集装箱移动教室天然采光方式设计探究

耿一涵，任 杰，彭翔威

(重庆大学 建筑城规学院，重庆400030)

集装箱移动教室天然采光方式设计探究

耿一涵，任 杰，彭翔威

(重庆大学 建筑城规学院，重庆400030)

集装箱建筑具有成本低、施工方便、灵活性高等优点。区别于普通砖混或框架结构教室，集装箱教室可以实现更加灵活多样的功能设想。主要对比3种较为成熟的集装箱教室天然采光方式，用Ecotect软件模拟天然采光，对其进行定性与定量评估，并初步探讨开窗方式的更多可能。

集装箱；移动教室；天然采光；评估与设想

1 研究背景

素质教育浪潮下，中小学生课外教育方兴未艾。然而，中国针对此类教室的建设几乎还是空白。随着“一带一路”规划推进，中西部地区集装箱用量显著增加，废旧集装箱结构完整，造价低廉，施工方便，灵活性高，集装箱建筑最高可达到30年使用年限，可作为集装箱教室结构和空间基础。

1.1 集装箱教室初探

集装箱教室和正常中小学教室有显著区别。

首先，集装箱教室空间灵活，给功能设想提供更多可能性。比如：重庆市江津区MINI自然王国。项目是一个室外拓展训练营地，移动教室既可为训练前的培训提供空间，也可单独作为观看电影、游戏等室内空间，随着四季变化或者培训项目的改变移动教室位置。又如北京黑桥社区中心，北京黑桥村是打工者聚集区，创办者希望打工者的孩子在放学后、父母回家前，有人能照看他们，同时教授一些知识。打工子弟走到哪里，集装箱运到哪里。

其次，两种教室天然采光模式不同(图1)。

图1 两种教室天然采光模式区分

由图1可知，集装箱教室可在两个侧面和顶面进行直接采光，普通教室从一侧直接采光，走廊一侧间接采光。

1.2 既有案例评析

集装箱教室的轻质带来了可移动、建造快等特性。集装箱教室尽可能做到天然采光，符合可持续发展的要求，减少人工光的比重也可加快施工速度，进一步提升教室可移动性(表1)。

表1 既有案例评析

2 集装箱教室的改造设计

2.1 箱型选择

1)常见集装箱尺寸见表2。据统计，中国主要使用类型②，即为IAA型集装箱(图2)，全新12 000元，废旧6 000元。

2)中小学教室最后一排到黑板的距离约8 m，类型③教室后空置空间太多。

表2 常见集装箱尺寸

图2 IAA型集装箱分解(CECS 334—2013《集装箱模块化组合房屋技术规程》)

2.2 教室初步设计

通过对教室功能及集装箱构造特点的综合分析，将两个IAA集装箱并置并打通长边，组合为一个教室单元进行改造，根据基本教室光学需求进行空间设计(图3)，并用Ecotect软件进行天然采光方案对比模拟。

图3 教室功能示意

2.3 工作面选择

中小学常见课桌型号以及选用范围见表3及表4。选取0.75 m高度作为工作面。

表3 课桌型号

表4 中小学课桌型号选用范围

3 教室的天然采光设计方案

采取3种常见开窗方式进行天然采光。玻地比严格按照国家1∶6的最低标准进行设计，切割出压型钢板作为遮阳构件。

需要说明的是，由于Ecotect软件模拟天光条件为全阴天漫射光，因此，遮阳构件不会对模拟数据产生影响。

3.1 普通开窗的采光模拟

采用普通中小学教室常见开窗模式(图4)，2×3个相同平行的矩形窗，各项指标经过长期检验，均匀度相对较好。

图4 普通开窗轴侧示意

3.2 带状开窗的采光模拟

从成品集装箱到可以天然采光的集装箱教室，切割压型钢板是必不可少的环节，两侧带状开窗可以减少切割工作量，减少热学和声学构造的施工难度(图5)。

图5 带状开窗轴侧示意

3.3 自由开窗的采光模拟

集装箱移动教室不一定作正常教学用，可以作为中小学社区娱乐中心等，开窗方式相对灵活(图6)，活泼自由的立面也符合青少年的心理需求。缺点是需要定制不同尺寸的窗户以及声热构造，提高造价，延长施工时间。

图6 自由开窗轴侧示意

4 采光设计方案的模拟与分析

参数设置：

1)研究对象为集装箱移动教室。

2)基本条件为 106.45 E，29.53 N，光气候第V区，K=1.20。

3)天空漫反射照度。保证室外天然光只有扩散光，避免烈日直射对不同开窗方式产生影响，在Ecotect软件中，天气状况设定为CIE，天空照度5 000 lx。

在同样的外界环境中，保证室内平面布置和开门相同，控制相同的总开窗面积(即相同的窗地比)，将开窗的位置以及大小作为研究变量，综合运用控制变量法和Ecotect仿真技术，主要仿真模拟3种不同开窗方式的采光情况，以及开窗位置和方式对室内自然采光的影响。

