基于ECOTECT采光模拟计算的单层高大空间厂房侧墙开窗方式照度比较试验

刘黎涛，王 杰，陈 珊，魏 萍，王健琪

(北京特种工程设计研究院，北京 100028)

引言

某科研试验片区要新建大量单层高大空间(内部空间高度往往大于9 m，宽度往往大于12 m)的试验用厂房。由于厂房这一类建筑平面布局、结构方式、空间体量往往简单，因此立面成了设计关注的要点之一，如图1所示。

图1 高大空间厂房内部照片Fig.1 Internal photo of large space single-story factory

而对于单层高大空间的厂房立面来说，侧墙的立面在高度方向上能够开设2～3排甚至更多的常规尺寸的窗，高度上的排列组合方式非常多样。再加上长度方向上的排列组合及窗形的变化，立面开窗的变化种类则更多。依据何种因素判断各种开窗方式的优劣成为摆在设计者面前的问题。

面对此问题，以往更多的是考虑比例、韵律等视觉因素，靠个人经验和审美来确定开窗方式，而对于开窗所直接影响到的厂房内部光环境则考虑较少(图2)。人机工程学研究表明在作业过程中，视觉的应用最为重要和普遍，大约 80% 以上的信息由视觉得到，因此科学合理的照明环境可以提高工效[1]。对于进行科研试验、生产操作的厂房来说也不例外。

图2 以往靠经验设计的厂房立面Fig.2 The elevations of large space single-story factories designed by experience

毋庸质疑，对于室内光环境的设计应该充分利用自然采光。因为采用自然光进行室内照明，更有利于健康光环境的构造和节能减排，就照明而言，自然光是一种良好的绿色能源[2]。而为保障室内良好的光环境，首先要满足基本的照度及照度均匀度。因此，在自然采光条件下，从获得较好的照度及照度均匀度方面，如何设计厂房侧墙的开窗方式成为本文思考的问题。

我们查阅了相关研究成果，对于厂房的侧窗采光问题，比较重要的是周凯的《重庆地区电子工厂总装车间侧窗天然采光研究》[3]和王福义的《多层厂房天然采光设计探讨》[4]。但他们都是针对多层或室内高度不算太高的单层厂房的侧窗采光进行的研究，基本上侧墙只能开设单排窗户。其研究成果不能直接应用于侧墙能开设多排窗的单层高大空间厂房。因此需要进一步的研究，而选择怎样的研究方法和工具是首先要解决的问题。

1 研究工具的选择

首先想到的最简单直接的方法就是利用照度测量仪器对已经建成的不同开窗方式的厂房内部照度进行实测，统计、分析测量结果。但这种方法存在以下问题。

1)不同厂房的高度、窗墙比不一样。室外光环境也是每时每刻都在变化。变量太多，比较的结果很难有说服力。

2)现场作业将会耗费大量的人力、物力、财力和时间成本。

因此，有没有一种方法能够模拟采光、进行照度的分析比较呢？其实，当前的建筑采光设计中已经广泛地使用天然采光计算软件对室内环境的天然采光状况进行预测[5]。Ecotect 软件就是其中之一。

Ecotect Analysis 是一款建筑物理模拟工具，其分析范围很广。Ecotect 中包含了热环境、光环境、声环境、日照、经济性及环境影响、可视度六类分析功能。这些分析对于造型、空间划分、立面和环境关系等关键影响因素都具有相当的决定作用[6]。我们就尝试利用这款软件比较不同侧墙开窗方式的照度优劣。

2 比较内容的聚焦

侧墙开窗方式对厂房内部光环境的诸多指标都会产生影响，如照度、照度均匀度、有无眩光等。同时比较多个指标变量较多、较为复杂。为使研究的问题能够聚焦，仅比较一个指标：照度的大小，即不同开窗方式条件下的照度大小比较。同时，从生成的照度图中也能直观的看出照度均匀度的优劣。

另外，在其他各个因素相同的情况下，结果才具有可比性，为此要加入许多限定条件。如：相同的光照条件(只考虑自然采光、不考虑人工光)、相同的空间尺度、相同的玻璃透光率、相同的室内各面材料。因此，需要确定一个研究对象。

3 研究对象的选择

3.1 现有厂房的尺度总结

主要研究厂房侧立面(长度方向)开窗位置、开窗形式及排列组合方式对内部照度的影响。因此，要限定所研究高大空间的尺度不变。而前文提到的某科研试验片区中不同厂房内的高大空间尺度多种多样，究竟选择哪种尺度的空间作为研究对象是首先要解决的问题。此对象应该能够概括片区内厂房的特点，具有典型性。研究对象的确定是通过分析已建成和已完成施工图的厂房高大空间的尺度确定的。

