基于动态采光模拟分析的东北地区教育建筑采光设计研究＊

刘万里 王哲民 张伶伶

1 自然采光对于教育建筑的重要性

在教育建筑设计中，自然采光是不可或缺的影响因素。自然光作为人类繁衍生息的必要条件之一，影响了人体机能的进化方向。一方面，人的视觉感知能力在自然光环境下最为舒适和敏感，明亮的环境可以提高人的警觉度，降低困倦感，保证工作和学习效率；另一方面，自然光构成了人体生物钟调节机制的重要基础，参与睡眠周期和激素调节，能够改善睡眠质量，对青少年的生长发育、心理健康、提升学习记忆能力有着重要影响[1]。大量医学、心理学和教育学的相关研究表明，青少年在发育阶段的眼球调节机能与环境光照度有关，不良的教室自然采光会显著增加近视的发生率，教室自然采光水平与青少年学习成绩具有直接的正向关联[2]。因此，我国教育建筑的采光设计要求日趋严格，《中小学校设计规范》（GB 50099−2011）、《特殊教育学校建筑设计标准》（JGJ 76−2019）等规范标准在更新修订中对教室的自然光照度标准均有明显提升，新版《建筑采光设计标准》（GB 50033−2013）则不仅以强制性条文将普通教室的采光系数提升至3%，而且把规范的适用范围扩大为“教育建筑”，将缺少专门规范的高等院校、职业学校等也涵盖在内。

2 东北地区教育建筑采光设计的矛盾

当前，在生源压力和城镇建设用地趋于紧张的情况下，我国新建教育建筑通常以布局紧凑的多层建筑形式出现，以立面侧窗采光为主，较少采用采光效率和均匀度更高的顶界面天窗。教育建筑采光设计主要以窗地比作为计算依据，若要达到现行规范要求的窗地比1/5的指标，通常需要尺度、面积较大的侧窗，不仅给建筑立面设计带来了较多限制，也和东北地区的气候特点产生了尖锐的矛盾。东北地区纬度较高，以严寒气候区为主，冬季漫长，白昼较短，自然光入射角度明显低于南方地区。一方面，较大面积的侧窗是外围护体系中保温隔热的薄弱区域，冬季散热量大，严重影响了建筑节能效果；另一方面，由于侧窗面积大，且冬季自然光入射角度较低，教室中易产生大范围的直射眩光，严重影响采光舒适度。当靠窗区域自然照度过高，与黑板等区域的照度差异过大时，会加大学生抬头看黑板和低头看书时眼球调节的负担，增加近视几率。根据多所东北地区大、中、小学校的实地调研结果，教室侧窗眩光对教学状态影响很大，绝大多数教室都不得不拉紧窗帘遮光，并开灯补充照度。这种方式虽然解决了眩光问题，但增加了人工照明的电能消耗，而且隔绝了室外景观和新鲜空气，导致室内环境封闭、课堂气氛压抑、师生情绪低沉，影响到学生生理、心理健康和学习效果，是东北地区教育建筑在实际使用中的突出症结[3]。

3 引入动态采光模拟分析的方法

在《建筑采光设计标准》（GB 50033−2013）中，采光计算以全阴天天空漫射光所产生的光照度为依据，旨在最不利的天气状况下依然可以达到室内照度要求，漫射光均匀而柔和，同时不会产生眩光。但是在真实生活中，东北地区年均晴天比率高于阴天，冬季晴天比率更高，在冬季太阳高度角变小的情况下（表1），进入教室的自然光远远超过采光标准，并且会较长时间直射学生面部，眩光的影响强度和范围明显增大。可见，基于全阴天漫射光的窗地比采光计算方法，在东北地区教育建筑的采光设计中存在一定偏差，采用动态采光模拟分析可以更好地掌握晴天时教室中的实际采光效果。使用Ecotect Analysis、Daysim、Radiance等软件，可以模拟全阴天状态下教室内每一时刻的采光强度，也可以利用辐射得热分析图更为直观地看出自然光在教室内的光照强度分布，基本等同于晴天时教室中易产生眩光的区域分布，能够较为精确地比较分析不同采光策略的真实效果[4]。

