北京旧城四合院天然采光环境改造

2022-07-29张海滨张明宇

照明工程学报 2022年2期

李烨，张海滨，张明宇

(1.重庆大学建筑城规学院，重庆 400030；2.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

四合院是中国北方传统民居的典型，代表了一种内向型、以院落为中心、多户居民共同生活的空间形式。近几十年来，北京的城市建设取得了前所未有的成就，而在人群密集的旧城区，以四合院为代表的居住区内人居环境状况日益恶劣，外来务工人员的蜂拥入住及常驻居民的逃离让这一问题日益凸显，如何改善当地四合院的人居环境，留住合院聚居的住民成了迫在眉睫的问题。

天然采光是提升人居环境质量的重要途径。在以往的旧城改造中，建筑师往往倾向于利用人工照明替代天然光来解决设计中的采光问题，忽略了天然光带给人们的重要作用。事实上，合理利用天然光，不仅可以获得较高的视觉功效、节约能源，同时还是一项保护人体健康的长远措施。研究发现，在相同照度水平下，人们在天然光环境下的视觉功效比在人工照明条件下的高5%～20%[1]。目前关于居住环境改造的研究多集中于对青少年、老年等群体所处的住宅、办公等区域的光环境[2, 3]研究，忽视了生活在四合院的群体同样对天然光有着本质需求的特征。另一方面，国内关于四合院的更新改造多是从建筑美学的角度出发[4]，注重建筑外部及公共空间形式的塑造，忽略了室内光环境质量同样会影响到居民的行为和生活方式这一现象。本文以北京市南锣鼓巷一四合院的改造为例，尝试以院内存在的光环境问题导向为出发点，通过对院落及建筑单体光环境进行改造来助力于人居环境质量的提升。

1 研究背景

1.1 场地概况

研究对象设为帽儿胡同三号院，位于北京市东城区南锣鼓巷，该地区日照充足，属于Ⅲ类光气候区。三号院位于帽儿胡同的入口端头处(图1)，作为少有的传统规整形制四合院，由于缺乏一定的引导和约束，逐步背弃了胡同的纯居住基因，转而演变成了商、住混用，生活环境恶劣的大杂院。

图1 三号院位置

1.2 光环境状况

为明确帽儿胡同三号院的光环境现状，笔者一行①参与调查的人员：重庆大学建筑城规学院李烨、彭勇智、陈涛和石宪。进行了实地调研。三号院属于较为标准的传统四合院形制，但院落空间已被人为改造或破坏。院内不仅留有旧时代的老房子，还四处充斥着居民的“私搭乱建”(图2)。据统计，四合院内现有住户高达30余家，居住人数超过100人，有限的空间和高密度的人口不仅容易激发严重的邻里矛盾，而且会带来较为严重的采光问题。

图2 三号院现状

现场调研发现，院内杂物堆积现象较为普遍，走道及院落空间倍显拥挤。加之部分居民出于利益需求私自加建二层，院落暴露面积及后排建筑采光受到一定程度的影响。在采光形式上，院内民居多采用侧窗采光的方式，其中新建建筑多采用较大面积的塑钢玻璃窗，旧有建筑依然使用传统红木窗。由于年久失修或物品堆放，不少旧建筑的木窗口仅个别窗格能自由关闭。同时出于对个人隐私的保护，绝大多数采光口均采用了半透光的毛玻璃，室内的照度受到了较为显著的影响(图3)。

图3 三号院采光情况

1.3 问卷调查

作者通过问卷调查和采访记录方式，获得返回问卷25份，其中获得有效调查问卷23份，并对收集数据进行了相应整理分析。

调查结果显示，尽管四合院院落拥挤，但是庭院的采光满意度却未受到较大影响(图4)，多数居民都对院落的光环境状况持满意态度。然而，由于院内居民住所的类型、位置等不同，较大部分的居民对自身住所的采光满意度较低(图5)。经问询后归纳发现，居民认为有多种因素影响了自身住所的采光(图6)。其中，房间设计不合理、杂物堆积影响、采光口面积小等因素占较大比例。为弥补采光缺陷，打造宜人的室内光环境，绝大多数居民选择增加人工照明的方式来满足日常需求(图7)。

