中小学校教学建筑的采光设计

李云慧

摘要：我国大部分地区处于温带，天然光充足，有利于建筑对天然光的利用。中小学校教学建筑充分利用天然光可以给学习营造创造良好的光环境，有益于学生身心健康;另外一方面中小学校教学建筑充分利用天然光有利于节约电力能源，有益于社会可持续发展。强化设计人员对中小学校教学建筑采光设计不仅国家工程建设技术规范要求，也是社会科学发展的要求。

关键词：学校建筑;天然光;采光系数;照度

1 中小学校教学建筑采光技术应用的重要意义

我国大部分地区处于温带，天然光充足，有利于建筑对天然光的利用。中小学校建筑可以充分利用天然光，一方面天然光的辨认能力优于人工光，充分利用天然光不仅可以给学习营造创造良好的光环境，提高学生学习和生活的环境质量，有益于学生身心健康;另外一方面中小学校建筑充分利用天然光有利于节约能源，促进经济社会可持续发展。

2 中小学校教学建筑采光设计的要点

根据 《建筑采光设计标准》（GB50033 - 2013）、《中小学校设计规范》（GB 50099-2011），中小学校建筑采光设计的要点主要有以下方面：

2.1 教育建筑的普通教室的采光不应低于采光等级Ⅲ级的采光标准值，侧面采光的采光系数不应低于3.0% ，室内天然光照度不应低于4501x。

2.2 中小学学校建筑普通教室、 科学教室、 实验室、 史地、 计算机、 语言、美术、书法等专用教室及合班教室、图书室均应以自学生座位左侧射人的光为主教室为南向外廊式布局时，应以北向窗为主要采光面。

2.3 教学用房室内各表面的反射比值顶棚0.70～0.80、前 墙0.50～0.60。

2.4 各教室前端侧窗窗端墙的长度不应小 于 1.00m，窗间墙宽度不应大于 1.20m。

2.5 侧面采光时，采光口距离地面高度0.75米以下的部分不计入有效采光面积。

2.6 教学用房及教学辅助用房的窗玻璃应满足教学要求，不得采用彩色玻璃。

3 基本原理

《建筑采光设计标准》GB50033-2013以采光系数平均值作为采光设计的关键性评价指标。

3.1 采光系数

在室内参考平上的一点，由直接或间接地接收来自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比。

室内某一点的采光系数C，计算公式为：

式中：  En—室内照度;

Ew—室外照度（lx）。

3.2 平均采光系数

通常按单个房间计算平均采光系数，即房间内划分网格上各个交点上的采光系数算术平均值。

3.3 采光系数标准值

在规定的室外天然光设计照度下，满足视觉功能要求时的采光系数值。《建筑采光设计标准》GB50033-2013中规定的采光系数标准值和室内天然光照度标准值为参考平面上的平均值。在同一室外天然光设计照度值的条件下，对于同一个房间，满足采光系数标准值即满足室内满足天然光照度标准值。

4 计算方法

采光设计计算通常采用软件模拟进行计算，斯维尔软件提供了三种计算模式：模拟法、公式法和公式扩展法。

4.1 模拟法

在Dali中，模拟法就是调用计算工具Radiance进行采光模拟计算，最后将计算结果返回到Dali进行处理分析，这是最真实、最常用的方法。

Radiance是由美国劳伦斯伯克利国家实验室以及瑞士洛桑生態技术联邦局开发的采光模拟核心程序，采用了蒙特卡洛算法优化的反向光线追踪算法，相对于光能传递算法来说光线追踪更适合于精确的建筑采光分析。

图5.3 模拟值与理论计算的关系

经过大量的计算和软件模拟对比，发现Radiance软件模拟出的数值与理论计算的结果均离散在归纳函数附近。说明Radiance软件可以提供精确度高的结果。国际上采光标准制定与论文基本上都采用Radiance进行模拟，国际上大部分商用采光分析软件都基于Radiance程序内核开发，该程序的分析计算结果受到广泛认可。

4.2 公式法、公式扩展法

公式法就是经过实际测量和模型试验确定的，在大量经验数据的基础上总结得到的采光系数平均值公式的计算方法，即《建筑采光设计标准》GB 50033-2013中“采光计算”一节提供的公式方法，一般用于粗算。

