基于DAYSIM软件的幼儿园生活单元天然采光优化设计

李天骄，傅 筱

(1.安徽农业大学林学与园林学院，安徽 合肥 230036; 2.南京大学建筑与城市规划学院，江苏 南京 210093)

引言

JGJ 39—2016《托儿所、幼儿园建筑设计规范》[1]的实施带来两点思考。一是，人如何能在幼儿园生活单元面积增大的情况下继续满足该规范的相关规定？二是，在幼儿园生活单元具体设计中出现遮挡物时如何满足天然采光的要求？当前在幼儿园建筑设计领域存在片面关注建筑造型与功能流线的倾向，而对于幼儿园建筑本身的天然采光设计缺乏定量的研究与系统的分析，在天然采光设计上存在盲目与不合理之处。幼儿园建筑是较为特殊的民用建筑类型，其特殊性源于幼儿身心健康成长对建筑环境的特殊需求，幼儿的特殊需求对幼儿园环境和功能空间提出了特殊要求[2]。我们知道，2～5岁阶段，人眼视觉发育最为旺盛。此阶段极易发生视力丧失，是视力保护的关键期；5～6岁阶段，儿童各项眼部生理功能形成并趋于稳固。婴幼儿阶段是视力发展和保护的最为关键时期，不良光环境的刺激将对他们视觉健康造成不可逆的负面影响，视觉刺激的缺失将导致无法形成完整的视觉功能[3]。

因此，研究幼儿园生活单元科学合理的天然采光建筑设计对于保护儿童视力起着重要的作用。

1 幼儿园生活单元的标准要求

生活单元是幼儿园建筑中的主体部分，为幼儿班级提供独立的生活使用空间，功能空间包括：活动室、寝室、卫生间、衣帽储藏间。无论幼儿园办园规模有何区别，上述四种空间都是必需的[4]。幼儿生活单元设计的核心内容就是妥善处理活动室、寝室、卫生间、衣帽储藏等功能空间的组合关系[5]。通过幼儿园实例的归纳分类，根据服务与被服务空间的相对位置不同，总结出常见的空间组合模式有A、B、C、D、E五种基本类型，如图1所示。

图1 幼儿生活单元典型空间组合模式Fig.1 Typical pattern of living units

目前我国与幼儿园生活单元天然采光相关的标准有《托儿所、幼儿园建筑设计规范》(JGJ 39—2016)、《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)、《健康建筑评价标准》(T/ASC 02—2016)。《托儿所、幼儿园建筑设计规范》5.1.1条规定：幼儿园的活动室、寝室应有直接天然采光和自然通风，其采光系数最低值为2%，窗地面积比为1/5[1]；《建筑采光设计标准》3.0.3条规定：对于Ⅳ采光等级参考平面上的侧面采光，采光系数标准值为2%[6]；《健康建筑评价标准》6.1.3.3条和6.1.3.5条分别规定：幼儿园的主要功能房间应保证75%的面积满足采光系数标准要求，侧面采光均匀度不应小于0.4[7]。这些规定是分析评价的标准和依据。

2 生活单元天然采光分析

2.1 生活单元研究模型建立

选取A型服务空间北侧模式，它的特点是活动室、寝室、两者竖向并列，布局紧凑，占据最佳朝向，为目前城市用地紧张情况下的生活单元主流模式。

寝室房间最小使用面积为60 m2、活动室房间最小使用面积为70 m2，单侧采光的活动室建筑进深不宜超过6.6 m[1]。按规范要求建立生活单元平面，寝室开间长为9.5 m、活动室开间长为11 m，进深为6.6 m，命名为A1型，如图2所示。

