地下空間自然采光研究

地下停車空間自然采光研究楊鐵夫摘要：綠色建筑評價標準中對地下空間的自然采光提出明確要求，而被動式自然采光是綠色建筑技術策略的首選。本研究采用軟件模擬方法，選取常見的地下被動式采光方式：頂部采光和側墻采光，通過關鍵要素的變化模擬，總結地下空間采光系數(shù)、采光面積和采光構筑物形狀、位置、材質(zhì)等的關聯(lián)，總結規(guī)律，用于指導具體項目建筑設計。關鍵詞：采光系數(shù)采光井側墻采光一、引言隨著城市化進程的推進，城市人口快速聚集，對于居住空間的需求也在持續(xù)的增長中，而隨著生活品質(zhì)的提高，越多越多的人選擇小汽車出行，停車日益成為嚴峻的問題。在建設項目規(guī)劃建設中，越來越普遍的采用建筑附建地下室、半地下室或者獨立地下室作為停車庫使用。利用地下空間解決停車問題，有效的解決了用地緊張、地價昂貴、空間擁擠和綠地缺乏等問題，但是地下車庫或者半地下車庫位于地面以下，存在著采光、通風難以解決的問題，會導致人生理和心理的不適。因此應盡可能的采用綜合對策和措施改善地下空間的內(nèi)部空間環(huán)境?！毒G色建筑評價標準》中提到“采用合理措施改善地下空間的自然采光和自然通風效果”，并且明確了評價量化指標，“地下空間采用有利于自然通風和自然采光的措施。并且5%的地下一層空間采光系數(shù)達到0.5%以上?！北疚臄M采用軟件模擬的方法，以綠色建筑評價標準為依據(jù)，分析被動式采光構筑物各要素對于住區(qū)地下空間自然采光的影響。二、地下空間自然采光的必要性在地下空間中，天然采光的設計對改善地下空間具有多方面的作用，不僅局限于滿足照明和節(jié)能要求，更重要的是為了滿足人們生理和心理需求。照明和節(jié)能要求采光是地下空間中要解決的首要問題，由于缺少垂直方向的開口，并且在多層地下空間中通過頂部和側向直接采光受到限制，人工采光被普遍認為是合理的解決方式，然而，將天然光引入地下空間，不僅可以提供滿足功能要求的照度，在節(jié)約能源上面也有很大優(yōu)勢。方位感空間方位感是指人們通過對周圍環(huán)境中相對物體的空間關系、位置判斷而形成的對自身所處空間位置的知覺。人們通過這種自我定位過程，可以在個人外部世界概括的環(huán)境意向中產(chǎn)生全局的聯(lián)系?？臻g的方位感和空間的封閉性是緊密聯(lián)系的。因此在設計中應最大限度的減少封閉部分，增加開敞部分，實現(xiàn)地下空間和地上空間的融合與流通，使兩者在空間上形成一個有機整體，消除人們在地下環(huán)境中的隔絕感，從而增加對其所在位置的判斷力。心理要求在地下空間中，自然光線能滿足人們對陽光、陰晴變化、季節(jié)輪回、等自然信息感知的心理需求，由于在封閉的空間中，沒有陽光和外部景觀，人們難以利用自然光線的變化和環(huán)境變遷形成時間觀念，容易使人產(chǎn)生幽閉、不安等負面情緒。三、地下空間自然采光的方式地下空間獲得自然采光的有效措施包括被動式自然采光和主動式自然采光。被動式自然采光，即不依賴設備，只通過建筑自身特性（如建筑形式、采光口布置、材料反射率等）將自然光引入室內(nèi)。比如頂部天窗采光、庭院側窗采光、地下中庭采光等。主動式采光是利用光控、電控設備，通過孔道、導管、光纖等將自然光傳遞到地下空間，包括鏡面反射采光、導光管采光和棱鏡傳光采光等。被動式自然采光在不增加成本的前提下，通過精心設計，優(yōu)化構造措施達到地下空間獲得自然光線的目的。本文以被動式采光為主要研究內(nèi)容。四、研究目的、方法目的：以綠色建筑評價條款為依據(jù)，分析頂部采光和側向采光各要素變化對采光系數(shù)和采光面積的影響，總結規(guī)律，指導建設項目中地下室采光設計。