基于采光和视觉舒适度的教学楼空间优化设计_边宇.pdf

2023 年 2 月第 34 卷第 1 期照明工程学报ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOFeb2023Vol.34No.1基于采光和视觉舒适度的教学楼空间优化设计边宇，庞钰芝，遇大兴，冷天翔(华南理工大学建筑学院，亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州510640)摘要:旨在解决建筑群或某区域内全部建筑的采光与视觉舒适度总体评价的问题，并据此提出建筑群空间布局优化设计方法，本文将采光阈占比(SDA)、年日照时数(ASE)的应用对象拓展至建筑群或城市设计尺度，并形成优化设计方法。以华南地区某学校为例，对 10 种空间布局的教学楼总体采光效果进行比较择优，明确最优方案的空间特征。结论为:1)通过 SDA 和 ASE 可以评价建筑群总体采光与视觉舒适度水平;2)通过“空间布局建筑设计立面遮阳”三个阶段的优化设计提升教学楼总体采光和视觉舒适度水平;3)所提出的总体评价模型与优化设计方法可为绿色校园规划提供科学依据。关键词:教学楼;天然采光;视觉舒适度;总体优化中图分类号:TM923文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2023.01.011Optimization Design of Teaching Building Space Based onDaylight and Visual ComfortBIAN Yu，PANG Yuzhi，YU Daxing，LENG Tianxiang(School of Architecture，State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou510640，China)Abstract:The goal of this paper is to solve the problem of the overall evaluation of daylight and visualcomfort of all buildings in a building group or an area，and to propose an optimal design method for thespatial layout of a building group based on this evaluation This paper extends the application objects ofSDA and ASE to building groups or urban design scale，and forms an optimal design method This researchtook a school in South China as an example，comparing the overall daylight performance of 10 spatial layoutsof school buildings to clarify the spatial characteristics of the best design As results:1)the overalldaylight and visual comfort level of the building groups can be evaluated by SDA and ASE;2)the overalldaylight and visual comfort level of the school building can be improved through the optimized design of thethree stages of“spatial layout-architectural design-faade shading”;3)the proposed overall evaluationmodel and optimized design method can provide a scientific basis for green campus planningKey words:teaching building;daylight;visual comfort;overall optimization基金项目:国家自然科学基金“中学教室天然光环境视觉舒适度评价研究:以广州为例”(项目编号:51978277)通信作者:遇大兴，E-mail:引言教育建筑中照明能耗占比通常超过 30%1，2，提高天然光利用率可显著降低照明能耗 3。空间设计直接影响建筑物的整体采光程度，因此，以空间形态为研究对象、提出优化设计方法有助于降低建筑物能耗，落实“双碳目标”4，5。针对单个教室的采光和第 34 卷第 1 期边宇等:基于采光和视觉舒适度的教学楼空间优化设计69视觉舒适度研究较为充分 6-9，然而，在规划阶段，针对教育建筑(群)的天然光环境优化设计研究还需深入开展。一方面为教学楼空间设计和绿色校园规划提供科学依据;另一方面扩展现有的视觉舒适度评价理论和方法至整体建筑、建筑群甚至城市尺度。本文在已有采光及视觉舒适度研究基础上，提出面向建筑群的采光和视觉舒适度总体评价方法。以华南地区某小学为例，在一定约束条件下，对不同空间布局教学楼的总体采光效果进行择优，开展了进一步的教学楼空间优化设计，最终提出以采光与视觉舒适度为目标的空间优化设计方案。1建筑群采光与视觉舒适度总体评价方法1.1建筑单体采光与视觉舒适度评价方法采光方面，自主采光阈(Daylight Autonomy，DA)是最常用的动态采光指标，DA 表示年周期上房间内某点实际照度超过某限值的概率。