图2 A1型幼儿生活单元平面Fig.2 Plan of A1 type living unit

活动室、寝室最小净高为3 m[1]，考虑结构梁高度和室内装修厚度，按规范要求模型层高3.9 m设计。活动室窗台高度不宜大于0.6 m[1]，按规范要求建立模型窗台高0.6 m，窗高2.6 m。活动室和寝室的窗地比要求1∶5[1]，可计算出寝室的窗户面积为12 m2，活动室的窗户面积为14 m2，又根据上述窗高2.6 m，可以计算出寝室窗宽为4.8 m，活动室窗宽为5.6 m。根据以上研究数据，建立三维模型，如图 3所示。

图3 A1型幼儿生活单元轴测图Fig.3 Axonometric drawing of A1 type living unit

2.2 生活单元场地选择和日照控制

场地选择江苏南京某多高层混合社区幼儿园配套用地。基地呈长方形，正南北向，宽度为80 m，长度为130 m，位于社区的右下角，处于道路交叉口，适合设计两排生活单元组合模式幼儿园，如图4所示。

图4 生活单元研究场地Fig.4 Research site of Living unit

《托儿所、幼儿园建筑设计规范》中对室外活动场地和幼儿生活用房都有相应的日照要求。室外活动场地应有1/2以上的面积在标准建筑日照阴影线之外[1],则两排生活单元之间的受遮挡室外活动场地应满足这一规定。幼儿生活单元日照：托儿所、幼儿园的幼儿生活用房应布置在当地最好朝向，冬至日底层满窗日照不应小于3 h[1]，则后排受遮挡生活单元也应满足这一规定。综合这两点，通过天正日照软件按照规范日照标准来模拟分析。计算测得南北两侧生活单元之间的日照间距(L)最小为22 m，可以满足规范日照要求，如图5所示。这一数值是后续天然采光模拟分析的起点。

图5 建筑日照分析图Fig.5 Architectural sunshine analysis

2.3 生活单元模型组合和研究对象选择

根日照间距分析结果，将A1型生活单元按照两排十二班组合，每排6班，层数2层，层高3.9 m，走廊宽度2.5 m，右侧设置侧廊，前后排日照间距22 m；其余功能空间并不影响生活单元研究对象采光模拟，因此只建立生活单元部分模型，如图6所示。因为北侧生活单元受到南侧生活单元和右侧走廊的遮挡，带来的采光问题较为严峻，所以本次选取北侧一层右侧生活单元(A1右)作为研究对象，如图7所示。

图6 生活单元组合模型Fig.6 Living unit combination model

图7 生活单元研究对象Fig.7 Research object of Living unit

2.4 天然采光模拟软件及参数

先进的计算机模拟技术在天然采光设计上已经发挥着越来越重要的作用，但是市场上大部分天然采光模拟软件只能模拟特定光气候下每一个特定时间的室内天然光环境。近年来国外光环境学界等相关研究领域开始广泛关注新开发的全年动态天然采光模拟软件DAYSIM，该软件是基于Radiance的蒙特卡罗反向光线跟踪算法，并可根据当地的气候数据来动态模拟全年采光情况[8]。基于DAYSIM软件强大的模拟性能和数据输出能力，本次研究是通过ECOTECT软件建模，导入DAYSIM软件进行天然采光模拟分析，如图8所示。

图8 生活单元采光模拟计算模型Fig.8 Living unit daylighting simulation model

天然采光模拟计算涉及到当地的光气候条件是不可缺少的设置。DAYSIM软件使用的光气候参数Nanjing.wea(下载自CSWD中国标准气象数据库)，包含了南京当地的太阳辐射量、云量、天空照度等多个光气候参数，作为天然采光模拟的光气候参数较为合适。

幼儿园生活单元的的建筑构造从国家建筑标准设计图集《幼儿园建筑构造与设施》选用，相应建筑材料的计算参数从《建筑采光设计标准》的附录D采光计算进行选取。建筑玻璃选用双银Low-E中空玻璃(透射比为0.62)，楼地面选用浅色木地板(反射比为0.30)，墙面选用浅色乳胶漆涂料(反射比为0.70)，顶棚选用浅色乳胶漆涂料(反射比为0.70)[5]。