图4 庭院采光满意度

图5 室内采光满意度

图6 影响房屋采光的因素

图7 较暗房间的处理方式

2 问题分析

为解决居住环境问题，明确改造方向，笔者通过资料查阅及走访问询的方式，逐渐厘清了三号院的空间演变情况，并梳理出了三号院室内光环境不佳的主要原因在于“由四合院内的产权矛盾导致的空间矛盾，进而引发严重的采光问题”这一条线路。

2.1 产权矛盾

北京旧城四合院的产权类型经历了极为复杂的演化。建国之初，为确保社会秩序的正常运转，政府开始对城区房屋产权进行清理登记，厘清公私产权成分。从1958年开始，四合院涌现出以“国家经营租赁”形式的大量私房，极大地缓解北京城市住房紧张的社会状况[5]。1980年起，随着国家推行私有产权房的政策，北京四合院逐步演化为公产房、私产房、军队产权房混杂并存的产权类型，并呈现出产权破碎化的特征，同一个院子内部的不同房屋甚至都有着不同的产权属性[6]。而后至今，四合院形成了以私产房为主，各产权方在院内无序加建房屋的混杂局面。

2.2 空间矛盾

产权矛盾带来的产权混乱问题引发了居民对四合院公共空间的争夺。对于居民而言，物质空间的不足驱动他们本能的、尽可能多的去抢占公共空间[7]，这种普遍存在于各个四合院的特殊现象无疑让“私搭乱建”这种无声协议的方式充斥着院内的各个角落。而后，随着近年来商业活动的入侵，院落空间不再只是居民的交往场所，而成为充当着外来人员与游客的城市公共空间，院落空间的属性界限越来越模糊，胡同符号逐渐成了南锣鼓巷缔造商业的表面道具。

2.3 采光矛盾

空间矛盾的日益激烈迫使居民赖以生存、活动的场所演变成大杂院。院内居民为保护自身权益，纷纷采用廉价物品进行空间占位，不仅损害了院落的礼序，同时给自身住房的光环境造成了严重的困扰。开敞明亮的院落空间愈发显得拥挤，堆积的杂物和违建的建筑又阻挡了天然光射入房间内部，特别是进深稍大的房间往往需要人工照明来弥补采光不足。另一方面，由于无序堆放的杂物或加建房屋的遮蔽，建筑的采光口及采光面积减少，室内光环境受到较为严重的损害。

3 基于光环境主导的改造方式

3.1 改造策略

尽管三号院表面上形制规整，但其内部存在着旧城四合院普遍的空间斗争。这种斗争一方面映射出邻里共存聚居的生活矛盾，同时又有居民迫切改善自身生存环境的焦急心态和美好憧憬。因此，对三号院的改造势在必行，且可从两方面进行。首先是对三号院公共空间礼序的构建，旨在明晰大杂院产权关系基础上，通过重塑公共与私密空间的关系，整合院落建筑物或构筑物，进而提升四合院内的光环境质量。其次是对个人居住空间的改造，从光环境角度出发，尝试通过改善室内采光环境来提升居民居住体验和满意度，进而削弱居民对公共空间的无尽索取。

在对大杂院的改造上，通过有效的协调途径和合理的补偿机制，在明确建筑产权归属的前提上对功能碎片化的建筑进行产权置换或合并，重新构建公共空间秩序，延长居民在院内采光、交流的时长；而对居住空间的光环境改造，这里引入一种较为普遍的“植入新的建筑类型”的方法[8](图8)。主要是通过拆除影响主建筑采光的附属建筑物或构筑物(有产权)，改为新建等面积的透明或半透明廊道植入胡同中，与原有建筑产生较为强烈的新旧对比关系，构建了不同种类的新型公共空间。这种方式减弱了常规的私密空间形式，强化了共享与共生的空间理念。引入的玻璃廊道不仅是增加采光面积，提升采光效果，更是对部分使用空间的重新组织，是以空间改造为主线，结合采光口改造进行的提升策略。改造方案上始终贯彻“拆补平衡”的方针，最大化保全各方利益。

