广东地区遗址博物馆展厅天窗优化设计初探*

林 燕，巫 丹，黄 骏

引言

遗址博物馆的展览以遗址及藏品文物的保护性展览为主，其展厅主要分为遗址展厅和藏品展厅两种。藏品展厅通常以人工照明为主，对藏品进行局部重点照明。遗址展厅普遍空间体量较大，需要较大范围有效的照明便于观看遗址，而大量人工照明往往耗能较高。广东地区太阳能资源丰富，全年平均日照时数高达1608个小时[1]。在广东地区的遗址博物馆中采用天窗采光不仅能有效降低照明能耗，还能还原遗址和文物的观展真实感，并提高室内光环境舒适度，是一种宜选用的能够配合人工照明使用的良好采光方式。

图2 二期展馆藏品展厅调研照片及测量区域平剖面

调研发现，目前遗址博物馆存在以人工照明为主的展厅基本照度不够、采用天窗采光未结合遮阳设计导致局部出现眩光、整体照度过高或光环境不均匀的现象。遗址博物馆由于遗址和文物保护等因素，需要严格控制光环境，不应有直射阳光进入展厅，展览区域照度标准值不高于300lux[2]。因此，其天窗设计需结合遮阳来优化才能获得合理的光环境。本文对广东地区遗址博物馆遗址展厅中天窗的采光遮阳及优化设计进行研究，针对不同类型天窗提出不同的策略。

国内外天窗采光现有研究普遍将测量与模拟相结合，例如，通过测量和模拟的比对方 法，提出DSADP技术是运用在博物馆方案设计阶段采光设计的重要手段[3]；通过对展示空间的光环境进行仿真分析，证明采 光优化可改善博物馆展示空间的采光质量[4]；基于互动式建筑的设计理念，利用grasshopper建立一种互动式天窗百叶结合建立实体模型进行模拟实验，可保证室内照度的同时解决夏季热辐射带来的高温问题[5]。或基于参数化模型的建筑采光设计方法，分析地域性光气候条件下的采光以及利用参数化模型进行采光方案的比对，从而得出兼顾遮阳效果的采光设计方案[6]。

本文通过实地调研测量和软件模拟分析相结合的方式，针对广东地区遗址博物馆展厅天窗遮阳整合设计初步探究，以模拟分析结果作为天窗遮阳整合设计的依据。采光遮阳措施分内遮阳措施与外遮阳措施[7]，由于内遮阳措施形式多样，效果好，适用于我国遗址类博物馆需要自然采光且要控制光环境的大体量展览空间[8]，结合内遮阳措施的天窗设计能够减少强烈直射光对遗址和文物的损坏，同时达到舒适的视觉感受，因此本研究主要考虑天窗结合内遮阳的优化设计。

1 广东地区遗址博物馆展厅天窗采光调研现状分析

本次研究选取两个遗址博物馆进行采光测量及优化模拟分析。两个研究对象均位于广东省广州市，广州市位于东经113°17'，北纬23°8'，属于光气候Ⅳ区，日照充足，冬暖夏热。两个遗址博物馆的展厅中都采用了天窗采光，分别是全玻璃顶天窗和条形天窗。实测时间是2020年8月23日，测试当天天气晴朗无云，使用型号为GM1040B的手持式数字照度计，总量程为0.1～200000lux，在天窗正投影下方展览区域内取1.5m×1.5m网格交点为测点，测点高度为0.75m[9]。依据《采光测量方法GB/T 5699-2017》[10],对采光系数、采光系数平均值以及采光均匀度进行计算，得出表1和表2所示相关数值。

表1 墓室展厅和藏品展厅调研测量结果

表2 水流石渠展厅和水井展厅调研测量结果

1.1 南越王墓博物馆

南越王墓博物馆位于广州，兴建于遗址原址上，占地14000m2，展馆面积8657m2。主要分为陡坡上的一期展馆、山岗平顶上的墓室展厅和二期扩建展馆，墓室周围设回廊围绕[11]。一期展馆有三层，其中二层为展厅，全为人工照明，墓室展厅仅采用自然采光；而二期展馆共二层，全部为展厅，均采用自然采光和人工照明混合的采光方式（图1、2）。

图1 墓室展厅调研照片及测量区域平剖面

墓室展厅光线充足，室内明亮；以人工照明为主的藏品展厅采用遮阳百叶过滤自然光，室内环境光照度低，对展品作重点展示照明，室内与室外衔接处光照明暗程度差别较大。南越王墓藏品展厅由于遮阳百叶过密，采光均匀度较高但室内照度整体较低。墓室展厅与藏品展厅相比，未采用任何遮阳调节设施，室内照度过高（表1）。

