天津市养老机构建筑采光模拟与分析

边菁华，李　伟，刘奕杉，曹　磊

（1.天津城建大学，天津 300384；2.中天建设集团有限公司天津分公司，天津 300070）

随着经济社会的发展，我国老年人口迅速增加，中国已经步入老年社会[1].机构养老作为重要的养老方式，近年来也越来越为人们所接受[2].经过多年的研究实践，我国养老机构的建筑理论研究和工程实践经验有所发展，但仍有较大发展空间.养老机构建筑室内光环境作为建筑室内物理环境的重要方面，近年来得到了建筑设计者的关注.老年人由于其生理和心理的需求，对建筑室内采光环境具有特殊的要求[3].虽然关于建筑采光的标准不断完善[4-5]，但由于规范并未针对老年人的特殊需求对养老机构建筑采光作出详尽规定，因此在此类建筑设计中缺乏有效指导.

本文通过对天津市养老机构建筑进行实地调研，掌握了养老机构建筑采光现状和老年人对采光的需求，并通过建筑采光计算机模拟软件探索了养老机构建筑采光设计优化策略，为编制该类建筑的设计规范提供数据支撑.

1　天津市养老机构现状调研

本文对天津市第一老年公寓、天津市北辰区爱馨瑞景园老年公寓等7所养老机构进行了调研，共发放问卷54份，其中有效问卷为45份，问卷有效率达到87%.调研内容主要包括养老机构的建筑信息、居住老人的基本情况和行为习惯、养老机构内主要空间的建筑采光情况，调研方法参照相关测试标准.

1.1　养老机构老年人行为模式

养老机构内老人根据活动能力分为自理老人、介助老人、介护老人.不同老人的活动能力、活动范围、对机构内空间的利用不同.自理老人身体较为健康，行动能力较强，日常生活基本能够自理；介助老人年龄较大，自身的器官衰退，心理和生理都需要帮助，往往需要助行架和轮椅等设施的帮助并由专人看护.图1为调研过程中得到的不同活动能力的老人日间活动的时间节点和场所的统计图.

图1　不同活动能力老人的日间活动调研结果统计

由图1可见，养老机构老人夜间睡眠时间较短，大多早上06：30左右都已起床洗漱，进行1个小时的早间活动后开始早餐.自理老人多在餐厅用餐，介助老人由于行动能力有限，早间活动和早餐多在居室内进行.上午3个小时时间根据个人兴趣爱好会进行相应的活动，室内活动主要集中在报刊室、棋牌室、健身房（或室外健身长廊）、书画室等公共空间：有自理能力的老人多会选择室外散步、晒太阳（尤其是天气晴好的冬日），此时间段内公共活动区域较为活跃；介助老人则多在室内公共空间活动，少数人在医护人员帮助下到室外活动.由于老年人夜间睡眠时间减少，下午这个时间段的睡眠压力较大，尤其是在炎热的夏季，1个小时午饭过后，老人多需通过午睡补充睡眠.15：00-17：30的近3个小时时间为下午活动时间，活动空间多在以上公共空间，也有部分人会选择在居室内活动.晚饭后，老人多会在自己的居室中活动，直至睡觉.介护老人多患有疾病，需躺在床上修养，活动范围更小，因此大部分活动均在居室内进行.

由上述分析可见，老人的日间活动主要集中在居室、餐厅、活动室、健身房等公共空间，应关注这些区域的室内采光环境.

1.2　机构内建筑光环境现状调研分析

为了更好地研究机构内建筑采光效果，减少测量误差，本文以照度计测量得到的各主要功能空间照度数值为依据，计算各主要功能空间的采光系数平均值，并与《采光测量方法》[6]中的标准值进行比较，来反应机构内建筑采光效果.功能房间采光系数平均值计算公式为

式中：C为功能房间采光系数平均值；Ein为功能房间测量点由直接或间接地接受来自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而产生的照度，lux；Eiw为功能房间同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度值，lux；m为同一功能房间的测量点数.

表1为所调研养老机构各功能空间采光系数计算结果与标准要求对比情况.其中望园老人院的卫生间形式为公共卫生间，因此其采光系数数据未在表中列出.由于同一养老机构的卧室朝向形状较为相似，其建筑采光系数差别较小，因此本文对于调研得到的同一养老机构多个卧室的采光系数数值取平均数作为卧室的采光系数，与规范数值进行比较.

