建筑底层室内自然采光面积配比优化仿真

苗凌童，陈 凯

(长春工业大学人文信息学院，吉林 长春 130000)

1 引言

当前城市化进程速度逐渐加快，土地资源紧张对土地资源的利用率要求不断提升，因此使商业建筑和居民住宅高度越来越高。大量高建筑的聚集导致建筑底层室内采光不足，对太阳光的利用不充分。一个好的室内采光设计对人们生活办公影响较大，光照不足的环境对人们的心理和生理上均有一定影响。较黑暗的环境使人的眼部肌肉紧张，长期以来会造成眼供血不足，造成眼类疾病，而在心理上光照不足的环境会阻碍人体的荷尔蒙分泌，影响其工作、学习的注意力。而建筑的底层受周边建筑高度遮挡，使其采光面积较小，因此人们对建筑的底层采光需求较高。目前研究底层建筑采光优化方法有很多，如翟颖妮等人[3]研究的建筑底层自然通风与采光优化方法，该方法使用正交试验方式获得建筑底层的通风和采光数据，并使用数值模型方法计算最佳的通风和采光指标，依据该指标提出优化策略，但该方法所使用的数值模拟模型对其输入参数要求极高，当建筑物的参数不够精准时，其最佳采光指标则不够准确，因此应用效果不佳。赵寅[4]提出的自然采光口最优角度获取法则利用蚁群算法计算建筑立面采光口最佳角度，通过计算太阳光照角度、底层建筑尺寸等分析太阳高度和底层建筑之间的关系，进而提出采光优化策略并使用仿真软件进行仿真，但该方法仅针对建筑的通风口进行优化具备一定的片面性。针对上述问题，本文提出建筑底层室内自然采光面积配比优化方法并仿真，以提升建筑底层室内的阳光利用率。

2 建筑底层室内自然采光面积配比优化方法

2.1 仿真对象地理状况及建筑尺寸

以某住宅底层一楼为仿真研究对象，该住宅楼正前方有周围建筑物密集且具备较高绿植，该建筑长度为90m，宽度为40m，高度为78.3m。其庭院下沉高度为4.5m，室内实测长度为13.24m，宽度为11.08m，宽度为5.5m，室内窗口尺寸为1600mm*980mm。

2.2 室内自然光面积配比评价指标

室内自然光环境可由动态指标和静态指标来评价，其中动态指标是指在一个完整的时间序列内，室内的光面积配比变化情况，而静态指标则是在某一个固定时间点时，室内的光环境情况。通常评价室内自然光面积配比的评价指标为光通量、采光系数、照度和照度均匀度，评价指标的计算方式如下：

人的眼睛对不同波长的太阳光的视见率不同，因此无法直接利用太阳光的辐射功率计算太阳光对人视觉的能量。而光通量是在某一时间段内某波段的太阳光辐射能量和视见率的乘数来描述的，其单位为流明，以符号Φ表示。光通量表达公式如下

Φ(κ)=Km∑Φe，κV(κ)

(1)

式中，κ表示波长，Φ(κ)表示该波长下的光通量；Φe，κ表示光谱辐射通量；Km表示光敏度；V(κ)表示光谱光视光效率。

采光系数由C表示，其是在室内某平面内的点在阴天状态下天空漫射光形成的光照度，是描述阳光照射亮度的指标，表达公式如下

(2)

式中，Fn、Fw分别表示室内自然光光照度和室外日光光照度。

采光系数是依据全天阴天时天空的散漫光来计算的，此时为采光条件最差的情况，但由于室外光环境变化复杂，室内的采光系数标准无法界定，在此依据居住建筑采光系数标准来衡量建筑底层室内自然采光系数。居住建筑采光系数标准如表1所示。

表1 居住建筑采光系数标准

自然光照度表示在某单位面内所有的光通量，即光通量密度，单位为勒克斯，由符号lx表示。自然光照度表达公式如下

(3)

式中，F表示自然光照度；A表示被照明面；d表示单位面积。

当光通量照射在上A时，A的照度表达公式如下

(4)

自然光照度均匀度是描述特定工作面上的采光系数最低和采光系数平均值的指标，在建筑采光标准中，室内采光度不得低于0.7，因此本文在此以自然光照度均匀度数值为0.7作为衡量指标，当室内照度均匀度高于该数值时，则表示室内自然采光面积配比较好。

