杭州市武林广场地下空间采光分析

孙　静，王飞翔

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京　100037)



杭州市武林广场地下空间采光分析

孙静，王飞翔

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037)

摘要：地下空间的物理环境是当前建筑物理环境的主要研究对象之一。以杭州武林广场地下空间开发为例，重点分析设计思路与物理环境之间的契合点。选取武林广场地下空间开发的局部空间作为研究对象，以光环境效果为研究内容，分析下沉广场为地下空间引入的天然光效果，同时也为下沉广场等改善物理环境的设计手法提供设计依据。研究表明下沉广场不仅使自然光从上至下得到了延续，而且不同节气、天空模型对室内的光照度以及亮度分布有不同的反映。这为改善地下商业空间的光环境、提高人体舒适度创造了有利条件。同时，为地下空间与物理环境的良好结合提供一定的指导作用。

关键词：物理环境；地下空间；光环境；数字模拟

引言

美国哲学家Arnold Berleant认为：“环境是人们生活着的自然过程，是一种被体验的自然，人所处的自然(包括人工自然)，由充满价值的评价有机体、观念和空间构成的浑然整体”[1-2]。

室内物理环境作为室内环境的重要组成部分，包括空气质量、热环境、光环境、声环境和风环境等作用因子。英国著名环境设计师IanLennoxMcHarg在《设计结合自然》一书描述了自己如何因为医疗环境的变化而给病情带来的巨大好转，正是明媚的阳光、清新的空气为他奇迹般的恢复奠定了天时地利的条件[3]。加拿大建筑师Rogers 在长达10年的研究中发现亲切、良好的医疗环境会给病人带来治疗上的积极作用[4-5]。有研究表明，在人的听觉、视觉、触觉、嗅觉的认知世界里，80%的信息来自于视觉。因此，舒适的光环境，提高视觉效能对人的心理、生理会产生积极影响。

下沉广场、天井对地下空间实际工程项目的光环境水平的贡献，这种贡献在不同气象条件下的变化如何，是本文关注的重点。

过于封闭的、缺乏自然光与良好通风的地下商业空间易于引起人员的不良心理反应[5]。尽管《建筑采光设计标准》未对商业建筑提出采光标准值[6]，但当商业空间采光满足一定要求后，不仅有利于照明节能，更有利于提高室内人员的满意度；LEED评价体系规定主要作业面75%面积的采光系数应不低于2%[7]。现代设计师在处理室内空间环境上的手法也在不断追随着前人的脚步。一直以来，设计师在努力寻求创新、趣味的理念来解决包括物理环境在内的一系列问题。日本建筑师Toyo Ito[8]为仙台媒体中心带来一种趣味性十足的解决办法，如同解析几何，将常规的柱子分解成多个“细管”，如果将建筑视为一生命体，那这些“细管”犹如毛细血管一般，流淌着整栋建筑的“血液”，因为这些“细管”承担着建筑的结构、采光、通风等一系列功能，而2011年日本3·11大地震很好地证明了结构设计师佐佐木的这种结构创新设计是两全其美的，不仅很好地解决了结构、美观问题，同时也将物理环境与建筑自身的属性得到了很好的融合[9]。

本文的研究对象杭州市武林广场地下商业空间开发项目无论从建筑规模、地理位置以及商业价值等方面都是非常具有代表性的地下空间开发项目。

1研究内容

本文以实际工程项目杭州市武林广场地下商业空间开发为案例，引用数字模拟技术，分析地下空间形态与物理环境的关系，研究下沉广场对地下空间光环境的重要影响。

1.1气象条件

杭州地处欧亚大陆的东岸，东经120°10’，北纬30°18’。杭州属于我国建筑热工设计分区III区(夏热冬冷区域)，光气候区III区，根据中国光气候资源分布图可知，全国的年平均总照度在25klx ～43klx，杭州地区的年平均总照度处于全国中游水平，约为33klx。

