高校体育馆天然采光现状调查研究

2021-08-15张明宇刘彦汝

照明工程学报 2021年3期

范晴，张明宇，刘彦汝，王琛

(天津大学天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

引言

体育馆具有“数量众多”、“使用频率高”的特点，现存高校体育馆采光设计粗放，采光缺陷明显，视觉舒适度差，人工照明能耗过高。合理利用天然光能降低其能耗，提供良好的室内环境。从视功能试验来看，人眼在天然光下比人工光下具有更高的视觉效应，并感到舒适和有益于身心健康[1]，对于体育馆建筑而言，天然采光更有助于提高体育训练和比赛的水平。新《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)[2]对体育建筑室内的采光指标进行规定，为改善体育馆采光质量提供了保障。多数学者[3-5]在体育建筑的采光问题上，主要对其建筑能耗问题进行探讨。较少学者[6，7]专门研究讨论学校体育馆的天然采光问题。近年来，在单一体育馆采光设计优化上取得进展[8，9]，但缺乏对优化国内高校体育馆采光问题的普适性。本文基于国家自然科学基金(51578368)，增加测试了广州、武汉、大连三地16座高校体育馆，结合此标准[2，10]对场馆采光水平进行评价分析，探讨其影响因素，提出采光口优化建议，为优化高校体育馆天然采光质量提供基础依据。

1 调研方案

1.1 调研目的与对象

目的：调查广州、武汉和大连高校体育馆空间信息和天然采光质量现状。

对象：本文为课题的前期调研部分，研究范围选在基金项目中设定的广州、武汉(光气候Ⅳ区)和大连(光气候Ⅲ区)。一是因为此典型地区高校分布密集，综合性院校和专业性院校均有涵盖；二是按标准[2]中以室外天然光年平均总照度值划分，广州、武汉为光气候Ⅳ区典型地区，大连为光气候Ⅲ区典型地区，补充现只有京津光气候Ⅲ区高校体育馆测试数据的空白。

1.2 调研内容及方法

1)时间:选择当天太阳光最稳定的时间段10:00—14:00；广州、武汉测试在冬至日前后全阴天条件下,大连测试在春分日前后，由于天气状况，选在全晴天条件下。

表1 体育馆基本情况

2)指标:室内、室外的水平照度，场地内工作面照度、地面照度。

3)测量仪器:照度计(动态范围:0.01～10 000 lx、0.1～100 000 lx)、测距仪(Leica Disto D5)、皮尺，如图1所示。

图1 测试仪器(从左到右依次为照度计、三脚架、皮尺、测距仪)Fig.1 Testing instruments (from left to right are illuminometer, tripod, tape ruler, range finder)

4)测试方法

测试方法根据《采光测量方法》(GB/T 5699—2017)[10]制定:

a)根据采光口布置和建筑柱网跨度，在典型横纵剖面上间隔3 m或4 m均匀布点，活动场地区域及场地周围在距离场地周围墙面1 m布点;

b)工作面选取距离地面0.8 m高的水平面为假定工作面;

c)室外照度和室内照度同时进行测量;

d)测点距离墙、柱为0.5～1.0 m，单侧采光时应在距离内墙1 m处设一测点，双侧采光时应在横剖面中间设置一个测点。

5)注意事项

a)摒除人工光的干扰，在只利用天然光的条件下进行现场调研;

b)在维持场地采光口常态(有些采光口长期处于遮蔽状态，调研时不改变采光口的遮蔽状态)的情况下进行调研，并对采光口遮蔽情况进行记录。

2 调研结果统计与分析评价

2.1 数据处理

根据实地测量数据进一步计算，具体计算方法如下：

点的采光系数为

(1)

采光系数平均值为

(2)

采光均匀度为

(3)

式中：En——室内照度，单位lx；Ew——室外照度，单位lx；Cmin——采光系数最低值，用百分比(%)表示；M——纵向测点数；N——横向测点数。

2.2 数据分析

2.2.1 评价参数

采光效果的评价参数可以分为两类，室内照度和采光系数等用于表征采光数量，采光均匀度等用于表征采光质量。据《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)[2]中对体育建筑的规定见表2。

表2 体育建筑采光标准值

按照高校体育馆使用类型，体育馆场地属于采光等级Ⅳ级。对于采光均匀度，标准中仅针对顶部天窗采光规定标准值为0.7，侧窗采光由于照度变化太大，标准中不做规定。故本文中不考虑侧窗采光的均匀度参数。

