建筑天窗采光问题的研究——尤其是外部有封闭造型时

刘辉，杜峰

(福建工程学院建筑与城乡规划学院 福建福州 350118)

建筑天窗采光问题的研究
——尤其是外部有封闭造型时

刘辉，杜峰

(福建工程学院建筑与城乡规划学院 福建福州 350118)

文章从外部有封闭造型建筑的天窗设计和使用现状出发，分析设置天窗的必要性和无奈性。通过调研和图纸分析提出解决采用天窗之后的过亮、过热和眩光等问题并提出具体的解决方案，如：开高侧窗，玻璃上贴膜、吊漫射光的顶棚和采用可调节窗帘等。

天窗采光；封闭造型；眩光；采光设计标准

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1 建筑天窗采光中出现问题综述

建筑天然采光的意义不仅在于节省照明能耗、减少碳排放，而且为室内的视觉作业提供舒适、健康的光环境，是良好的室内环境质量不可缺少的重要组成部分[1]。伴随着我国经济的飞速发展，建筑行业发展尤为迅速，建筑的造型也越来越复杂。在很多实际工程中，设计人员通常只关注天窗的美观效果，对其采光设计只停留在满足采光标准要求的阶段[2]。很多建筑由于造型设计需要，在建筑物的外部设置了各种各样的造型。在满足功能要求的同时追求建筑的“形式美”本身并不存在问题，但是那种内部功能设计完之后在外面又附加一层封闭装饰构件或者由于功能要求不允许侧窗采光的房间(如：展览建筑，美术馆等)容易导致室内采光不能满足国家规范的最低要求，进而不能满足基本采光需要的状况。此类现象的出现在现实中并非少数，致使很多建筑白天缺少天然光，鉴于此，在唏嘘之余也希望通过分析问题的根源来解决相应的问题，使建筑更好的为大众服务。

2 有封闭造型建筑采光存在的问题

2.1 存在问题的现状

图1 某教育建筑图片来源：作者自摄

如(图1)所示的建筑，由于建筑面积大而且位置位于学校，根据我国的建筑采光设计标准(GB50033-2013)关于该类建筑侧窗窗地面积比的规定(1:4)需要较大的开窗面积(在此强调，国家规定的窗地面积比指的是窗洞口面积和所在房间地面面积之比)。从平面来看，原来开窗的面积是足够大的，但是出于对艺术造型的考虑，在建筑外部设置了曲面的蓝色外墙构件，造型如(图2)，蓝色钢筋混凝土墙表面开了较多的曲线洞口，这些洞口除了满足美观需要之外，也是为了一部分采光的需要。由于透过这些洞口的进光量远远小于透过原来开的侧窗洞口的进光量，导致其实际窗地比的数值远远小于了国家对于窗地比的规定。该种情况的剖面图及日照情况见(图3)。

图2 蓝色外墙构件图片来源：作者自摄

图3 该类教育建筑的剖面图及日照图(其中冬天太阳高度角小)图片来源：自绘

图4 屋顶天窗分布图图片来源：作者自摄

当实际数值远小于窗地面积比规定之后如何才能满足使用需求呢？在此，有两种方法：(1)采用人工照明补充，该类方法简单有效，照度值可以很好的满足国家标准要求(450lx)，照明均匀度可以做的很好(0.6)。但是这样白天开灯浪费电能，与我们国家节能环保低碳的理念相违背，另外白天开灯的光与显色性好、色温好、光谱构成连续的太阳光相比不利于人们的视觉，如：荧光灯和紧凑型荧光灯的色温偏高，偏白偏冷，不利于人们的使用，更不用说白炽灯一类暖黄色的光。(2)加天窗。加天窗在理论上很好的满足了采光设计标准对于工作面照度的要求，也可以填补侧窗采光窗地比的不足。为了满足标准对于采光均匀度的要求，通常均匀分布的在屋顶开几个窗户，此时天窗窗地比的要求是1:8，如(图4)所示。

