基于自然光环境改善的青少年教育空间设计探索

2019-07-08刘宇波刘彬艳王梦蕊

建筑技艺 2019年4期

刘宇波刘彬艳王梦蕊

1华南理工大学建筑学院

2广东工业大学

1 教室光环境与青少年的健康成长

目前我国青少年近视率连年居高不下，不仅中小学生患近视人数居世界之首，而且出现了明显的低龄化趋势[1]。引起青少年近视的原因不只有沉重的课业负担、不良的用眼习惯等，光环境也是重要的影响因素。医学研究者发现，更多的太阳光照可以促进视网膜上多巴胺的分泌，刺激瞳孔收缩，降低眼球调节负荷，从而减少近视的发生[2]。

除了近视，阳光在其他方面也对青少年的健康有很大影响。医学研究表明，阳光中所携带的短波长蓝光不仅能够促进眼球的发育，而且能够刺激人体的生理系统，而人工照明中的短波长蓝光的含量远少于太阳光[3]。1999年美国加州的Heschong Mahone顾问公司通过统计分析美国3个地区21 000名小学生的学习成绩和他们所处教室的天然采光情况，发现当学生在天然采光好的教室里读书时会学得更快，取得更好的成绩；美国照明组织在2010年开展的一项实验也表明，青少年若每天清晨得不到充足的阳光就会导致睡眠不足，就寝时间也会相应推迟[4]。

因此，如何保证青少年在成长期间能够享受到充足的阳光已经成为不能回避的问题。学校是青少年学习和进行各种活动的主要场所，因此学校教室的光环境设计就成为了建筑设计中必须注意的部分。

为了解当前中小学校教室的采光现状，我们带领本科生和研究生对广州三所中学——广雅中学、广州市第二中学、广州市第四十七中学的教室自然光环境进行了实地测试（图1）。在三所学校选取样本教室，分别在每间样本教室的书桌水平面上选择22个测点，选用TASI（TA8133）数字照度仪进行照度测量，分别测量9:00、10:00、12:00、15:00、16:00教室内不开灯情况下各测点的照度数据。

图2为广雅中学、第二中学、第四十七中学各楼层教室内日光照度的变化曲线，可看到北向靠窗位置桌面自然光照度最高，其次是南边靠窗位置，教室中部照度最低，整体教室内的光照变化呈现出抛物线式的圆锥曲线。而且楼层越高，照度变化的抛物线越陡，反之则越平缓。顶层教室的这种照度不均匀现象尤为严重。

进一步调研和全国其他地区的相关调查结果都显示，目前绝大多数仅依靠侧窗采光的教室都存在着室内照度极度不均衡的现象。这种靠近窗口部分的照度偏高而中间部分照度偏低的情况导致白天开灯、拉窗帘成为常态（图3）。虽然照度依靠人工照明达到了相关标准，但是青少年接触阳光的机会被剥夺了，长此以往必然会对中小学生的健康产生不利影响。

2 欧美发达国家的相关经验

国际上对于教育空间的光环境问题研究已久，形成了比较系统的研究成果，并汇总成为相关采光指南和导则文件。

通过对英美国家近20年来的50多本学校采光设计指南和手册的深入研究，我们选择了其中最具代表性的7本进行重点翻译、介绍和分析，并总结其特点和设计策略（表1）。

在对这7本国外学校采光设计指南文件的研究中，发现了一些共同特点，即普遍关注以下几点：将天然光作为首选；将采光窗和景观窗分开；关注教室的采光质量；关注采光的一体化设计；关注采光的适用性设计，具体如表2所示。

