基于前策划与使用后评估的图书馆中庭天窗采光设计研究——以华北理工大学图书馆为例

郭娟利，周扬空，姜子信，吕大力，周 琨， 吴翠姑

(1.天津大学建筑学院 天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072；2.天津大学建筑设计规划研究总院有限公司，天津 300072；3.河北省凤凰谷零碳发展研究院，河北 保定 071051)

引言

随着高校学生人数的增长和校区规模的扩大，高校图书馆体量也随之增大，相应的对空间设计和室内舒适度也提出了更高的要求[1]。成功的图书馆设计，可以有效激发学生的学习积极性，提高学习效率[2]。张敏等[3]使用层次分析法分析得出在图书馆74个评估指标中，自然采光光环境所占权重最高，其值为0.041。相较于人工照明，自然光可以有效提高人的视觉舒适度并降低人工照明能耗。自然采光的优劣对阅读、工作效率有着重要的影响，因此良好的自然采光设计对图书馆建筑设计尤为重要[4，5]。

郭琦等[6]通过对京津冀地区已建成的大型高校图书馆进行实际调研发现，部分阅览空间存在着光环境设计缺陷。大进深空间不恰当的自然采光设计会带来一系列光环境问题，中庭作为建筑内外空间联系的媒介可以有效引入天然光照亮核心区域并降低人工照明的能耗[7]。透明天窗中庭起初作为交通枢纽和展示共享空间从20世纪90年代开始广泛引入到图书馆设计中，现在为了更有效地利用空间，越来越多地图书馆尝试将中庭区域作为阅览区域[1，8]。而如何更好地对中庭透明天窗进行设计，保证中庭区域的光环境满足读者的阅读使用需要，国内对相关问题的研究较少。

本文采用前策划与后评估相结合的研究方法，以华北理工大学图书馆为研究对象，在前期设计阶段利用Velux天然采光模拟软件分别对平天窗、锯齿形天窗和双向锯齿形天窗的图书馆中庭区域光环境进行定量模拟分析，综合比选出光环境质量更佳的双向锯齿形天窗设计方案。在建成使用后，对华北理工大学图书馆的中庭区域进行包括问卷调查和现场实测的自然采光后评估，判断双向锯齿形天窗中庭区域的实际自然采光光环境质量，为今后大型图书馆天窗设计提供一定的参考和借鉴。

1 研究方法

建筑的前期策划是合理设计的一个保障，使用后评估是合理设计的标准。使用后评估为前期的建筑设计和策划提供反馈，是构成从实践到理论再到实践这一闭合体系的关键一环[9]。利用前策划与后评估相结合的方法可以使建筑师在今后的设计中让建筑更好地为人服务。

1.1 项目介绍

本研究以唐山曹妃甸区的华北理工大学图书馆作为研究对象。该地区属于第三类光气候区和寒冷地区，在充分利用自然光的同时需要避免夏季过晒，并合理进行过渡季节的自然通风。图书馆为地上8层，总建筑面积69 000 m2，周围空间开阔，无建筑物遮挡，图书馆实景如图1所示。该项目图书馆天窗位于整个建筑的中部，尺寸为长39.7 m，宽15.4 m，五层通高24 m。其中4～7层为拥有中庭采光的阅读空间，8层为与7层通高的局部跃层设计。

图1 华北理工大学图书馆外景(图片来源：岳意鹤摄)Fig.1 Exterior view of the library of NCST (Photo by Yue Yihe)

1.2 评价标准

本研究主要从以下2个方面评价中庭区域光环境：1)晴天眩光分析；2)阴天自然采光可利用性分析。眩光分析为判断晴天工况下是否会出现照度过高导致的眩光；自然采光可利用性分析为判断阴天工况下照度值和采光系数是否满足最低使用需求。为了更全面地了解中庭区域的光环境，中庭区域又分为4层中庭广场和4～7层的中庭连接区域(如图2所示)。根据中国《建筑采光设计标准》GB 50033—2013和中国《建筑照明设计标准》GB 50034—2013，图书馆光环境的要求为0.75 m工作面照度标准值不低于300 lx，采光系数标准值不低于2%。但是目前，相关规范中对照度过高容易产生眩光的情况并未考虑。研究表明，最低在1 700 lx的自然光照情况下，人眼就可以感受到眩光，因此设定的自然采光可用阈值为300～1 700 lx[10]。