利用该科研试验片区所有厂房的施工图，统计了厂房内高大空间的尺度：宽度、长度、高度(桁架下弦高度)(表1)。厂房一般为排架结构，长度及宽度方向的柱距一般均为6 m，这种柱距最有典型性。而高度是根据吊高确定的。厂房内的工作内容不同，高度亦不同。但侧墙开窗一般在桁架下弦以下，所以将高大空间的高度定义为桁架下弦高度。对这三个尺寸取平均数得：宽度约为 23.67 m，长度约为 54.75 m，高度约为 12.10 m。所以平均尺度大致为 24 m×54 m×12 米。宽度和长度刚好为6 m的倍数。

表1 某科研试验片区厂房内高大空间尺寸统计表

3.2 研究对象的确定

通过以上统计分析，将研究对象定义成尺度为24 m×54 m×12 m的空间。这种尺度的空间是片区内所有厂房内高大空间尺度的平均尺度。其尺度向大、小两个方向均能发展，具有一定的典型性。我们将其定义为原型空间， 代号为：P-S(protype space)(图3)。

图3 原型空间(P-S)尺寸图Fig.3 Dimensional drawing of protype space

4 现有厂房高大空间侧墙开窗方式照度比较

4.1 现有厂房的立面开窗方式总结

我们统计了片区内所有厂房高大空间长方向立面开窗方式，并将其合入原型空间(P-S)的长方向立面(54 m×12 m)的尺寸当中。由于片区内厂房均为排架结构，外墙均为填充墙。为保证墙体的稳定性，填充墙砌筑到一定高度(约为 4 m高)要设置沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平系梁与框架柱(剪力墙)连接，水平系梁宽度一般同墙厚。4 m的高度要求正好将现有的立面高度划分成三段。

因此，可以将立面划分为“上、中、下”三段对现有的开窗方式进行归类。笔者将其分别定义为上区、中区和下区。开窗大致都在这三个分区分布(图4)。

总结发现以往设计的立面开窗方式大致可归结为以下三种类型(图5)，将其定义为类型 E1、E2、E3(E=elevation)。每种类型的开窗方式特点如下。

E1：每一个6 m的柱距内开窗方式都相同，上、中、下三个区均有开窗。呈现出 A、A、A、A的韵律。

E2：相邻两个6 m柱距开窗方式不同，间隔的相同。上、下两区有开窗，中区为实墙。呈现出 A、B、A、B……的韵律。

E3：每一个 6 m的柱距内开窗方式都相同，上、下两个区有开窗，中区为实墙。呈现出 A、A、A、A的韵律。

图4 原型空间立面开窗分区Fig.4 Partition map of window opening of protype space’s elevation

图5 以往设计的立面归纳的三种类型开窗方式Fig.5 Three types of window opening manners induced by the elevations designed before

4.2 现有典型立面E1、E2 室内照度比较

4.2.1 比较原因及限定条件

通过经验可以判定，类型 E1 开窗数量多于 E3 且在中区也有开窗，其室内照度一定优于 E3。类型 E2 虽然中区没有开窗，但其下区开窗很大，且窗墙比为1∶6.39>1∶7.03(E1窗墙比)。从经验来看，E1似乎仍优于 E2，因为 E1 在横竖两个方向上开窗都较为均匀。但究竟孰优孰劣还需要模拟判定。因此只需要比较E1和E2的照度情况。

我们主要比较同一平面位置的照度大小。同一平面位置的照度越大，说明采光系数越高，光线向室内投射的越远。为了便于比较，选取原型空间在进深方向的四条线的位置：6 m、12 m、18 m、24 m上的照度并取平均值进行比较。并重点比较进深的中心线 12米处的平均照度值。因为考虑到本次试验仅仅是一侧外墙开窗，而有些厂房是两侧均开窗，两侧开窗情况下，中部照度值是内部最低的。比较中部照度值的优劣能够间接比较两侧开窗的情况下厂房内部的整体照度优劣。

4.2.2 参数选择

根据GB 50033—2013《建筑采光设计标准》，片区所属地区四川某地为“光气候分区”的 V 类地区[7]。室外天然光设计照度(室内全部利用天然光时的室外天然光最低照度)值为 12 000 lx。

