传统民居光环境实测与模拟优化——以黔东南丹寨县黄土寨苗族民居为例

黄海静，董 张

(重庆大学 a.建筑城规学院; b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

传统民居基本由村民自主建造，极少考虑建筑的光环境设计，建造时受当地传统文化的影响和技术经济条件的制约，室内光环境质量普遍较差。光环境影响人体的视觉舒适、生理与心理健康[1-2]，传统民居的室内光环境亟待改善。国内部分学者已关注到民居的光环境问题，并进行了有益的探索。如李莉萍[3]测量和比较了不同生态环境和地理气候下云南地区几种典型哈尼族民居的采光系数，并从房间开窗和应用新型材料等方面提出室内光环境的改善建议。在对重庆地区民居的窗地比、采光系数、照度均匀度等光环境现状分析的基础上[4-6]，李苑等[5]从改善天然采光性能的角度提出渝东南地区民居的营建策略；翟逸波[6]基于传统民居天然采光界面的差异，提出针对单界面和多界面的采光技术策略。谭洁等[7]对孝感地区明清民居进行测绘，研究天井形态对民居光环境的影响，并探讨其影响机制在建筑中庭空间的应用。何苗等[8]对闽南沿海地区民居的室内光环境进行实测调研，应用软件模拟对民居光环境影响因素进行分析，并提出了优化策略。现有光环境分析多基于测量数据，对传统民居空间特征关注不足；而且光环境优化除了满足采光性能要求，还应整合考虑建筑的保护性改造策略。

不同地域的民居建筑空间及光环境特征不同。目前，针对黔东南传统民居的研究多集中于其空间形态特征和室内湿热环境，而对光环境的研究十分欠缺。黔东南苗族侗族自治州位于贵州省东南部，州境内大部分地区海拔500～1 000 m；处于亚热带季风湿润气候区和Ⅴ类光气候区，年平均气温为14～18 ℃，降雨量1 000～1 500 mm，相对湿度为78%～84%，年日照时数为1 068～1 296 h，天然光的年总平均照度低于30 klx，总体呈现出雨量大、湿度高、云雾多、日照少的气候特征[9-10]，州境内传统民居室内采光效果差，对其进行适宜性改造尤为必要。

黄土寨位于贵州丹寨县城西南侧，距丹寨县城约1 km，常住人口700余人。村寨依山而建，顺等高线层层跌落，呈明显向心性布局。村寨中现有许多保留较好的传统苗族民居(约占50%)依然在使用，形成了新老建筑并存、传统与现代交融的风貌(见图1)，映射出时代发展背景下中国传统村落的普遍现状[11]。

图1 黄土寨布局形态

黄土寨的传统民居都是村民自建，建造时因防御功能的需求、传统生活方式的影响，以及技术经济条件的制约，房间开窗少且窗口小，室内光线微弱。随着村寨规模的扩展，部分民居修建于北坡，因受山体遮挡，其室内天然光环境较南坡民居要差[12]。为满足现代生活需求，一些村民开始自发地对传统民居进行扩建，以期改善室内光环境，但由于村民自发改造，采光效果不能完全满足要求。因此，科学分析传统民居的光环境现状，结合建筑空间特征研究保护性改造的适宜策略，营造满足居住及视觉需求的传统民居光环境显得尤为重要。

1 光环境现状测试及分析

现状调研以黄土寨中原始风貌保存较好的一栋苗族民居为实测对象(见图2和图3)，该民居所在地海拔970 m，朝向北偏东75°；面阔3间，进深4间，穿斗式结构，主要材料为杉木，小青瓦悬山屋顶；是典型“下畜上人”的苗族民居功能布局模式，由一楼畜养及储藏层、二楼居住及阁楼层构成。

图2 测试的苗族民居

图3 测试民居室内采光实景

选取该民居室内主要功能房间进行测试，包括客厅(A)、堂屋(B)、主卧(C)、厨房(D)、餐厅(E)。其中，次卧与主卧功能和空间形态类似，不重复测量；底层为畜圈及农具储藏，不住人，未测量；二层的退堂是半室外阳台，不在测量范围内。测试时段为2018年7月17日至2018年7月19日每天的10:00～15:00。测试采用网格法均匀布点，布点间距为1 m，工作面高度为0.75 m(见图4)。

图4 民居测点布置示意图

测试在全阴天天气下进行，实测室外天然光照度值为11.2 klx。黄土寨所在的黔东南地区属于Ⅴ类光气候区，根据《建筑采光设计标准(GB 50033—2013)》[13]确定各房间窗地比标准值，将实测所得窗地比值与标准值对比，如表1所示。该民居的主要功能房间的窗地比均远低于国家标准值，室内采光面严重不足，其中厨房、客厅、卧室的窗地比与标准的差值极大。