2.2.2 侧窗采光体育馆

1)室内照度平均值

在采光口形式为侧窗采光的4座体育馆中，照度平均值均不满足侧面采光室内天然光照度标准值。如图2所示，在未开人工照明的情况下，武汉大学工学部体育馆的照度平均值最差，仅有22.4 lx，照度平均值最好的大连医科大学风雨馆，四立面全开矩形高侧窗和部分低侧窗补充采光，仍不能满足天然采光的要求。可见全侧窗采光条件下体育馆难以达到标准300 lx的规定。

图2 高校侧窗采光体育馆比赛厅室内照度平均值Fig.2 Average interior illuminance of competition hall in side window lighting gymnasium

2)采光系数平均值

如图4所示，4座侧窗采光体育馆的采光系数平均值均未达到采光系数标准值要求，并远低于标准值，场馆室内采光严重不足。武汉理工大学东区篮球馆的采光系数平均值高于大连医科大学羽毛球馆，两座体育馆同为两侧侧窗采光(图5)，由于武汉理工大学东区篮球馆的采光口窗高更高，面积更大，室内采光系数随侧窗面积的增大而增大。

图4 侧窗采光体育馆的采光系数平均值Fig.4 Average daylight factor of side window lighting gymnasium

图5 武汉理工大学东区篮球馆(左)、大连医科大学羽毛球馆(右)Fig.5 East district basketball hall of Wuhan University of Technology(left)、badminton hall of Dalian Medical University(right)

2.2.3 天窗采光体育馆

1)室内照度平均值

如图6所示，采光口形式为天窗采光的12座体育馆，共6座体育馆照度平均值满足150 lx顶部室内天然光照度标准值，占总数的50%。光气候Ⅲ区中，3座体育馆均满足顶部室内天然光照度标准值。光气候Ⅳ区中，武汉大学卓尔体育馆照度平均值最高179.3 lx，中山大学体育馆照度平均值最低。发现比赛厅照度平均值较高的体育馆天窗采光口形式普遍为平天窗，多为集中式、均匀分散式，并伴有侧窗辅助采光。

图6 高校天窗采光体育馆比赛厅室内照度平均值Fig.6 Average interior illuminance of skylight gymnasium competition hall

2)采光系数平均值

如图7所示，仅有光气候Ⅲ区的大连外国语大学球类馆，大连理工大学体育馆和光气候Ⅳ区的卓尔体育馆满足天窗采光系数标准值，其余均不符合规范要求。中山大学体育馆和华南理工大学体育馆的采光系数平均值仅为0.015%、0.041%。通过调研判断可能原因如下：

图7 高校天窗采光体育馆比赛厅采光系数平均值Fig.7 Average daylight factor of skylight lighting gymnasium

a)据场馆内的运动人群反映，多数体育馆仅靠天然采光很难满足运动时对照度的要求。猜测原因是由于2013年之前采光设计规范没有明确对体育建筑采光等级，及没有特别对采光指标进行规定，所以已建成的大部分体育馆在设计阶段未针对采光环境进行深入考量，导致日后使用中光环境较差。

b)如图8所示，中山大学体育馆天窗面积过小且开口位置不在训练场地正上方，侧窗朝向西侧并有遮挡导致平均照度过低，整体采光环境不好。华南理工大学体育馆侧窗经常有窗帘遮挡，天窗形式为多排矩形天窗[1]，采光特性与高侧窗相似，采光数量不如平天窗采光数量多，但均匀性更好。

图8 中山大学体育馆(左)、华南理工大学体育馆(右)Fig.8 Stadium of Sun Yat-sen University(left)、comprehensive stadium of South China Normal University(right)

c)采光系数较高的武汉大学卓尔体育馆为2017年新建(图9)，集中式条形天窗布置在屋面中部屋脊处，均匀性和采光系数平均值较好；大连外国语大学体育馆一侧为看台，三面全为落地采光窗，并有均匀分布式矩形天窗，无采光死角，室内平均照度值相对较高，因此采光系数平均值较好。

图9 武汉大学卓尔体育馆(左)、大连外国语大学体育馆(右)Fig.9 Zhuo Er Stadium of Wuhan University(left)、stadium of Dalian University of Foreign Languages(right)

