基于非视觉效应的高校图书馆阅览空间天然采光设计研究

摘要：随着对人体非视觉通道研究的深入，天然光与人体生理节律的密切关系被更多地证实，高校图书馆阅览空间中天然光环境设计亟需重新审视和思考。文章对高校图书馆阅览空间的天然采光设计进行展望：在考虑外部环境的天然光条件下，高校图书馆阅览空间应优先考虑设计东朝向的采光口，其次为南朝向;应充分利用采光中庭，多选用正方形的空間形状;分区式和夹层式空间布局更利于提高侧窗天然光线的射入量;多立面采光幕墙、天窗采光和室外阅览区域能让阅读环境天然光线丰富立体;考虑到读者的个人感光史可利用遮阳系统和采光辅助系统进行微调节。

关键词：高校图书馆;阅览空间;非视觉效应;天然采光

中图分类号：G258.9   文献标识码：A

DOI：10.13897/j.cnki.hbkjty.2020.0052

1 研究背景

自2002年Berson[1]发现视网膜感光神经节细胞（ipRGC），人们开始关注人体对光的非视觉生物性反应，即非视觉效应（Non-visual Effect）。这种反应对人体褪黑激素的分泌和与之关联的生理节律系统有着直接影响，即生命体征波动、警觉度、紧张感、睡眠质量、情绪等。高校图书馆阅览空间作为读者在图书馆内利用书刊资料学习研究的主要场所，其服务效果自然与空间的天然光环境密不可分。

当前，国内学者对高校图书馆阅览空间天然采光设计的研究绝大部分从天然采光的视觉效应出发，以实地调研、计算机模拟、读者主观评价的方法对高校图书馆阅览空间的天然采光环境进行定量评价。刘孟哲[2]对山西师范大学、西安电子科技大学、西安建筑科技大学等高校图书馆天然采光利用情况进行实地调研，发现存在窗墙比例小、天然光照利用率低、靠窗阅读眩光严重等问题，提出对于开间进深较大的内部空间可采用中庭或天窗采光方式，为避免眩光使用窗帘及以天然光影配合合理的人工光源等采光优化办法;倪蔚超[3]依据采光系数（DF）、全天然采光百分比（DA）等衡量视觉功效的采光环境评价指标，以Desktop Radiance和Daysim为光环境模拟软件对图书馆典型阅览空间的天然光环境进行实地的典型时刻静态模拟和全年采光时段（8：00-18：00）动态模拟，分析得出高校阅览空间合适的朝向、不同侧窗采光方式下的空间尺度、窗地面积比及玻璃透射比;尚葛婧[4]以深圳市八所高校图书馆为样本，对读者和管理员针对阅览空间光环境的舒适性、使用偏好、照明灯具使用情况进行深度访谈，提出图书馆阅览空间的天然采光设计应充分考虑用户使用情况，注重满足读者差异化需求的建议。国外学者对于图书馆阅览空间的天然采光设计的相关研究较为零散，Edwards从节约能源的角度探讨了天然采光在图书馆建筑设计中的重要性，提出馆内读者活动区域应该有优良的自然采光环境，应避免无法自然采光的区域[5]。Didem阐述了天然光在图书馆中的影响，并通过实地调研分析了高校图书馆的天然光环境与读者座位偏好的关系[6];此外，Jackie对在图书馆中被广泛应用的被动式采光技术进行了具体分析[7]。由此可见，国内外对高校图书馆阅览空间天然光环境的研究还停留在天然光环境传统的视觉功能、采光舒适性及节能效率方面，非视觉效应和图书馆阅览空间天然采光设计相结合的研究缺乏。随着人体非视觉效应的发现，高校图书馆阅览空间中的天然光功能关系从视觉领域拓展至非视觉领域，阅览空间的天然采光设计如何既能满足读者的视觉需要，还能有利于他们的身体健康，值得图书馆人加以关注和反思。

1.1 天然光的非视觉效应研究动态

人体的非视觉系统对光刺激的反应不同于视觉系统，不仅关系到人们的眼部健康，还会对其生理变化和心理感受产生重要的影响。越来越多的研究表明，非视觉功效可以帮助人们缓解情绪压力[8]、提升学习成绩[9-10]、保持学习积极性[11]、增强警觉性[12-13]、改善睡眠状况[14]等。