1 广雅中学、第二中学、四十七中学教室平面图及测点布置

2 广雅中学琼华楼教室、广州市第二中学纪元楼、广州市第四十七中学北楼从北到南日光照度变化图

总的来说，这7本设计指南都将自然采光作为首选，认为在学校建筑中，自然光应是教室的主要照明光源。另外，其中6本都提到了“景观窗”和“采光窗”的概念，采光窗通常独立于景观窗，被设置在约2m的高度以上，但是景观窗只能照亮窗户附近的空间，指南认为，最好的采光窗应为屋顶垂直窗或是北向高侧窗以及安装了反光板的南向高侧窗，这与国内的通用习惯有很大差异。我们进一步查阅相关资料，发现国外教育空间的采光研究很早就已提出相关概念，英美国家的学校采光设计指南均认为顶部采光能够为教室提供最均匀的自然光线：1867年赫尔曼·科恩（Hermann Cohn）在其著作《学校的眼睛卫生》（Hygiene of the Eye in Schools）中提出教室的最佳采光应是通过屋顶的玻璃天窗从上方进入教室[5]；1913年在英国照明工程师协会年会中也一致认为天窗采光能够为教室提供最理想的自然光条件。

与此同时，我们搜集相关实践案例时发现，国外一些长期致力于教育建筑可持续设计的建筑事务所已有许多成熟的采光设计方法。比如美国创新设计事务所（Innovative Design）一直从事可持续建筑设计及中小学校采光设计的研究，其设计的史密斯中学和北吉尔福德中学常被作为优秀的顶部采光案例。

史密斯中学（Smith Middle School）于2001年设计完成（图4），其中采光设计是该建筑可持续设计策略的核心。学校位于北卡罗来纳州，教室部分呈有利于采光的南北向布局。学校在教室、媒体中心、体育馆和主要走廊上都使用了朝南的屋顶垂直天窗，为室内空间提供了充足的光照。垂直天窗内部设置了阻燃抗紫外线的布挡板（图5，6），有助于均匀分布光线，同时消除潜在的眩光问题。

此外，在南侧窗上安装了阳极氧化铝制反光板，可以将阳光反射到房间中，也为下部景观窗提供了遮阳（图7）。

3 广州市某学校教室内景

4 北卡罗纳州史密斯中学

5 北卡罗纳州史密斯中学教室室内设置屋顶垂直天窗

6 北卡罗纳州史密斯中学教室屋顶垂直天窗采光示意图

7 北卡罗纳州史密斯中学教室侧面采光窗

表1 英美7本（学校）采光导则概况

表2 英美7本（学校）采光设计导则的关注点分析

8 北吉尔福德中学

9 北吉尔福德中学教室内部设置曲线半透明反光板

10 北吉尔福德中学教室室内设置曲线反光板采光示意图

11 广州南沙青少年宫方案鸟瞰

12 广州南沙青少年宫方案“光的筛子”

北吉尔福德中学于2007年建成（图8），该项目的采光设计首次在教室内部采用曲线半透明反光板将阳光反射到教室深处（图9）。该方法将侧窗分为采光窗与景观窗，并将采光窗、曲线半透明反光板、高反射倾斜天花板相结合。此外，由于在反光板上使用的半透明面板的可见光透光率为20%，因此有效减少了眩光，使得柔和的光线能够均匀地分布在空间内（图10）。

3 针对中国国情的思考

当前我国学校建筑的采光设计模式非常单一，基本都是采用大侧窗的采光模式。在进行建筑设计时，建筑师的思路也局限在侧窗采光这种模式上，甚至在单层建筑和顶层教室也不愿意考虑天窗和高侧窗采光的可能性。

据笔者实测，虽然一些教室的窗地面积比高达30%，但是采光效果并不理想，反而会加剧教室内照度的明暗对比，甚至引起眩光。与之相对，顶部采光窗能够为教室带来更稳定、均匀的自然光照，因此在用地面积宽裕且条件允许的情况下，在设计中小学校建筑（特别是小学或幼儿园建筑）时应尽可能选择顶部采光设计模式，教室宜设计为单层建筑或是将教室空间安排在多层建筑的顶层，也可以利用错层等设计手法创造更多可开天窗的屋面。顶部采光模式虽然造价高于侧面采光模式，但由于其更加有利于青少年的身心健康发展，同时也能节约电能，从长远角度来看是值得的。屋顶垂直采光窗（俗称老虎窗）的效果更为理想，防水效果也更好。