图2 中庭区域Fig.2 Atrium area

1.3 图书馆中庭天窗前期策划

1.3.1 图书馆天窗形式

如图3所示，常见的天窗形式主要有平天窗、矩形天窗、锯齿形天窗和导光管等[11]。对于大体量高校图书馆建筑，矩形天窗和导光管采光口面积受限，对图书馆内部的自然采光效果提升有限，因此本研究仅考虑平天窗和锯齿形天窗，同时引入一种较为新颖的天窗采光形式——双向锯齿形天窗。双向锯齿形天窗兼具平天窗和锯齿形天窗的优点，既保证了足够的采光口面积，又可以利用变截面梁充当反射板对太阳光进行漫反射，避免阳光垂直照射易导致眩光的问题。侧面还设置可以开启的通风窗，可以迎合过渡季主导风向进行自然通风，如图4所示。

图3 常见天窗采光形式Fig.3 Common skylight lighting forms

图4 双向锯齿形天窗Fig.4 Bidirectional zigzag skylight

1.3.2 图书馆天窗采光设计模拟

利用VELUX软件分别对平天窗、锯齿形天窗和双向锯齿形天窗的中庭区域光环境进行定量模拟分析。VELUX是一款准确快速的可视化天然采光分析软件，可以帮助建筑设计师在设计之前通过计算机模拟对建筑天然采光效果及空间效果有一个直观的判断，软件模拟的最大误差低于5.13%,平均误差低于 1.29%[12]。为了提高模拟分析效率，仅对最不利工况进行模拟，分别为夏至日晴天12:00和冬至日阴天12:00。

1.4 图书馆双向锯齿形天窗使用后评估

1.4.1 主观评价

本研究主观评价形式为问卷调查，问卷分4次在周末随机发放。问卷内容分为两个部分，第一部分为读者基本信息的获取：性别、年龄、专业、年级和是否经常来图书馆等，以保证样本的客观多样性；第二部分为对中庭自然光环境评价的信息采集，评价选用7级指标，可以准确客观地反映使用者的感受。

1.4.2 现场实测

客观评价通过实地测试的方式来收集中庭区域的照度值，并与测试日期相同工况下的模拟结果进行对照验证模拟准确性。测试选用CL-200A型照度计进行测量，分别在阴天和晴天工况下对中庭区域测点0.75 m工作面照度值进行测量，测试日期分别为2019年10月17日(阴)和10月19日(晴)。中庭广场测点按照GB/T 5700—2008《照明测量方法》以2.0 m×2.0 m为间距进行选取，中庭连接区域测点以布置桌面座位为依据，间隔2.0 m。测试时人工照明关闭，测试时间控制在12:00—13:00之间，此时自然采光相对稳定，适宜长时间多测点的数据采集，测试图如图5所示。

图5 中庭测点布置Fig.5 Layout of measuring points in the atrium

2 前期设计阶段中庭天窗形式的比选

2.1 VELUX模拟分析模型建立

为了在简化模型的同时保证模拟的准确性，模型中庭设置在10～34 m高度处，8层与7层为通高设置。模型内仅设置基本的结构，没有布置书架和书桌等物品。锯齿形和双向锯齿形天窗最高处均高出楼板2.4 m,锯齿形天窗朝南45°设置，双向锯齿形为东西向设置，不同天窗形式的模型如图6所示,模型主要的材料设置参数如表1所示。

图6 不同天窗形式模型图Fig.6 Models of different skylights

表1 模型模拟参数设置表

2.2 夏至晴天眩光分析

夏至日12:00晴天工况下各形式天窗4层中庭区域照度情况如图7所示。下面对各层中庭区域的光环境模拟结果及其变化规律分述如下：

图8是通过计算机模拟得到的不同天窗中庭区域夏至日晴天的照度情况。平天窗、锯齿形天窗和双向锯齿形天窗在4层中庭广场区域的照度平均值分别为1 111.7 lx、482.5 lx和1 054.3 lx, 照度最大值分别为1 590 lx、705.18 lx和1 387 lx,均位于300～1 700 lx的正常阈值范围内。平天窗和双向锯齿型天窗的采光情况接近，锯齿形天窗照度水平远低于两者，但平天窗采光多为阳光直接照射，非常容易在夏季出现眩光和光斑问题。