生活单元天然采光的模拟参考平面，选取距离室内地面0.6 m高度，主要考虑儿童身材尺度，大部分时间的室内学习和玩耍视线都在这个高度，幼儿园规范中的窗台高度也是这一高度，最后计算结果，采光系数分布即是在这一高度平面上。

2.5 生活单元研究对象采光模拟结果及问题

A1右研究对象的天然采光分析从采光系数标准值(Cave)、采光均匀度(U)和满足采光系数标准要求的房间面积比例(RA)三个方面切入。分析表1发现，采光系数标准值Cave=4.11%大于2%，符合《建筑采光设计标准》采光系数标准值的规定；采光均匀度U=0.146小于0.4，不符合《健康建筑评价标准》规定；满足采光系数标准要求的房间面积比例RA=56%小于75%，不符合《健康建筑评价标准》规定。

表1 A1右模拟计算结果

通过以上研究发现，即使严格按照《托儿所、幼儿园建筑设计规范》中的建筑、日照、窗地比规定进行设计，但是幼儿园生活单元的天然光环境指标RA、U并不能达到健康采光的要求。问题产生的原因包括：第一，研究所选取的对象位于两排生活单元的后排一层右侧，受到前排生活单元和侧廊的遮挡，遮挡降低了进光量，虽然生活单元的窗地面积比和单元之间的日照间距满足了《托儿所、幼儿园建筑设计规范》对于生活单元的建筑设计要求，但仍然不能满足研究对象的RA；第二，生活单元研究对象采用单侧采光，造成远离窗口照度下降较快，采光均匀度U较低。

3 生活单元天然采光建筑优化设计

3.1 天然采光建筑优化设计目标和方向

应用天然采光建筑优化设计策略，在满足建筑功能和场地日照要求基础上，同时可以满足生活单元健康采光的要求，为建筑师在幼儿园方案设计中提供参考，是本次优化设计的目标。

天然采光建筑优化设计有以下两个方向：第一，根据从采光系数的原理概念入手来直接增加进光数量，这产生了两个策略——扩大日照间距设计策略、增大窗地面积比设计策略；第二，从建筑空间的墙面、顶棚不同的方位，增加采光的途径以补充进光数量，有以下三种策略——内院侧窗设计策略、采光槽侧窗设计策略、采光井天窗设计策略。

3.2 天然采光建筑优化设计策略应用和评价

3.2.1 扩大日照间距设计策略

场地分析是采光设计策略的基础，自然采光策略应该在总体设计阶段就介入设计[9]。因此，在满足A1型生活单元基本日照间距(L=22 m)的基础之上，逐次增加日照间距L=22 m至25 m、28 m、31 m，如图9～图11所示。

图9 A1型生活单元组合平面图Fig.9 Combination plane of A1 type living unit

图10 A1右一层平面图Fig.10 Floor plan of A1 right

图11 A1右1-1剖面图Fig.11 Section 1-1 of A1 right

分析表2发现，在一定的日照间距范围内(22～31 m)应用扩大日照间距设计策略：第一，研究对象的Cave值和距离正相关，最大值4.25%超过《建筑采光设计标准》采光系数标准值规定2%的要求；第二，研究对象的RA值和距离正相关，有着增加趋势，最大值61%没有达到《健康建筑评价标准》规定75%的要求；第三，研究对象的U值和距离正相关，有一定的上升趋势，最大值0.188没有达到《健康建筑评价标准》规定的0.4的要求。

表2 A1右扩大日照间距优化设计模拟计算结果

3.2.2 单侧增大窗地面积比设计策略

在满足《托儿所、幼儿园建筑设计规范》活动室、寝室，窗地面积比1/5，日照间距(L=22 m)的基础之上，保持窗台高度和窗户高度不变，增加窗户宽度，逐次增大原窗地面积比1/5至1/4.5、1/4，如图12～图14所示。