2.3 建筑底层光照环境仿真模型建立及采光点位置标记

Ecotect生态建筑大师是建筑性能分析辅助软件，其可将建筑参数、环境导入其中，为用户呈现可视化的分析图和表。当建筑结构发生变化时，可清晰描述其室内环境变化情况。Ecotect生态建筑大师的可操作页面简洁，具有强大的建模工具，可建立画面逼真的建筑三维模型。将住宅楼的参数导入到Ecotect生态建筑大师内，利用该软件输出住宅楼的RIF/PTS文件后，使用软件内的计算函数计算住宅楼网格分析点，构建住宅楼光照环境如图1所示。

图1 住宅楼光照环境

对住宅楼底层采光点进行标记，标记位置如图2所示。

图2 采光点标记位置

2.4 室内自然采光面积配比优化策略

依据上个小节的住宅楼光照环境和室内采光点标记位置，提出其自然采光面积优化策略如下：

第一：增设连廊。对于南向户型的住宅楼，其南侧为采光面，南侧窗户位置处的采光较为充足，进户向北侧延伸的地方靠近建筑的核心筒，无法采光。此时需通过构建连廊的方式，使住宅楼的核心筒间互相连通，形成采光井，实现住宅的双向采光，。

第二：降低窗台高度、更换合适透光度的玻璃和扩大开窗尺寸。住宅窗洞口是其室内采光的主要手段，大多数住宅的采光方式均为单侧采光。当窗台过高、窗口尺寸过小时均会遮挡阳光照射面积，而窗玻璃透光度不同则对室内光照影响较大。虽然玻璃的透光度越高，室内光照情况越好，但其在短时间内会使室内温度明显增加，在夏天增加了空调制冷负荷，不符合当前“绿色生态”需求，而在较寒冷区域则较适用高透光度玻璃，所以视住宅区域而选择合适透光度的玻璃也很重要。综上所述，窗口大小、窗台高度和玻璃透光度均可调整底层住宅室内自然采光面积配比。

第三：安装室内外反光板。

当室内空间较大时，可在住宅高窗外安装反光板和在太阳光照射入户区域内安装反光板，变更太阳光入射室内角度，使其光照区间增大。

第四：变更室内软装。使用浅色明亮系色彩的地砖、墙纸等替换掉深色地砖和墙面，靠近窗台区域不设置大型衣柜、酒柜等较高的家具等。

3 仿真研究

依据Ecotect生态建筑大师构建住宅楼光照环境和采光点标记位置，模拟全天阴天状况下和光照条件较好时，依据本文提出的室内自然采光面积配比优化策略对该住宅底层室内自然光环境进行优化，分析其自然光面积配比情况，。

3.1 增设连廊效果

在Ecotect生态建筑大师软件内模拟为该住宅楼增设连廊，并绘制该住宅楼底层室内增设连廊前后的自然光临界照度分布情况，结果如图3所示。

图3 增设连廊前后底层室内自然光临界照度

分析图3可知，该住宅区底层室内不同采光标记点位置处分布的采光系数曲线区域不同。在对该住宅区增设连廊后，相同数值的采光系数曲线分布区域得到了扩大，表明增设连廊后该室内的照明度得到较好的提升，其自然采光面积配比得到了较好的优化。

3.2 降低窗台高度测试

在生态建筑大师软件内将该住宅楼底层室内窗台高度降低至0.8m，测试窗台高度降低前后采光分布情况，结果如图4所示。

图4 窗台降低后建筑底层室内采光分布情况注：上图内X方向表示与窗台平行方向，坐标0位置为窗台正中央位置，Y方向表示光照向室内延伸方向。

分析图4可知，该建筑底层室内的光照度越靠近窗台其数值越高，且光照度数值顺着太阳入射延伸方向逐渐降低，靠近窗口中间的位置光照度数值较高。而应用本文方法将其窗台降低后，相同数值的光照度曲线分布区域均得到了扩大。其中数值为5.089的光照度曲线分布区域扩大较为明显，其最大分布数值由最初的0.1m左右扩展到0.3m左右。而数值为2.211的光照度曲线分布区域已超过2.4m。综合上述结果可知：本文方法应用后可扩大建筑底层室内的光照度分布区域，使其自然采光面积配比增加。

