基于实测及Radiance模拟的徽州传统天井民居光环境研究＊

段忠诚 黄晨辰 姚刚 DUAN Zhongcheng，HUANG Chenchen，YAO Gang

中国矿业大学建筑与设计学院

中国传统民居历史悠久，不同地区的历史、文化、经济与自然气候条件等对其发展都产生了重要影响。天井民居正是在徽州当地经济与气候等条件影响下形成的独特传统民居形式，其所蕴含的生态技术理念也值得我们深入研究并应用到现代建筑设计中。现阶段，国内学者为研究传统民居的气候适应性特点，对建筑室内物理环境进行了大量实测与分析，并探讨了传统民居各建筑要素对建筑室内物理环境的影响与改善措施。林波荣[1，2]、宋冰[3]、杨阳[4]、张坤[5]、陈晓扬[6]等人通过现场实测、计算机模拟等方法，对皖南传统民居内部热环境进行了定量研究，分析了室内热环境的特征及成因，并提出相应改善措施。何路路等人以安徽省黟县传统民居为例，运用Ecotect软件模拟分析了夏、冬两季气候条件下徽州民居各建筑要素对室内物理环境的影响[7]。石团团等人以徽州天井式公共建筑南湖书院为研究对象，通过软件模拟与实测分析了天井形态对室内采光效果的促进作用[8]。

虽然众多学者对传统民居室内物理环境的特征与成因进行了大量研究，但主要集中在热环境领域，对室内光环境领域的研究偏少，本文试图从该角度探讨天井对传统民居室内自然采光的影响。对徽州地区西递、豸峰和俞源三个村庄中的八栋传统天井民居进行调研，并对其室内光照度进行实测，再结合Radiance软件模拟，最后对实测及模拟的结果进行分析讨论。

1 村落概况

本研究选取的西递村（29.9°N 118°E）、豸峰村（29.28°N 117.67°E）和俞源村（28.77°N 119.66°E）位于徽州地区（图1）。三个村庄的经纬度较为接近，均处于夏热冬冷地区，周围多山，且附近都有水源便于村民饮用及盥洗。

三个村庄中有大量传统民居被完好地保存下来并沿用至今。由于徽州地区的村落地少人多，天井民居通常为2～3层[9]。民居以白墙灰瓦为主要特点且外墙开窗面积极小，高耸的马头墙为住户提供了安全、隔音与防火的保障。

天井民居建筑平面一般为对称布局，且都以天井为核心，周围三侧或四侧以房间围合。惇仁堂就是典型的以天井为核心、三侧房间包围天井的布局（图2）。调研的三个村庄中主要有三种建筑形式：三合院式天井民居、四合院式天井民居和H形天井民居（图3）。三合院式天井民居可被看作为原型；四合院式天井民居由两个三合院式的建筑面对面组合而成，并拥有一个共同的天井；H形天井民居则是两个三合院式建筑背靠背组合形成，并拥有两个独立的天井。三合院式天井民居在西递村和俞源村非常普遍，而H形天井民居主要集中在豸峰村。

2 研究方法

2.1 实地测量

本次研究在西递、豸峰和俞源三个村庄进行了为期10天的实地测量。首先，对八栋典型天井民居的尺寸进行了现场测绘，以便之后的软件模拟建模。其次，为了能够定量分析天井民居的自然采光情况，使用多功能环境表对天井民居室内均匀分布的测点的光照度进行测量。研究中对每个测点的光照度都进行了至少三组测量，并分别求取平均值作为最终的光照度值，以缩小误差。

随后将实测的各测点光照度换算成采光系数（Daylight Factor，简称DF），即在全阴天情况下，室内给定平面的一点由于天然光而产生的照度，与此刻室外无遮挡水平面上天空散射光所产生的光照度的比值。再对各区域内所有测点的采光系数求平均值作为该区域的平均采光系数（DFm）。研究使用Surfer软件，根据建筑底层各测点的采光系数生成等光系数曲线图。最后，为了使Radiance模拟更加贴近实际，还测量了民居内表面材料的反光系数（表1）。