若条件所限不能采用天窗时，也应认真细化、谨慎选择具体的侧面采光模式。根据对国外导则的研究，建议将“景观窗”和“采光窗”分别考虑。减小可能带来直射光的景观窗（低于2m的窗户）的面积，增加高侧窗的面积，这样能够使自然光在教室内传播得更深远，降低临窗位与教室深处的照度差。除此之外，景观窗外还应增加外遮阳，阻挡直射光进入室内；在高侧窗内设置导光系统有助于反射进入室内的直射光；结合实际情况设计不同的室内天花形式能够优化侧窗的采光效果，使教室内的光线更加均匀。但总体来说，侧窗采光始终难以提供充足且均匀的光照，仍不能代替顶部采光。

国外案例大多是可利用屋顶进行顶部采光的单层建筑，但在中国人多地少的情况下，中小学建筑通常是多层建筑，所以采光设计策略需要考虑如何争取更多的采光面以及将更需要采光的房间按采光需求立体配置。目前我国学校设计规范要求小学建筑应为4层以下，幼儿园应为3层以下。按此要求可将对自然光需求高的班级教室放置在顶层，用天窗来提高自然采光的均匀度，使顶层教室可以只依靠自然光就能满足日常的学习需求。其他中间层教室可以考虑设置为流动性较强、使用率没有那么高的美术教室、音乐教室等专业教室，按照上文区分景观窗和采光窗，设置适宜的侧窗采光方式，选择合适的天花板形式，改善室内光环境效果。功能空间按采光需求进行合理的立体配置，可以为学生提供最多接触阳光的机会。

4 广州南沙青少年宫设计方案

青少年宫是集青少年思想文化学习、培训娱乐为一体的综合性场所，是青少年进行校外素质教育的重要场地，也是教育空间的一种。我们完成的广州南沙青少年宫设计方案是一个以改善自然光环境为目标的设计尝试，从整体布局出发到顶部天窗细节的设计处理都是一个理性推导的过程（图11）。

南沙青少年宫拟建于南沙蕉门岛南侧，占地面积37 385m2，总建筑面积为26 500m2，功能大致分为教育研修、国际会议厅、国际青少年博览中心、办公服务、综合剧场遗迹、户外训练场等几大部分。在方案初始阶段，我们先根据任务书要求建立简单的体量模型，即开始天然采光的考虑，此时考虑天然采光就会对建筑的布局产生关键性影响。我们的理念是将建筑物理解为一种特殊的“阳光的筛子”（图12），首先布局上顶层应该考虑安排最需要自然采光的空间，往下是次一级需要自然采光的空间，中间层是对自然光需求不强的空间（如展厅、剧场），而底层留给在夏季酷热的岭南地区需要更多阴凉的户外公共的活动空间。所以设计初步构思采用了特殊的立体布局形式，将大而整的体块置于顶层，小而碎的体块置于底层，在大体块上开一定数量的洞口，透过洞口的光线通过反射和折射到达底层，形成按照光环境需求层级变化的立体布局。因此设计将会议和展览置于底层，二层为研修教育类次要使用空间，主要使用教室则位于三、四层（图13，14）。

设计参考基地周围村落的肌理，采用10m×10m的基本模数，将建筑体量划分成横6纵5的方格网。通过舒展的平面布局和错动的体块保证大部分教室的屋顶都可以享有顶部采光（图15，16）。教室顶部设置条形垂直天窗，可以为室内提供充足且均匀的光线。

太阳光通过顶部中庭到达建筑底层后，光线会逐渐减弱，因此在底层空间的设计中，减少封闭墙体、解放底层空间成为必然的选择。实际设计中，除西北角的报告厅和会议体块外，将底层其他功能房间设计为一个个独立的展厅，围绕着各个小中庭展开，体现了传统岭南建筑的气候特色（图17），不仅有利于建筑的通风防潮，同时还起到减少太阳光直射所造成的热辐射作用。底层空间由南至北、由东至西都形成了可穿越的漫步通道，步道结合台阶、水池、平台、花坛等要素丰富架空层内的空间层次，为青少年提供了一个可以尽情游玩的半室外活动场所，同时也可作为一个开放式的家长休憩区，解决青少年宫缺少家长等候空间的问题。

青少年宫提供的是较为特殊的教育空间，功能组成较复杂，更有利于将多种功能按采光需求进行立体配置。对于中小学校等其他类型的教育空间布局，还需要根据自身的特点进行更多的探索与实践。