基于自然采光模拟的建筑平面设计优化分析

许浩天，石团团 ，沈念俊

（安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230032）

1 概述

自然采光是指通过合理布局建筑内部空间及设计围护结构透光部分（门、窗等）比例来让建筑获得自然光线的方法。自然采光良好的建筑，可以节约照明用电，同时保证人居舒适度；不分时间的一律采用人工照明，不仅不节能，对人的身心健康也会产生不利影响。

在超高层办公建筑中，往往由于核心筒的存在，建筑平面内区的自然采光不够理想，为解决此问题，就需要对其进行优化设计。在优化设计中，通过对自然采光的多次模拟分析，研究其采光系数及采光系数达标面积的变化，可以有效的使建筑平面往更好的方向进化。

本文以合肥市某超高层办公建筑为例，介绍其标准层平面通过自然采光模拟进行优化的过程。该建筑总建筑面积123644.93m2，其中，地上建筑面积105738.58m2，地下建筑面积 17906.35m2，地上 32层，核心筒结构。建筑1层为商铺，层高5.9m；2层以上为办公，层高4.5m；其中11层和22层为避难层，层高3.7m。建筑总高度143.8m。

2 建筑采光相关要求

2.1 采光系数要求

《建筑采光设计标准》（GB 50033-2013）关于办公建筑室内采光标准值的基本规定见表1[1]。

办公建筑的采光系数及室内天然光照度标准值 表1

光气候系数：本建筑所在的合肥市，处于IV级光气候区。

光气候系数K=1.10

室外天然光设计照度值Es=13500.0lx

光气候系数K值 表2

由上述可以得出，本建筑的采光系数要求如表3。

办公建筑侧面及顶部采光系数标准值 表3

2.2 绿色建筑对采光的要求

《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2014）中对建筑采光的相关要求有以下几点[2]。

“8.2.5 建筑主要功能房间具有良好的户外视野，评价分值为3分。对居住建筑，其与相邻建筑的直接间距超过18m；对公共建筑，其主要功能房间能通过外窗看到室外自然景观，无明显视线干扰。”

“8.2.6 主要功能房间的采光系数满足现行国家标准《建筑采光设计标准》（GB 50033）的要求，评价总分值为8分，并按下列规则评分。

①居住建筑：卧室、起居室的窗地面积比达到1/6，得 6分；达到1/5，得 8分。

②公共建筑：根据主要功能房间采光系数满足现行国家标准《建筑采光设计标准》（GB 50033）要求的面积比例，按表8.2.6的规则评分，最高得8分。”

公共建筑主要功能房间采光评分规则 表4

“8.2.7 改善建筑室内天然采光效果，评价总分值为14分，并按下列规则分别评分并累计。

①主要功能房间有合理的控制眩光措施，得6分；

②内区采光系数满足采光要求的面积比例达到60%，得4分；

③根据地下空间平均采光系数不小于0.5%的面积与首层地下室面积的比例，按表8.2.7的规则评分，最高得4分。”

地下空间采光评分规则 表5

3 建筑模型的建立

3.1 基本信息

城市：合肥（北纬 31.8。

7,东经 117.23。）

光气候区：IV区

建筑分类：公共建筑（办公）

建筑周边遮挡：无

朝向：南向

体形系数：0.09

建筑面积（地上）：105738.58m2

建筑层数：32

建筑物高度：143.80m

3.2 原理概要

依据《建筑采光设计标准》（GB 50033-2013），采光系数一般针对全阴天模型进行计算，全阴天就是天空完全由云层遮蔽的状态，这时的室外天然光全部视作天空扩散光，因此天空亮度的分布就会较为稳定，天顶亮度大约是地平线亮度的3倍。