1.2 南越国宫署遗址博物馆

南越国宫署遗址博物馆位于广州，主要展示南越国古石渠遗址、古水井遗址及藏品，博物馆展馆中有两处设有天窗采光，采用自然采光和人工照明混合的采光方式，其余采用纯人工照明[12]。一处位于曲流石渠遗址展厅，遗址展厅局部约1/4体量顶部设有5个长度不等宽度相同的条形平天窗，调研发现，有直射光进入展厅产生光斑以及眩光现象。另有一处位于水井遗址展厅，设一大一小两个平天窗，同样是天窗采光结合人工照明（图3、4）。

图3 曲流石渠遗址展厅调研照片及测量区域平剖面

图4 水井展厅调研照片及测量区域平剖面

曲流石渠遗址展厅的条形天窗由于采光口深度较大，采光面积相对展厅较小，虽然采光系数最高值很高（表2），但平均值不及南越王墓墓室展厅，且出现较明显的眩光现象，即使分布有较多的人工照明，由于层高较高，展厅面积大，室内采光不均匀，暗角较多，影响观众参观遗址。

水井展厅采用一大一小两个平天窗，占展厅面积比例不大，采光较为不均但略高于遗址展厅。

1.3 广东地区遗址博物馆展厅天窗采光调研现状

通过对广东地区遗址博物馆的调研观察和调研结果的数据分析，得出如下调研现状，对这些现状进行思考分析，以此为基础进行后续优化设计。

1.3.1 天窗利用率不高

部分遗址博物馆展厅的天窗利用率不高，例如南越王墓博物馆的藏品展厅用遮阳百叶将天窗完全遮蔽起来。

1.3.2 混合照明模式下照度平均值、采光均匀度超过或不及规范要求

根据采光设计标准，采用顶部采光时，博物馆建筑中陈列室、展厅的采光系数标准值为1.0%，采光均匀度标准值为0.7，室内天然光照度标准值为150lux[13]。目前测量的所有展厅的照度均值远超标准值，而除了南越王墓墓室展厅的全玻璃顶天窗采光均匀度达到0.72之外，其余的采光均匀度都小于标准值，即存在采光不均匀的现象。

1.3.3 天窗设计不适用于当前展厅或未采用遮阳措施导致光环境不良

不适用展厅形式的天窗设计和无有效遮阳措施的采光天窗会为博物馆内部带来不良影响[14]，例如南越王墓博物馆和南越王宫博物馆的遗址展厅未采取有效遮阳措施，遗址上均被直射光照射出现光斑，南越王宫遗址展厅上设置的采光洞口较小较深，造成展厅内出现一些照明不足的暗部。

2 广东地区遗址博物馆展厅采光遮阳整合优化模拟分析

遮阳能对天窗的采光设计起到辅助和修正作用，因此对天窗遮阳进行整合模拟，从而研究如何对天窗进行优化设计[15]。通过对遗址展厅中玻璃顶、条形采光口两种常见采光形式，应用不同遮阳措施进行计算机模拟分析，可以比较准确的得出适宜的优化策略。

模拟选择采用与实测相同的晴天无云的天气情况。因本文研究所针对的是天窗遮阳整合设计，多云条件下日照情况复杂多变，全阴天日照虽然比较稳定，但也由于天空中存在大量漫射光，此时天窗所受日照相对比较均匀，不易出现例如眩光、光照过度等光环境不良现象，在此天气情况下研究意义不大。广东地区夏季天气晴朗无云时，日照辐射量较大，而一天中日照最强烈的时段是上午10:00～下午2:00，因篇幅有限，文中暂不讨论日间天窗采光的动态变化过程，考虑到中午12:00～下午2:00展厅中人流量较小，该时段日照情况对于人们观展体验影响不大，因此选择上午11:00～11:30进行实测。即如果此天气下较高太阳角时天窗采光都能够得到优化，那么也能够适用于其他日照条件下。实测时间严格控制在半小时内，减少日照随测量时间变化带来的影响，并确保测量时段室外天气稳定无云从而得到有效数据。

2.1 模拟准确性验证

为了进一步探究遗址博物馆天窗遮阳整合设计的方法，采用计算机模拟遮阳设计前后的光环境，从而对天窗遮阳整合设计的模拟结果进行对比分析研究。模拟软件选用VELUX Daylight Visualizer 2。在计算机模拟之前，需对计算机模拟的有效性进行评估。由于南越王墓墓室展厅是4个展厅中唯一完全采用自然采光的展厅，以其进行模拟比较，在SU中建立该展厅模型（图5），玻璃透射率设置为0.17，模拟定位在东经113°，北纬23°，天气条件设置为晴天无云，测试时间为8月23日上午11:00，结构构件简化处理，测量结果如下（表3）：