3.3 窗口尺寸变化测试

以窗墙比作为衡量不同窗口尺寸指标，在仿真环境下设置不同窗墙比，测试不同窗墙比对该建筑底层住宅室内的采光度影响。

图5 不同窗墙比时室内采光系数平均值

分析图5可知，在不同窗墙比时，建筑底层采光系数平均值呈线性分布状态，且窗墙比数值越高，则室内的采光系数平均值越大。通过在模拟软件内调整本文提出的变更窗口大小后，仿真的不同窗墙比数值时的室内采光系数平均数值与理想数值偏差不大。由此可知，本文提出的建筑底层室内自然采光面积配比优化策略具备良好的应用效果。

3.4 不同透光度玻璃测试

以普通白玻璃、普通蓝玻璃和双层中空玻璃为材料，在仿真软件内模拟不同该地层住宅安装不同玻璃时，其室内采光系数变化情况，其中普通白玻璃、普通蓝玻璃和双层中空玻璃的透光系数分别为：0.76、0.65、0.62。测试结果如表2所示。

表2 不同透光度玻璃对底层建筑室内自然采光面积配比指标影响

分析表2可知，当天气状况不同时，建筑底层安装的玻璃不同，其室内采光系数最大值、和光照均匀度数值均不同，其中晴天时的建筑底层室内采光效果要好于阴天状况时。在采光系数平均值、最大值和最小值角度，普通白玻璃的采光效果要高于普通蓝玻璃和双层中空玻璃，但双层中空玻璃和普通蓝玻璃的差值相对较小。而双层中空玻璃的室内采光系数最小值要高于其它两种，其原因在于双层玻璃虽然可阻挡一定的太阳光入射，但其中空结构可折射部分太阳光，使太阳光入射角度发生变化，使其室内采光的最小值稍大。而普通蓝玻璃由于带颜色的原因，可均匀太阳光线，因此其应用时可使建筑底层室内采光度更加均匀。综合上述分析，不同种类的玻璃对建筑底层采光影响较大，双层中空玻璃的应用效果要高于其它类型的玻璃。

3.5 室内软装变更效果

以该住宅区底层某两居室为实验对象，变更该住户室内软装格局，在仿真软件内模拟软装变化后的采光系数分布变化情况，结果如图6所示。

图6 室内软装变化前后采光系数分布

分析图6可知，适当变更建筑底层室内家具格局会改变其室内采光效果。该室内最初的家具格局为梳妆台、高大绿植均放置在卧室内窗口两侧，次卧放置的书柜将窗口遮住将近三分之一，而客厅的沙发和高大绿植会遮挡阳台的阳光，厨房位置餐桌正置于窗口位置。对该室内软装进行变更后，改变了梳妆台、书柜、高大绿植、沙发、茶几和餐桌的位置，将遮挡窗口的位置均空余出来。而从采光系数分布来看，在未对该室内格局进行调整时，其不同数值的采光系数曲线分布范围均较小，而对该室内格局进行调整后，各个数值的采光系数分布区域均得到了扩大，尤其是采光系数为4.09lx的曲线，其在客厅的分布区域与厨房的分布区域得到了重合。综合上述结果可知，本文方法所提出的建筑底层室内自然采光面积配比优化策略应用效果较好。

从自然光照度角度展开验证，以晴天和阴天情况作为实验条件，测试经过本文方法对该室内软装进行重新布置后，其自然光照度变化情况，结果如图7所示。

图7 不同天气情况下室内软装变更前后的自然光照最小值变化情况

分析图7可知，建筑底层室内在阴天和晴天两种天气情况下，其自然光照最小值在室内的不同位置均不同。其中主卧、客厅的自然光照最小值数值最高。而在该室内软装变更前，在不同天气状况下室内不同位置自然光照最小值均较低，尤其是厨房、卫生间、门厅、餐厅等位置处的自然光照最小值几乎相同，晴天时数值约为0.78，阴天时数值约为0.7。而依据本文方法对该室内软装变更后，该室内所有位置处的自然光照最小值均得到了提升，最明显的是厨房、卫生间、门厅和餐厅等位置处，不论是在晴天还是阴天，其自然光照最小值均超过0.83。上述结果表明：建筑底层室内采光效果可通过调整其室内软装来提升，本文方法的应用效果较好。

4 结论

本文以某建筑底层住宅为仿真研究对象，以建筑建模软件构建其模型和仿真环境，依据所提的建筑底层室内自然采光面积配比优化方法对其进行优化并仿真其应用效果。经过实验验证，本文所提的建筑底层室内自然采光面积配比优化方法具备良好的应用效果，可有效提升室内不同位置的采光度和采光系数，且采光系数分布区域扩大效果明显。