在建筑室内，参考平面上的点，其采光系数可按以下公式计算。

全楼外窗（含透光幕墙）、外墙面积表 表6

图1 建筑轴测图模型

式中：

En——全阴天模型下的建筑室内某点由天空漫射光产生的照度值（lx）；

Ew——全阴天模型下与室内某点照度同地点、同时间，在无遮挡的室外水平面上由天空漫射光产生的室外照度值（lx）。

3.3 分析软件

使用软件：PKPM自然采光模拟软件。

计算采光系数时，此软件使用的是逐点照度模拟计算法。通过对工程模型各房间距地750mm高度处的平面按给定精度划分为网格，并输入室内材料、周边遮挡等对采光产生影响的参数，调用软件内部嵌入的美国Radiance计算内核，使用蒙特卡洛算法优化的反向光线追踪算法，对每个网格取一点进行迭代照度计算。将计算出的室内照度值En与室外照度值Ew的比值（百分比）作为该点的采光系数计算值。

3.4 参数设置

天空状态：全阴天

模拟依据：《建筑采光设计标准》（GB50033-2013）

《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2014）

网格与墙体间距为：200mm

模拟空间网格间距为：540mm

本工程划分网格数为：13618个

模拟范围：标准层（位于建筑2层）

室内材料：参考《全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇-建筑》表6.3.1的不同材料构造的光学性能参数参考值[3]及《建筑采光设计标准》（GB 50033-2013）中表5.0.4和附录D进行赋值计算分析。建筑的采光也取决于材料颜色、材质及表面状况，其决定了光的反射、投射以及吸收性能，模拟时依据工程的实际使用材料进行选值。

4 模拟及优化过程

4.1 第一版平面图模拟分析

建筑第一版平面图在内区设置了较多办公房间，内部两个中庭面积过小且形状狭窄，电梯间布置在建筑中间位置，室内采光效果极差，尤其是内区办公房间。

图2 第一版标准层平面图

图3 第一版标准层采光系数分布图（2层）

上述采光模拟结果可见，建筑2层采光系数达标面积比例仅16.5%；中庭至接近底层时，采光效果较差，中庭部分采光系数基本在1.5%以下，且电梯两侧的内区办公房间基本没有自然光射入，采光效果极差。

4.2 第二版平面图模拟分析

因上述第一版标准层平面采光模拟结果不佳，故对其进行优化调整，取消了全部内区办公房间设置，扩大了中庭面积，由此希望能够改善内区采光，并再次进行模拟分析。

第一版标准层采光系数达标面积比例汇总 表7

图4 第二版标准层平面图

图5 第二版标准层采光系数分布图（2层）

第二版标准层采光系数达标面积比例汇总 表8

上述采光模拟结果可见，建筑2层采光系数达标面积比例为19.6%，较第一版标准层平面有所提升，但整体达标面积比例依然偏低。

4.3 第三版（最终版）平面图模拟分析

第二版标准层平面采光模拟结果仍然不佳，再次对其进行优化调整，中庭优化为一个，布置于建筑中间位置，使其形状不再狭窄，且走廊靠近中庭部分设置外窗，增加走廊自然采光效果，同时，将电梯分散到中庭四角，也可以起到缩短行走流线的作用。

图6 第三版标准层平面图

进一步优化平面至第三版后，根据模拟结果，建筑2层采光系数达标面积比例达到了46.62%，此数值较第一版标准层平面提升了1.83倍，采光效果改善明显；且建筑2层中庭的采光系数提升至3%左右，采光效果亦较好。故采用此版标准层平面作为最终版设计并建设实施。

5 结论

通过对合肥市某超高层办公楼的标准层平面的自然采光模拟及两次修改优化，该建筑2层采光系数达标面积比例由第一版标准层的16.5%提升至最终版标准层的46.62%，提升幅度达1.83倍。由此可见，自然采光模拟对超高层办公建筑的平面图设计具有十分重要的作用，既是保证其人工环境舒适度的前提，也是其设计过程中进行针对性优化的有力手段。

图7 第三版标准层采光系数分布图（2层）

第三版标准层采光系数达标面积比例汇总 表9