基于PKPM室内天然采光与眩光分析在幼儿园建筑中的应用.pdf

建筑设计 Construction&Decoration建筑与装饰2023年8月下 25基于PKPM室内天然采光与眩光分析在幼儿园建筑中的应用李虎武汉大学城市设计学院 湖北 武汉 430061摘 要 本文利用PKPM软件对武汉市某幼儿园建筑室内光环境进行模拟分析，判断其室内光环境和视觉要求是否满足GB/T50378-2019绿色建筑评价标准的要求，并分析室内光环境的设计策略。关键词 PKPM；天然采光与眩光；绿色建筑Application of Indoor Natural Lighting and Glare Analysis Based on PKPM in Kindergarten BuildingLi HuSchool of Urban Design,Wuhan University,Wuhan 430061,Hubei Province,ChinaAbstract In this paper,PKPM software is used to simulate and analyze the indoor light environment of a kindergarten building in Wuhan,to judge whether its indoor light environment and visual requirements meet the requirements of GB/T 50378-2019“Assessment Standard for Green Building”,and to analyze the design strategy of indoor light environment.Key words PKPM;natural lighting and glare;green building引言幼儿园是幼儿教育的重要场所，由于在幼儿学习、成长过程中接触自然光照有利于幼儿发育、健康成长，同时对于绿色节能有着重要影响，因此在幼儿园建筑设计过程中对自然光的把控有着重大意义。目前很多幼儿园的光环境设计存在着还不完善的问题，有些幼儿园的采光不足，缺乏自然光的引入；有的幼儿园增加窗洞的面积来提升照度，继而引起眩光和照度不均的问题。随着建筑节能技术在幼儿园等教育场所的应用越来越多，一些节能分析软件应运而生。本文通过PKPM软件平台的研究与应用，模拟武汉市某幼儿园项目的室内光环境，分析其室内光环境与视觉是否符合标准，从而探讨幼儿园光环境设计过程中的设计策略1。1 项目概况1.1 工程概况本工程位于武汉市东西湖区（北纬=31.00，东经=114.00），光气候分区为IV区，幼儿园用地面积4860m2，建筑面积约3600m2，共计三层，高度12.60m，为12班幼儿园。1.2 气候概况本工程地处武汉市，属于标准的亚热带季风性湿润气候，特点是雨水充沛、夏热冬冷、日照充足。一年的平均气温一般为15.8-17.5，一年当中平均气温最低的月份是1月份，通常为0.4；平均气温最高是7、8月份，通常为28.7。夏天较热，温度普遍达到37，最高可达到44.5。夏季之初，5、6月份梅雨季节较为集中，年降水量可达到1100mm。图1 建筑模型图2 分析模拟2.1 原理概要本次研究采取的是动态采光评价法，动态采光评价法是指在主要的功能房间内采用全年建筑空间各位置满足采光照度要求的时长来进行采光效果评价，计算时应采用标准年的光气候数据。对于设计阶段，计算参数按照现行行业标准民用建筑绿色性能计算标准JGJ/T 449执行（地面反射比0.3，墙面反射比建筑与装饰 2023年 8月下.indd 252023/8/23 15:27:33建筑设计 Construction&Decoration26 建筑与装饰2023年8月下0.6，外表面反射比0.5，顶棚反射比0.75）；对于运行阶段可按照建筑实际参数进行计算，已获得准确的采光效果计算结果。2.2 软件选取本次研究主要采用PKPM-Daylight作为模拟分析软件进行建模和室内采光的计算，得出室内天然采光和眩光的相关数据，再根据对相关数据的分析来判断主要功能区域的天然采光和眩光程度能否达到绿色建筑评价标准GB/T 50378-2019当中的要求。对于采光系数的计算，本软件采用逐时、逐点照度模拟的计算法。