图12 A1型生活单元组合平面图Fig.12 Combination plane of A1 type living unit

图13 A1右一层平面图Fig.13 Floor plan of A1 right

图14 A1右1-1剖面图Fig.14 Section 1-1 of A1 right

分析表3发现在一定的窗地面积比变化范围内(1/5～1/4)，应用增大窗地面积比设计策略：第一，研究对象的Cave值和窗地面积比正相关，最大值6.33%超过《建筑采光设计标准》系数标准值2%的要求；第二，研究对象的RA值和窗地面积比正相关，有着明显增加趋势，增幅有40%，最大值96%超过《健康建筑评价标准》规定值75%的要求；第三，研究对象的U值和窗地面积比正相关，有一定的上升趋势，最大值0.190没有达到《健康建筑评价标准》规定值0.4的要求。

表3 A1右增大窗地面积比优化设计模拟计算结果

3.2.3 采光槽侧窗设计策略：6.6 m进深生活单元

在6.6 m进深生活单元之间分别植入宽度2 m、3 m、4 m的采光槽,然后在寝室、活动室相邻采光槽的侧墙上增设侧窗C4826，间接引入天然光，如图 15～图17所示。

图15 A1型生活单元组合平面图Fig.15 Combination plane of A1 type living unit

图16 A1右一层平面图Fig.16 Floor plan of A1 right

图17 A1右1-1剖面图Fig.17 Section 1-1 of A1 right

分析表4发现在一定的采光槽宽度范围内(0～4 m)，应用采光槽侧窗优化设计策略：第一，研究对象的Cave值和采光槽宽度正相关，最大值6.27%超过《建筑采光设计标准》采光系数标准值2%的要求；第二，研究对象的RA值和采光槽宽度正相关，有着增加趋势，在(0～2 m)范围内，有着明显的增加趋势，增幅有25%，而在(2～4 m)范围内，增加趋势已经不明显，最大值93%达到《健康建筑评价标准》规定75%的要求；第三，研究对象的U值和采光槽宽度负相关，有波动的下降趋势其中最大值0.183没有达到《健康建筑评价标准》规定的0.4的要求。

表4 A1右采光槽侧窗优化设计模拟计算结果

3.2.4 采光槽侧窗设计策略：9.0 m进深生活单元

考虑不同场地布置的情况,譬如场地东西方向宽度较为局限，在寝室60 m2和活动室70 m2的相同设计条件下，尝试选择9.0米进深的生活单元(A1左9.0、A1中9.0、A1右9.0)，调节生活单元开间宽度，适应场地的变化；相对于6.6 m进深生活单元，9.0 m进深生活单元对RA和U的影响是不同的，下文对这9.0 m进深的生活单元进行采光优化设计研究。

策略应用：在9.0 m进深生活单元之间分别植入宽度2 m、3 m、4 m的采光槽,然后在寝室、活动室相邻采光槽的侧墙上增设侧窗C4826，间接引入天然光，如图 18～图20所示。

图18 A1型生活单元组合平面图Fig.18 Combination plane of A1 type living unit

图19 A1右一层平面图Fig.19 Floor plan of A1 right

图20 A1右1-1剖面图Fig.20 Section 1-1 of A1 right

分析表5发现在一定的采光槽宽度范围内(0～4 m)，应用采光槽侧窗优化设计策略：第一，研究对象的Cave值和采光槽宽度正相关，有着增加趋势，最大值6.24%超过《建筑采光设计标准》采光系数标准值2%的要求；第二，研究对象的RA值和采光槽宽度正相关，有着增加趋势，在(0～2 m)范围内，有着明显的增加趋势，增幅有21%，而在(2～4 m)范围内，依然有着明显的增加趋势，增幅有17%，最大值90%达到《健康建筑评价标准》规定75%的要求；第三，研究对象的U值和采光槽宽度正相关，有波动的上升趋势，其中最大值0.246没有达到《健康建筑评价标准》规定0.4的要求。