1.2项目概况

武林广场地处杭州市下城区传统的武林商圈内，南面为西湖风景名胜区，北面为京杭大运河，见图1。本项目占地面积3.98公顷，用地南北长190米，东西长220米，北邻浙江省展览馆，南毗环城北路，西有广场西通道，东至广场东通道，东北侧有地铁1、3号线换乘站，从地块的地下3层穿过。设计师在此保留原有广场的主中轴线理念，依据功能定位将广场分成东、中、西三个区域，东区为下沉广场区、西区是绿化景观区，中部尊重市民的集体记忆，保留有音乐喷泉和展览馆。下沉广场作为项目的开放空间，贯穿于整个设计过程，直通地下一二层的8处连续下沉广场构成U形平面，将阳光、天空漫射光引入地下空间，见图2。下沉广场不仅是人们进入室内的过渡空间，也起到了延续竖向空间交流的作用。

图1　区位分析Fig.1　Location analysis

图2　U形下沉广场Fig.2　U-shaped sunken square

1.3物理环境关注点

杭州地区属于夏热冬冷地区，如何应对夏季高温、遮阳隔热是热工设计重点考虑的问题。杭州夏季的主导风向东南方向，有效利用东南风来改善室内外热环境是行之有效的办法之一。夏季充沛的雨水对植物生长来说是利好条件，因此景观设计自然不可或缺，将景观与自然气候加以良性结合也是关键要素。杭州冬季湿冷，同时也是全年日照时数最低的季节，有效利用太阳直射光、天然漫射光来改善湿冷环境是物理环境不可忽视的重要组成部分。

1.4设计策略

下沉式广场，作为半开敞空间，能在炎热的

夏季为地下商业空间引入新鲜的空气，改善室内空气质量。从室内对流角度来看，8个小型的下沉广场形成一个有机的整体。两两之间的通长连廊为空气压力差的产生创造了良好的条件，有利于内部空气之间的对流，改善整个地下广场的自然通风效果。由下沉广场进入公共交通空间后，其上方的悬挑式结构能保护人们远离夏季太阳直射光的强辐射作用。

从视觉角度而言，下沉广场可以定义为环境亮度的过渡空间。人眼在不同亮度的环境中是需要一定的适应时间，而环境亮度的过渡恰当与否对人眼的适应水平起着至关重要的作用。

下沉广场内各界面会形成其特有的环境亮度。当人们从高亮度的室外进入亮度相对较低的室内商业空间，即人眼在逐步接近暗空间的条件下，下沉广场能够为人眼适应环境亮度转化提供一个过渡场所，因此，人眼的适应效果会更加自然。此外，下沉广场也是一处人与人之间进行交流的过渡空间，对于长时间处于封闭空间的人来而言，适当的空间变化不会过于乏味，提高人对场所的满意度。地下空间的光环境见图3。

图3　下沉广场光环境Fig.3　Light environment of sunken square

2光环境分析

2.1分析条件与工具

本文将利用数字计算工具，选取武林广场地下空间开发的局部空间作为研究对象，以光环境效果为研究内容，分析在下沉广场为室内场所所引入的天然光水平，从而验证武林广场地下空间开发项目在光环境上所具有的应用效果，最终的目的是希望能为今后设计工作关于物理环境方面的考虑提供指导作用。

本次模拟实验天空模型以全阴天空为主，同时也结合部分晴天空模型，计算工具选用由哈佛大学设计学院(GSD)开发的Diva for Rhino，版本号为2.0。该计算软件无论是对于静态光环境还是光环境的全年动态分析都有较好的计算精度。

本次模拟的主要研究对象是地下商业空间，因此针对武林广场的地下一层与地下二层各选取2处商业空间(共计4个房间)进行光环境分析，主要分析指标是室内采光系数与室内空间亮度分布。地下一层的房间编号为1-1和1-2，地下二层的房间编号为2-1和2-2，见图4和图5。本次模拟用的Diva for Rhino软件界面参见图6。