根据《建筑采光设计标准》，工业建筑侧窗采光标准值在不同采光等级情况下不同。片区的厂房主要是科研试验用，暂且按照 IV 等级：侧面采光室内天然光照度标准值为 300 lx,采光系数标准值为2%。乘以光气候系数K=1.2后为 2.4%。

另外采光模拟需要选择天空分布模型。根据对不同光气候中实际天空分布的研究，国际照明委员会(CIE)使用不同的数学算法定义了一系列标准天空分布模型：晴天模型、全阴天模型、多云天模型、均匀模型。Ecotect 采用的是 CIE 全阴天模型，也就是说考虑的是最不利的采光条件[6]。

另外，根据《建筑采光设计标准》要求，工业建筑参考平面取距地面 1 m。

4.2.3 E1 与 E2 比较

利用 Ecotect 软件建立了 E1 和 E2 的简易模型进行了室内照度计算。由图6可以看到，计算结果是使用网格来显示的，根据需要，网格大小可以调整。网格中的颜色表示的是参考平面上照度的数值。分析图6、图7可以得出以下结论。

1)照度均匀度方面：E1 要明显优于 E2。原因是 E1 的开窗在立面上是均为分布，而 E2 则不均匀。

2)同一进深的照度值方面：E2 要明显优于 E1。这与经验判定不一样。E2 虽然在中区没有开窗，但其在进深中心线 12 m处的照度平均值 823.2534 lx明显高于 E1 的 756.634 lx。这是因为 E2 的窗地比为1∶6.39大于E1窗地比：1∶7.03。由图7可见，即便是开窗分布不均匀，但有足够大的窗地比，也能显著地提高室内平均照度值。

图6 E1、E2 自然采光照度网格计算图Fig.6 Grid graph of natural lighting illumination of E1 and E2

图7 E1、E2相同进深处照度平均值比较Fig.7 Comparison of average illuminance at same depth of E1 and E2

5 侧墙新开窗方式比较试验

5.1 比较原因及限定条件

经过上述实验我们可以看到，虽然 E2 的自然采光较好，但 E2 的开窗方式也存在以下问题：首先，E2 的开窗在立面的横竖两个方向上分布并不均匀。从照度网格图上可以明显地看出靠窗区域的照度均匀度很差。其次，E2 在中区没有开窗，是否会影响进深方向的照度不得而知。另外，我们都知道常规高度的空间在开一排侧窗的前提下，横向、竖向形式的窗在采光方面各有其优点。但对于高大空间，侧墙在竖直方向能开设2～3排甚至更多窗的条件下， 窗形及窗的组织方式对照度的影响又是怎样的呢？因此，我们尝试在 E1、E2 的基础上进一步试验。

为了便于比较实验结果，实验在如下限定条件下进行：

1)相同的窗地比(限定同 E1 窗地比1∶7.03)。

2)相同材料的顶棚、内墙、地面(保证相同的材料反射率)。

3)相同的室外天然光设计照度值(仍取12 000 lx)。

5.2 新开窗方式试验

1)试验1。开窗方式：均匀竖条窗(均为竖向条窗、沿立面横向、竖向均匀分布)。新立面定义为N-E(S)(图8)。

图8 试验 1: N-E(S)自然采光照度网格计算图Fig.8 Experiment 1: Grid graph of natural lighting illumination of N-E(S)

2)试验2。开窗方式：均匀横条窗(均为横向条窗，沿立面横向、竖向均匀分布)。新立面定义为 N-E(H)(图9)。

图9 试验 2: N-E(H)自然采光照度网格计算图Fig.9 Experiment 2: Grid graph of natural lighting illumination of N-E(H)

3)试验3。开窗方式：均匀方窗(均为方窗、沿立面横向、竖向均匀分布)。新立面定义为 N-E(F)(图10)。

4)试验4。开窗方式：渐变竖条窗(均为竖向条窗且沿立面下区到上区窗尺寸逐渐加大)。新立面定义为 N-E(J-S)(图11)。

图11 试验 4∶N-E(J-S)自然采光照度网格计算图Fig.11 Experiment 4: Grid graph of natural lighting illumination of N-E(J-S)

5)试验5。开窗方式：渐变横条窗(均为横向条窗且沿立面下区到上区窗高逐渐加大)。新立面定义为 N-E(J-S)(图12)。

图12 试验 5∶N-E(J-H)自然采光照度网格计算图Fig.12 Experiment 5∶Grid graph of natural lighting illumination of N-E(J-H)