表1 南北方代表性城市自然光入射角数据

4 东北地区教育建筑采光设计优化方法探索

改善东北地区教育建筑自然采光效果的核心目标，是提升教室空间自然光环境的均匀度，关键在于优化采光方式，在保证标准要求的前提下降低室内照度差。可以采用的优化方法包括适度降低明亮区域的自然光照度，或是尽量提高较暗区域的自然光照度。以此为指导理念，研究沿两个路线展开，其一是优化立面侧窗的采光性能，使自然光能够均匀柔和地射入教室[5]；其二是对较暗区域进行自然光采光补偿。

4.1 优化立面侧窗形态

优化立面侧窗采光性能的难点在于窗地比1/5的标准对于开窗灵活性存在制约，使教室侧窗很难突破水平大横窗的形式。以当前中学教室中较为常见的70m2普通教室为例，按窗地比要求，需要14m2侧窗，常规3 900mm的教室层高减去窗台和框架梁等结构高度，最大窗高约为2 400mm，则侧窗长度需达到5 900mm以上；如果采用8 400mm×8 400mm的柱网，则在减去教室前端固定不应开窗的1 000mm实墙和教室尾部结构柱占据的宽度后，可以开窗的外墙长度仅为7 000mm，开窗形式已基本没有变化的余地。对此，研究尝试从设置导光构件和改变开窗方式两个思路进行探讨。

4.1.1 设置导光构件

保持大窗形式，在窗洞的中上部设置导光构件，是一种较为成熟的自然采光调节手段，在国内外已有较多研究成果，在此重点探索针对东北地区四季自然光特点的解决方案。我国绝大部分区域位于温带，夏季自然光入射角高，直接射入室内的区域有限。但在冬季，东北地区自然光入射角大约处于13.5～25°区间，远低于南方地区，由Ecotect软件模拟可见，教室中超过一半的区域都受到较强眩光的影响（图1）。因此，导光构件的设置原则应针对冬季自然光的特点，兼具降低近窗区域眩光影响、利用导光板和教室天花板的反射将自然光引入远窗区域的功能[6]。

1 标准教室日光辐射分析（常规大窗）

由教室剖面可知，在高度方面，为避免上部漏光且不影响人的活动，导光构件不宜设置过低，兼顾对远窗区域导光效果考虑，在侧窗有效采光高度的2/3 左右为宜；在室内外长度方面，为了实现以室内反射为主的导光性能，导光构件应大部分在室内一侧，长度由本地区冬至日自然光入射角和其上部窗高共同确定。以沈阳为例，使用Ecotect 和Daysim 软件对多种高度和室内外长度的导光构件设计方案进行模拟比较，结果显示距地2 400mm，室外保留300mm、向室内延伸1 100mm 左右，是导光效果较好且较为符合常规构造技术的导光构件做法（图2）。当然，在实际应用时需要因地制宜，根据具体情况做出调整。

2 导光构件作用示意图

在辽宁省实验中学辽滨分校项目中，我们尝试了在教学楼南向教室侧窗设置导光构件的做法。教室立面设置高2 550mm、宽3 150mm的大窗，根据营口地区的冬季自然光入射角，在距地2 600mm的高度上设置了室外300mm、室内400mm的导光构件（该尺寸并未完全达到模拟计算的理想长度）。根据Ecotect软件模拟分析和建成后使用效果，使用导光构件后，教室的自然光照度略有下降，但尚在标准范围之内，采光均匀度则有一定提升，显示导光构件发挥了积极作用（图3−5）。

3 辽宁省实验中学辽滨分校标准教室日光辐射分析（设置导光构件）

4 辽宁省实验中学辽滨分校教学楼导光构件作用示意图

5 辽宁省实验中学辽滨分校教学区实景

在该项目实践中，我们发现以钢筋混凝土制作的导光构件的厚度和悬挑长度受制于材料技术，影响了实际应用效果。之后，我们对不透光全反射和半透光半反射导光构件进行了对比分析，由Ecotect和Daysim软件模拟数据可知（表2,3），半透光半反射构件对教室内的照度和均匀度有一定提升（图6,7）。然而导光构件虽然能提升远窗区域的自然照度，但近窗区域的眩光范围仍然较大。

