导光管与采光天窗在建筑设计过程中的应用辨析

郑 岩 吴 江

(中国建筑技术集团,北京 100013)

0 引言

我国能源发展战略行动计划中提出要坚持“节约、清洁、安全”的战略方针，重点实施节约优先、立足国内、绿色低碳和创新驱动四大战略，加快构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系[1]。回溯近年来建筑业发展，高度不断增加，地下空间不断拓展，加之复杂形体的不断出现，照明作为建筑中主要能耗环节之一，增量明显，因而节能需求也日益迫切。

照明的节能措施众多，天然光导光系统是其中与建筑设计本身关系较密切的一种，主要指采用各种光学技术实现改变天然光传输方向，进而引导天然光对建筑空间进行照明的系统[2]。采光天窗和导光管系统均属此类，早期采光天窗应用较为广泛，近年来导光管系统逐步普及，多被称为取代前者的一种技术措施。诚然相比前者，导光管系统在相同照明效果下优点众多，但二者从采光原理到设计手法上均有诸多差异，属于适用范围不同而非产品迭代。基于此，本文从建筑设计自身需求出发，谈一谈两者的异同以及选用原则。

1 系统原理辨析

1.1 导光管系统

导光管系统工作原理是通过采光罩采集自然光线，经过导光管传输后，由漫射装置把自然光线照射到室内需要的地方，如图1所示。系统由屋面采光罩、防雨装置、导光管和室内漫射器四部分组成[3]。目前广泛应用于地下室、大进深公共建筑等空间。

导光管系统利用自然光，光源稳定显色性好，节约能源，并隔绝紫外线和红外线的不利影响。导光管传输效率高，材料全反射率达99.9%，传输距离最大可达20 m，还可以改变光照方向；室内照度均匀，无眩光与频闪。

1.2 采光天窗系统

采光天窗一般指建筑顶面天窗，基于建筑造型需求有各种形状——小到民居中的老虎窗，大到公共建筑中庭的采光顶。天窗具有采光效率高、体现自然光影变化、与外界景观互通、以及可设开启扇等优势。近年来采光天窗的技术更新主要包括智能化控制、密封性能提升、以及玻璃材料的优化等。

1.3 对比分析

1.3.1采光原理

采光天窗是光线的直射，与进入建筑内部的光线角度、范围，开口大小，结构和覆土的高度以及太阳高度角有关，如图2所示。开窗宽度越大，入射范围越大；覆土和结构的总厚度越大，入射范围越小；太阳高度角变化，入射光线也会随之变化。对于导光管系统，光线经多次折射由漫射器进入室内，光线照射角度与漫射器的自身性能有关，不受覆土及结构高度和太阳高度角变化的影响。

1.3.2构造作法

二者预留洞口的作法基本一致，如图3所示，顶部与外界交接处需注意保温与防水处理。此外导光管系统还需在洞壁安装埋件，以便安装导光管；室内漫射器在安装时还需注意与吊顶衔接，整体构造作法更为复杂。采光天窗的尺寸、造型更灵活，洞口可根据设计需要预留，二次设计中可再次分隔并选取开启扇。而导光管系统开洞尺寸取决于导光管的选择，直径在300 mm～2 500 mm区间[4](含安装宽度)，开口尺寸小，对顶面的影响较小。

1.3.3采光效果

采光天窗进入室内的光线主要是直射，亮暗界限比较清晰，明暗差异比较大；而导光管系统是漫反射，室内接近灯光效果，边界柔和，照亮范围更广。如图4所示地下车库中采用采光天窗和导光管系统的效果对比，导光管系统效果更好。

2 应用实例分析比较

基于以上对比分析，从空间、效果等设计要素出发，采光天窗主要应用在需要通透感或体现光影变化的空间位置；而导光管节能表现突出，主要优势在于传输距离远且方向可调。以下分别选取常见的三类空间实例，比较二者在实际应用中的适用性。

2.1 地下车库中的采光天窗与导光管系统

采光天窗构造简单，初期投入成本低，常用在住宅小区地下车库中。如图4a)所示，采光天窗作为对已有照明的补充，也成为地下车库与地面景观、建筑互通的开口，兼具通风功能；其地面开口也需与景观结合处理。

导光管系统初期投资大，多在公共建筑中有节能要求的车库内采用。如图5所示，宁夏回族自治区党委办公楼导光管系统采用平板采光罩，顶面与广场两侧的铺地平齐。日间车库内通过导光管系统采光，夜间导光管将车库内灯光引导到地面，作为夜景照明。