表1 窗地比实测值与标准值对比

根据实测照度值(见表2)计算得到的采光系数与标准值对比显示，该民居主要功能房间采光系数均远低于国家标准值，其中堂屋采光系数与标准值相差较大，客厅、厨房也差距较大(见表3)。

表2 主要功能房间实测照度值及相关数据

综合表1～表3分析发现：①堂屋的窗地比远大于其他房间，但其采光系数却最低，原因是堂屋外有退堂，光线需经退堂空间才能射入堂屋；②客厅与主卧的窗地比相同，但采光系数仅为主卧的1/2，且其照度均匀度也比主卧差。这与房间形态及开窗方式有关，客厅进深较大且窗户开在短边墙体上，因而客厅深处采光较差；而主卧进深较小，窗户开在长边墙体上，光线更易到达房间深处。

表3 采光系数实测值与标准值对比

2 光环境模拟及优化分析

2.1 光环境模拟参数设置

针对民居光环境现状问题，运用Ecotect Analysis 2011对其室内光环境进行模拟。根据《采光测量方法(GB/T 5699—2017)》[14]《建筑采光设计标准(GB 50033—2013)》设置模拟参数：天空照度模型设为全阴天空，室外天空照度值及模拟时间与实测数据一致；工作面取0.75 m高处，测点间距为50 mm；该民居室内地板、天花板、墙体均为棕色杉木板，其反射系数取值0.15；窗户为单层6 mm普通白玻、木窗框、窗户洁净程度一般，设为Average Windows(即x=0.75)。

将原室内采光系数模拟结果与实测数据对比，其误差率仅4.3%～7.6%(见表4)。在验证其可行性的基础上，从采光系数[15]、照度和照度均匀度几个方面，进行光环境模拟分析评价及优化设计研究。为排除窗户洁净程度对模拟结果的影响，优化模拟中将窗户洁净程度设为Clean Windows(即x=1)，模拟结果如图5所示。

表4 原室内采光系数模拟值与实测值对比

图5 洁净窗户时采光系数模拟结果

2.2 光环境优化模拟分析

2.2.1 增加外墙开窗

对传统民居光环境的改造优化，以建筑风貌影响最小化为前提，根据外墙木板格构关系(外墙木板宽度为150～300 mm)，采用主要功能房间原有窗户的构成单元尺寸(主要为400 mm×800 mm和650 mm×650 mm 2种)为模数，在外墙上均匀增加开窗(见图6)。根据窗地比标准值计算得出客厅和厨房(餐厅)各需增加6扇窗户，堂屋和3间卧室各需增加2扇窗户，以此为依据建立优化模型并计算，如图7和表5所示。可以看到，增加开窗能提升室内采光系数和照度均匀度，除堂屋各项指标远低于标准值以外，其余房间的平均照度和采光系数均达到标准要求；客厅、厨房(餐厅)增设窗户数量过多，对建筑风貌影响较大，但同时这2个房间的采光系数增幅也最大，因此，实际改造中可考虑适当减少开窗数量并结合其他措施进行整合优化来满足采光要求。

图6 外墙开窗示意图

图7 增加开窗后采光系数模拟结果

表5 增加开窗前后数据对比

2.2.2 提高室内反射比

由于该民居室内界面均为杉木板，不适合粉刷，提高室内反射比较好的方式是使用浅色墙纸。根据《建筑采光设计标准(GB 50033—2013)》将室内房间的墙体、楼板、天花板的反射系数均设为0.72，模拟结果如图8和表6所示。可以看到，单纯通过浅色墙纸来提高室内反射比一定程度上能改善室内采光效果，但各房间提升幅度不大，除餐厅外，其余房间的采光系数和照度值仍未达到国家标准要求。

图8 提高室内反射比后采光系数模拟结果

表6 提高室内反射比前后数据对比

2.2.3 增设顶部采光口

1)屋顶设置亮瓦：由于阁楼(阁楼是苗族传统民居重要的储藏空间和热湿环境的调节空间，一般设置在堂屋以外的房间上方)的存在，仅在通高的堂屋屋顶处增设亮瓦。传统民居中亮瓦设置为3列或5列，一列3片。据窗地比标准值计算得到需增加的采光面积，在堂屋屋顶均匀布置8处亮瓦，每处3列，一列3片，亮瓦为底瓦，盖瓦采用小青瓦(见图9(a))，以减小对传统风貌的影响。