在各层中庭连接区域，三种类型天窗照度均值和最大值都随层数的增加而增加，且增长速度越来越快。平天窗和双向锯齿形天窗的各层照度均值均能满足300～1 700 lx的阈值，但平天窗7层连接区域的照度最大值达到了1 927 lx,超过1 700 lx的阈值上线，非常可能出现眩光。锯齿形天窗采光水平最差，即使在夏至晴天工况下，4～6层中庭连接区域照度均值仍无法满足300 lx的最低使用要求。

图8 晴天工况下各层中庭照度分布(夏至日12:00时)Fig.8 Illumination distribution on the different floor under sunny condition (12:00 on the summer solstice)

2.3 冬至阴天自然光可利用性分析

2.3.1 照度标准值

冬至日12:00阴天工况下各形式天窗4层中庭区域照度情况如图9所示。下面对各层中庭区域的光环境模拟结果及其变化规律分述如下：

图9 阴天工况下中庭4层照度分布(冬至日12:00时)Fig.9 Illumination distribution on the 4th floor under cloudy sky condition (12:00 on the winter solstice)

图10是通过模拟得到的不同天窗4～7层中庭区域阴天最不利工况的照度情况。在中庭广场区域，平天窗、锯齿形天窗和双向锯齿形天窗的照度均值分别497.7 lx、190.9 lx和461.3 lx，除了锯齿形天窗，其他两种天窗类型均满足300～1 700 lx的正常使用区间。照度最小值分别为284.96 lx、103.04 lx和279.09 lx,均低于300 lx最低要求。平天窗和双向锯齿形天窗照度水平近似，仅照度最低值小幅低于300 lx，而锯齿形天窗则差距较大。

图10 阴天工况下中庭各层照度分布(冬至日12:00时)Fig.10 Illumination distribution on each floor under cloudy sky condition (12:00 on the winter solstice)

在中庭连接区域，照度水平整体变化趋势和夏季情况类似，三种类型天窗照度均值和最小值都随着层数的增加而增加，且增长速度越来越快，在7层达到最大。各形天窗自然光可利用性均较差。锯齿形天窗在冬季的采光尤为不利，4～7层照度均值均无法达到300 lx的最低值，平天窗和双向锯齿形天窗表现较好，仅在4～5层无法满足。从最低照度值看，锯齿形天窗全部低于300 lx,平天窗和双向锯齿形天窗也仅在7层能满足300 lx的最低使用要求，不利于阴天工况下的全自然采光，需要进行辅助的人工照明设计。

2.3.2 采光系数

采光系数可以有效反映空间的自然采光能力，图11为三种类型天窗中庭区域在冬至日阴天午时12:00的采光系数均值。三种形式天窗在中庭广场区域采光系数均值均高于2%且保持在较高水准，分别为8.3%、3.18%和7.69%，自然采光效率高。

图11 各层采光系数(冬至日12:00时)Fig.11 Daylighting factor on each floor (12:00 on the winter solstice)

中庭连接区域采光系数的趋势和照度均值趋势相同，逐层增加且增速变大。锯齿形天窗受限制于采光口获得光照少，4～6层采光系数均低于2%，自然采光效率低，无法满足使用需要。平天窗和双向锯齿形天窗采光系数接近且自然采光能力较强，均能满足2%的最低要求，最小值分别为3.02%和2.53%。

2.4 天窗选型

综上，通过方案设计阶段运用计算机性能模拟对三种类型天窗中庭区域光环境进行分析发现，锯齿形天窗自然采光能力最差，无法满足图书馆建筑正常使用。平天窗和双向锯齿形天窗中庭采光能力均较好，冬至阴天工况下仅部分低层连接区域存在明显缺陷，在夏至晴天工况下，平天窗在4层中庭广场区域和7层中庭连接区域照度最大值分别达到了1 590 lx和1 967 lx,接近甚至超过了1 700 lx的正常使用阈值上限，并且和双向锯齿形天窗可以利用大面积的变截面梁作为反射板对自然光进行有效的漫反射不同，平天窗采光为太阳直射光，非常容易出现眩光。同时，在实际使用过程中，平天窗面临着复杂的雨后排水、漏水问题，因此综合考虑选择双向锯齿形天窗作为华北理工大学图书馆的中庭天窗形式。