Brainard等通过试验后发现人和动物的非视觉效应对短波光线（446-488 nm）最为敏感，其中敏感度最高的是波长为464 nm的蓝光光线[15]。人的生理和行为在很多方面都是以24小时为一周期在运转，比如：新陈代谢、作息规律等，这些日常节律被称为昼夜生理节律。稳定的昼夜生理节律对人体的健康非常重要，人类在长年的进化中已经适应了天然光照的昼夜更替，对天然光的反应非常敏感，每天天然光的明暗周期循环对调节昼夜生理节律非常重要。Webb对非视觉效应相关研究成果进行梳理总结后发现：天然光富含短波蓝光，增加建筑中的天然光线利用既有利于调节视觉，也可以解决昼夜生理节律失衡的问题，从而促进人体健康，保证工作效率[16]。类似的研究还有，健康工作者午饭后在近窗位置的半小时天然光照射（约1 000-4 000 lux）与短时午睡具有相近似的休息效果[17];北半球冬季天然光能够改善办公者的情绪并提高健康活力[18];明亮的天然光对人体的生理节律产生生物性效应，维持人体正常的生物钟[19]等。近十多年来的研究证实光照至少在光照强度、光谱分布、光照时刻、持续时间、个人感光史、色温[20-22]等方面对人体的非视觉效应产生影响。在天然光环境下，光照强度、光照时间和光谱分布是与刺激非视觉效应产生的关系较大的因素[23]。

目前，对于有效促成天然光激发非视觉效应的临界照值尚无定论。有学者[24]认为，当D55天然光（模拟日光“早”）照度大于960lux，非视觉效应可能达到100%，若D55天然光照度小于2 10lux，非视觉效应无法产生，D65天然光（模拟日光“午”）和D75天然光（模拟日光“晚”）的非视觉效应照度临界值分别为870 lux和830 lux。延雪平大学建筑工程与照明科学院的Aries[25]通过实际天然光环境调研后发现似乎大于2 000 lux的人眼位置垂直照度才能最大限度抑制褪黑激素，刺激人体非视觉效应产生。

1.2 高校图书馆阅览空间天然采光设计的非视觉需求

高校图书馆是生长的有机体，是以师生为中心构成的人工生态系统。随着图书馆界对绿色图书馆可持续发展理念的逐渐重视，高校图书馆的健康文化品味日益提升，阅览空间设计应注重读者的生理和心理共同健康发展。

就日本学者针对东方人所做的研究发现，在低于500 lux的光环境下人们从事阅读活动会产生疲劳感，最舒适的阅读照度应为1 000-2 000 lux[26]。相对高照度的天然光引起的视觉不舒适性，由于人体对眩光评价具有心理感知的复杂性，人们对光的不舒适感可随窗外视看内容兴趣值的提高而降低[27]。以哈尔滨某高校图书馆为例，读者偏好选择明亮舒适的靠窗座位进行阅读活动[28];又如接近40%的被调查学生会选择在有阳光直射的窗户边阅读，甚至有女性读者表示即使在夏季直射光非常强烈的情况下仍会选择高强度光照环境下阅读[29]。我国高校图书馆读者人群主要为在校大学生，他们阅读时均倾向于开放、宁静、明亮的天然光氛围，且大部分时间都待在室内学习，接收不到足够的天然光照量容易影响其学习积极性，生理节律紊乱。因此，本文从天然光的非视觉效应视角，对高校图书馆阅览空间天然采光环境进行优化设计，尝试规划与展望有利于大学生身心健康的阅览空间天然采光环境，为高校图书馆阅览空间天然采光环境设计带来新的思路。

2 高校图书馆阅览空间非视觉效应的天然采光设计

图书馆阅览空间非视觉效应的天然采光设计是指天然光通过阅览空间外围立面上的开口，经过直射、反射或者漫射的方式主动进入或被动引入室内，为读者提供健康、警覺、舒适的天然光环境。与稳定的人工照明相比，天然光具有地域性、季节气候性、时间性、难以控制的特点。考虑不同地域的气候特征，避免因建筑设计不当而影响天然光的非视觉功效是规划高校图书馆阅览空间天然光环境亟需解决的问题。文章参考Marilyne Andersen等有关非视觉效应同地理气候因素[30]及建筑天然采光设计要素[24，31，32]等方面的预测评估模型，从以下方面尝试分析有利于激发非视觉效应的高校图书馆阅览空间天然采光设计策略。