对于民用建筑，通过按照一定精度对每个房间距离地面0.75m处的水平面划分网格，设置外部遮挡建筑物和室内的相关材质等影响采光的相关基本条件参数，对每一个网格以1h为步长进行照度计算。公共建筑还会分析内区及地下室的采光系数。2.3 参数设置本研究参照民用建筑绿色性能计算标准JGJ/T 449、绿色建筑评价标准GB/T 50378-2019、建筑采光设计标准GB 50033-2013的表5.0.4及附录D，对于不同材料的光学性能的不同，分别对参考的指导数值进行赋值。本项目中所选取的玻璃及内饰面材料的光学性能参数取值具体如下表所示。表1 目标材料光学性能参数2.4 模拟条件CIE天空模型（采光系数及照度计算）：逐时动态计算CIE天空模型（眩光计算）：全阴天模拟空间网格间距：1.00（m）地面材质反射系数：0.30光线反射次数：4模拟范围：标准层3（A-L03F）动态计算区间：1月1日-12月31日2.5 模型导入通过PKPM软件建立模型，根据建筑总图以及各层楼的平面图建立，模型中考虑阳台、墙体的遮挡情况2。模型效果如图2。图2 建筑模型图3 模拟成果3.1 窗地面积比表2 本项目的功能房间窗地面积比建筑与装饰 2023年 8月下.indd 262023/8/23 15:27:33建筑设计 Construction&Decoration建筑与装饰2023年8月下 273.2 不舒适眩光指数计算表3 不舒适眩光指数统计表3.3 模拟结论本次模拟的结果显示，本项目天然采光与眩光的指标符合建筑采光设计标准GB 50033-2013和绿色建筑评价标准GB/T 50378-2019的要求，幼儿园的主要功能空间采光系数都不低于标准值，符合在使用过程中对自然光的需求。PKPM系列在建筑节能和绿色建筑方面有着许多拓展，在设计过程中合理的运用软件对设计进行分析提升，从而指导设计，优化设计。在本次研究在设计过程运用PKPM天然采光与眩光整体分析，能够简单直观的分析出室内天然采光与眩光是否达到标准，为设计过程中对自然光引入室内的设计的提供了可靠的参考依据，但也发现了一些值得优化的设计现状3。4 优化策略4.1 提供充足日照在保证不达到眩光程度下，最大限度地提供天然采光，这对幼儿的身心成长和身体健康有着重要的作用和意义。缺乏光照的房间通常都是阴暗潮湿的，继而容易滋生细菌，尤其是在南方地区，还可能发生霉变，对于抵抗力尚弱的幼儿来说容易引发皮肤病，影响身体健康，因此在设计过程中需要充分考虑到光照的设计，将充足的自然光照引入室内，让幼儿在学习的过程中能够充分感受阳光，适当的紫外线的照射能够有助于幼儿维生素D的合成，对于幼儿的身体发育和骨骼的生长起着较为重要的作用。同时能够让幼儿看到光线的变化，在不同时间的光影变幻有利于感受时间的进程，培养幼儿对时间进程的感受，对于幼儿的生物节律的调节也起到一定的作用，能够保证幼儿生物钟的正常运作。但同时应该注意的是，过量的光照也会对幼儿造成一些不利的影响，例如自然光中的紫外线过度照射会对幼儿皮肤造成影响，也会引发一些皮肤疾病，因此在设计过程中既要考虑到设计提供充足的日照，同时也要考虑到日照的适度性，保证幼儿充足日照的同时不会受到紫外线过量的影响。4.2 提升侧窗高度靠近侧窗的区域光照一般是较为充足的，但通常在房间较深处可能存在采光不足的现象，因此在设计过程中可以考虑对侧窗高度的设计，适当提高高度，通过对房间开间进深空间尺度的测量计算，优化侧窗高度的范围，在满足相关规范与经济性的情况下提升侧窗的高度，并通过一些辅助将自然光线尽量引入房间较深处，同时保证避免眩光；景观窗与采光窗的需求和作用是不同的，可以对玻璃的不同需求的性能分别进行设计，因为景观窗的采光是附属功能，对于玻璃的需求不同，透射率可以略低于采光玻璃。通过对不同类型的窗户以及不同采光需求的设计，在保证房间自然光照的充分和避免自然光直射眩光的前提下，同时可以丰富窗类型和造型。4.3 天窗设置天窗的设置可以有效地引入顶部的自然光照，同时可以考虑到天窗角度的调整，在不同的时间段调整不同的天窗角度，从而为室内提供不同需求的自然光照。不过现在单层的幼儿园较少，通常为两层或者三层的设计，因此天窗的设置不能运用到所有的房间当中，可在顶层的房间进行相应的设计考虑，在设计过程中将对于自然光需求较高的班级放在顶层，根据不同的年级对自然光的需求程度的不同，有针对性的提升自然光照。4.4 优化采光朝向由于太阳的位置在一天中是不断运动的，一天当中太阳的直射光会来会随着时间不断变化，从东南到正南再到西南方向。