3)采光均匀度

高校体育馆采光均匀度对比见图10，可知12座天窗采光体育馆均不符合规范中对采光均匀度的规定，华南理工大学体育馆、大连外国语大学体育馆、华中农业大学体育馆和中山大学体育馆情况相对较好，但仍与标准[2]中采光均匀度标准值存在差距。整体来看，调研中12座高校体育馆采光均匀度都不容乐观。

图10 高校体育馆比赛厅室内采光均匀度Fig.10 Uniformity ratio of daylighting in competition hall of gymnasium

2.3 综合评价

通过对广州、武汉、大连高校体育馆调研测试及计算得出数据(表3)可知，在16座高校体育馆中，每座都存在不同程度的不达标情况。建筑师在设计阶段考虑到体育馆对天然采光的需求，但缺乏专业的采光设计，导致采光数量和质量出现不均衡达标的情况。例如，武汉大学卓尔体育馆和大连理工大学体育馆在均满足照度平均值和采光系数平均值的情况下，均匀度仅为0.31和0.24。均匀度(0.53)最好的华南理工大学体育馆，照度平均值仅为5.4 lx，采光系数平均值仅为0.041%，严重不满足规范要求。

表3 综合统计表

从整体情况来看，同一光气候分区下，天窗采光条件下体育馆的照度平均值普遍高于侧窗采光条件下体育馆照度平均值。采光口形式以天窗为主的体育馆大部分存在采光口面积不足或分布不合理的现象，而全侧窗采光的场馆采光环境不佳，难以达到标准要求。

3 影响原因及优化建议

3.1 采光问题引起原因

综合本次调研3地2光气候分区16座高校体育馆以及相关文献[14-17]，归纳出引起采光问题的3点主要原因，以及影响体育馆室内光环境的因素：

1)地域性光气候条件不同

室内的天然光环境随室外光气候条件影响而时刻变化。由实测数据可知，不同光气候分区，其馆内的采光数量、质量有明显差异，受太阳、天气条件、地理位置等因素的影响，因此在采光设计策略上最好结合当地光气候条件进行适应性设计来应对动态变化的自然因素。

2)建筑周围环境或室内非必要因素遮挡

暨南大学邵逸夫体育馆、华南理工大学体育馆、武汉大学工学部体育馆等都有部分采光口被构筑物、树木等遮挡的情况，有些体育馆采光口长期处于窗帘遮蔽状态，影响其馆内天然光环境和采光评价指标，体育馆设计师应合理选择采光方式避免遮挡影响，并在后期场馆使用维护方面注意遮蔽影响。

3)采光布置方式

体育馆采光布置方式指采光口的形式、位置、面积等。采光口形式以天窗为主的体育馆采光质量相较于以侧窗的更好。全侧窗采光的体育馆，如单侧采光的大连医科大学羽毛球馆内部分场地采光质量极差，因为侧窗采光口设计不合理导致采光系数小、采光均匀度差。在天窗采光条件下的体育馆，如果采光口面积过大，如大连外国语大学球类馆，采光系数较大，采光口下方易形成光斑，破坏室内的光环境质量。面积过小，如中山大学体育馆，室内天然光照度严重不足，无法满足正常使用要求。因此建筑师在设计时应综合考虑建筑形式的美观和对自然采光利用和节能[18]的问题。

3.2 采光方式影响因素

1)侧窗采光

通过调研发现，多数高校体育馆选取侧窗采光的原因：一是建筑设计条件所限，只能依靠侧窗采光；二是侧窗作为一种辅助采光手段。仅使用侧窗采光的体育馆易造成比赛场地照度较低、窗口过亮的情况，导致室内采光曲线的不平衡[7]，难以满足比赛场地内应有视觉焦点的感受，但可以通过提高侧窗位置高度得到改善。提高侧窗高度可增强室内离窗口较远区域的采光及室内的采光均匀度。