2.1 宏观层面

高校图书馆阅览空间外部环境对天然光照强度、光谱分布、光照时间等非视觉效应评价指标密切相关，一般由光气候分布、天空亮度分布情况、太阳高度角和周边地形规划组成。在国外，外部环境与天然光的非视觉效应的相关研究尚局限于对地理位置确定、不同天空亮度区域的多个时间点的日光年分布状况的静态模拟，如Mardal jevic等考虑不同气候条件下日光的光谱特点，结合基于建筑环境的光生物学预测模型[24]及光环境模拟软件Radiance，以欧洲八个地区的日光光照强度数据为基础，预估了日光激发的人体年平均非视觉效果值（N-VE）[30]。我国高校图书馆所处环境大多独立，周边地形地貌不会过多地变化，周围建筑、绿化和遮挡物对其天然光的进入影响较小，光气候分布与变化规律[33-34]、天空亮度分布的计算方法与实时天光分布模型[35-37]、太阳高度角与天然光有效利用的变化关系式[38]等相关研究为我国高校图书馆阅览空间天然光的非视觉效应模拟提供科学的基础理论数据，通过对阅览空间外部环境的研究能够对高校图书馆所在地区的天然光条件有基本的了解，也是作为阅览空间前期非视觉效应的天然光环境设计和规划的基本前提。

2.2 中观层面

高校图书馆阅览空间的具体设计因素不易变化且在建筑设计中后期可加以控制，是探寻优化非视觉采光设计策略的静态变量和关键核心，直接制约着整体设计策略。作为影响高校图书馆阅览空间天然光非视觉功效的中观因素，阅览空间的具体设计因素由采光口朝向、空间体量及形状、室内布局、采光形式四个方面组成。

2.2.1采光口朝向

阅览空间的采光口朝向是高校图书馆室内天然光适应外部环境的重要因素，正确的朝向可以给读者带来充足的阳光，提高非视觉效果值。对于任何一个气候区域，东朝向均为刺激人体昼夜生理节律的最优方向，人们在南朝向的窗户旁，其警觉性可以得到最大限度的提高[30]。结合刺激人体产生非视觉效应的天然光临界照度值和读者偏好的天然光照度区间，下文在探究非视觉效应的高校图书馆阅览空间天然光环境时将选用较高照度值（2 000 lux）作为激发非视觉效应的天然光照度阈值。

如南京属于我国Ⅳ类光气候区，天然光年总照度处于30 klux-35 klux，年可利用时间约3 055小时，室外光环境以漫射光为主。有研究[3]对南京地区图书馆阅览空间窗户的不同朝向、不同季节的天然光照度采用Radiance软件进行模拟发现：采光口为南朝向的天然光线中直射光较多，四季平均照度值区间在340-2 215 lux间内变化，天然光平均照度值在春秋分时刻12：00-14：00超过2 000 lux;在夏至日的8：00-10：00之间，东朝向采光口的天然光平均照度值最高接近11 100 lux。在天然光资源匮乏的Ⅴ类光气候区城市重庆，参考利用侧窗形式采光的教室天然光照度模型模拟结果发现[39]：在夏季，东朝向采光口在9：00-13：00平均照度值为2 516-15 415 lux，光照持续时间较长;南北朝向采光口在下午13：00超过平均照度值2 639 lux，在下午15：00之后平均照度值下降到2 000 lux以下;在冬季，重庆教室的天然光平均照度值较低，需要开启人工照明来满足视觉功能。尽管东朝向、南朝向采光口的高照度天然光刺激多为间歇性，高照度刺激仅占23%时长的动态采光能够产生70%的等效非视觉效应[40]。Mcintyre等[41]也发现人眼在短时间内接受的高照度对褪黑素抑制的作用效果优于长时间暴露在的低照度环境下的。非视觉效应度量的理论出发点是，以峰值在460-480 nm的范围附近的蓝光波段为主的光能够最大程度地激发人体节律活跃度的机能[42]。清晨的天然光照可以使人体快速摆脱睡眠状态，产生清醒的感觉，提高学生的警觉性[43]。以重庆地区为例，晴天天气时，近窗户区域的空间受室外天然光色温的影响较大，呈现出早上和傍晚色温偏高的规律，在天然照度较高的南朝向，上午10：00左右的色温值为早高峰，室内临窗区域照度约为4 000 lux，光谱能量分布于短波（光谱分布主要约446-488 nm）的成分较多，光线颜色偏蓝，此时人体瞳孔收缩，视力上升，褪黑激素被抑制，大脑兴奋度提高，较高的色温和照度能够保证读者良好的生理节律。

