面的采光模拟结果，如图7所示。照度平均值为1 273.28 lx，大于标准值150 lx；采光系数平均值为2.38%，大于标准值1.0%；均匀度0.59，符合规范要求。

图6 建筑简化模型Fig.6 Ecotect model of reference building

图7 照度伪色图Fig.7 Pseudo-color image of daylighting illuminance

不舒适眩光指数DGI只能借助模拟软件计算得到[6]。本文采用Radiance和Evalglare结合的办法。Evalglare是一款通过HDR图像计算眩光指数的插件，搭载在Daysim平台之中。首先，确定受到侧窗眩光影响最大的位置，如图8所示。其次，在Ecotect内，计算点位置距地面1.65 m处建立180°鱼眼摄像机，表征观察者视野。设定时间为夏至日正午。通过Radiance渲染得到HDR图像[7]，如图9所示。最后，使用Evalglare对HDR图像进行计算，得到观察点DGI值为17，并未超过限值27。Evalglare用高饱和度的颜色指示了眩光位置，如图10所示。

图8 观察点位置图Fig.8 Layout of gymnasium plan

图9 观察点视野图Fig.9 Fish eye shot from view point

图10 眩光点示意图Fig.10 Glare area of fish eye view

5 总结

本文面向中小型高校体育馆采光照明设计领域。首先调研了高校体育馆天然光采光现状，形势不容乐观。其次分析了体育馆设计中基础参数和采光效果之间的相关关系，肯定了建筑空间形态对采光效果的关键性影响。之后，基于国内规范标准、相关论文及研究和实地调研数据，提出京津地区高校体育馆典型建筑模型空间平面为矩形70 m×40 m的平面尺寸，总赛区为36 m×40 m，空间高度13 m，两侧设有看台，屋顶为水平型屋顶，侧窗采光，并对室内表面材质做了明确界定。最后，借助Ecotect，Radiance和Evalglare软件，对这一模型进行简要评价。

本文提出的高校体育馆典型建筑模型为体育场采光设计的基础阶段研究，将为新技术的评估，设计阶段的优化，分析及优化控制策略，相关标准和规范的编制，学术研究等研究和实践基础支撑。

[1] MICHAEL Deru, KRISTIN Field, DANIEL Studer, et al. U.S. Department of Energy commercial reference building models of the national building stock[R]. Oak Ridge: NREL,2011.

[2] 体育建筑设计规范:JGJ 31—2003[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3] 建筑采光设计标准:GB 50033—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[4] 建筑设计资料集(2版)[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.

[5] ZHAO Yang, MEI Hongyuan. Dynamic simulation and analysis of daylighting factors for gymnasiums in mid-latitude China[J]. Building and Environment. 2016, 63:56-68.

[6] HOPKINSON R G. Glare from daylighting in buildings[J]. Applied Ergonomics, 1972, 3(4):206-215.

[7] WIENOLD J, CHRISTOERSEN J. Evaluation methods and development of a new glare prediction model for daylight environments with the use of CCD cameras[J]. Energy and Buildings. 2006, 38(7):743-757.

ReferenceBuildingModelforSchoolGymnasiumDaylightinginBeijing-TianjinRegion

YANG Di, ZHANG Mingyu, HAN Guoshuai
(KeyLaboratoryofArchitecturalPhysicsandEnvironmentalTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072，China)

This paper proposed a reference building model for school gymnasium in Beijing-Tianjin region. Some of the input parameters for the building model came from previous studies and national standard, while others were determined from survey data analyses in Beijing and Tianjin. The model showed good daylighting qualities through brief examination with the help of Ecotect, Radiance and Evalglare. The model was designed to be used in further researches to assess new technologies, optimize designs, analyze advanced controls, develop energy codes and standards, and to conduct lighting and daylighting studies.

gymnasium; daylighting; reference model

TU113

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.025

国家自然科学基金项目《基于多目标优化分析的学校体育馆天然采光设计理论研究》(项目批准号：51578368)