方法：以軟件模擬為手段，以單變量分析方法，通過數(shù)值比較分析方法，綜合考慮成本、景觀、采光效率等以確定最佳的采光方式。五、自然采光模擬原理天空模型自然光的作用機理和變化規(guī)律非常復雜，其中涉及了太陽輻射、大氣成分、地理位置、和天氣、時間等諸多因素。為了簡化問題，建筑光環(huán)境模擬通常采用天空模型來描述天空中自然采光的分布和變化情況。天空模型是根據(jù)日期、時間、地理位置、大氣質(zhì)量和太陽輻射數(shù)據(jù)計算天球亮度分布的一種數(shù)學模型。天空模型分為CIE均勻天空模型、CIE全陰天模型、CIE晴天模型、Perez全氣象條件天空模型。全陰天模型可以用于評估建筑在全年最不利條件下的采光情況，我國采光設計標準中就使用基于全陰天模型的采光系數(shù)作為基本的采光評價標準。模擬軟件：建筑光環(huán)境模擬從廣義上來說包括公式計算、模型測量和軟件模擬三種方式。本研究中采用的是軟件模擬方式，即用市場上主流的光環(huán)境模擬軟件Ecotect和Radiance模擬、分析地下空間自然光采光。EcotectAnalysis是美國Autodesk公司開發(fā)的綜合建筑性能模擬軟件，其提供了包括光、熱、聲、日照、造價以及可視度在內(nèi)的一系列建筑性能模擬和分析功能。Radiance是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室、美國太平洋煤氣和電力公司旗下的太平洋能源中心以及美國Marinsoft公司合作開發(fā)的一款建筑光環(huán)境模擬軟件，因為其卓越的模擬性能，很多第三方軟件都以其作為核心進行二次開發(fā)。Ecotect的光環(huán)境模擬分為兩種，一種是基于英國建筑中心（BRE）的分項法計算全陰天情況下室內(nèi)的采光系數(shù)，分項法假設達到房間的天然光由三個獨立部分組成，天空組分、外部反射組分和內(nèi)部反射組分。這種方法多用于分析建筑在全年最不利情況下的采光情況，其本質(zhì)依然是公式法，精度較低。另外一種方法是輸出到Radiance進行精確的光環(huán)境模擬。Radiance所使用的是基于輻照度緩沖技術的混合式光線跟蹤算法，能以較小的計算成本取得精確的結算結果。本研究中采用后一種方式計算分析。3、采光系數(shù)《建筑采光設計標準》（2013）對采光系數(shù)的定義是“在室內(nèi)參考平面上的一點，由直接或間接的接受來自于假定和已知天空亮度分布的天空漫反射光而產(chǎn)生的照度與同一時刻該天空半球在室外無遮擋水平面上產(chǎn)生的天空漫射光照度之比”。采光系數(shù)與建筑的位置和方位無關，和周邊的遮擋物有關系，采光系數(shù)不考慮直射太陽光的影響。4、軟件參數(shù)設置網(wǎng)格設置：頂部采光以采光口為中心，四周1.5柱網(wǎng)網(wǎng)格為邊線設置網(wǎng)格，單元網(wǎng)格尺寸為300mm，共有2500采樣點。采用全陰天模型，反射次數(shù)設定為2。長沙地區(qū)屬于光氣候分區(qū)III類區(qū)，室外天然光設計照度值13500lx，光氣候系數(shù)K值為1.1。本地區(qū)采光系數(shù)標準值應乘以相應地區(qū)的光氣候系數(shù)K。根據(jù)綠建評價標準要求，5%一層地下室的采光系數(shù)要達到0.5%，要達到本地區(qū)的采光系數(shù)標準值，應乘以光氣候系數(shù)，對應值為0.55%。六、建立模型地下室的建筑結構布置方式，當主要用于停車時，其柱網(wǎng)、層高、柱寬、梁高的尺寸差別不大，因此在本研究中這些參數(shù)不參與研究，以常見的地下室為藍本，建立簡化基本模型。