2 惇仁堂天井

3 三种主要天井民居形式

4 天井区分布及天井长宽示意图

5 膺福堂一层等光系数曲线图

6 膺福堂一层离地1m处采光系数分布

7 膺福堂入口区域（浅灰）、公共区域（深灰）与厅堂区域（网格）分布

8 膺福堂天井与卧室开窗示意图

9 Radiance模拟膺福堂一层等光系数曲线图

表1 调研村庄中民居建筑材料的反光系数

表2 八个建筑的天井WI值与各区域采光系数DFm汇总表

2.2 软件模拟

研究利用实测的建筑尺寸数据在Ecotect软件中建立天井民居简化模型并导入至Radiance，在全阴天条件下分别对八栋建筑的天井区域进行采光模拟分析，比较WI对天井区域采光水平的影响。

2.3 术语的定义

对八栋天井民居建筑进行分析研究时所用到的术语，解释如下：

DFm代表天井区域的平均采光系数，DFm-r代表用Radiance模拟的天井区域的平均采光系数。WI代表光井指数（Well Index），描述天井入光口的面积与天井内表面积之间的关系[10]。

WI=H（W+L）/（2W·L）（L、W、H分别代表天井的长、宽、高）（图4）。

3 结果与讨论

3.1 天井民居采光分析及等光系数曲线图

以膺福堂为例，将实测数据利用Surfer软件生成等光系数曲线图（图5）。图6则显示了膺福堂建筑剖面与采光系数的关系。

实测结果显示，膺福堂天井区域、公共区域及厅堂区域（图7）的采光系数逐渐减小，平均值分别为10%，7.4%与1.9%。天井区域和公共区域的采光系数高于5%，效果较好；而厅堂区域和卧室采光很差，在卧室内部靠近窗户处的最大采光系数也仅为0.8%，远离窗户的区域几乎没有光线。这是因为传统天井民居马头墙较高且外墙开窗较小，天井成为建筑底层唯一的采光来源；卧室也只有一个朝向天井区的窗户提供采光，且该窗户还有装饰用的木栅格，遮挡了大量光线（图8）。

该研究使用Radiance软件模拟了八栋民居一层空间的光环境。以膺福堂为例，图9是其一层等光系数曲线图，采光系数值以天井区为中心，逐渐向四周衰减。采光系数最高值出现在天井区域（大于11%），其采光效果最好，公共区域其次，厅堂区域采光效果较差，这一规律与实测结果一致。相较于在实测基础上绘制的等光系数曲线图，模拟显示的曲线图中光线分布更加均匀对称。这是由于Radiance软件模拟时，室内各表面材料的反光系数是定值，所以光环境分布较为均匀。而实测时，即使是同一种材料，也会因为其不同位置的干净程度和损坏程度的不同等原因而导致其反光系数的不同；再加上实测时周围复杂的环境因素，如家具的摆放位置、植物的大小形状甚至测量者本身，都会对实测的结果产生影响。所以实测绘制出的光环境曲线图一般不会是均匀对称的。

3.2 WI对采光的影响

表2归纳了八栋天井民居建筑的WI值和天井区域平均采光系数实测及模拟值。为方便论述，分别对八栋建筑中的9个天井按照WI由小到大的顺序从W1至W9编号。图10显示了天井区域平均采光系数与民居的光井指数之间的关系。

