生态建筑的材质对自然光的影响研究

肖迎蕾

（武汉工程大学艺术设计学院 湖北武汉 430000）

在建筑设计中，自然光的合理应用是建筑可持续发展的必要途径，也是将现代建筑与自然元素的高度结合的重要手段。在满足人类对生活和居住要求的同时，也促进了现代建筑的可持续发展。如今，新的建筑材质、结构工艺、施工方式的大量出现，使现代建筑形式拥有了更多改变和可能性。现在的自然采光技术中使用了大量的新材料和新技术。在优秀的生态建筑案例中，自然采光的设计将会涉及到很多学科和领域，也需要多个方面的技术配合才能实现。除了建筑学的相关内容，还会涉及材料学、光学、机械学、自动控制等其他学科领域。

1 自然光在生态建筑中的作用

1.1 自然光有助于调节室内环境

建筑的自然采光是生态建筑中的重要组成部分，自然光对调节室内环境有着不可或缺的作用。由于自然光具备照度平均、眩光小、光色好、持久性好的特点，它在对展现建筑艺术的塑造、体现材料的质感、真实反映建筑物体的外形特征、渲染室内环境的气氛以及美化环境和实施构图技巧等都很重要。我们可以根据空间和物体对采光的不同需求，对光照进行人为的控制，还可以达到不一样的光照效果。

1.2 自然光有助于人们的身心健康和提高工作效率

自然光照也是提高人们健康和身心感受的重要原因之一，它可以用于治疗特殊疾病或者为人们提供视觉上的抚慰，在医院的建筑中的作用非常明显。同时它还有可以提高工作效率的作用。据研究表明，如果在办公室通过采用高质量的自然光进行照明，员工的工作效率能得到显著的提高（可提高15%），并且员工的矿工率也会大大降低。同理，在教学环境中运用自然采光，对学生的身心健康和学习效率也有很大的益处。

1.3 自然采光能够减少建筑耗能

从生态建筑设计的角度来讲，自然采光还能够减少建筑的耗能，从而减少对环境的损害。根据统计表明，在发达国家照明所消耗的能源超过了总耗能的9%，就我国发达地区，每年在照明上消耗能源约占总耗能的6%～9%。由于大部分建筑中都是以人工照明为主，因此每年建筑总耗能中约有30%～50%都是人工照明所消耗。如果能合理设计，自然光完全可以为建筑室内提供高质量的照明，可以大大减少人工造照明的能耗。自然光在给室内提供照明的同时还具有调节室内的温度的作用，尤其是在高纬度地区，在建筑的设计上用来调节室内温度的主要手段就是自然光引入，这样可以减少室内暖气的使用量，减少耗能。自然光与现代建筑的相结合也正是现在所倡导的低碳节能的设计理念和可持续发展战略。

2 自然光在生态建筑中的运用

2.1 直接自然采光

在建造房屋时，为了获得自然光源人们会在建筑物的墙壁和屋顶上设计各种形式的洞口，并安装上透光率较好的材料（如玻璃和有机玻璃），用来防止风雨雪的侵袭，装有这些材质的窗口被称之为采光口。除了采光窗口之外，现代建筑中还会采用玻璃幕墙进行直接采光的方式。如今高层的玻璃幕墙建筑已成为城市中不可阻挡的趋势和主流，玻璃幕墙改变了传统建筑外墙的形式，减少了钢材和混凝土的使用，这对于降低建筑材料的高能耗，达到节能降耗和节约资源的目的非常有帮助。另外，玻璃幕墙是能够再循环利用的，这也符合环保的条件。

2.2 光导照明

对于一些不能使用自然光直接照明的区域，可以采用光导照明的方式。近些年来，在国外兴起了一种新型的照明装置——自然光导照明系统。该装置能把太阳光线重新分配后再进行传输，能把室外的光线传输到室内任何需要自然光的地方，来获得自然光带来的特殊照明效果。