1、頂部采光模型參數(shù)：地下室柱網(wǎng)7800*7800mm、高度3900mm、柱尺寸600*600mm，主梁高度1200mm，次梁高度800mm。地下室內(nèi)地面采用深色油漆，反射率0.25、室內(nèi)墻面采用大白粉刷，反射率0.75。工作面高度750mm。柱網(wǎng)單元內(nèi)，在車行道上空中心位置布置采光井，采光井頂板以上伸出高度1200mm，采光井梁高600mm，頂部水平頂蓋為12厚鋼化玻璃，總透射比0.78，考慮水平玻璃在南方地區(qū)的窗污染系數(shù)0.6，綜合的透射比為0.47。頂部采光模型如下圖所示。頂部采光模型平面頂部采光模型剖面2、側墻采光模型參數(shù)：臨地下室外墻設置窗洞，窗底高900mm，窗高1800mm，窗寬7000mm，梁高1200mm，頂板上部考慮600mm覆土。窗洞外側設進深7800mm，寬度7800庭院，庭院底標高同地下室，頂標高自地下室頂板以上600mm。庭院地面墻面反射率取0.75，即以光亮鋪地為主。側窗采光模型如下：側窗采光模型三維圖側窗采光模型剖面七、頂部自然采光模擬和分析1、頂部采光影響要素頂部采光一般有采光井、天窗、地下中庭等。天窗是直接在頂板上面開洞，設置窗戶，是采光井井壁高度趨于0的特例，地下中庭是采光井井口面積放大。對采光井的分析，可以同樣適用于天窗和地下中庭，因此本分析主要針對采光井。對采光井采光效率影響較大的因素有采光井位置、大小、形狀、高度、側壁反射率、有無頂蓋等。采光井的位置直接影響到自然光照射范圍。地下停車空間中，最需要采光位置是車行道上方，既可以起到照明的作用，同時也有引導、指示的效果。因此宜將采光口布置在行車道的中心位置。在每個柱網(wǎng)單元內(nèi)，采光位置受到梁、柱的影響，根據(jù)日常經(jīng)驗可知，采光井越靠近梁邊，梁在垂直方向的遮擋影響越大，采光效率越低，因此采光井的位置宜布置在行車道柱網(wǎng)單元的中心位置。采光井的大小和形狀，直接決定了采光面積的大小和形狀，采光井越大，地下室采光面積越大，采光井的形狀變化時，采光的等值曲線形狀也會隨著變化。側壁的高度決定光線在井壁內(nèi)的反射次數(shù)，而反射次數(shù)過多會導致光線強度的衰減，而反射率的高低，決定了光線通過反射以后的光線強度。有頂蓋的采光井容易受到污染，直接影響光線的透過能力。2、大小及形狀變化在其他條件不變前提下，改變采光井的大小及長寬比，模擬和分析結果如下：1500*2000mm采光系數(shù)平面圖1500*3000采光系數(shù)平面圖2000*2000mm采光系數(shù)平面圖2000*3000mm采光系數(shù)平面圖不同形狀大小采光剖面比較圖采光系數(shù)分段變化比較不同大小形狀采光分析表尺寸（mm）采光井面積（m2）達標面積比（%）達標面積（m2）貢獻率最大值（%）平均值（%）達標距離1（mm）達標距離2（mm）1500*20003.015.7638.3512.783.850.42650072002000*20004.021.4852.2713.074.980.55780078001500*30004.523.8858.1112.915.30.59760095002000*30006.028.7669.9911.676.950.78850010000采光系數(shù)平面圖中，顏色的深淺表示采光系數(shù)的高低，自圓心向外的弧線是采光系數(shù)等值線，間距差值為0.5，最外圍的等值線采光系數(shù)為0.55%，其圍合的面積為達標面積。隨著采光井洞口面積的增加，達標面積也隨著增加，最大值也增加。采光井達標的距離隨著采光井面積的擴大而擴大，除去采光井本身距離擴大的影響外，達標距離也是逐步增加的，這是因為采光井洞口面積擴大，高寬比加大，光線入射角度減少，光線照射的距離更遠。