通常早上温度较低，东边照射的阳光带着清爽的空气，是比较适宜幼儿的生长发育，在上午能够充分享受阳光，充满活力的迎接新的一天。到了下午经过太阳一天的照射，整体气温变高，太阳从西边晒过来，长时间的西晒会影响幼儿的活动，容易让幼儿感觉到烦躁，因此在设计过程中应该尽量避免教室建筑与装饰 2023年 8月下.indd 272023/8/23 15:27:34建筑设计 Construction&Decoration28 建筑与装饰2023年8月下朝向西边。正南北的朝向是最好的，东西朝向虽然也能满足冬至日3h的日照需求，但因为东西方向太阳高度角低，会引入大量的直射阳光，在视觉上容易造成眩光，并且不容易遮挡。因此在设计过程中综合考虑采光朝向因素，不能仅仅考虑到满足日照时长，尽可能地选择最佳朝向。4.5 营造柔和漫反射刺眼的光照会影响幼儿的注意力，直射的自然光可能引起直接或者间接的眩光，在幼儿的学习和生活过程中尽量避免强光直射，在设计过程中考虑到漫反射光环境的营造，对于幼儿的学习生活环境的营造有着较大的帮助。通过探索合适的室内材质，一般来说深色的墙面对光照的吸收较多，浅色的壁面则反射较大一些，在相同的光照环境下，浅色的墙面和地面将会有更多的光照被反射利用，从而房间的照度会更高。因此在室内设计的过程中考虑选择浅色的墙面涂漆、木地板以及相应的家具，能够有效增加室内光的反射，在这样的反射环境中提高室内光的照度，从而达到室内明亮而不产生眩光的光照效果。同时可以通过控制室内墙壁的粗糙程度、材质和做工等，有利于营造漫反射环境。在自然光引入室内的基础上，通过相应的设计策略营造柔和的漫反射光，让幼儿在学习和生活的过程中更加舒适。4.6 适当增加有色光自然光的色温会随着光照时间而不同，幼儿在不同的生活学习时间段所需求的光的色温也是不相同的。在较低色温的时候适合放松，如幼儿在社交、娱乐活动的过程中引入较低色温的自然光；较高色温的时候适合专注，如在学习、上课等活动中更适合引入较高色温的自然光，有利于专注度的提升。通过不同时间段幼儿活动的需要，适当地引入不同色温的光照，通过光的投射反射等设计改变其颜色，使得光照的色温更加贴合幼儿的活动需求。另外也可根据需求设置适当的人工照明，补充自然光的不足，营造更加适宜的学习生活氛围。4.7 根据活动内容分区设计幼儿园活动单元是各班级每天活动的场所，对于不同的年级，班级活动单元所承载的主要功能是不同的，在不同的活动场所中对于光照的需求也会存在着差异。幼儿园小班活动内容以娱乐为主，不涉及深入的学习活动，对于专注度的要求没有那么高；中班的教学会更丰富一些，除了基本的娱乐还有一些学习活动，包括手工活动以及小实验等；大班除了集体娱乐活动外还增加了计算阅读等活动，因此大班对于自然光照的需求是最高的。根据不同的活动内容进行分区设计，能够更加精准的把握室内对于天然采光的需求，从而合理的分布各班级的位置，保证各班级对于采光需求的合理性。4.8 室内外环境相结合自然景观与建筑设计相结合，一天中东面和南面的自然光较为温和，但西面的自然光时间较长且容易直射造成眩光等影响，因此在自然景观的设计过程中，保证东面和南面的自然采光环境开阔，西面适当遮挡，能够有效地将自然光引入室内，同时一定程度减少眩光和长时间的西晒。幼儿在室内活动室或室外活动场地活动的过程中，能够直接看到或直接接触到自然景观能够有利于幼儿的生长和身心发育，对于幼儿的成长有着较大的帮助4。5 结束语本次研究基于PKPM-Daylight平台对武汉某幼儿园进行天然采光与眩光进行分析，通过数据支撑分析了房间的采光与眩光程度是否达到相关规范的标准，并且在分析过程中对幼儿园提出幼儿园自然光设计过程中所遇到的瓶颈，从而提出相应的优化策略。通过软件的计算满足基本的规范要求，在此基础上优化天然采光设计，从而最大限度营造高质量采光的学习生活环境，让幼儿在学习生活过程中能够充分享受到自然光，健康成长。参考文献1 胡仓颉.基于优化幼儿园光环境的遮阳板形式研究J.山西建筑,2020,46(9):18-19.2 李天骄.幼儿园建筑生活单元天然采光优化设计研究D.南京:南京大学,2017.3 岳鹏,刘加平.绿色幼儿园建筑评价指标体系研究J.西安建筑科技大学学报(自然科学版),2018,50(5):688-695.4 高杉.以营造幼儿成长健康的自然光环境为引导的幼儿园设计策略及模拟研究D.北京:北京建筑大学,2020.建筑与装饰 2023年 8月下.indd 282023/8/23 15:27:34