图5 模拟测量模型及测量结果示意图

表3 模拟结果与实测对比图

由于材料反射率以及窗污染、窗结构折减、测点位置等因素，模拟数值与实测数值存在误差，值为2.2%，测量结果并不绝对准确，同时测量时日照强度时刻变化，这也是造成误差的一大原因，但误差值满足该软件经国际照明协会认证的±5%的误差范围，因此模拟方式是可行的。

2.2 广东地区遗址博物馆展厅天窗优化设计方法——天窗遮阳整合设计

通过设计合理有效的遮阳措施将直射光线进行漫反射处理，降低照度，提高室内采光均匀度，既能够利用自然光资源来达到绿色节能的目的，也能够使采光不良情况得到改善（表4）。结合天窗设计的遮阳方法主要有遮阳百叶、漫反射结构和发光天棚，根据以上案例提取出空间形式和天窗设计形式，分析在岭南地区——以广州为例，对不同天窗采用不同遮阳形式进行优化，采用计算机模拟的方式对采光系数、照度等影响因子进行比较评估。

表4 主要三种与天窗结合的遮阳设计方法

2.3 优化设计模拟分析

如表4所示，要获得好的室内光环境和空间效果，须结合天窗设计采用适宜的遮阳设计方法。因此对于研究对象的两种不同的天窗形式，根据3种不同的遮阳设计方法，探究全玻璃顶天窗和条形天窗应如何进行优化。

模拟采用对比实验法，以原设计的天窗采光无遮阳为对照组，选取调研案例中的展厅天窗进行不同遮阳方式的模拟，对比其产生的光环境优化效果和室内空间效果。选择晴天天空作为模拟条件，模拟设计的遮阳百叶尺寸均为150mm宽×20mm厚，间距为150mm，角度为90°和0°，光反射结构均采用倾角约为45°的弧形混凝土板，发光天棚均采用透光率为0.5的半透明材质。模拟地点均位于东经113°，北纬23°，模拟时间为上午11:00，朝向为正南北，天窗玻璃材质均采用透射率为0.78的普通白玻。

由模拟结果可知（表5），该遗址展厅采用全玻璃顶天窗采光时室内照度和采光系数偏高，结合发光天棚设计后，整体照度衰减最多，但采光最均匀，且平均采光系数最高，采用遮阳百叶时遮阳效果不明显，室内仍有直射光线进入。采用漫反射结构时虽然整体照度降低但有明显暗角。

该展厅天窗采用遮阳百叶无法完全消除直射光线的干扰，由照度和采光系数分布图可知（表6），采用发光天棚时采光较均匀，但平均照度值过低。采用漫反射结构时展厅内无直射光线，照度降低程度适中，且展厅四周无明显暗部，优化效果最好。

表6 南越王宫曲流石渠展厅模拟分析

2.4 广东地区遗址博物馆展厅天窗遮阳整合设计模拟结果分析

全玻璃顶天窗采光面积大，可视作面光源，通常应用于大型公共空间，在遗址展厅中应用时，能为遗址提供充足且较为均匀的自然光线，模糊室内外界限，但也由于其采光面积大，往往在天气晴朗时采入过多阳光，对建筑节能、室内物品造成不良影响[19]。因此在展厅中对此类天窗进行优化设计时，必须根据展厅的使用要求，采用计算机预先进行较精确的光环境模拟。根据南越王墓墓室展厅天窗遮阳整合设计模拟结果，采用遮阳百叶时由于太阳高度角高且百叶无倾角，仍有部分直射光线进入展厅，因此室内照度降低不明显，采用漫反射结构时虽然能阻挡大量直射光，但由于天窗本身面积过大，所需采用的漫反射结构自身体量较大，对光线形成了一定遮挡，反射后光线难以达到整体均匀的效果。而发光天棚能将所有光线均匀漫射，降低照度的同时采光仍保持均匀。

条形天窗可视为点光源或线光源，用于展厅中可形成独特的光影效果和空间氛围，但如南越王宫曲流石渠遗址展厅的天窗，由于采光面积小，采光口较深，无法提供大量均匀的漫射光，造成展厅采光不均，室内形成大量暗角的现象。且采光口周围明暗对比强烈，易造成眩光。模拟采用遮阳百叶时，同样因为太阳高度和百叶倾角的问题，室内仍有直射光线，照度调节作用不明显，采用漫反射结构和发光天棚后都能达到相对均匀的室内光环境，是因为光线经漫反射结构和以漫射材料制成的发光天棚进行充分的漫反射后，到达室内暗角区域，改善了这些区域的采光质量。