6 辽宁省实验中学辽滨分校标准教室日光辐射分析（设置半透射半反射导光构件）

7 辽宁省实验中学辽滨分校导光构件作用示意图（设置半透射半反射导光构件）

表2 Ecotect 模拟不同导光构件的采光数据分析及日均辐射

表3 Daysim 模拟分析冬至日当日采光数据

4.1.2 改变开窗方式

改变开窗方式具有双重意义，既能解决大窗眩光问题，也是教育建筑立面形式探索的方向，帮助突破千篇一律的大窗定式。在窗地比制约下满足开窗面积存在较大压力，因此我们需要更加精准地分析普通教室的布置方式，探讨普通尺寸上的更多可能性，争取更大的外墙面积，这是探索灵活开窗方式的基础。《城市普通中小学校校舍建设标准》（建标[2002]102号）规定，小学普通教室面积不应小于61m2，中学普通教室面积不应小于67m2；《中小学校设计规范》（GB 50099−2011）要求，前排课桌与黑板的最小间距不应小于2 200mm，最后一排课桌后沿与黑板的距离不应大于9 000mm，且与教室后墙间距不应小于1 100mm，其中同样明确了课桌尺寸、行距、排距等相关要求，可以由此推算出常规普通教室平面尺寸介于进深6 700～7 800mm、开间9 100～10 500mm之间为宜。可见在满足课桌椅摆放原则的前提下，适度减小教室进深尺寸可以一举两得，既能增大开间尺寸，从而增大可供开窗的侧墙面积，提升开窗形式的灵活度，也能在进深变小后，提高教室内侧采光最不利区域的照度，在一定程度上改善教室自然光照的均匀度[5]。诚然，适当加大层高也可以增加侧窗面积，并使教室内侧获得更多自然光，但会增加工程造价，不如调整平面尺寸更为经济实用。

在侧窗总面积不变的前提下，较长的侧墙为突破常规的大窗形式提供了变化余地。研究尝试减小侧窗宽度、增加侧窗数量，较小的侧窗之间有墙垛相隔，使入射光变得相对分散，避免产生大面积眩光；在满足规范要求的窗间墙垛不大于1 200mm的情况下，室内不会产生明显的暗影区，能够有效提升室内自然光均匀度。通过Ecotect软件对比模拟了相同侧窗面积下四种不同窗宽和墙垛的组合（表4），数据显示，四种组合的采光系数平均值在6.4%以上，远远优于标准中3%的指标要求；室内天然光照度平均值均在500lx以上，优于标准中450lx的要求；其中，四窗组合的采光均匀度最优，五窗组合与之接近，均明显优于两组大窗的形式。由四种组合的日均辐射图对比可知，数量较多、宽度较窄的侧窗均匀排布形成的“栅格化”外墙界面，在采光系数平均值、室内自然光照度平均值方面虽然稍弱于大窗形式，但仍能完全满足标准要求，且在采光均匀度方面有大幅提升，室内采光舒适度更佳（表5）。

表4 Ecotect 模拟不同开窗方式的采光数据及日均辐射

表5 不同开窗组合下教室日光辐射分析

在大连理工大学辽东湾校区中我们尝试了上述做法。在教学楼、实验楼的设计中，根据高等学校小班制授课的特点，适当缩小了教室进深，在立面上形成700mm宽的竖窗和墙垛相间的均匀栅格化肌理，满足窗地比要求。从Ecotect软件模拟分析和建成后使用效果来看，教室自然光环境均好于相同尺寸的大窗形式（表6）。栅格化肌理的立面形式极具秩序感，形成了端庄严谨而富有现代感的当代理工高校建筑气质（图8）。在图书信息中心的设计中，采用700mm窗口和350mm墙垛的做法，配合4 200mm的层高，形成通透的立面肌理，满足了大型阅览空间的窗地比要求；建筑体量圆润流畅，窗洞口灵活错落，塑造出别具滨水湿地意象的建筑形象；400mm深的窗洞口刷涂白色反光涂料，室内空间光线柔和，营造了静谧而舒适的学习氛围（图9,10）。