图4　地下一层计算用房间Fig.4　The plan of basement 1

图5　地下二层计算用房间Fig.5　The plan of basement 2

图6　Diva for Rhino软件界面Fig.6　Interface of Diva for Rhino

2.2采光系数分析

采光系数是衡量采光水平的重要指标。室内采光系数的计算前提是全阴天空，天空各方向的亮度相同，与建筑朝向无关。本次模拟的计算结果以伪彩图的形式给出，见图7和图8。本次研究选取距室内地面750mm高的作业面作为计算平面，房间1-1和1-2的面积为167.04m2(长×宽：19.4×8.7)，房间1-2和2-2的面积为290.16m2(长×宽：37.2×7.8)，为保证计算精度，计算网格不宜取得过大，因此确定网格的计算间距为500mm[10]。

图7　地下一层房间1-1和1-2平均采光系数计算结果Fig.7　The result of average daylight factor ofRoom 1-1 and 1-2 in basement 1

图8　地下二层房间2-1和1-2平均采光系数计算结果Fig.8　The result of average daylight factor ofRoom 2-1 and 2-2 in basement 2

首先，商业空间获取天然光的方式主要有两种：天空直射漫射光和墙壁间接反射光。这些光线最后透过玻璃面后进入商业空间，而由于商业空间的天空可视角接近于0，因此除地下一层的局部入口外，可见天空角度几乎接近于0，四个房间的天然光主要来源为间接反射光，因此房间的平均采光系数并不高，这一点从之后的亮度分布图更加直观。其次，房间1-1和1-2的平均采光系数分别为0.18%和0.10%，由于受到上部开口的影响，房间深处的采光系数较低，而房间入口处采光系数超过1%，为密闭的地下室引入了适当的自然光线，有助于人的视觉活动和对外界时间变化的感知。房间2-1和2-2的平均采光系数分别为0.05%和0.02%。15000lx室外设计照度的条件下，室内天然光照度分别为7.5lx和2lx，而最高值能达到150lx，达到采光等级V级，分别位于商业入口处。自然光线的引入为室内的人员带来时间感知的可能，而不再是完全的密闭空间。

2.3亮度分布

室内空间亮度分布表征了室内整个空间亮度的分布水平。亮度比照度更能体现对人眼的直观感受。

本次亮度分布的天空条件分为全阴天空和晴天空两种。考虑到夏至日太阳高度角最大，日照较强，因此选取天空模型为晴天空，而杭州地区冬季阴天较常见，因此冬至日选取全阴天空。

地下一层的两个房间1-1和1-2模拟结果是基于晴天空条件，夏至日一天当中9:00、12:00、15:00和18:00四个时刻的室内亮度分布，分别见图9和图10；而地下二层的两个房间2-1和2-2不仅得到了夏至日晴天空的室内亮度分布，见图11和图12。增加全阴天空条件下四个典型节气日春分、夏至、秋分和冬至日正午12:00的室内亮度分布，见图13和图14。计算结果表明，相较于全阴天空，由于晴天空的太阳角度的瞬时变化，室内亮度分布变化较剧烈，室内光影效果在不同时刻体现得越发丰富。

图9　房间1-1亮度分布(夏至日晴天空9:00、12:00、15:00和18:00)Fig.9　Luminance distribution of Room 1-1(Time of Clearsky of summer solstice 9:00, 12:00, 15:00和18:00)

图10　房间1-2亮度分布(夏至日晴天空9:00、12:00、15:00和18:00)Fig.10　Luminance distribution of Room 1-2(Time of Clearsky of summer solstice 9:00, 12:00, 15:00和18:00)

图11　房间2-1亮度分布(夏至日晴天空9:00、12:00、15:00和18:00)Fig.11　Luminance distribution of Room 2-1(Time of Clearsky of summer solstice 9:00, 12:00, 15:00和18:00)

图12　房间2-2亮度分布(夏至日晴天空9:00、12:00、15:00和18:00)Fig.12　Luminance distribution of Room 2-1(Time of Clearsky of summer solstice 9:00, 12:00, 15:00和18:00)

图13分别是四个房间在晴天空条件下夏至日9:00、12:00、15:00、18:00四个时刻的亮度分布图。时间的变化伴随着太阳高度角的变化，因而室内光影也在时刻动态变化。房间1-1和2-1朝东，时间从上午9:00进入下午18:00，室内阴影强度也随之增强。而当天空模型换成全阴天时，由于无太阳直射光的影响，房间2-1室内阴影的变化并不明显，见图14。