一般雙車道寬度在7m左右，采光井的橫向尺寸在1.5m時，達標采光距離為6.5m，可基本保證車行道橫向?qū)挾鹊淖匀还庹彰?，當采光井橫向尺寸為2m時，達標采光距離為7.8m，達標采光系數(shù)范圍超過了車行道的橫向?qū)挾?。采光井面積的貢獻率（達標面積/采光井面積）在采用2*2m采光井時達到峰值。當只需要對車行道上空采光時，采用2*2m的采光井，采光效率是最高的。從采光效果剖面圖中可以看出，增加采光井的尺寸，對于達標面積而言，增加的幅度不是太大，因此要增加采光面積，不能僅僅依靠擴大采光口的面積，而是要增加采光口的數(shù)量。從采光系數(shù)分段比較中可以看出，無論哪種尺寸的采光井，采光系數(shù)大部分集中在0.55%-3.55之間，但是采光均勻度都是偏大的（最大值/平均值），在采光井中心部分容易引起炫光。3、高度變化采光井模型按基本模型，其他參數(shù)不變，頂部以上部分按伸出頂板高度分別為600mm、900mm、1200mm、1500mm進行分析。模擬及分析結果如下。采光井高度600mm采光井高度900mm采光井高度1200mm采光井高度1500mm采光井高度分析表采光井高度（mm）采光達標面積比例（%）達標面積（m2）最大值（%）平均值（%）采光達標距離L（mm）60025.2861.525.980.62840090023.5657.345.440.598200120021.4852.274.980.557800150016.4840.114.580.466900隨著采光井井壁高度增加，達標面積、最大值、平均值和采光距離逐步變小，從分析表中可以看出，達標面積在600-1200mm時基本是均勻減少，從1200到15mm時，減少幅度要大于從600-1200mm，說明采光井從1200再增加時，采光的效率會明顯降低。而從達標的距離來看，采光井的高度越小，地下空間中采光達標的面積越多。4、側壁反射率不同的材質(zhì)對自然光的反射率是不一樣的，改變內(nèi)側壁的反射率，分析對于采光效率的變化。側壁反射率分別設置為0.5、0.75、0.84。反射率0.50反射率0.75反射率0.84采光井內(nèi)側壁反射率分析表采光井壁反射率采光井尺寸（mm）采光井高度（mm）達標面積比例（%）達標面積（m2）最大值（%）平均值（%）0.602000*2000120019.0446.344.710.530.752000*2000120021.4852.274.980.550.842000*2000120021.8053.055.050.55當井壁內(nèi)側反射率越大時，采光達標面積、最大值都有增加，但是增加的幅度不大。在經(jīng)常使用的建筑材料中，石膏、大白粉刷、白色乳膠漆等可以達到0.8以上的反射率，可以通過使用高反射率的材料，增加采光井的反射率，達到提高采光效率的作用。5、有無頂蓋采光井上部是否有頂蓋，各有利弊。當有頂蓋時，可以防雨和保證安全，而且景觀效果更好，但是因為污染的原因，頂部玻璃的光線透射能力將大大減弱。沒有頂蓋覆蓋時，采光效率大大提高，但需要考慮雨水在地下室的排放和安全防護。有頂蓋采用12鋼化玻璃水平覆蓋，綜合透射系數(shù)0.47。無頂蓋采用采光井頂部中空。分析圖表如下：水平頂蓋無頂蓋采光井頂部有無頂蓋頂蓋采光井尺寸（mm）采光井高度（mm）達標面積比例（%）達標面積（m2）最大值（%）平均值（%）有2000*2000120021.4852.274.980.55無2000*2000120030.4474.0810.710.94從圖表中可以看出，頂部有無頂蓋對于采光效率影響很大，主要的原因是頂蓋的污染，尤其是水平放置時，污染物會沉積在玻璃表面，時間一長，自然采光效果就會大減。