寒地办公建筑夹层空间自然采光性能参数化模拟研究*

孙 澄 訾 迎 韩昀松 SUN Cheng, ZI Ying, HAN Yunsong

1 研究背景

我国办公建筑照明能耗约占建筑总能耗的10%～30%[1]，充分利用自然采光、减少人工照明能耗对节能减排有重要意义。相比人工照明，自然采光更利于保证身心健康、提高工作效率[2-5]，办公建筑自然采光设计对提升室内环境品质意义重大[6-7]。近年来，在城市化进程加快与知识型经济发展大背景下，人们的工作形式更灵活，办公空间呈现出开放性、共享性等特征[8]。其中，带有夹层的办公空间能充分利用空间，提升了办公空间的灵活性，在办公建筑设计与改造中的应用日益广泛[9]。

国内外学者对开放办公建筑的采光性能进行了广泛研究。兰新如等以采光系数为评价指标，模拟分析了高层开放办公建筑的窗墙比、进深、房间材质以及室外照度等参数对距窗5 m外区域自然采光的影响，并提出了远窗区域采光系数平均值预测方程[10]。查全芳以我国中纬度地区城市为例，通过模拟实验得出窗地比与窗台高度对大进深办公建筑采光系数影响较大的结论[11]。弗朗西斯科·戈亚（Francesco Goia）基于欧洲中纬度地区的光气候特征，提出办公建筑窗墙比理想区间为0.3～0.45[12]。王立雄等通过正交实验提出寒冷地区办公建筑窗地比为1/3、开间8 m、进深5 m时采光性能较好[13]。王飞翔以DA450为评价指标，通过模拟分析得出透射率、窗朝向、窗高度对寒地大进深办公建筑自然采光性能影响较大，且高于室内表面反射比对采光性能的影响[14]。肖辉等从使用者自然采光主观需求出发，通过调研分析得出使用者最满意的窗墙比区间为0.4～0.6，窗高为1 m[15]，黄海静等从遮阳形式入手，探讨了建筑立面表现、形态塑造与建筑遮阳有机结合的问题[16]。

既有研究从建筑形态与材料光学属性等方面对开放办公建筑采光性能的影响因素展开了广泛探讨，这类研究多针对建筑空间围护结构展开，对于室内采光界面变化的关注相对较少。夹层置入是空间重塑的常见方法，夹层形状、布局位置以及面积大小等方面差异较大，对建筑室内采光情况的影响也较为复杂，研究夹层空间形态对室内自然采光性能的影响可辅助建筑师制定天然采光设计决策。本研究旨在针对开放办公建筑夹层空间的自然采光性能，应用参数化模拟工具分析夹层空间形态参数对室内自然采光性能的影响，为办公建筑夹层空间设计与改造提供参考。

2 办公空间自然采光性能参数化模拟实验设计

2.1 自然采光性能评价指标

2.1.1全天然采光百分比（DA）

全天然采光百分比是指室内某一测点在全年中单独依靠自然采光时满足室内最小照度值要求的时间百分比，如式1[17]：

该指标最早于 1989 年提出，2001 年由莱因哈特（Reinhart）等人进行了修正[18]。相比采光系数，全天然采光百分比体现了地域性光气候对建筑自然采光性能的影响，可以更全面、真实地评价建筑的自然采光水平[19]。研究根据《建筑采光设计标准》GB 50033—2013相关规定，将450 lx作为室内采光设计最小照度[20]。

2.1.2有效天然采光照度百分比（UDI）

有效天然采光照度百分比是指满足室内工作面照度水平要求范围的时间占全年需采光时间的百分比[21]：

该指标由纳比尔（Nabil）等人于2005年提出，以100 lx和2 000 lx为上下限值，将UDI划分为3 个区间：有效（100～2000 lx）、过低（<100 lx）和过高（>2 000 lx）。过低值域意味着采光不足，过高则易产生眩光。相比采光系数，UDI指标在统筹考虑建筑全年自然采光性能的同时还考虑了眩光等视觉不舒适情况对自然采光性能的影响。