3 建筑的材质对光线的影响

自然光是在建筑设计中表现材质特征设计好坏的关键点。每种材料都有其自身的特质，这决定了它有自己最佳的表达方式。设计师的目的是创造出一个舒适的光环境并展现建筑的材质特性，以达到一种艺术效果。

3.1 玻璃材质

玻璃材质由于它的采光效果好，是在现代建筑中使用最为普遍的建筑材质之一。选择合适的玻璃材质对建筑自然采光和建筑保温节能都是至关重要的。玻璃材料多种多样，其中透明玻璃是最常见的，它价格便宜且具可见光透过率较高，能获得较多的光线，但透明玻璃具有较高的导热系数和遮阳系数，并且保温和隔热性能较差，如果长期用于建筑的门窗处，它的耗能约占建筑总耗能的50%，不利于节能。而吸热玻璃是一种能透光可见，吸收热辐射，防止一定热辐射透过的玻璃。其主要的特点是吸收太阳光谱中的辐射热，降低空调的冷负荷；使刺眼的光线变得柔和舒适，具有良好的防眩效果，吸收太阳光谱中的紫外线光能，减少紫外线对人体和室内物品的伤害。热反射玻璃的热反射能力很强，防止太阳辐射非常有效，该玻璃有多种颜色可供选择，透光性较弱，可用于需要解决高亮度比引起的眩光问题的建筑物上，也可用于避免太阳辐射较大所引起的空调冷负荷增加的区域。玻璃材质中还包括玻璃砖，当光线透过玻璃砖，使原本强烈的直射光线失去了原本的方向并且变得模糊，但阳光仍然可以照射进来充满整个空间，同时也减少了光污染，营造出一种温馨柔和的空间感觉。光线的柔和效果使空间结构失去了体量感。建筑的内部空间和相对比较暗淡的空间，玻璃砖就在中间起到了光源作用，把原本刺眼的光线变得柔和了，感觉不到是光线发挥的作用，而是玻璃砖自己像是一块块晶莹剔透的发光体。

3.2 木材

木材不能被称之为光敏感材料，它的美在于当它沉浸在光环境之中时能传达给人一种温暖的感觉。木材自身的颜色和纹理就很多样，当光线打到它的表面时，它们就开始相互作用，光线似乎可以渗透到木材上，使木材产生一种很有光泽，又很柔和的效果，同时光线照射在木材的表面时，好像也能被木材吸收了，使之变得温暖、致密，具有充分的表现力。

3.3 金属材料

金属是一种光敏材料，任何光线的变化都会在上面迅速得到反应。在阳光充裕的地区，阳光打在抛光金属上，往往会产生很多的眩光和刺眼的光线，造成一定的光污染，使用起来要十分的谨慎。目前，在建筑中我们更多采用的是磨砂金属表面，这种材料更加的舒缓，让人感觉很舒服，可以看成是一个表面上产生均匀连续的效果，但是金属本身特有的活性几乎丧失，其个性和采光的敏感性也相对减弱。金属还有很强的可塑性，造型多变，它被广泛用作现代生态建筑的表皮。如：比尔与美琳达盖茨大楼就巧妙运用了金属材料，建筑物的某些区域被可开合的多孔玻璃隔开，并覆盖有多孔不锈钢板在其外侧，当阳光普照时，直射光可以转换为漫射柔和的光，同时也安装了可以控制光质的三维墙多孔不锈钢板幕墙，即阻挡了直射光线又保证了视野。

4 新型的建筑材料对采光的影响

4.1 膜材料

膜结构通常由高强度和柔性膜材料制成，其具有良好的抗拉伸强度、抗撕裂强度、耐热性和耐久性。其中ETFE薄膜是一种非纤维编织物基材的材质，也是膜结构中最常用的高性能材料。不同颜色得ETFE膜有不同的透光率，透明膜的透光率在90%～95%之间，一般超白玻璃透光率在92%，而普通玻璃为86%。例如，德国慕尼黑的安联球场就大量采用了这种新型的膜材料，整个建筑外部区域都是由光滑且可扩展的ETFE膜材料制成，每到夜幕降临时，可以发出不同颜色的光。这个建筑建造用的近3000块充气板都是由薄膜组成，其中98%是半透明的，它可以使足球场的草坪吸收足够的自然光，而无需像其他普通足球场一样要按期更换草坪。是现代生态建筑的经典案例。