10 DFm和DFm-r与光井指数WI的关系图

11 天井上方的遮阳布

表3 膺福堂模拟公共区域和厅堂区域平均采光系数与墙壁反射系数

表4 膺福堂模拟公共区域和厅堂区域平均采光系数与地面反射系数

从图10可以得出，第一，实测数据和模拟数据的基本规律是一致的，WI越大，天井形状越狭小或者距地面越高，天井区域的DFm值也随之减小。W1到W5随着WI增加，天井区域平均采光系数的实测及模拟值迅速下降，但均大于5%，故天井区域的采光状况良好；W6到W9随着WI增加，天井区域平均采光系数的实测及模拟值的下降幅度相对平缓，且均小于5%，尤其是W8和W9的DFm值都小于2%，天井区域的采光状况较差。第二，模拟的平均采光系数值虽与实测值较为接近，但大于实测值。主要原因是Radiance中的建筑模型稍有简化，家具物品、植物绿化等并未表示出来，而这些因素都对光照有一定吸收和削弱作用。

因此，综合实测和模拟结果，可以明显看出WI对天井光环境有着重要影响。当WI≤3时天井内的光环境较好，其平均采光系数大于5%，此时该传统民居的天井尺寸及比例较为优秀。这一结论对于现代中庭建筑同样适用。为了获得中庭及其周边房间更好的采光效果，中庭的光井指数WI也应控制在3以内。

3.3 室内采光优化策略

虽然光井指数WI对于徽州传统天井民居建筑的室内采光有着重要影响，但是对于现有徽州传统天井民居，其建筑尺寸已经确定，光井指数也无法变更。该如何改善建筑内部的采光水平，是本节的重点。

当天井的位置和尺寸确定时，获得的自然光入射量是确定的。因此要改善公共区域和厅堂区域的采光水平，只能通过增加反射光线来实现，而建筑内表面的反射系数直接决定了反射光的多少。以膺福堂为例，对其院内的采光系数进行模拟，验证内表面反射系数对建筑室内采光的影响。

由于膺福堂内部天井墙壁和地面的面积最大，对于地面采光水平的影响也较大，因此研究选取墙壁和地面作为影响因子。顶棚和门窗的面积较小，对采光水平的影响也较小，故忽略其影响。通过查阅资料可知墙面的反射系数一般在0.4～0.6之间，地面的反射系数在0.3～0.5之间，这与我们的实测结果一致。分别将墙壁和地面的反射系数作为变量，以0.05为步长取5个值，模拟公共区域和厅堂区域平均采光系数的值（表3，4）。

从模拟结果来看，墙壁与地面的反射系数越高，公共区域和厅堂区域平均采光系数也越高，总体呈现正相关趋势。因此，对于以豸峰村为代表的采光较差的天井民居，要想改善公共区域和厅堂区域的采光水平，可以用反射系数较高的材料装饰墙面和地面，并且保持墙面和地面的干净整洁。

具体来说，陈旧的马头墙内侧可用白色涂料重新粉刷，在木制隔墙表层重刷清漆，地面铺装改用浅色地砖，均能有效提高室内的采光水平。除此以外，模拟的采光系数普遍高于实测数据，因为室内有较多家具或杂物影响入射光线的反射，因此保持室内布置的简洁、减少杂物也有助于改善院内的采光水平。

而对于以俞源村为代表的采光较好的天井民居，主要问题在于夏季过多的阳光直射可能造成眩光。一种可行的做法是在天井上方悬挂白色布条遮阳（图11）。

4 结论

研究探讨了天井对传统民居自然采光的影响，通过定量分析对比得出以下结论：

（1）WI是决定天井民居室内采光好坏的重要指标，WI越大，天井的光环境越差。实测及模拟均证明：当WI≤3时，天井区域的光环境较好，其平均采光系数在5%以上。这一结论对现代中庭的建筑设计也具有一定指导意义。

（2）Radiance模拟与现场实测的结果基本一致，证明了Radiance在光环境模拟方面的可靠性。由于模拟过程采用了简化模型，模拟结果的数值略大于实测数值，天井光照度分布也更加均匀。

（3）传统天井民居的天井大小与位置已基本无法改变，因此部分采光较差的天井民居可以通过重新粉刷马头墙、用清漆刷木结构或简洁布置院落等增加天井内部反光系数的方式来改善天井内部的自然采光。夏季阳光强烈时，可以在天井上方悬挂白布进行遮阳，以避免眩光。