某房间内DA 值超过 50%的面积占房间总面积的比值则定义为“采光阈占比”(Spatial Daylight Autonomy，SDA)10，SDA 可以较好地衡量某房间的采光程度。视觉舒适度方面，一般认为太阳直射光进入室内会导致视觉不舒适，年日照时数(Annual SunlightExposure，ASE)是反映房间接收太阳直射光程度的指标，如:ASE1 000 lx，250 h是指太阳直射光照度超过1 000 lx且全年累计超过 250 h 的范围占房间总面积的比值11。应用 SDA 和 ASE 两个指标可以对单体建筑的天然光环境进行评价12。1.2建筑(群)总体采光与视觉舒适度评价方法本研究将 SDA 和 ASE 指标的应用对象扩展至建筑群或区域内全部建筑。针对建筑群的 SDA，是指年周期上建筑群中各单体建筑的有效采光面积之和与总建筑面积的比率。假设组成建筑群的某单体建筑 i 的建筑面积为 Si，采光阈占比为 SDAi，则建筑群总体 SDA 定义如式(1):SDA=Si SDAiSi(1)与 SDA 类似，建筑群的 ASE 的定义如式(2):ASE=Si ASEiSi(2)由于在更大的空间尺度上开展采光分析，因此有必要对分析对象进行简化，仅保留形体、尺寸、层高和窗墙比(WW)等关键参数，不再保留建筑内部空间分隔和细化的开窗形式。如图 1 所示，某建筑群由 4 个独立建筑组成，整个建筑群的 SDA和 ASE 可按式(1)、式(2)计算，计算结果可作为空间优化设计的依据。图 1建筑群示意图Fig.1Diagram of the building complex2建筑空间布局优化设计方法2.1研究对象以华南地区某学校项目为研究对象，项目用地概况如图 2 所示，用地形状不规则且用地面积紧张，南面高层住宅和办公建筑对场地建筑形成严重的日照遮挡。场地条件、周围环境和日照间距严格限制了用地的规划布局，基本形成了“教学区在西、运动区在东”的校园格局。图 2项目用地概况Fig.2Project site overview70照明工程学报2023 年 2 月2.2空间布局择优在满足项目约束的条件下，给出 10 种空间布局方案，各个方案包含的各类型教室数量相同，即容积率相等。走廊宽度为 3 m、层高 4 m，共 5 层，各向WW 均为0.4，材料光学参数按照典型值统一设定。空间布局方案与建筑群 SDA 计算结果如图3 所示。图 310 种空间布局总览及对应 SDAFig.310 types of space layout overview and the corresponding SDA由 SDA 计算结果可知:不同的空间布局对教学楼整体采光有显著影响，以方案 1 方案 4 为代表的连廊式布局的 SDA 值在 30%以上，而以方案 5 方案 10 为代表的围合式布局的 SDA 值达到了 40%以上，显示了更高的天然光利用率。其中，方案 7的 SDA 值最大为 47.84%，说明在此条件下三面围合式布局的天然光利用率最高。2.3优选方案改进本节在方案 7 的基础上，结合华南地区气候特点，以架空层和室外平台等活动空间为设计特点，着重处理教学空间和活动空间的关系，以此提升教学楼整体的采光效果。改进方案以教学空间和活动空间为教学单元，通过西侧专业教室串联形成整个教学组团(图 4)，交接处房间设为活动空间，在水平方向和垂直方向为学生创造交往互动的空间。由图 5 可知，改进方案 2 与改进方案 1 相比，将西侧部分架空活动空间改为室外平台，减少了西侧教学楼自遮挡的影响，建筑总体的 SDA 值从51.56%提升至 63.57%，故改进方案 2 更优。因此，处理采光不好的房间成为提升教学空间天然光利用率的关键。2.4遮阳优化为研究遮阳构件对室内视觉舒适度的影响，本节基于改进方案 2 在南向和西向分别设置水平遮阳图 4教学组团功能分区Fig.4Functional zoning of the teaching group板，遮阳板长度由 600 1 800 mm 变化，北向和东向默认走廊遮阳。同时计算 SDA 和 ASE，综合考虑选出采光舒适度最佳的遮阳方案，结果如图 6 和图7 所示。从结果来看，采取遮阳措施后的视觉舒适度优于无遮阳方案，随着遮阳板长度的增加，SDA 和ASE 的指标均呈现不同程度的降低。(1)南向采光与视觉舒适度分析。进行南侧窗采光时，其采光效果随遮阳板长度的增加变化明显。无遮阳时 SDA 最大值为 49.3%，但 ASE 值过高为第 34 卷第 1 期边宇等:基于采光和视觉舒适度的教学楼空间优化设计71图 5改进方案功能分区及对应 SDAFig.5The function partition of advanced scheme and the corresponding SDA图 6SDA 随水平遮阳板长度变化结果Fig.6SDA value varies with the depth of horizontal shading图 7ASE 随水平遮阳板长度变化结果Fig.7ASE value varies with the depth of horizontal shading15.1%，无法满足室内视觉舒适度的要求。采取遮阳措施后，当遮阳板为 600 mm 时，ASE 值为 9.9%满足要求，此时 SDA 值为最大，综合达到了较好的采光舒适度。(2)西向采光与视觉舒适度分析。进行西侧窗采光时，其采光效果随遮阳板长度的增加变化较小。其采光量充足，SDA 值均高于 50%，需要降低 ASE值。当遮阳板为 1 800 mm 时，ASE 值为 6.6%，视觉舒适度才能得到明显改善，此时采光舒适度最佳。3讨论本研究的不足之处以及进一步的研究方向有以下两点:(1)本研究在 10 种空间组合方案中进行择优，有必要基于参数化建模技术自动生成空间模型，针对更大的样本数量进行择优。(2)所提出的优化设计方法对改善建筑群天然光环境具有很大潜力，尤其在规划设计阶段具有应用指导价值，宜作为项目建设前期决策时的重要参考内容之一。但是，天然光环境优劣并非项目建设决策的唯一标准，