表5 A1右采光槽侧窗优化设计模拟计算结果

3.2.5 内院侧窗设计策略

在寝室和活动室北侧植入长宽75 m×33 m的内院，寝室、活动室均可围绕内院增加侧窗来补充天然光，如图 21～图23所示。

图21 A1型生活单元组合平面图Fig.21 Combination plane of A1 type living unit

图22 A1右一层平面图Fig.22 Floor plan of A1 right

图23 A1右1-1剖面图Fig.23 Section 1-1 of A1 right

分析表6发现：第一，研究对象的Cave值达到4.99%超过《建筑采光设计标准》采光系数标准值2%的要求；第二，研究对象的RA值达到84%超过《健康建筑评价标准》规定75%的要求；第三，研究对象的U值达到0.200，但仍不满足《健康建筑评价标准》规定0.4的要求。

3.2.6 采光井天窗设计策略

策略应用：在二层的寝室和活动室北侧植入长宽33 m×30 m的采光井,一层寝室、活动室可以通过采光井底部设置的天窗(TC2831)，直接收集天然光，如图 24～图27所示。

表6 A1右内院侧窗优化设计模拟计算结果

图24 A1型生活单元组合平面图Fig.24 Combination plane of A1 type living unit

图25 A1右一层平面图Fig.25 Floor plan of A1 right

图26 A1右二层平面图Fig.26 Second floor plane of A1 right

图27 A1右1-1剖面图Fig.27 Section 1-1 of A1 right

分析表7发现：第一，研究对象的Cave值达到5.27%超过《建筑采光设计标准》采光系数标准值2%的要求；第二，研究对象的RA值达到87%超过《健康建筑评价标准》规定75%的要求；第三，研究对象的U值达到0.190，但仍不满足《健康建筑评价标准》规定0.4的要求。

3.3 天然采光建筑优化设计总结

通过A1型生活单元的采光优化设计研究发现，采光优化设计的效果，受到优化设计策略的方式和尺度等多个因素的影响。

表7 A1右采光井天窗优化设计模拟计算结果

第一，通过以上研究可以概括这些优化策略的特点，如表8所示。

第二，生活单元尺度的影响。生活单元进深对RA和U的影响是最直接的内因，但并非说进深超过6.6 m就不可以用或者不好，通过采光槽侧窗设计策略的研究，可以看出进深为9.0 m的生活单元，相对于6.6 m进深的生活单元有着更好的RA和U。在用地集约的情况下，进深为9.0 m生活单元更值得推广。

表8 天然采光建筑优化设计策略

4 结束语

科学合理的理论探索将会为未来的幼儿园功能设计提供一定的参考[10]。

我们通过对A1型生活单元应用各种天然采光优化设计策略分析模拟，得到Cave、RA、U及组合平面尺寸的具体数据并评价分析，为建筑师在幼儿园生活单元前期建筑方案设计时提供参考。从建筑设计的角度，这在一定程度上解决了地块尺寸较为狭小和出现遮挡的情况下幼儿园生活单元健康采光的问题，也是对《托儿所、幼儿园建筑设计规范》有关天然采光和建筑日照规定的补充与探索。

本次研究选择Cave、RA、U作为研究评价标准，因为它们是国家规范明确规定的采光评价指标，且简单易用，很适合建筑师方案设计时使用。随着天然采光研究的发展，国际上有着很多新的评价标准，它们各有特点，丰富了天然采光评价标准[11]。在幼儿园天然采光研究中可以尝试使用这些新的评价标准。

我国幼儿园建筑空间环境的研究从单学科研究发展为多学科交叉的综合研究，涉及心理、行为、教育、城乡规划等多个学科[12]。因此，未来幼儿园建筑天然采光研究应当注重学科交叉融合的趋势。