若仅采用DA450作为评价指标，会忽略100～450 lx以及2 000 lx以上照度区间的采光评价，而100～450 lx区间的自然采光照度可缓解人工照明的压力，2 000 lx以上区间则容易产生眩光风险；若仅采用UDI100-2000作为评价指标，则无法衡量建筑完全依赖自然采光的时间比例。因此，研究同时以DA450与UDI100-2000作为寒地办公建筑夹层空间自然采光性能的评价指标。

2.2 自然采光参数化模拟模型建构

如图1所示，建立南向开放办公建筑模型为模拟模型，开间10.0 m，进深12.0 m，房间净高6.0 m，室内夹层层高3.0 m，夹层楼板厚度0.2 m。建筑采光形式为单侧窗采光，根据《建筑采光设计标准》GB50033—2013、《办公建筑设计规范》JGJ67—2006的相关要求，窗地比设定为1/5[20,22]。

图1 办公空间模型Fig.1 the office room model

研究采用计算机模拟方法进行动态自然采光性能模拟[23-24]，基于Grasshopper参数化平台，构建自然采光性能参数化模拟模型[25]，应用DIVA协同Radiance、Daysim计算模型与Grasshopper参数化平台，建立办公空间几何参数模块、夹层空间形态设计模块、材质参数设置模块、采光模拟与可视化模块以及数据输出模块（图2），输入哈尔滨气象文件作为模拟光气候数据，模拟参数如表1所示。

图2 自然采光性能参数化模拟模型Fig.1 parametric daylight performance simulation model

表1 Radiance模拟参数Tab. 1 radiance ambient parameters

根据《采光测量方法》GB/T 5699—2017相关规定[26]，设置距地面垂直高度0.75 m的水平面为照度计算平面，根据室内空间面积大小，将计算平面划分为1.0 m×1.0 m的分析网格，测点位于各网格中心，测点间距为1.0 m。依据《建筑采光设计标准》GB50033-2013的相关规定，设置典型模型内表面与玻璃等材质的光学参数如表 2 所示。

表2 材料光学参数Tab. 2 material properties

2.3 自然采光性能参数化实验设计

研究总结与提取夹层空间在办公空间内的设计手法，采用控制变量法，以夹层布局位置、夹层面积占底层面积的比例（夹层面积占比）以及夹层退离窗口距离与房间进深之比（夹层退窗比例）为实验变量，通过模拟实验解析各因素对寒地办公建筑夹层空间自然采光性能的影响（图3），共设置 42组模拟对比实验。

图3 自然采光模拟实验设计Fig.3 parametric daylight performance simulation design

夹层布局位置：夹层空间在室内的布置通常以矩形平面为原型，通过多种排布、组合、变形等形成丰富的夹层空间，本研究根据夹层空间与建筑底层的相对位置，分为南侧布局位置、北侧布局位置、东侧布局位置、西侧布局位置 4 种典型布局。

夹层面积占比：夹层作为室内采光界面的组成部分，通过对不同夹层面积占比的模拟，可以研究夹层大小对室内自然采光性能的影响。为保证夹层的可用性，研究设置夹层面积占比范围为30%～80%，变化步长为10% 。

夹层退窗比例：对于南北侧夹层布局形式，研究控制夹层面积不变，以10%为步长，改变夹层退窗距离与房间进深之比，进而探究其对办公空间室内自然采光性能的影响。

3 结果与分析

3.1 夹层布局位置对室内采光性能的影响

图4与图5显示了夹层布局位置对夹层开放办公空间内底层空间、夹层空间以及室内总体的DA450与UDI100-2000的影响。如图4所示，对于底层空间，北侧夹层布置方式下的DA450最高，东西侧次之且数值接近，南侧夹层布置方式下的DA450较低，北侧布局较南侧布局高约20%；夹层空间模拟数值与底层空间差异较大，南侧夹层布置方式下DA450最高，东西侧次之且数值接近，北侧夹层布置方式较低，夹层面积较小时南北侧布局差异可达70%以上；从室内整体来看，四种布局方式下DA450数值相近，东西侧布置方式相似且最高，北侧布置次之，南侧布置方式相对较低，四种布局间差异控制在5%以内。如图5所示，对于底层空间，南侧布局方式下UDI100-2000最高，东西侧次之且数值接近，北侧夹层布置方式较低；夹层空间与室内总体在UDI100-2000上体现出与夹层底部空间相同的趋势。