养老机构建筑的餐厅参照GB50033—2013《建筑采光设计标准》规范4.0.10节中关于旅馆建筑餐厅的采光标准.养老机构中一些读书、绘画的活动空间采光系数可参照规范中阅览室的采光标准，但采光要求应相应降低，故取为2.0%.规范中没有养老机构中活动室的相应规定，由于活动室中的活动多不需要太高的采光要求，因此参考健身房，将采光系数标准设定为2.0%.

由表1可知，由于各功能空间的采光情况和规范要求不同，因此满足标准要求的情况也不同.其中卧室、活动室、餐厅、健身房的采光系数较高，远超规范要求，调研中也发现餐厅、活动室多开设大面积玻璃窗，因此具有较好的采光效果；医疗室采光系数要求较高，有两个机构未能满足要求；卫生间受建筑结构影响较大，卧室与卫生间之间采用玻璃分隔的，采光效果较好，采用砌块墙体的，采光效果较差，甚至全天都需要使用人工照明补充采光，因此调研中未有老人反应采光不够的问题；走廊为单廊的养老院，走廊内采光充足，而近半数的养老院走廊采光系数较低.

表1　各功能空间采光系数计算结果与标准要求对比　%

在主观调研部分，养老机构老人对建筑整体光环境非常满意的人数占22%，选择较满意和一般满意的人较多，占76%.不满意的主要原因是由于走廊较长，仅在走廊尽端开有两扇窗，尽端较亮，走廊中间区域较暗，易形成眩光，造成老人视觉不适.调研中还发现，虽然大部分功能空间整体采光数量能够满足老人活动需求，但有些空间由于开窗面积较大等原因，造成了眩光等问题，如主要卧室、走廊等空间.

2　养老机构建筑采光环境现状模拟

2.1　标准模型建立

2.1.1主要功能空间

为使模型具有更高的代表性，对所调研的7所养老机构的功能空间进行统计，得到模型必须设置的空间.统计结果显示，卧室（标准间）、医疗室、餐厅、活动室为养老机构基本的功能空间，所调研的7家养老机构均具有这些功能空间；其他的功能空间受规模、成本的影响，仅部分机构具有.由于具有居住功能的卧室是养老机构的核心功能空间，且其形式较为规整，在保证模型准确性的基础上，为尽量简化模型，降低建模难度，本文仅建立居室空间的模型，并统计分析其采光情况.

2.1.2空间的尺寸

由于不同年代建成的养老机构建筑的设计风格、设计理念不同，导致建筑内部空间的形状和尺寸也有较大差异.为使得到的建筑模型的尺寸具有代表性，本文通过对所调研的养老机构的建筑尺寸信息进行统计，选取各养老机构中居室空间尺寸的平均数作为该功能空间的尺寸.考虑到实际测量中的测量误差，并结合实际建模的需要，对卧室房间尺寸进行细微的调整.统计结果如表2所示.

表2　建筑模型功能空间尺寸

依据以上统计结果，并结合建筑的实际使用情况，添加楼梯间、公共卫生间等空间，绘制建筑模型平面图及三维模型（见图2）.

2.2　光环境现状模拟

美国伯克利实验室开发的专业计算机光学模拟软件Radianc是目前国际公认的能够较为精确地模拟室内天然采光的光学模拟软件[7-8].该软件使用采样及反向光线追踪法，对光线的处理全面，涉及了直射、镜面和漫射的非直接3种情况.为了获得更加精确的计算结果，它设有二次光源处理部位，即采光口.同时Radiance在渲染功能上可谓十分优质，它可以在短时间内用蒙特卡落的光线追踪法得到建筑场景渲染图.由于以上几点优势，Radianc在国内外的建筑采光模拟研究中得到了广泛的应用[9].本文主要使用IES中关于采光分析的模块Radiance IES和FlucsDL对养老机构建筑自然采光情况进行模拟分析.采光分为自然采光和间接采光，本文着重分析室内自然采光，即对直接或间接射入室内的天空漫射光进行模拟，因此应选取全阴天模式进行采光模拟.

