机场建筑的采光设计分析

遇大兴，边 宇

(华南理工大学建筑学院，亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640)

引言

机场建筑属于城市中重要的大型公共建筑，其特点可概括为：体量巨大，通常由数个大跨度空间组成；24 h运营且全年无休；人流众多，枢纽机场年均吞吐量以数千万人次计。调研机场管理部门后得知：通常机场最为忙碌的时段为6:00—10:00以及17:00—21:00，这两个时段中大部分时间可自然采光。故而从众多机场使用者的体验而言，天然光环境可视为机场的主要特征之一。据在深圳宝安国际机场T3航站楼内，针对旅客开展的随机访谈得知：绝大多数的旅客认可屋顶上的天窗形式、明亮的采光效果使该机场给人印象深刻。实际上，人们普遍认为开敞的室内公共空间应当具有明亮的天然光照效果，并且能与室外有良好的视线沟通。直接采光是建筑利用太阳能最高效的方式，因为合理的采光设计产生的节省照明用电的效益巨大且裨益良多[1]。因此，无论就降低建筑能耗而言，还是从设计美学来讲，亦或是从使用者视觉舒适度出发，充沛的采光、合理的遮阳、自发的光景观对于机场建筑而言均具有重要意义[2,3]。但是，诸多机场的采光设计并不理想，普遍存在采光不足或欠缺眩光控制措施，人工照明与天然光联动的设计也较少应用。对于机场航站楼这类连续运营的能耗密集型建筑，在建筑设计阶段就应当做足工作以期达成环境友好、节能的目标。良好的采光设计是达成上述目标的有效策略，成功的采光设计可以带来显著的节能效益，能够同时降低照明用以及空调能耗[4]。尤其在岭南亚热带地区，一年中机场的制冷能耗远大于采暖能耗，这就使得在进行机场采光设计时应该更加关注建筑维护结构上的开窗形式以及室外侧以及自身的遮阳节能设计优化[5]，在保证充沛的天空漫射光进入室内的同时，避免过量太阳直射光辐射造成的室内过热问题。

1 机场建筑的采光设计要求

建筑是光影的游戏，建筑采光设计是建筑设计的一部分，良好的采光设计应当与建筑的形式与功能统一[6,7]。尤其对于机场建筑，从建筑美学以及节能潜力等方面出发，采光设计都更应融入到整个建筑设计过程中，成为设计的必要部分。机场的采光需求与其他类型建筑有共同之处，也存在其自身特有的要求[8]，具体的采光设计目标可归纳为：

1)为旅客以及工作人员营造视觉舒适的空间。旅客在机场中的行为通常有明确的流线组织，包括办理登机牌、托运行李、排队安检、候机登机等环节；工作人员则需要进行一定的视觉作业。使用者的行为要求候机楼内对应区域的环境照明达到相应水平(如：候机区域照度不低于300 lx，均匀度不低于0.7)[9]，且不应出现眩光等令视觉不舒适的情况(尤其在运营高峰时段，限制眩光指标如DGP或亮度对比度等)[10]。

伦敦希斯罗机场T2航站楼借鉴锯齿形天窗采光原理进行了采光设计(图1)。如图2所示，连续布置的北向采光口在充分采光的同时遮蔽了主要来自南向太阳直射光，渐变的造型具有一定的韵律美感，同时营造出并不平淡的室内视觉效果。总体而言，通过并不繁杂的技术手段兼顾了功能与形式。对于屋顶采用单层结构且不使用格栅的航站楼，“锯齿形天窗”及其衍生方案不失为良好的选择，且经济性突出。

图1 伦敦希斯罗机场T2航站楼内景Fig.1 Inside view of London Heathrow airport T2

图2 伦敦希斯罗机场天窗采光分析Fig.2 Daylighting analysis of skylight in London Heathrow airport

2)保证室内室外能有良好的视线沟通，使机场内部具有良好的视野。需注意平衡大面积使用透明玻璃幕墙与过多太阳得热之间的矛盾。尤其需要依据朝向布置幕墙，并利用屋顶挑檐或其他形式的外遮阳或在室内侧装置必要的遮阳设施，达成较好的效果并有效限制眩光。图3所示为希斯罗机场T2航站楼内候机区幕墙使用外遮阳的做法，保证视野的基础上，有效限制眩光可能给旅客带来的干扰，且对于防止室内过热起到一定的作用。

图3 希斯罗机场候机区Fig.3 Waiting area in Heathrow airport

3)降低对机场跑道上的飞行员可能带来的反射眩光干扰。候机楼的幕墙等任何可能反射太阳光的建筑部件，都需要进行必要的光线反射分析，以确保在飞行员视野内不出现强烈的反光。

2 机场建筑的采光设计案例分析

2.1 广州新白云国际机场

新白云国际机场是华南地区最重要的交通枢纽之一[11]。图4是新白云机场航站楼内景，包裹着硕大体量的表皮采用单层金属结构，通过屋顶中间一条带状采光口进行自然采光[12]，为了遮蔽太阳直射光、避免室内形成强烈的阴影，在该带形天窗下，安装了透光率约14%的可透光张拉膜材料，限制眩光的同时大幅降低了采光效率，且受限于采光口面积，如此大跨度空间内，除去靠近幕墙区域外的范围内，天然光照度整体偏低。图5为2017年8月26日8:00测试得到的游客任一视角内的亮度分布图，此时刻视线方向垂直照度Ev=325 lx，视野范围内平均亮度为111 cd/m2，但窗亮度超过4 000 cd/m2，屋顶平均亮度约为60 cd/m2，地面平面亮度为41 cd/m2。由此可知，即使在室外天然光照度较高的时段也需开启人工照明进行补充。使用大面积玻璃幕墙可以保证视野(图6)，但由于室内屋顶与地面亮度低，易给使用者带来视野范围内亮度对比过强的感受。除北向以外，在候机楼中全部简单使用大面积幕墙的做法也值得进一步商榷[13]。