图8 居住空间的改造方式

3.2 评价指标

本着以光环境问题为导向的方式进行改造，其评价指标多以量化性采光指标为准，具体可分为两部分。对于庭院公共空间的光环境评价以采用总日照时长为主，室内空间的光环境评价采用采光均匀度和采光系数平均值两项指标。其中采光均匀度是衡量光环境质量的一个重要指标，它是指在规定的某一工作平面的采光系数的最小值与其平均值的比值，虽然在《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)[9]中对侧面采光建筑的室内采光均匀度不做要求，但是提升采光均匀度对于营造高质量的室内光环境和保障人眼健康至关重要。采光系数 Daylight Factor(简称 DF)，是在全阴天情况下，室内给定平面上一点由天然光而产生的照度，与此刻室外无遮挡水平面上天空散射光所产生的光照度的比值，常作为通用的光环境评价指标，不同功能区侧面采光的评价标准如表1所示。

表1 建筑概况

4 模拟计算与结果分析

4.1 计算工具

研究需要利用模拟软件得到大寒日下室内外采光效果的阈值下限，如果满足了一年中最差的环境条件，那么一年中的任何环境下均符合采光要求。基于此，研究采用基于Ecotect平台的Radiance插件对该院落和居住空间进行光环境模拟计算。Radiance是美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL) 在20世纪 80 年代开发的一款的天然光模拟软件系统，采用蒙特卡罗反向光线跟踪算法来计算模拟场景的光环境，能够较为准确客观的模拟天然采光[10, 11]，是学术界比较认可的光环境模拟软件。

4.2 边界条件

(1)采用CIE全阴天空模型；若此条件满足照度标准要求，则在有晴天、云天条件下更可进一步改善室内照度。

(2)计算室外日照时长时，选择大寒日进行模拟。

(3)模拟的气象数据采用北京地区标准年气象数据。

(4)将距室内地面1.20 m和0.75 m高的水平面分别作为计算公共空间和居住空间的室内外光环境的参照平面。

(5)由Radiance材质编辑器创建模型材质，建筑墙体、顶棚及地面反射率分别设定为0.7、0.7、0.2。改造前后的玻璃的透射率分别设定为75%和85%，反射率均设置为5%。

(6)计算时，只考虑影响室内光环境的因素，保证光学分析的科学性而并非追求视觉效果，对模型进行简化处理，提高计算速度。

4.3 计算结果

4.3.1 公共空间的光环境

公共空间的模拟以整个院落模型为主。整个院落内仅存在一棵枯树，由植物带来的采光遮挡问题可不被考虑，更多的是关注合院内诸多的加建建筑，其建筑朝向、平面形式及立面形式等多为不固定形态。因此，在建立模型时根据研究需要对模型进行适当的简化，取1.20 m处作为参照平面，对大寒日院落空间的总日照时长进行模拟计算，结果如图9所示。将模拟结果进行数据量化，如表2所示。

根据北京市现行住宅设计规范[12]可知，每套住宅至少应有一个居住空间能获得冬季日照，且获得冬季日照的居住空间不应低于大寒日日照2h的标准。由表2可知，改造前后的院落采光时长均未达到相关标准，但改造后的院落在面积几乎不改变的情况下，院落总日照时长、直射光的比例均得到较为显著地增加，院落上堆积的杂物得到了较好的处理，公共空间光环境质量得到了相应的提升。

4.3.2 居住空间的光环境

研究选取了位于三号院南侧的“倒座”A、B作为典型模型进行模拟，改造后的模型依据改造策略对周边加建建筑或构筑物进行拆除，并对构建好的玻璃廊道进行功能植入(图10)。倒座部分的具体参数如表3所示。

由居民自行搭建的建筑或构筑物，往往充当厨房、储物等非居住功能，且置于主建筑南侧，对主建筑的采光造成了严重遮挡。在进行模拟时，如果这些加建部分与主建筑进行统一采光计算，会造成计算结果的严重不精确。因此，模拟计算时只考虑主建筑的采光情况，对加建部分不予以考虑。倒座部分改造前后的采光模拟结果如图11所示。将倒座部分的模拟结果进行数据量化，详见表4。

由表4得知，倒座A、B部分经过改造后，采光系数、采光均匀度以及平均照度值均有了较大的提升。特别是倒座A部分，改造前由于附属建筑的遮挡，主体建筑的室内光环境效果很差，无论是采光系数还是照度值都远远达不到规范要求。改造后，建筑前后空间贯通，昼间有更多的天然光直射入内，室内光环境有较大程度改善且基本达到采光标准的要求。