3 广东地区遗址博物馆展厅天窗优化设计策略

经过调研和模拟，采用天窗的遗址展厅在无遮阳情况下都存在室内照度过高、眩光以及采光不均现象，不利于遗址遗迹的保存维护和观众观赏，模拟结果证明采取遮阳措施来对原有天窗进行优化调整是必要且有效的。

3.1 优化设计策略一——天窗与遮阳百叶整合设计

遮阳百叶整合全玻璃顶天窗和条形天窗进行设计优化时，当百叶角度垂直于采光面，均可降低一定照度但无法完全阻隔直射光，例如根据南越王墓博物馆和南越王宫博物馆的展厅采用遮阳百叶的模拟结果，平均照度降低的差值较小且仍有少量直射光进入展厅。因此对于需严格控制直射光的遗址博物馆展厅，采用遮阳百叶可以通过进一步调整叶片尺寸、密度以及倾角来达到更符合遗址博物馆展厅对遗址文物保护需求的天窗优化设计效果。

3.2 优化设计策略二——天窗与漫反射结构整合设计

对于采用了条形天窗的遗址展厅，宜采用漫反射结构作为优化措施。如南越王宫博物馆曲流石渠遗址展厅中的条形天窗，采光口较深，面积较小，展厅平均照度为333.2lux，虽然均值满足规范但室内暗角较多，整体光环境偏暗，增加采光口数量或增大采光面积、减小采光口深度是从根本上提高采光质量的措施。条形天窗由于采光面积小，易造成采光不均和采光口周围明暗强烈对比形成眩光的现象，采用漫反射结构模拟设计后，光线通过结构体的充分反射可扩散到室内大量照度过低的暗角，从而改善采光不均匀，提高室内参观的舒适度。因此，漫反射结构适宜结合条形天窗来设计。光线从采光口引入后经过一系列反射衰减后进入室内，从而达到对光线的调节作用。但应根据当地太阳光入射规律来调整光反射结构形式，从而避免光线通过缝隙形成光斑。

3.3 优化设计策略三——天窗与发光天棚整合设计

如果展厅天窗优化的需求是降低照度的同时保证高均匀度，那么应采用发光天棚。发光天棚通常采用软膜或亚克力板制成，调节机理在于其不同于平滑的玻璃，材料本身凹凸的特质可将光线进行充分的阻隔和漫射。作为室内吊顶设置时，光源可以是天窗，也可以是人工照明设施，光线透过这层材料后，形成一个整洁美观的面光源，并提供均匀柔和的环境光。

例如南越王墓墓室展厅，由模拟结果可看出，采用发光天棚后照度值由6196.9lux降低至2963.5lux，而采光系数分布仍然十分均匀。因此采光面积大的展厅如采用玻璃顶的情况下，应采用发光天棚作为天窗遮阳整合设计方法，能在显著降低照度的同时获得较均匀、明亮的室内光环境。且发光天棚应用范围广，可根据天窗造型和室内空间配合设计成各种造型，形式多变，是遗址博物馆采用大面积天窗采光时可采用的有效优化设计策略。

结语

根据对遗址博物馆展厅天窗采光光环境实地测量和现状分析，并通过对计算机模拟得到的数据以及照度、采光系数分布图进行对比研究，分析归纳天窗遮阳整合设计前后的光环境特点，并对其优化设计效果进行评估，最后总结出遗址博物馆展厅天窗优化设计策略。从优化效果来看，采用遮阳百叶优化天窗设计时，可根据当地日照规律调整百叶密度或角度来减少天窗采入的直射光线，漫反射结构适宜整合条形天窗设计，发光天棚适宜整合全玻璃顶天窗等大面积采光口进行设计。鉴于本文篇幅有限，未涉及能耗相关因素的影响分析以及需进一步探究关于采光与遮阳各设计因素的定量分析。

本文对天窗优化设计的研究初探得出适用于遗址博物馆展厅天窗的优化设计策略，以期对今后的遗址博物馆天窗优化设计研究起到参考借鉴作用。

图、表来源

图1～5：巫丹绘制；（其中的图片，由巫丹拍摄或绘制、VELUX Daylight Visualizer 2）表4：巫丹绘制；（其中的图片源自：https://image.baidu.com/；https://www.archdaily.cn/cn）

其余表格均为巫丹绘制。