2.2 高大空间中的导光管系统与采光天窗

体育馆、展馆、厂房一类高大空间中，日间照明能耗较大，采光天窗会被其结构层遮挡，而导光管系统可以缓解这一矛盾，同时还可以避免眩光。如图6所示，屋顶中间两圈导光管作为场馆内日间照明的主要来源，增加其可利用自然光照明的空间比例，节约能源。

设计中需要营造通透的效果，且与室外景色相互呼应的时候，更多是采用采光天窗。如图7首都机场T3航站楼中的屋顶的三角形天窗，引入阳光的同时起到引导旅客行进方向的作用；天窗本身也成为建筑夜景鸟瞰中的重要细节。

2.3 展馆中的导光管系统与采光天窗

导光管系统可以应用在大型展馆中，以其柔和的效果，代替传统灯具作为展陈设计中的重点照明，突出展品或建筑造型细节等。如图8中展馆陈列区线型布置漫射器，既柔和又可以节能。利用其可以改变光线方向和远距离传输的特性，导光管系统还可以将光线引入到原本无采光条件的内部空间。

玻璃在展馆设计中历来是作为弱连接存在的，是建筑中虚的部分。在以形体塑造为主要设计原则的博物馆、展览馆建筑设计中，玻璃是造型和构图的重要元素。除此之外在展陈空间内部，采光天窗还可以起到与重点照明灯光一样的作用：如图9展厅中天窗设在展品顶部后侧，起到了强调与突出展品的作用。

3 总结

3.1 应用特点归纳

导光管系统与采光天窗同属天然光导光系统，是基于采光需求不同分异的技术措施。在某些情况下，导光管系统取代了采光天窗，解决需要采光但可开洞面积小，需要均匀采光效果，或覆土较深不利于采用天窗等一系列问题。而采光天窗在通透感，结构轻薄、通风功能等方面的特点，则是导光管系统不能取代的。二者在应用中各有所长，适用空间也略有区别(见表1)。

表1 采光天窗及导光管系统适用特点对比分析

二者相比，采光天窗在建筑设计中介入地更早，往往作为设计内容的一部分出现在造型设计阶段；而导光管的介入相对后置，是解决能耗增加的一种节能方案，这也是二者在参与设计过程时的最大区别。

3.2 设计导向策略

天然光采光系统的应用是与空间需求和设计概念相匹配的。

基于前文分析，采光天窗的应用在设计阶段就要予以考虑，要兼顾与整体空间造型上的虚实结合，以及通风采光需要。而导光管在体现节能贡献的同时，解决顶面环境紧凑、结构高大或覆土较深等带来的问题，且满足光源均匀的功能需求(见表2)。

表2 采光天窗及导光管系统选用要求

3.3 专业协作与评价

为达到更优的节能目标，在具体设计过程中要与电气专业密切配合，结合计算分析使自然采光与人工照明方相互补充。同时基于节能考虑，自然光采光系统也不是孤立存在的，与人工照明系统、调光控制系统等的复合设计与智能控制可以达到更好的节能效果，同时保证室内的光环境更加舒适。

对于自然光采光系统应用的标准如规模和效果上的量化要求，在国内国际绿色建筑评价标准中都有体现。如《北京市绿色建筑一星级施工图审查要点》，条款8.2.7改善室内天然采光效果中关于合理控制眩光、增加地下空间自然光采光面积等要求，条款11.2.9“建筑顶层全部采用导光管”作为被动节能措施参与创新评分[4]。LEED评价体系中的环境质量、创新部分对于可作为得分点的新技术定义和采用自然光照明比例都有具体要求[5]。

4 结语

导光管系统更偏向于节能为导向的细部设计，采光天窗更多与空间开敞性能相关，但两者都不仅是博眼球的噱头或是拿来主义的强塞，而是基于建筑设计的一种适应性技术措施。作为建筑师，首先要基于使用功能和设计概念的需求进行分析，选择相应的技术手段以实现之。当然，节能与创新，也是我们设计工作中重要的一环，在实际项目中的谨慎使用和细致设计尤为重要：我们应力求使其成为建筑中融合而又新颖的部分，而非可有可无的点缀。正如节能设计在建筑设计中所扮演的角色一样，使各种节能措施切实而恰如其分的应用其中，为整个建筑、以致整个社会的能源节约与健康发展贡献力所能及的力量。