8 大连理工大学辽东湾校区教学楼采用栅格化立面开窗形式

9 大连理工大学辽东湾校区图书信息中心圆润的体量和灵活错落的窗洞口

10 大连理工大学辽东湾校区图书信息中心自习区均匀的采光效果

表6 大连理工大学辽东湾校区教学楼典型教室日光辐射分析

4.2 增加自然采光补偿

增加自然采光补偿的目的是提升教室远窗区域照度，减弱与近窗区域的照度对比，从而提升室内自然光的均匀度，配合立面侧窗形态优化效果更佳。增加自然采光补偿最直接的方式是在教室与走廊相邻的内墙上设置高侧窗，有效改善教室最内侧自然光不足的区域采光强度。在前文模拟分析的四组开窗形式中，增加高窗普遍能提高教室远窗区域照度约10%，在窄窗方案中更显出其效果（表7）。

表7 增设高侧窗后不同开窗方式下教室日光辐射分析

设置高侧窗的目的是把走廊里的自然光引入教室。但在东北地区，很多教育建筑为了减小体形系数以降低热量耗散，而采用走廊双侧布房的做法，造成了走廊里照度偏低，高侧窗无光可用的尴尬局面。研究将上下贯通的“采光补偿调节腔”植入建筑背光一侧，利用腔体顶部的天窗、集光罩等引入自然光，在腔体内高反射涂料的漫反射作用下进入各层走廊，使走廊背光一侧增加了多个间接的自然光源。腔体不仅给室内导入自然光，而且兼有通风、换气作用，显著提升了室内环境质量[7]（图11）。

11 大连理工大学辽东湾校区采光补偿调节腔剖面示意图

在大连理工大学辽东湾校区的教学楼、实验楼设计中，设置了由东西两侧实墙和南北两侧玻璃砖共同围合的“光井”。其实质是被动式采光补偿调节腔，在屋面之上设置玻璃集光罩，光线在腔体内实墙面上反复反射至建筑底层，有效提升走廊的自然光照度，也在一定程度上提升了南向教室的自然采光均匀度。利用“光井”对室内环境的改善，设计在走廊北侧保留了灵活布置的开放空间，优化建筑北立面并减少开窗，提升建筑整体保温性能，而“光井”的设置解决了走廊较暗、通风不畅的问题，成为本项目独具特色之处（图12−15）。

12 大连理工大学辽东湾校区教学楼内置“光井”分布示意图

13 大连理工大学辽东湾校区教学楼无“光井”日光辐射模拟

14 大连理工大学辽东湾校区教学楼有“光井”日光辐射模拟

15 大连理工大学辽东湾校区教学楼北立面鲜明的虚实对比

5 结语

教育建筑的采光设计看似涉及具体的技术问题，但在实际工作中往往使建筑创作受到很大限制，让建筑师很头疼。东北地区自然光的四季变化特点使采光、眩光、节能等各方面矛盾更加尖锐，成为无法忽视的难题，提示我们《建筑采光设计标准》（GB 50033−2013）等规范中以窗地比作为计算依据的采光设计方法，不能完全体现不同地域环境中自然光对使用者的影响，应该逐渐引入动态采光模拟分析，优化采光设计方法的科学性，提高自然采光设计的精准度。

本研究结合创作实践，依据不同项目的空间需求、环境特色，探索“量身定制”的采光方式，并对设计阶段的模拟研究结果在建成后进行了效果验证，修正了一些做法。更重要的是在探索过程中进行思路转换，引导我们跳出了原来锱铢必较般计算开窗面积的局限，尝试从平面形态、立面肌理、腔体植入等更为宏观的视角去解决问题。本研究虽然借助软件模拟分析，但核心依然是以空间形态层面的创造性思维解决“卡脖子”的技术问题，使建筑设计突破“唯指标论”的束缚，体现了建筑师的价值，希望能为当前越来越关注数据模拟的建筑创作提供一点启发。

图片来源

1−4,6,7,11−14 作者自绘

5,8−10,15 天作建筑研究院提供

表格来源

1−7作者自绘