图2　养老机构标准模型示意

模拟的边界参数根据实地调研和各种关于建筑材料表面反射率资料设定[10].调研中所有养老机构墙面和顶面均为白色粉刷，室内地面多为木色纹理饰面，因此本次模拟设定室内墙面及顶棚表面为普通白色粉刷，反射率为0.75；地面为木色纹理地板，反射率为0.36；窗为普通玻璃，结合现场测试数值，透射率设定为0.75.根据建筑采光设计标准的规定[4]，采光参考平面取距地面0.75 m.

在Radiance IES中建立模型并赋予模型边界条件后进行运算，得到标准模型的建筑采光效果.图3为养老机构建筑标准模型居室平面的模拟等照度曲线图，由图3可见各空间的采光情况差别较大，基本规律都是随着距采光口距离的增大，照度值逐渐减小.各个房间在采光口处照度值可达3 000 lux以上，而走道尽端采光口处的照度最大值为1 100 lux左右，而远离窗口位置的照度值低于100 lux.

图3　标准模型居室采光模拟结果

采光系数和照度值能够较好地反映室内采光数量情况，照度均匀度则是采光质量的重要方面，数值过大或过小均不能满足使用的要求.通过以上3个参数即能很好地评价室内采光情况.表3为模拟结果的具体数值.由表3可见，南向卧室各房间平均采光系数达到3.3%，平均照度为408.7 lux，远超规范规定的2%和300 lux；南向起居室由于窗地比更大，开窗面积也大，因此其平均采光系数达到3.5%，平均照度值430.9 lux，同样超过规范要求；走廊区域虽然其平均采光系数和平均照度能够满足要求，但由于其空间较长，其照度均匀度只有0.01，远小于其他功能空间，在窗口位置易形成眩光等问题.

表3　标准模型居室模拟数值结果

以其中一间南向房间为例，对其室内采光情况进行详细分析，如图4所示.

图4　南向房间采光环境模拟结果

由图4可见，南向卧室房间整体照度较大，靠近采光口位置形成一个区域的光斑，中心区域照度值≥1 000 lux，在侧墙靠近窗的位置也有两处位置照度明显较高，照度值≥480 lux，而采光口处的墙体照度值则在60 lux左右，形成较大反差，极易形成眩光.

3　养老机构建筑采光优化设计模拟

由现状模拟结果可知，现有标准模型的建筑采光数量较为充足，而采光质量较差.由于建筑采光与外窗的形式密切相关，为减少变量，在探索过程中保持原有窗户面积不变，在此基础上改变外窗的其他参数，对养老机构建筑采光效果进行优化.将不同优化方案的三维模型和采光模拟结果列于图5.

由图5可见，不同优化策略的优化效果并不相同.为进一步比较，将优化前后采光效果具体数值列于表4.

图5　不同优化策略采光模拟结果

表4　不同优化策略采光效果对比

由表4可见，加设阳台后，虽然室内采光均匀度提高，但其室内采光系数和照度值急剧下降，无法满足使用功能的要求.在保持外窗面积不变的情况下，将外窗改为双窗，采光数量略有下降，均匀度增大.在此基础上通过加设高窗、加导光板的措施进一步提高室内的采光均匀度，减低室内照度.由表4中数据可见，当加设0.5 m朝内的导光板后，卧室内采光系数为2.5%，与《建筑采光设计标准》要求数值最为接近，照度均匀度为0.13也满足要求.

4　结论

通过对天津市典型养老机构的实地调研，了解了天津市养老机构建筑采光现状和老年人的实际使用需求，建立了养老机构建筑的标准模型，结合模拟结果，掌握了养老机构建筑室内采光现状的主要问题：养老机构居室内采光数量充足，且远超规范规定数值要求，但照度均匀度较小；养老机构走廊内照度数值能够满足规范要求，但照度均匀度极低，无法满足使用功能.

针对以上问题，通过改变外窗的形式，对室内采光设计进行优化，并使用软件模拟改进后的室内采光效果：在外窗外加设阳台并不能够改善室内采光环境，相反会大幅降低室内采光数量；在外窗面积不变的情况下，将外窗改为双窗，加设高窗和导光板都能在保证室内采光系数的情况下，提高采光质量.在以上基础上，加设朝内的0.5 m的导光板后，室内采光系数最接近规范规定数值，且能达到较高的照度均匀度，为老年人提供较好的室内光环境.