4.2.1 侧面采光可按下列公式进行计算。

5 采光计算参数取值

本文以XX市滨江小学教学楼为例采用模拟法进行采光分析计算，具体如下：

5.1 模拟分析条件说明

天空模型：CIE全阴天天空。

计算光线反射次数：2次

分析参考平面：功能房间取距地面0.75m，公共空间取地面

分析计算网格划分的间距：根据房间面积的情况对网格进行合理划分，如下表所示;

房间面积（m²）

网格大小（m）

≤10

0.25

10～100

0.50

≥100

1.00

周边环境：考虑分析区内的建筑物之间遮挡

室内环境：忽略室内家具类设施的影响，只考虑永久固定的顶棚、地面和墙面、。

5.2 建筑饰面材料参数

室内采光效果受内部和外部两种因素的影响。内表面反射比就是内部影响因素之一，外部因素除了天空亮度外，建筑外表面反射情况也是重要的影响因素。本项目中建筑内外饰面材料，如顶棚、墙面、地面、建筑外表面，其材质、颜色对应不同的反射比，给室内光环境来带不同的采光效果，反射比数据参考《建筑采光设计标准》GB50033-2013附录D中的表D.0.5 饰面材料的反射比ρ值，具体参数情况见下表：

5.3 门窗类型参数

窗户决定了建筑内部的采光水平。工程中最为常见也最广为使用的一种采光途径就是在建筑侧墙上安装窗户或者在建筑顶部安装天窗等采光构件。窗的位置、尺寸、形态等都会对室内采光带来不同程度的影响。建筑中的常用的透光门也会对自然光的传播提供便利。这些透光构件的性能参数与采光系数的计算息息相关。

本项目中透光门、窗户的性能参数包括门窗尺寸、挡光系数、窗框类型、玻璃类型、可见光透射比和反射比，参数具体数值情况详见下文。

5.3.1 普通窗

门窗表（略）

门窗计算参数：外窗可见光透射比0.89、玻璃反射比0.08

计算需考虑外窗玻璃的污染折减系数影响，系数取值0.9。

5.4 房间模拟结果

本项目为住宅建筑，根据《建筑采光设计标准》GB 50033-2013要求，需计算建筑内卧室、起居室的采光系数，此为标准强制性条文要求;同时还需计算厨房、卫生间、过道、餐厅、楼梯间的采光系数，此为非标准强制性条文要求。计算结果见下表： （汇总简略表）

5.4.1 采光效果分析彩图

采光系数分析彩图可以直觀地反应建筑内各个房间的采光效果，本项目中各楼层中标准要求房间的室内采光情况如下所示：

6 结语：

通过上述采光分析可知本项目各普通教室的采光系数不应低于3.0% ，满足《建筑采光设计标准》GB 50033-2013要求。

通过以上案例采光分析计算可以总结如下：在对中小学校教学建筑进行采光设计时应综合考虑，教室房间进深不宜过大、外窗之间的窗间墙尽可能小，在楼地面0.75米以上高度的外窗为有效外窗，外窗设计应充分利用其层高，同时建筑层间挑檐及外廊对建筑采光产生影响，采光设计应合理的设计房间内各表面的反射比值、外窗可见光透射比值、玻璃反射比值，建筑室内墙面饰面尽可能选择白色或浅色饰面，外窗玻璃宜采用白玻且不应采用彩色玻璃，设计在综合考虑以上要素后通过计算不小于规范采光系数标准值时则认为采光符合要求。

中小学校教学建筑充分利用天然采光不仅可以给学生学习营造创造良好的光环境，有益于学生保护视力及身心健康;同时有利于节约电力能源，有益于经济社会可持续发展。

参考文献：

[1]中国建筑科学研究院. 《建筑采光设计标准》（GB50033-2013）.北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]北京市建筑设计研究院天津市建筑设计院.《中小学校设计规范》（GB50099-2011）.北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]边宇.建筑采光.北京：中国建筑工业出版社，2019.

[4]重庆建筑工程学院.建筑采光和照明设计.北京：中国建筑工业出版社，1980.

[5]中国建筑标准设计研究院有限公司.《民用建筑设计统一标准》（GB50352-2019）.北京：中国建筑工业出版社，2019.