图4 广州新白云机场候机楼内景Fig.4 Inside view of Guangzhou new Baiyun airport

图5 某游客视野内亮度分布(广州新白云机场)Fig.5 Luminous distribution of an anonymous visitor’s sight view (Guangzhou new Baiyun airport)

图6 广州新白云机场候机楼中幕墙Fig.6 The glass curtain in terminal building in Guangzhou new baiyun airport

对于高大空间的人工照明系统而言，一味使用间接照明易造成低效率、高能耗。对于单层屋顶结构且不使用格栅吊顶的航站楼，灯具的安装与隐藏需进行理性地推敲后实施，依托立柱端头安装灯具或依附结构进行吊装等途径都可结合建筑结构、光学设计等工作进行尝试。

2.2 深圳宝安国际机场T3航站楼

深圳宝安国际机场T3航站楼建筑设计上的显著特点正是与建筑设计高度结合的采光系统，也是该机场给人印象最深之处。图7为宝安机场内景图，晴天空天况下，视线范围内眩光控制较好，光线柔和，视野内亮度对比不强烈。双层表皮的优势之一在于可以更加灵活地组织、设计采光系统[1,14]。各类型天窗中，通常情况下平天窗易产生眩光[15,16]。但是，如图8所示，由于采用了双层表皮设计，外层与内层的错位安排使得此类采光系统确保漫射光入射室内的同时，遮蔽了一大部分太阳直射光，且由于采光口所占屋顶面积比较大，则营造出较为明亮的天然光环境。

图7 深圳宝安机场内景图Fig.7 Inside view of Shenzhen Baoan airport

图8 深圳机场双层蜂窝表皮采光分析Fig.8 Daylighting analysis of double layered honeycomb-type envelope in Shenzhen airport

图9为2017年8月26日8:00宝安机场内测试得到的游客任一视角内的亮度分布图，此时刻视线方向垂直照度Ev=579 lx，视野范围内平均亮度为187 cd/m2，屋顶平均亮度为248 cd/m2，地面平面亮度为48 cd/m2。比较而言视野内亮度分布更加合理，未出现强烈亮度对比。

根据对宝安机场内随机选取的游客进行的问卷调查得知，完成访问的97名游客中，常旅客44位(年乘坐航班6次以上)。在问卷中设计了4个主要问题：

1)将宝安机场的天然光环境分为了“优”、“良”、“中”、“差”4个级别让受测人员进行评价。

2)列出首都国际机场T3、上海虹桥机场T2、广州新白云机场、上海浦东机场、杭州萧山机场、成都双流机场、深圳宝安机场T3，7个国内吞吐量居前的机场，让受测人员根据印象选取天然光环境最为明亮，视觉舒适度最高的机场。

3)在以上7个机场中选择天然光环境最令人满意的(如果受测人员未曾使用过以上7个机场中的4个或以上，则其问卷作废)。

4)请指出宝安机场采光设计中的问题。

根据以上问卷调查得知，41%的受访人员认为宝安机场天然光环境为“优”；有效问卷中69%认同宝安机场T3航站楼为上述7个国内主要机场中天然光环境最为明亮的，约29%的问卷认为宝安机场天然光环境最令其满意；指出的问题主要集中于采光口布置过于密集，如密集恐惧症，室内方向感不强、对于屋顶开孔过多，节能效果欠佳。

根据以上分析与问卷调查可知，总体上宝安机场T3航站楼的采光设计，令使用者满意，其主要优点在于采光充足的同时限制了不适眩光，即室内天然光环境整体明亮，视觉舒适度高。

综合而言，此类天窗做法较为复杂对于设计(参数化设计)、分析、优化均提出了较高的要求。尤其双层多开孔结构系统涉及的参数多，为了得到较为优化的参数组合，则有必要通过研究结合动态采光提出择优方法，当前世界上新建机场大多采用该设计思路，这也是天然采光研究的未来方向之一[17]。

3 结束语

经过以上分析与论述，我们总结机场建筑的采光设计的建议如下：

1)对于单层结构屋顶机场建筑，通常可归类为锯齿形天窗及其衍生方案，采光效率高，跨度巨大，应将采光口适度分散，化整为零，成条形或矩阵式，均匀连续布局，不宜过于集中，同时需兼顾大面积玻璃幕墙采光和遮阳措施。

2)机场建筑屋顶天窗下采用(如广州新白云机场)张拉膜材料，透光效率偏低，采光口面积偏小，张拉膜透光率仅为14%，限制眩光的同时，也大幅降低了采光效率，建议控制其使用范围，或仅限局部使用或选用其他透光率高的节能材料。

3)对于双层结构屋顶机场建筑，由于上下双层的透光格栅设计，采光均匀度高，可通过控制开孔率及调整双层结构间距，达到有效眩光控制，提高视觉舒适度的效果。

4)机场建筑作为大型公建，不需过分强调“上帝视角下”的屋顶第五立面，应在满足自然采光的前提下，建筑体型与节能设计相结合，简化机场双层屋顶外观形式，并与内部结构管线有机结合，内外兼修。

通过在广深两地机场的开展的调研、实测和分析，我们收集并总结了机场建筑在应用天然光方面普遍采用的做法以及存在的问题，提出了具有实际意义的解决方案。我们希望透过本文能够启发相关设计人员形成大跨度公共建筑的天然采光设计策略。