3 使用后评价

3.1 客观评价

图12分别是晴天和阴天工况下4～7层中庭区域实测和对应工况下模拟的照度值与采光系数。实测各项具体数值如表2所示。

图12 双向锯齿形天窗图书馆中庭区域光环境Fig.12 Light environment on the atrium area of the library of bidirectional zigzag skylight

表2 双向锯齿形天窗中庭区域光环境测试数据

4～7层中庭各区域的各项采光指标均和模拟数值有一定的差异，但变化趋势保持一致。实测的照度值普遍高于模拟数值，实测采光系数低于模拟值。经过分析认为，产生差异的原因主要有以下4点：1)实测时室外照度和软件模拟默认的晴天和阴天模型照度值不同；2)使用后装修、桌子的布置情况对图书馆室内的光环境存在一定影响；3)简化的模型在模拟时存在一定误差；4)实际测试时室外光环境一直处于变化中，无法绝对静止。

通过实测发现，中庭连接区域照度和采光系数均随层数的增加而增加且增速变大。晴天工况下中庭各区域的照度值均能够满足300～1 700 lx的正常使用阈值；阴天工况下，虽然采光系数和照度均值均满足最低要求，但4～6层中庭连接区域照度最小值远低于300 lx，层数越低照度均值和最小值随之下降。实测结果符合有关学者通过模拟和等比模型对不同层中庭连接区域采光影响规律的研究。由于底层中庭连接区域的光线主要是由上层垂直壁面的反射引入，经过多次反射和衰减，底层采光效果存在一定的缺陷，在阴天工况下自然采光效果更加糟糕[13]。因此在底层的中庭连接区域需要设置一定的人工照明，保证在自然采光不够的情况下进行辅助照明，满足读者的使用要求。

3.2 主观评价

在发放的200份问卷调查中，排除无效问卷后为169份。在对第一部分受访者基本信息的统计中发现，受访者中女性占比较多，达到66.27%，专业覆盖率达到89.66%，85.80%的受访者年龄集中在19岁至23岁，符合大学生的年龄分布。综上，本次问卷调研数据具有比较全面的代表性。

图13 中庭区域自然采光环境主观评价Fig.13 Subjective evaluation of natural lighting environment on atrium area

图13分别为使用者对中庭桌面自然采光明亮程度和中庭自然光环境满意程度的评价数据分析。超过总人数一半的使用者认为中庭区域的桌面亮度水平是舒适的，占总人数的55.02%,但也有30.18%的受访者认为桌面亮度有点暗，最后利用7级指标来加权平均，得出中庭桌面的明亮程度为-0.22，介于-1有点暗和0舒适之间。从中庭光环境满意程度结果来看，选择比较满意的人数最多，占总人数的40.83%，选择比较满意、满意和非常满意的人数共占总受访人数的78.70%。利用7级指标进行加权平均，得出受访者对中庭光环境的满意程度为1.04，位于1比较满意和2满意之间。主观问卷评价和客观实际测试结果相符合，双向锯齿形天窗中庭区域可以较好地满足图书馆中读者的使用要求，但是在底部中庭连接区域照度相对较低，尤其是在阴天工况，容易出现自然采光不足的情况。

4 结论

前期模拟结果显示，自然采光能力为平天窗>双向锯齿形天窗>锯齿形天窗。锯齿形天窗采光能力较弱无法满足图书馆使用要求，平天窗虽然采光能力最强，但容易出现眩光，综合考虑排水问题，最终选用双向锯齿形天窗。

建成后的现场实测与模拟结果数值存在一定差距，但整体趋势一致。中庭广场采光充足，中庭连接区域照度和采光系数随层数增加而增加，且增长速度越来越快。晴天自然采光质量较好，但阴天低层中庭连接区域采光水平较差，局部照度明显低于300 lx。中庭区域桌面亮度和光环境满意程度的评价平均值分别为-0.22和1.04，位于舒适(0)偏有点暗(-1)和比较满意(1)偏满意(2)。

综上所述，大体量图书馆中庭采用双向锯齿形天窗可以较好地进行自然采光满足使用需要，但需在底层中庭连接区域合理辅助人工照明避免不利工况带来的自然采光不足。