因此有頂蓋時，需要對頂蓋表面定期進行清潔處理。6、結論地下空間的自然采光主要集中在行車道上，當改變采光井的大小和形狀時，滿足行車道采光要求的效率較高的采光井尺寸為2m*2m，采光井頂板以上高度1.2m，上蓋12厚水平鋼化玻璃，側壁采用大白粉刷，地下室層高3.9m時，每個可提供達標的采光面積為52m2。當頂板以上采光井高度越高時，達標的采光面積和采光系數(shù)最大值、平均值都會相應減少。當條件允許時，采光井高度越小越有利于采光?？紤]到實際工程，采光井的適宜高度為1.2m，采光井內(nèi)側壁盡可能的采用高反射比的涂料，以提高采光效果，如采用白色乳膠漆或者白色拋光、鏡面鋁板。采光井頂部是否采用頂蓋對采光效率影響很大，如無頂蓋，要妥善解決好雨水收集和排放問題，如采用頂蓋，要定期清潔頂部玻璃。采光井中心區(qū)域和周邊區(qū)域采光系數(shù)變化較大，采光均勻性較差，要采取措施防止炫光的出現(xiàn)，如增加頂部反射板、采光井下口增加漫反射材料等。八、側窗自然采光分析1、側窗采光影響要素側窗采光的方式主要有通過庭院側墻采光和通過下沉廣場側墻采光，兩種方式的對采光的影響是兩者寬度，可以按同一性質(zhì)考慮。影響要素有廣場/庭院相對采光口側寬度、側窗高度、外部墻地反射率。下沉庭院的寬度會影響光線的入射角度，庭院寬度越小，庭院高寬比越大，受阻的光線越多，采光效率就越低。側窗的大小和高度一方面決定了光線進入量，另外一方面影響光線進入的深度，開窗位置越高，光線在縱深方線投射越遠。室外庭院不同的鋪地和墻面材料會影響光線的反射率，反射率越強，通過漫反射進入側窗的光線越多。庭院/廣場寬度庭院的寬度是指庭院的側墻相對于采光窗的距離，對側向采光影響結果如下：庭院寬度3.9m庭院寬度7.8m庭院寬度11.7m不同庭院寬度剖面采光比較圖庭院寬度變化分析表庭院寬度（mm）側窗高度（mm）采光達標面積比例（%）達標面積（m2）最大值（%）平均值（%）采光達標進深L（mm）3900180033.8482.3516.660.9371007800180042.76104.0620.391.32800011700180043.92106.8820.891.408200庭院寬度以柱網(wǎng)尺寸一半的距離變化，隨著距采光側墻的越遠，采光達標面積越大，但是超過一個柱距以后，再增加寬度，增幅減小。從采光效率和空間利用角度考慮，庭院寬度不宜大于一個柱網(wǎng)尺寸，可以供給庭院周邊地下空間至少8m進深的達標采光距離。側向采光時，靠近窗戶部位采光系數(shù)值很大，但是隨距離變化，采光系數(shù)下降很快，高采光系數(shù)主要集中在距離窗戶1m以內(nèi)，這是側向采光造成炫光的主要原因。3、側窗高度和位置側窗開啟的面積越大，采光效率越高。側向窗戶的上沿越靠近頂板，通過窗戶的自然光線會到達室內(nèi)越遠的距離。側窗高度變化模擬和分析圖表如下：側窗高度1200mm側窗高度1500mm側窗高度1800mm側窗高度變化分析表側窗高度（mm）采光達標面積比例（%）達標面積（m2）最大值（%）平均值（%）采光達標進深L（mm）120034.4083.7214.871.067900150038.0092.4819.271.208100180042.76104.0620.891.408200采光達標面積隨著窗戶面積的變化均勻變化，且臨近窗口的最大值也大致均勻變化，而采光達標進深的變化相對于面積變化來說，變化幅度較小，即在窗戶頂部標高不變的前提下，改變采光口大小，對于采光達到的縱深距離影響不大。采用下沉庭院采光時，窗口高度1.8m，窗戶寬度7m，側向采光達標的面積可達104m2。如庭院四周均可利用作為地下室側窗采光時，則采光面積可達416m2。