常见高校体育馆侧窗布置形式分为高侧窗、中侧窗和低侧窗三种类型。如图11所示，以净高15.0 m体育馆为例，高侧窗、低侧窗分别距离顶棚和地面1.0 m(《体育建筑设计规范》(JGJ 31—2003)[19]中6.2.7条明确规定综合体育馆比赛场地上空净高不应小于15.0 m)。高校体育馆由于布置观众席，中侧窗设置过少，因此低侧窗和高侧窗被应用较多。但是在采光口与运动员视线的仰角在0°～27°时，处于强眩光区[1]，对于视线处于区间的运动员，低侧窗经常成为运动员或者运动器械的背景，形成不舒适眩光。New York Daylighting Collaborative NYSERDA[20]提出在侧界面采光中高侧窗具有优越性，当采光口面积为定值时，可通过增加侧窗的高度来提高室内光环境的质量，所以选取高侧窗为宜。

图11 体育馆低、中、高侧窗示意图Fig.11 Uniformity ratio of daylighting in competition hall of gymnasium

当侧窗采光作为辅助采光时，建筑师在设计阶段会根据立面形式随意布置侧窗位置及形式，容易造成不合理采光口布置方式或者面积过大或过小，导致采光环境较差。因此，侧窗采光朝向设计需结合当地光气候区特点，根据训练场地的方向进行设计。当体育馆内比赛场地以东西向为主导方向时，应避免在西侧开侧窗采光因太阳西晒而引起眩光问题，同时要考虑单侧采光引起馆内采光均匀度差的情况。

2)天窗采光

大部分高校体育馆顶部采光口形式为平天窗，因平天窗采光效率高，且布置灵活，易于达到均匀的照度[2]，所以在高校体育馆天窗采光形式中选用更多，其布置形式主要分为集中式和均匀分散式，如表4均匀分散式天窗、集中式矩形天窗示意图，少数采用特殊结构产生的特殊造型采光方式[13]。

表4 均匀分散式天窗、集中式矩形天窗示意图

天窗在屋面的位置影响采光均匀度和采光系数，当集中式天窗布置在屋面中部偏屋脊处，室内平均照度值和采光系数平均值较好，如武汉大学卓尔体育馆(图9左)、华南师范大学体育馆(图12左)，集中式采光在理论上具有照度集中性，活动场地具有良好的视觉导向性；当天窗布置为均匀分布式，如图12(右)暨南邵逸夫体育馆，在采光系数同样时，较布置在屋脊处的集中式天窗的采光均匀度更高。

图12 华南师范大学体育馆天窗布置图(左)、暨南邵逸夫体育馆天窗布置图(右)Fig.12 Comprehensive stadium of South China Normal University(left)、Shao Yifu stadium of Jinan University(right)

从调研中发现，当天窗窗地比较小时，天窗面积对均匀度的影响不大；当天窗窗地比较大时，随着天窗面积的增加反而会影响室内的采光均匀度，如华南理工大学体育馆天窗面积小，形式为多排矩形天窗，均匀度却最好。因此建筑师可以通过合理设计天窗的形式和位置，使训练比赛区域光线明亮且室内照度分布均匀，突出空间室内环境，营造良好的室内导向性。

3.3 采光口优化建议

天窗采光效率高于侧窗采光，且照度分布更均匀，眩光的几率更小，因此在高校体育馆的自然采光优化设计中应以天窗采光为主，侧窗采光为辅，以此来提高采光质量。在现有高校体育馆采光问题上，天窗采光设计不能单纯地仅依靠加大天窗采光口面积来增强室内的采光均匀度，应同时设置双侧窗采光有利于室内采光均匀度的提高。因此，高校体育馆采光设计应全面考虑天窗和侧窗的采光口情况进行策略调整。

天窗形式选择建议从均匀分散式和集中式两种形式中综合考虑。从采光数量方面看，均匀分散式和集中式天窗较其他天窗形式可获取更多的天然光；从采光质量方面看，两天窗形式采光均匀度较好，但通过实地调研验证了均匀分散式天窗比集中式天窗的采光均匀度更高，因为在窗地比一定时，垂直采光天窗密度对采光系数影响较小；从场馆光环境营造方面看，集中式矩形天窗具有良好的视觉导向性，可根据需要进行选择。在天窗布置方式上建议集中式天窗布置在屋脊处或比赛厅中心线上方，分散式天窗均匀分布在比赛场地上方。且整体天窗面积不宜过大，满足采光需求和照度标准即可。侧窗建议选择双侧高侧窗，窗间隔尽量小，采光面积不宜过大，并结合当地光环境特点，考虑室外遮挡物影响因素进行设计；如选择低侧窗，建议避开运动员比赛主导方向背景墙。