6)试验6。开窗方式：渐变方窗(均为方窗且沿立面下区到上区方窗尺寸逐渐加大)。新立面定义为 N-E(J-F)(图13)。

图13 试验 6∶N-E(J-F)自然采光照度网格计算图Fig.13 Experiment 6: Grid graph of natural lighting illumination of N-E(J-F)

5.3 试验结论

通过 Ecotect 进行照度计算，连同 E1、E2 得出以下综合对比图。分析图14中的数据可以得出以下结论：

图14 试验开窗方式自然采光照度综合对比图Fig.14 Comprehensive contrast diagram of natural lighting illumination by experiment (unit:lx)

1)从房间的进深方向四个位置(图中红线)的平均照度(图中浅绿色数字)来看：

相同窗地比的情况下，6 种新开窗方式中试验 6(N-E(J-F))即渐变方窗的四个位置的平均值最高。

除试验 6(N-E(J-F))即：渐变方窗进深 12 米处的平均照度 827.7378 lx 大于 E2 同位置平均照度值 823.2534 lx外， 6 种新开窗方式虽然开窗分布均匀，但各个位置的平均值都没能超过E2。因为E2窗地比为 1∶6.39 大于其他各个立面窗地比1∶7.03。可见窗地比在室内的照度的影响因素中起了决定性因素。

2)从房间的进深方向中部位置(即 12 m处)的平均照度来看：

6种新开窗方式均要优于 E1，最高的试验 6(N-E(J-F))的中部平均照度值约为 828 lx，高于 E1 同位置 71 lx。甚至都要高于窗地比较大的 E2 同位置数值(823 lx)。因为 6 种新开窗方式较之 E1 在立面的横竖两个方向上开窗的分布都更为均匀，可见开窗均匀有利于提高室内照度值。

6种新开窗方式中，三种渐变开窗方式中部平均照度值均要高于同窗型的普通开窗方式。可见立面从下至上窗户尺寸逐渐增大有利于改善进深方向的照度。这种情况是因为从上部进入内部的光线由于到参考平面的距离较远， 投射到参考平面的光通量衰减较多。因此增加上部开窗的尺寸，有利于增加进入的光通量，而高窗的光线投射较远，从而有利于提高进深方向的照度。

6 结语

对于提高室内照度的高大空间厂房立面开窗方式设计建议及笔者的认识通过以上研究、分析，为提高室内照度值，我们认为可以给高大空间厂房侧墙开窗设计提供以下建议：

1)优先提高窗地比，使室内达到满足规范要求的照度。

2)相同窗地比条件下，开窗应沿立面横竖两个方向均匀分布。

3)相同窗地比及开窗形式条件下，采取渐变窗(从下至上开窗面积逐渐增大)的方式有利于提高室内平均照度值。其中渐变方窗提高的幅度最大，应优选渐变方窗。

根据以上建议，将实验所得采光最优立面(渐变方窗)N-E(J-F)应用于某厂房的立面设计中，做出图16效果图,并与原设计的效果图(图15)进行对比。可以看出，新开窗方式 N-E(J-F)不仅能提高室内照度值， 同时使厂房的外立面展现出工业建筑的理性、秩序的气息，窗大小的变化又使其不失活泼。另外，由下向上逐渐变大的开窗方式使得墙体下重上轻，符合受力特点，也利于砌体结构的稳定。

图15 某厂房原立面效果图Fig.15 The original rendering of a factory’s elevation

图16 试验所得最优立面效果图Fig.16 Rendering of the optimal elevation by experiment

通过研究，使我们对厂房的立面开窗设计问题有了新的启发，对其他建筑的类似问题也有了一定的认识和反思，主要有以下几点：

1)决定建筑立面的开窗方式有多种因素，以往更多的是考虑美学的、功能的因素，靠感觉和经验来设计。而对于开窗所形成的内部光环境也只停留在经验判断上。设计过程中缺乏模拟、计算、比较。项目建成后缺乏实际采光效果的验证。

2)理性地从技术层面出发，仅从提高平均照度值这一个因素入手，通过严谨的试验、计算、比较所得到的“全新”的立面的结果是通过以往常规的设计所不可能想到的。如果再加上其他因素，如防眩光、遮阳、改善通风等的影响，又会给立面设计带来更多新的变化和可能性。

3)本研究仅仅是通过软件进行采光模拟，通过模拟能比较多种开窗方式在提高内部照度值上的优劣。但仍属于理论上的研究，缺少实测数据验证，后续还需要进一步的研究。