2)特殊部位顶部采光：利用民居卧室上部的檐下空间设置顶部采光口，以窗地比标准值计算得到需增加的采光口面积为参考，在每个卧室顶部均匀增加3个采光口(见图9(b))；因卧室一侧非建筑主要形象面，且采光口位于屋檐下，对建筑风貌影响较小。模拟结果如图10和表7所示，增设顶部采光口后，各房间的室内采光系数大幅提高，均达到国家标准要求；室内照度均匀度提升效果显著，尤其是堂屋；主卧和堂屋的室内照度值虽没有达到国家标准，但差距不大。总体来说，增设顶部采光口能使室内光环境质量得到极大改善。

图9 顶部采光口示意图

图10 增设顶部采光口后采光系数模拟结果

表7 增设顶部采光口前后数据对比

3 传统民居光环境综合优化设计策略

由模拟结果可知，增加开窗能大幅提高室内照度和均匀度，但部分房间增加开窗的数量过多，会对建筑传统风貌造成破坏；提高室内反射比能整体提高室内采光系数和照度均匀度，但效果不佳，不能使室内采光系数和照度达到国家标准值；堂屋屋顶增设亮瓦、卧室利用檐下空间增设顶部采光口能极大程度地提升室内采光系数和照度均匀度。

基于上述单项优化结果分析，统筹考虑地域气候、采光需求、建筑风貌、空间结构及材料特性等因素，提出综合优化措施，即：二层所有房间均采用浅色墙纸，其反射系数为0.72；客厅和厨房/餐厅在建筑山墙上对应位置各增加2个开窗，每个开窗面积为0.42 m2；堂屋空间在屋顶上均匀布置6处亮瓦，亮瓦总面积为0.96 m2；3个卧室在建筑檐下各增设1个顶部采光口，每个采光口面积为0.72 m2。模拟分析显示，民居的主要功能房间的采光系数和平均照度值均高于国家标准要求，且照度均匀度明显提升(见图11和表8)。

图11 综合优化后采光系数模拟结果

表8 综合优化前后数据对比

由此，可总结出传统民居光环境综合优化设计策略如下：

1)以对原建筑风貌和结构影响最小化为民居改造前提，根据采光需求，综合考虑原民居立面板材格构关系，在山墙面适当增设采光窗口(见图12)，确定其位置、形态与排列方式[16]。当增设采光窗口有难度时，可考虑将全木门(苗族民居多为格扇门[17])替换为上部带玻璃格栅的木门(见图13)，改善室内光环境。

图12 增设采光口示意

图13 木门改造示意

2)该类传统民居为木结构，室内界面均由杉木板拼接而成，且层高较矮，仅2.2 m，不适合粉刷、吊顶和铺设地面砖，宜采用浅色墙纸整体提高室内照度，并可减弱室内眩光引起的视觉不适(见表9)。

表9 室内界面各优化措施对比

3)对于无阁楼的空间可考虑在屋顶适当位置均匀设置亮瓦(见图14)；对于上部有阁楼的房间，可充分利用建筑的空间特征，在一些不显眼、不影响建筑风貌的部位(如檐下)考虑开设可开启的辅助采光口(见图15)，既能改善采光，又利于通风。

图14 屋顶亮瓦设置示意

图15 檐下采光口设置示意

4)由于房间亮光集中在采光口附近，不易达到房间深处，且该地区民居夏季需考虑遮阳，因此可考虑在采光窗内部设置可调节的反光百叶(见图16)，夏季正午可阻挡并反射过强的直射光，冬季和夏季午后又可将天然光反射到天花板，并漫射到室内空间，使光线更易到达房间深处，照度均匀度更佳。

图16 可调反光百叶示意图

5)结合黔东南四季分明、湿度高、日照少的气候特征和居民日常生活方式，可考虑夏季将外门开启辅助采光，既改善民居室内采光质量，也能使室内获得良好的通风效果以带走室内湿热空气，但同时应考虑门洞的遮阳设计。

4 结 论

从传统民居的光环境现状调研入手，对黔东南地区丹寨县黄土寨的一栋典型苗族民居的窗地比、室内照度及采光系数进行实测，结果显示，该传统民居的主要功能房间的采光性能远低于国家建筑采光设计标准的要求，室内光环境质量差。对各房间的采光数据进行分析，指出室内光环境受采光口大小及其位置分布、室内空间形态、室内表面材料的反射性能等因素的影响。在此基础上，通过软件模拟对各影响因素进行量化和对比分析，结合黔东南地区的气候特征，以对原建筑风貌和空间结构的影响最小化为改造前提，提出传统民居光环境综合优化改造策略：1)山墙面适当增加采光窗，或将全木门替换为上部带花格栅玻璃的木门；2)无阁楼房间可增设屋面亮瓦，有阁楼房间可增设檐下顶部采光口；3)结合内墙材料铺贴浅色墙纸，整体提高室内照度；4)在采光口上部设置可调节反光百叶，既可遮挡太阳直射又可提高照度均匀度；等等。