图13　房间2-1亮度分布(全阴天中午12:00春分、夏至、秋分、冬至)Fig.13　Luminance distribution of Room 2-1(Overcast day, 12:00,vernal equinox, summer solstice, autumnal equinox, winter solstice)

图14　房间2-2亮度分布(全阴天中午12:00春分、夏至、秋分、冬至)Fig.14　Luminance distribution of Room 2-2(Overcast day, 12:00,vernal equinox, summer solstice, autumnal equinox, winter solstice)

此外，根据以上计算结果可知，房间的同一位置，在不同时间所观察到的室内亮度分布是不同的。春秋分的室内亮度分布是比较接近的，夏至日天空亮度较高，地面亮度高，墙面的亮度相对低一些，而冬至日恰好相反，由于较低的太阳高度角，为室内墙面提供了较高的亮度。

3结论

下沉广场的设计延续是本项目对于物理环境方面的内在诉求。天然光的引入不仅为人们与自然的交流的延伸至地下创造了条件，而且对于提高人的心理舒适度有较大的帮助。光影变化丰富了室内空间，为人与人之间的交流增添了乐趣。此外，景观绿化也是改善建筑微气候不可或缺的元素之一。

参考文献

[1] 阿诺德·柏林特. 环境美学[M]. 张敏，周雨，译. 第一版. 长沙：湖南科学技术出版社, 2006.

[2] 魏飞. 现代医院门诊部环境设计探析[D].南京：东南大学, 1999.

[3] 麦克·哈格. 设计结合自然[M]. 黄经纬，译. 第一版. 天津：天津大学出版社, 2006.

[4] 田树军. 地下商业空间中的环境设计研究[D].长沙：湖南大学, 2006.

[5] 潘永峰. 城市地下商业空间步行出入口设计研究[D]. 长沙：湖南大学建筑学院. 2008.

[6] Fanger P O. Thermal Comfort[M]. Copenhagen: Danish Technical Press, 1970.

[7] 建筑采光设计标准：GB 50033—2013[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2014.

[8] 刘梅,于波,姚克敏. 人体舒适度研究现状及其开发应用前景[J]. 气象科技， 2002，30(1).

[9] 建筑照明设计标准：GB 50034—2013[S].北京：中国建筑工业出版社， 2014.

[10] 韩天辞. 鄂尔多斯 20+10 P22A基于采光模拟的中庭优化设计方法[D]. 北京：清华大学， 2012.

[11] 室内工作场所照明CIE S 008/E-2001[R]. CIE，2001.

Daylight Analysis of Underground Space of

Wulin Square in Hangzhou

Sun Jing, Wang Feixiang

(BeijingUrbanEngineeringDesign&ResearchInstituteCo. ，Ltd，Beijing100037，China)

Abstract：Physical environment of underground space is currently one of the main objects in the field of building physical environment. In this paper, Wulin square underground space of Hangzhou was used as the meeting point of design idea and physical environment. The part of underground space in Wulin squarewas seen as major object, and the role of daylight introduced to underground is analyzed. The purpose of this research is to know about the effect of daylight in the underground space, then provide the design evidence for many physical measures like sunken square. The conclusion shows that Sunken square not only makes the daylight pour from the top to the bottom continuously, but also different Solar Term and Sky Model can result in various illuminance and luminance distribution. Then it makes the beneficial condition for lighting environment and personal comfort improvement of underground space. Meanwhile, better combination between the underground space and physical environment can be inspired.

Key words:physical environment；underground space；daylight；digital simulation

通讯作者：孙静,E-mail：54996254@qq.com

基金项目：国家科技支撑计划(项目编号：2012BAJ01B00)，项目名称：城市地下空间开发应用技术集成与示范；国家科技支撑计划(项目编号：2012BAJ01B05)，项目名称：城市地下空间建筑设计及标准化研究

中图分类号：TU113

文献标识码：B

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.007