2.2 开天窗之后使用过程中存在问题分析

开了天窗之后，在使用过程中却出现了其他的问题。

(1)首先，国家的采光设计标准(GB50033-2013)3明确规定，不建议在教育建筑的专用教室、实验室、阶梯教室、教师办公室等房间采用天窗采光。首先性价比不高，其次在采光方面，由于玻璃的透光能力太强，所以晴天光线太强，尤其是阳光直射的窗下和窗户下面四周的位置，眩光非常明显，让使用者瞳孔急剧缩小，眼睛难以睁开以致无法看清东西。阴天的时候也会超过所需要的室内工作面照度。相当于这时的工作面照度接近室外照度。根据采光系数的定义，也就是采光系数接近100%(该值在这里仅取决于玻璃的透射比)。而到了夏天更是如此，尤其在较为炎热的夏热冬冷地区和夏热冬暖地区，会导致建筑物室内尤其是天窗下面过热过亮，严重影响使用者的热舒适。在我国如今的国情下，很多的建筑物(如：合班教室，某些会议室)并没有完全配备好空调，其室内热、光环境状况之恶劣可想而知。即使室内有了空调，也严重增加了空调的能耗。

(2)其次，国家建筑节能标准考虑到天窗节能性较差的问题，组成天窗的主要部分如：玻璃和金属框的导热系数远远大于其它围护结构如钢筋混凝土的屋顶和楼板，而且开窗所形成的缝隙的透风也导致了热传导的加大。在热工方面，冬天天窗下面会有比较强烈的冷辐射，晴天则会进入太多的太阳辐射而导致过热现象。节能规范也严格控制了天窗面积占屋顶面积的比例，所以开窗不能过大。

(3)最后，天窗的漏水问题往往是比较严重的，天窗的连接构造也是比较难以处理的，天窗维护起来也比较麻烦，很多的天窗在降水量比较小的地区很容易出现积灰尘的情况，导致天窗透光率大幅度降低，甚至有的地区的天窗最后还有很多无法清理的脏东西，而在降水量大的地方，漏水问题变成了顽疾。从天窗的建筑构造角度分析起来是这样的，出于建筑造型的需要，天窗往往是一体的，即使新型的点支式玻璃幕墙，玻璃本身是硬质的，两块玻璃之间很难用普通的构造方式(如：焊接，螺栓连接，铆接等)来连接，幕墙玻璃之间一般是用耐候玻璃密封胶来封堵的，耐候玻璃密封胶在屋顶上长期受到风吹、日晒和雨淋，耐候性再好也会出现老化，老化之后就会出现裂隙，严重的还会出现脱落，以致漏雨的问题就会出现。如(图5)。从天窗边缘的黑色湿渍可以明显的看出天窗曾经漏雨的情况。

图5 天窗漏雨图图片来源：作者自摄

图6 天窗涂黑处理(部分涂料已经脱落)图片来源：作者自摄

很多的单位，尤其是学校甚至出现了天窗下面垂直投影下方的四周无人坐的窘境。经常会出现如下的景象，在很大的一间教室里，学生们都围绕着天窗的投影下方外围来坐座位，远离天窗的不利因素，对于教育资源相对比较紧张的我国的学校而言，确实是非常的尴尬。

在建筑设计阶段想尽了办法解决了图纸报批(满足了采光和节能要求)的问题之后，在使用过程中却出现以上问题。那么解决的方法是什么呢？很多的单位采取的方式比较极端，首先有些单位干脆就把天窗涂成黑色(图6)。这样透光量就减小了，至少可以满足教室基本的使用，却增加了白天开灯的时间。但是也需注意，在采用人工照明补偿时，应把握如下原则：当天然光在室内工作面上产生的照度达到或超过国家相关规范所制定的标准时，关闭人工照明；反之则开启人工照明进行补偿。可以采用直接式的开关或渐变式的人工照明方式，渐变式的照明方式更利于节能[4]。其次的解决方式更加简单，直接找窗帘或其他的布罩在天窗上面，或者干脆直接把天窗封掉，这些方法使用之后就把开天窗最初的目的给消除了，天窗没有了任何的采光作用，没有满足基本使用要求，相当于仅仅是给建筑室内增加了“热桥”而已。

3 如何解决开天窗房间的诸多问题

如上所述，建筑外部有封闭造型的房间出于采光的考虑，采用了开天窗的形式，而开天窗之后进而发生了诸多的问题。首先需要指出的是，随着生活水平的提高，建筑造型的多样化是必然的趋势，人们的审美需求提高了，不再仅仅将目光放在满足基本功能的方盒子上，本身值得肯定。而有了封闭一些的造型之后，天窗的出现成为很好的解决方式，人们不能对开天窗出现了很多问题就“因噎废食”，害怕天窗，不用天窗甚至开了天窗再将其封闭掉，应该是采用更加合理的方式将这些问题更好的解决掉。