目前，为避免眩光问题，高校图书馆阅览室的采光口朝向多为天然光平均照度均匀的北朝向。为了保证富含短光波的天然光充分进入，高校图书馆阅览空间在建筑具体设计时，可适当布置一些采光口朝向为优先东向、其次南向的阅览空间，窗户材料尽量使用白玻璃和超白玻璃，保持室内偏冷光照状态，来帮助读者接受足够的光照强度和清晨的日光。

2.2.2 空间体量及形状

阅览空间的体量及形状不仅体现图书馆的建筑美感，同样影响着天然采光效果。在体量上，不少现代高校图书馆新馆阅览空间的面积颇大，呈现出复合化、动态化、开放化趋势。传统的单侧采光阅览空间进深普遍小于9m，双侧采光的进深一般为16-18m，而开放式阅览空间的进深根据其复合性功能进一步拓展，可达24-27m[44]。以南京地区的单侧窗阅览室为例，就进深为12-24m的阅览空间在夏至日和冬至日的天然光照度平均值模拟统计数据发现，随着进深的增加，照度平均值各自从2 333lux-1 174lux、1 663lux-824lux依次递减。在夏至日时，进深为12-15m的阅览空间的天然光照度平均值可保持在2 000lux以上;在冬至日时，太阳高度角较夏至日低[3]，天然光衰减快，光照持续时间短，如若阅览空间进深过大将更加不利于非视觉效应的产生。因此，为了避免随着开放式阅览空间进深的增加导致远窗处照度水平过低，建议开放式阅览空间充分围绕采光中庭统筹，以此来补偿“大进深、大面宽”对于天然光非视觉效应的削弱。

在空间平面形状上，有研究[44]认为针对开放式阅览空间形状最常使用的方形和矩形，当采光中庭形状和面积不变时，阅览空间在长宽比为1.5：1时天然采光质量最高，随着比例的加大呈现出逐步下降的趋势;阅览空间的天然光照度随着采光中庭的长宽比的加大而不断地上升;对于其他较为复杂的平面形式来说，阅览空间外边界形状为方的天然采光效果比圆形外边界更好。综上可见，就高校图书馆开放式阅览空间而言，可优先选择方正的形状，充分利用采光中庭渲染整个图书馆空间的天然光氛围。如：汕头大学图书馆阅览空间沿三层通高的中庭临窗呈方形布置，南京邮电大学仙林校区图书馆围绕中庭设计有两个长条形阅览室，为读者提高学习效率，改善心境提供了充足的天然光照度水平、较长的光照持续时间。

2.2.3 室内布局

现代教育要求高效、自由、开放的学习方式。读者可以在一个大空间内，检索所需书籍资料来阅读学习，如：依靠中庭垂直布局的大连理工大学图书馆主体阅览空间、围绕四个小天井周边布局的广州大学图书馆阅览空间、藏书模块和阅览模块相互渗透布局的四川美术学院图书馆等。开放式阅览空间主要依靠家具、书架、层高差异来划分功能板块，目前较为常见的室内布局模式有：周边式布置、成组式布置、分区式布置、夹层式布置、灵活式布置等[45]。将书架集中布置在阅览空间的一侧或中间，靠窗布置多数阅览位置的分区式布置更利于侧窗天然光线的射入，如南京大学杜厦图书馆、南京财经大学图书馆均采用了阅览位置围绕外墙立面的布局方式;柏林自由大学文献学图书馆将阅览布局采取夹层式布置，书架被楼板层围绕，阅览区布置在靠窗区域，既保证了充足的日照水平，还能避免高照度日光损坏藏书的风险。随着天然光投射角的增大，窗户相应增高，距离透光面的距离就越近，天然采光效果也就越好[46]。足够层高的夹层式阅览空间布置更加能够促进读者生理机制的正常运行。当室内照度较低，墙体和地板可以多利用浅色调且反射率较高材质的材料装饰，减弱天然光的漫射效应，增强天然光的反射效应，如：埃克塞特学院图书馆和汕头大学图书馆阅览空间均采用了大量的原木色调的木材来装饰墙面，解决照度不足的问题。