4、庭院材料反射率下沉庭院表面的材質(zhì)不同，通過表面反射進入室內(nèi)的光線強度就不同。庭院地面、墻面可設置的材質(zhì)介入綠化種植和鋪地材料之間，兩者的反射率在0.2和0.75之間。分析圖表如下：庭院地面墻面反射率0.2庭院地面墻面反射率0.5庭院地面墻面反射率0.75庭院地面墻面反射率分析表材質(zhì)反射率采光達標面積比例（%）達標面積（m2）最大值（%）平均值（%）采光達標進深L（mm）0.2031.9277.6817.000.9669000.5038.6494.0319.511.2176000.7542.76104.0620.891.408200庭院墻面地面反射率增加時，采光達標面積、最大值和采光達標進深距離都隨著增加。從營造景觀的角度出發(fā)，庭院的地面或者墻面做綠化處理更加合適，因此庭院的立面和地面的處理要在景觀效果和采光效率之間均衡。5、結論側向采光受庭院寬度的影響很大，庭院的寬度為7.8m時，采光的效率最高，再增加庭院寬度，雖然可以使采光效率進一步提高，但增加幅度較小。當窗口設定高度1.8m，窗戶寬度7m，頂板下梁高度1.2m，頂板上覆土或者灌木遮擋高度0.6m，庭院寬度7.8m時，每個側窗達標采光面積為104m2。側窗的開口面積對采光效率有一定的影響，提高窗口上沿標高，對于增加采光的進深更加有利。側窗采光臨近窗口位置，采光系數(shù)很高，容易產(chǎn)生炫光。庭院地面和墻面的材質(zhì)對采光效率有影響，應均衡采光效率和景觀效果，以確定墻地面的材質(zhì)。九、結論地下室采光涉及建筑設計中的很多專業(yè)，如建筑、結構、排水、通風以及景觀專業(yè)，采光的方式和位置是各專業(yè)協(xié)調(diào)的結果。通過以上對自然采光的模擬分析，提出在設計過程中的建議，當實際工程的參數(shù)不同于本研究的前提條件時，應該針對實際情況對地下室采光進行模擬計算后優(yōu)化設計。1、頂部采光建議A、采光井大小、形狀、數(shù)量、高度、位置、反射率、有無頂蓋配置建議采光井盡量布置在車行道上柱網(wǎng)網(wǎng)格的中央位置，適宜的尺寸為正方形，大小為2m*2m，每個采光井可以使地下室達標面積為52m2。在方案設計時，可以按此預估采光井的數(shù)量。采光井伸出頂板適宜的高度是1.2m，要注意采光井周邊植物對采光的遮擋影響，可以采用采光井周邊布置低矮灌木減低影響。采光井周邊覆土高度降低，形成低地來降低采光井的高度，以提高采光效率。通過提高采光井內(nèi)壁的反射率，以及不設置頂蓋來增加采光效率。不設置頂蓋時要考慮排水和安全防護。B、采光井和通風井結合布置建議地下空間的自然通風，是通過設置通風豎井，在風壓和熱壓的作用下使空氣運動。采用自然通風可以減少設置機械通風的成本。通過在采光井頂部四周設置格柵或者不設置頂蓋，達到采光和通風相結合的目的，同時也減少了地面以上開設過多的洞口而導致對景觀的影響。采光井和通風井結合C、采光井和室外疏散樓梯結合布置建議地下停車空間一般規(guī)模較大，需要在室外設置疏散樓梯，可以將室外疏散樓梯設置成玻璃間，同時適當?shù)臄U大樓梯間，即可以達到疏散和地下室采光相結合的目的。采光井和疏散樓梯結合D、采光井和景觀結合采光井出地面部分，應該考慮自身的造型，最好的結合是既發(fā)揮采光通風作用，同時也可作為一個景觀小品。當難以實現(xiàn)時，應該注意位置盡量隱蔽，或者通過植物布置，將采光井包圍，但要注意的是，植物不應該對采光造成遮擋。采光井和景觀結合2、側窗采光建議A、下沉廣場/庭院的合理尺寸，室外墻面地面反射率下沉式庭院，以犧牲部分停車空間為代價換取采光和景觀，庭院可以利用高差，營造良好的景觀空間氛圍，同時側面可提供自然采光。一石二鳥的效果值得在設計中嘗試采用。從采光效果考慮，庭院的尺寸宜以