在膜材料中，PTFE膜结构也是其中的一种，它最大的优点在于有较高的耐久性、防火性与防污染性，但是与ETFE膜材料相比，其材料成本和加工成本较高，柔软度较低。施工中为避免玻璃纤维断裂，必须采用特有的工具与施工工艺。例如，北京地铁西二旗车站的屋面、立面维护材料和结构就是用此材料制成，整体空间内部是一个长而大的空间，几乎无承重柱。由于PTFE膜结构的半透光特性，白天无需人工照明即可在站内获得充足而柔和的光线。夜晚十分，车站内的灯光也可以透射出去，外观看上去像两个闪闪发光的纸灯笼，为准备乘车的人指引方向。

4.2 半透明石头

建筑师所用于建筑材料的石头当中有种半透明效果的石头，这种材质的石头具有与众不同的表现能力。相比其他石材，半透明的石头有很好的透明度，但它的魅力只能通过光线来表达。在作为建筑的物的立面时，半透明石材背面的光线可以呈现石材正面的自然纹理。例如，耶鲁大学珍本图书馆就选用了透明的天然大理石板的作为建筑的外表面，入口和周围的外墙都是棕色玻璃，以方便自然光线的渗透。灰白色纹理的大理石板，它能通过一定量的外部光线，并同时阻隔太阳的热量和紫外线的摄入。在太阳光下半透明石板能在室内呈现出梦幻般的景象，阳光可以穿过这种大理石墙形成斑驳的光影，大理石图案也清晰可见，就像一幅抽象的画，也能透过大理石看到外面树枝的影子流动。

在我国的奥林匹克公园北部的中国国家美术馆的外墙也是采用这种新型的透明石头。这种石材在各种灯光下具有优异的透光能力，它与自然光线相互映衬，并在不同的人工照明情况下产生变幻莫测的投影效果。还可以通过天气和季节显示出不断变化的环境。此外，这种石材还可以根据人与展馆之间的距离来展现出馆内奇特的内容令人好奇。

4.3 透光混凝土

混凝土本是一种常见的建筑用材，但是把朴素的混凝土与透光材料巧妙的结合，它们就能像玻璃一样透光，这就是透光混凝土的魔力。透光混凝土作为建筑材料，能够满足建筑结构的安全性要求，如抗压性、抗渗性、耐久性、抗冻融等；还可以满足室内在采光、节约资源等方面的需要。目前，在中国使用透明混凝土最成功的案例是上海世博会意大利馆。意大利馆外墙采用复合体系，外围采用透明混凝土堆砌，内侧是采用ETEE结构，这样充分解决了室内部分空间的照明问题解，达到了节能的效果。作为建筑材料，透明混凝白天可以利用自然光来减少人造光源的使用，有效地控制室内温度，减少紫外线辐射，并控制自然光对室内物体的毁坏程度，增强室内空间的整体美感其。实用透明混凝土建造的建筑物本身就是一件艺术品。

5 结语

尽管自然光的运用只是生态建筑的一小部分，但它在建筑的外部环境与内部环境之间的关系中起着重要作用。不同的建筑材质对采光有不同的影响。如今，大量的新型采光材料和建筑技术应运而生，采光技术将使建筑的创造更有突破性，新材料的使用将使采光效果更有意义。从建筑环境的角度出发，根据当地的现实情况，最大程度的运用自然光，用恰当的形式将其引入建筑中，再利用不同的材料营造舒适的光环境，建立一个健康、舒适、生态、可持续的建筑环境，来改善我们的居住环境。