2.2.4 采光形式

高校图书馆阅览空间的采光形式多为天窗采光和侧窗采光。天窗采光的采光量和照射范围均远超侧窗采光，室内光线更为丰富立体，引发的非视觉效应效果值高于无天窗采光的建筑环境[30，47]。国内高校图书馆的天窗一般用于阅览空间的顶层和中庭空间，造型传统，多为方形、弧形，如：四川美术学院图书馆在顶层采用了带状小面积条窗设计;上海大学图书馆的读者休闲阅览区的天花板采用了弧形玻璃窗设计;厦门集美大学图书馆四层开放式阅览空间的顶部均采用三角形天窗;国家图书馆的中心阅览室顶部为大面积玻璃棚等。在国外，曲面和不规则形状的天窗被应用得较多。澳大利亚阳光海岸大学图书馆阅览空间屋顶采取锯齿形天窗，使得馆内开放式空间的天然光线充足柔和;芬兰维堡市图书馆阅览空间利用天花板上57个圆锥形天窗结合墙体的漫反射为室内引入了充足的天然光线。侧窗采光因构造简单、布置方便，被高校图书馆广泛采用。在无天窗的环境下，靠侧窗区域光照充足，非视觉效应效果值最高[30]。但也存在诸多问题，强烈的直射光容易形成直接眩光，随着空间进深的增加，还容易出现光照死角;若采用双侧窗采光，也可能出现阅览空间中间位置照度不足的问题。因此，根据不同朝向的天然光变化规律，阅览空间的各個立面应尽可能加大开窗面积，同时为减轻大型玻璃幕墙带来的直接眩光，也可考虑设计多立面采光幕墙，保证明亮、持续、舒适的天然光引入。荷兰代尔夫特理工大学图书馆的三个侧立面均为玻璃幕墙，正立面有一座高达40米的圆锥体玻璃屋顶，两种采光形式的融合让图书馆成为了日光的海洋;荷兰建筑师Paul de Ruiter为SIGMAX公司总部办公楼的天然光环境进行设计，利用层叠式的连续玻璃幕墙使得室内天然采光随着太阳的东升西落，几乎使所有区域都能轮流成为天然光照射的最佳位置。

除了开窗引入阳光的方式，国内许多高校图书馆的新馆建设中将阅览空间拓展至室外露台。Aries[25]认为以健康为导向的设计应尽可能允许使用者接触室外。台湾高雄市立图书馆总馆在西面及南面均设计了户外平台，读者可以沐浴在日光下阅读学习;山东交通学院图书馆、湖南师范大学图书馆、浙江大学图书馆紫金港分馆在屋顶营造绿化环境，既提供了室外阅读学习场所，在夏日也起到给顶层房间降温的作用。荷兰代尔夫特理工大学图书馆顶部立面与馆外地面草坪衔接，读者可在绿色的屋顶阅读、学习、交流，与大自然充分亲近。

2.3 微观层面

有研究表明人體褪黑激素的抑制水平与以前的光照条件有关[48]，现在非视觉效应的发生往往由过去几个小时甚至几天的光照影响所致[49]。鉴于高校图书馆读者感光历史的个体差异及图书馆所处外部环境的不同，可利用采光辅助系统和遮阳系统等阅览空间的建筑细部设计对天然光环境进行微调节，以此来适应差异化的非视觉效应需求。