图7 天窗改为高侧窗图片来源：作者自摄

图8 天窗改为高侧窗剖面图图片来源：自绘

图9 天窗加漫透射膜图片来源：作者自摄

(1)采用将天窗变成高侧窗的形式。也就是说，在建筑设计阶段，将开侧窗和开高侧窗跟整个建筑群的规划以及建筑单体造型设计更好的结合起来，而不是被动的仅考虑造型。不应当在建筑功能的“方盒子”基本建好之后，再把外面为做造型而做造型的叠加一些“壳子”(图7)。这种方式的优点是，采光更加合理，在一定程度上较好的避免了眩光，构造较为简单，造价较低，更容易被使用者接受；不足之处在于采光效率降低，需要开更多的侧窗或者高侧窗，从(图8)可以看出虽然天窗上部采用磨砂玻璃，一定程度上减轻了眩光，但是高侧窗部分仍然是存在着一定程度眩光的。另外，根据开天窗的效率而言，平天窗的效率最高，其次为梯形和锯齿形天窗，最后是矩形天窗[5]。这种高侧窗其实就是矩形天窗，因此，采光的效率明显不高。

图10 天窗加漫透射膜剖面图图片来源：自绘

图11 天窗下加漫透射膜吊顶棚剖面图图片来源：自绘

图12 可调式天窗窗帘图片来源：网络

(2)受到阴天天窗采光更均匀的启发，阴天(根据云量的多少也叫多云天或者全云天)的情况下，由于云层的反射和折射作用，使光线变得更加扩散和均匀，不再有晴天时候的太阳直射光，天空以扩散光和漫射光为主。按照这种类似的原理，将玻璃改造为半透明(如磨砂、夹层、贴膜、光致变色或电致变色玻璃等)，使光线无规则、非定向扩散透射，或者直接加贴半透射膜(图9、图10)。这种方式的优点是构造简单，效果好，光线更加均匀，可以借鉴“被动式太阳房”进行采暖(类似于大棚的温室)；不足之处在于天窗的构造复杂，如采用特殊玻璃则造价高，节能效果较之侧窗一般会差。

(3)采用漫透射膜制作成室内的扩散吊顶棚。优点是该膜既满足了采光均匀度要求，又满足了节能的需要(增加了空气夹

层，增加了热阻)，而且又美观大方，拆换都方便，具有一定的实用价值。不足之处在于二次施工会降低室内的净空高度，要联合考虑建筑剖面使用情况。半透明膜的材料可以选择磨砂半透明EVA膜等类型，尺寸以综合了冬天和夏天的太阳高度角情况下坐在边排同学看不到太阳直射光为准(图11)。

(4)在天窗外侧采用可拉动或根据天空亮度不同自动升降半透明或者可调式的窗帘，该种类型造价较高，维护比较麻烦，更换率比较高。运行和一次投入的费用较大(图12)。

4 结论

综上所述，为了追求造型而忽视采光的问题在如今很多建筑中是广泛存在的，为了改善和克服这些问题，可以通过开高侧窗代替天窗、采用半透明漫透射玻璃、在天窗玻璃上贴半透明膜或者在天窗外侧加半透明或者可调式窗帘等方式。相信通过上述的方式，可以对从事相关设计的建筑设计师在城市规划和建筑设计中有所启发和帮助。

[1]全建军. 引进日光，关掉电灯[J]. 上海节能，2010(3): 24-28.

[2]杜甜甜，曹炜. 寒地办公建筑天窗采光性能优化设计研究[J]. 城市建筑，2014(5): 118-119.

[3]GB50033-2013,建筑采光设计标准[S].

[4]李静，李桂文. 基于天窗采光的建筑节能优化设计研究[J]. 城市建筑， 2010.(6)112-113.

[5]陈仲林，唐鸣放. 建筑物理(图解版)[M]. 北京:中国建筑工业出版社，2009.

Research on Building Skylight Problems——especially with closed modeling outside

LIUHui,DUFeng

(Faculty of Architecture and Urban Planning of Fujian University of Technology, Fuzhou 350118)

The paper started with skylight design and utilize of buildings with closed modeling, analyzed the significance and helplessness. The paper pointed out the proceeding problems with the skylight appeared and obtained the problems such as too much dazzle, too bright, too hot etc through investigation and drawing analysis finally drew the specific solution such as using high side window, sticking film on the glasses, suspending ceiling with materials diffusing light and adopting adjustable window curtain etc.

Skylight; Closed Modeling; Dazzle; Lighting Design Specification

刘辉(1978. 1- )，女，讲师。

2015-03-30

TU834.3+5

A

1004-6135(2015)08-0024-04