4.1 普通开窗

普通开窗如图7、图8所示。

图7 普通开窗立面示意

(a) 普通开窗采光系数平面分布

(b) 普通开窗采光系数平面叠合图

(c) 普通开窗采光系数剖面叠合图图8 普通开窗采光系数分布示意(ECOTECT软件模拟)

4.2 带状开窗

带状开窗效果如图9、图10所示。

图9 带状开窗立面示意

(a) 带状开窗采光系数平面分布图

(b) 带状开窗采光系数平面叠合图

(c) 带状开窗采光系数剖面叠合图图10 带状开窗采光系数分布示意(ECOTECT软件模拟)

4.3 自由开窗

自由开窗效果如图11、图12所示。

图11 自由开窗立面示意

(a) 自由开窗采光系数平面分布图

(b) 自由开窗采光系数平面叠合图

(c) 自由开窗采光系数剖面叠合图图12 自由开窗采光系数分布示意(ECOTECT软件模拟)

4.4 模拟结果分析

表5所列采光系数值适用于重庆的Ⅴ类光学气候区，在《中小学校设计规范》(GB 50099—2011)中规定普通教室采光系数在Ⅲ类光气候区最低值不小于2.0，与光气候系数K值1.20相乘结果为2.40，没能满足规范要求，实际工程中只需适当增大开窗面积即可满足规范要求。其他几项指标可以通过室内装修或者人工照明进行修正。

表5 3种开窗方式评估

从3种开窗方式采光系数分布中可见，常规开窗方式的采光系数(图7)临界范围是1.5%～21.5%(图8)，平均值为5.72%,天然采光系数最小值为1.5%，不能满足重庆普通教室≥2.40%的要求，而其余2种开窗方式亦难以满足要求，带状开窗(图9)的采光系数范围是1.8%～21.8%(图10)，自由开窗(图11)采光系数范围是1.7%～21.7%(图12)。3种情况比较来看，带状开窗方式无论是最低采光系数还是室内采光均匀度都优于其余2种。实验中开窗面积控制严格按照1∶6的玻地比设置，因此，出现最低采光系数均低于要求的数值，只需适当增加开窗面积便可以满足要求。

若只出于满足室内采光需求，带型连续开窗效率最高，但考虑到移动教室实际使用情况以及服务人群，可选择采用效率居中的自由开窗模式，既满足了趣味性的需求，也在采光效率上优于常规开窗方式。

3种开窗方式天然采光时，带状开窗的室内工作平面(距地面750 mm高)平均照度为294.89 lx，常规开窗平均照度为286.01 lx，而自由开窗的方式只有275.11 lx。由数据可知，在增大开窗面积后，自由开窗的方式需要更多考虑到人工照明的光源补充才能满足300 lx的工作平面照明需求，而带型开窗依旧是相对最理想，效率最高的开窗方式。

5 结 论

集装箱移动教室具有成本低，施工方便，灵活性高等优点，素质教育浪潮下小型移动教室拥有广阔前景。用Ecotect软件模拟天然采光，对比3种较为成熟的开窗方式，并对其进行定性与定量评估。平行窗、条形窗和自由窗，3种开窗方式各有优劣，实际运用中根据项目情况灵活选择。

集装箱移动教室可与绿色建筑相结合，既符合可持续发展的要求，同时，减少各种设备管道的铺设进一步提升教室移动性，也有利于集装箱建筑的工厂化生产。以照明为例，重庆春秋冬三季多阴雨天，传统的侧窗天然采光无法达到亮度要求，可采用发光天棚、导光管、太阳能光电系统等建筑构件辅助，既有利于建筑物理环境的改善，也给建筑形体塑造带来更多可能。

[1] 刘家平. 建筑物理[M]. 北京:中国建筑工业出版社，2009:3-4.

[2] 陈彦君. 基于侧窗形式的重庆地区高校普通教室天然采光研究[D]. 重庆:重庆大学，2014.

[3] 中华人民共和国住建部.建筑采光设计标准：GB 50033—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[4] 中华人民共和国住建部.中小学校设计规范：GB 50099—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[5] 中国工程建设标准化协会.集装箱模块化组合房屋技术规程：CECS 334—2013[S].北京：中国计划出版社，2013.

Study on Natural Lighting Design of the Container Mobile Classroom

GENG Yihan，REN Jie，PENG Xiangwei

(College of Architecture and Urban Planning，Chongqing University，Chongqing 400045，P.R. China)

Container constructions have the advantages of low cost, convenient construction, high flexibility and so on. Different from ordinary brick or frame structure classroom, container classroom can achieve more flexible and diverse functions. In this paper, we compare three kinds of mature natural lighting methods, and make qualitative and quantitative evaluation.

container;mobile classroom;natural lighting;evaluation and assumption

2017- 04-30 作者简介：耿一涵(1994-)，女，重庆大学建筑城规学院本科生。