2.3.1 采光辅助系统

相较于《建筑采光设计标准GB50033-2013》中有关阅览室的标准照度，激发读者生理节律系统产生变化需要至少两倍甚至更多的光线量[50]。我国幅员辽阔，各地光气候差异较大，《建筑采光设计标准GB50033-2013》根据室外天然光年总平均总照度值的范围将全国划分为Ⅰ-Ⅴ类光气候分区，从《中国光气候资源分布图》可以发现天然光照度随着海拔高度和日照时数的增加而增加，如位于Ⅰ类光气候区的格尔木地区和拉萨地区，随着湿度的增加而减少，如位于Ⅴ类光气候分区的重庆地区和宜宾地区[51]。尤其在全年全部利用天然光小时数偏低的地区，如位于Ⅴ类光气候分区的高校图书馆阅览区域，天然光依赖采光口无法完全照射整个室内的时候，利用采光辅助系统或者导光材料将天然光主动引入室内就显示出了必要性。近年来，国内外建筑工作者研究出多种主动式天然光引入方法[52-53]，比如：利用具有基于传感器读数的自动调节集成百叶，随着太阳的运行轨迹做相应的转动，保证室内天然光照度值较高、持续时间更长;利用导光管技术和光导纤维将聚光器采集的日光导向室内;在窗户顶部利用棱镜组反射技术改变天然光入射方向，令日光照到需要采光的位置等。国内外学校建筑利用主动采光技术相关实践研究较为深入，美国天使山圣本笃修道院校园中的新型光环K-12教室，北京科技大学体育馆的可调光式导光管照明系统等对高校图书馆阅览空间应用采光辅助系统具有借鉴意义。

2.3.2 遮阳系统

结合高校图书馆阅览空间天然采光设计的非视觉需求，遮阳系统的设计应避免空间建筑表皮设计时仅考虑隔热和眩光问题而过度地阻挡天然光的获取。保证充足的天然光获得量是衡量高校图书馆遮阳系统健康性的重要标准。在不同的光气候分区下，结合《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93），高校图书馆阅览空间的遮阳系统应着重兼顾足够的室内天然光获得量、读者的个人感光史和视觉心理需求。为应对读者不同的室内天然光照需求，遮阳系统应同时自动和手动控制的功能，如乌德勒支大学图书馆在建筑表皮设计有可自由旋转开启关闭的印刷玻璃表面，斯图加特市图书馆选用由玻璃幕墙和镶有玻璃砖的模数化构件构成的双层表皮设计，并在中庭的天窗上设置了可移动的及太阳能光伏板于一体的遮阳构件。

3 结语

近年，天然光与人体生理节律的健康关系等研究成果使建筑环境中的天然光非视觉功能逐渐成为采光领域的热点课题之一。随着我国高校图书馆对“人文、人性、生态”的发展理念的愈加认同，非视觉效应的阅览空间天然光环境将愈加受到重视，其采光设计策略亦要随之变革。由于天然光的非视觉功效研究尚处于起步阶段，一方面天然光环境受天空环境模式、地域、气候等因素的影响复杂多变，天然光分类及转化较为简单，天空照度实时测量成本高且数据不够精准;另一方面，对天然光环境下非视觉效应量化标准尚未确定，模拟结果较为粗略，相关理论和方法还不成熟，文章对高校图书馆阅览空间非视觉效应的天然光环境设计的探讨。天然光与人体非视觉效应关系的精确量化、个人感光史评估模型的不断改善[54]、动态天然光可用性度量指标的补充及计算机天然光模拟算法的不断发展，将会对高校图书馆阅览空间的健康采光设计带来新的启发。

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作者简介：马毓（1983-），女，硕士，四川美术学院图书馆馆员。研究方向：阅读推广理论及实践构建。

（收稿日期：2020-01-06 责任编辑：张静茹）

Abstract：With the in-depth study of human non-visual effect， the close relationship between natural light and physiological rhythm has been confirmed. Natural light environment design in the reading space of university libraries urgently needs to be re-examined and considered. This paper analyzes the research on the natural lighting environment design of reading space in University Library：In consideration of the natural light conditions of the external environment， the reading space of university library should give priority to the east direction as daylight opening direction， followed by the south direction; The light atrium should be fully used， and the square space shape should be selected; The partition and mezzanine spatial layout is more conducive to improving the natural light input of the side window; Multi-facade lighting curtain wall， skylight and outdoor reading area can enrich the daylight of reading environment; In consideration of the readers personal photosensitive history， the sun shading system and lighting auxiliary system can be used for micro adjustment.

Keywords：University Library; Reading Space; Non-visual Effect; Natural Lighting