图4 夹层位置对于DA450的影响Fig.4 the influence of the site of the mezzanine on DA450

图5 夹层位置对于UDI100-2000的影响Fig.5 the influence of the site of the mezzanine on UDI100-2000

夹层布局位置的不同会对底层与夹层部分的自然采光性能产生较大影响，其中南北侧布局差异最大。在夹层占比不同的情况下，北侧夹层布置方式在室内DA450水平上存在优势，这与夹层远离窗口因而室内有足够的进光量有较大关系；南侧夹层由于靠近窗口，阻挡了室内进光造成夹层下部底层空间进光量降低的现象。然而进光量的减少使得室内超过UDI100-2000上限照度的时间减少，从而增加了室内处于有效照度的累计时间。

3.2 夹层面积占比对室内自然采光性能影响

图6与图7显示了不同夹层面积占比对夹层开放办公空间内底层空间、夹层空间以及室内总体的DA450与UDI100-2000的影响。如图6所示，底层空间DA450值随夹层面积占比的增加逐渐降低；对于夹层空间，南侧夹层布置方式下DA450值随夹层面积占比的增加下降，东西侧夹层布置方式下DA450值保持得相对稳定，北侧夹层布置方式下的DA450值呈上升趋势；从室内整体来看，DA450值随夹层面积占比的增加下降，夹层面积占比提升50%时，室内整体DA450下降约15%。如图7所示，底层空间与室内整体UDI100-2000随夹层面积占比的增加逐渐降低；对于夹层空间，东西侧夹层布置方式下UDI100-2000随夹层面积占比的增加轻微降低，南侧夹层布置方式下UDI100-2000呈先上升后下降的趋势，当夹层面积占比为50%时，UDI100-2000达到最高点，北侧夹层布置方式下夹层空间UDI100-2000随夹层面积占比的增加逐渐提高并趋于稳定。

图6 夹层面积占比对于DA450的影响Fig.6 the influence of the area ratio of the mezzanine to entire room on DA450

图7 夹层面积占比对于UDI100-2000的影响Fig.7 the influence of the area ratio of the mezzanine to entire room on UDI100-2000

随着夹层面积的增加，夹层底层空间进光量降低，整体照度下降，室内DA450值降低。夹层面积占比对夹层空间的影响相对多变，对于南北侧夹层空间，随着夹层面积的增大，夹层空间处于有效照度区间的面积增大，照度因此呈上升趋势，而南侧夹层深处的照度随进深的增加逐渐降低，再次出现下降趋势，北向夹层面积的增大使得近窗区的面积增大，整体照度水平提高，有效采光照度时间继续提升。东西侧夹层面积的改变并未引起夹层在房间进深方向的采光变化，说明东西侧夹层空间的自然采光性能对面积的改变不敏感。

3.3 夹层退窗比例对室内采光性能影响

图8和图9显示了南侧夹层布置方式下夹层退离窗的距离与房间进深比值对夹层开放办公空间内底层空间、夹层空间以及室内总体的DA450与UDI100-2000的影响。如图8所示，底层空间的DA450值随夹层退窗比例的增加逐渐提高，当退窗比例由0%提高到50%时，夹层底层DA450值可提升约20%；夹层空间DA450值随夹层退窗占比的增加而显著降低，当退窗比例由0%提高到50%时，夹层空间DA450值下降50%以上；室内整体DA450值随着夹层退窗比例的逐渐增加而呈现出下降—上升—下降的微小变化趋势，但是变化幅度小于4%，夹层面积占比较大时变化相对明显。如图9所示，底层空间UDI100-2000随夹层退窗距离的增加逐渐下降并趋于平缓，夹层空间UDI100-2000随夹层退窗比例的增加呈先上升后下降的趋势。在夹层面积占比为30%与40%的情况下，退窗比例为20%时UDI100-2000达到最高点，在夹层面积占比大于50%的情况下，退窗比例为10%时UDI100-2000达到最高点，而室内整体UDI100-2000随夹层退窗距离增加逐渐降低，降幅较小。

图8 夹层退窗比例对于DA450的影响Fig.8 the influence of the ratio of back distance of the mezzanine to the depth on DA450

图9 夹层退窗比例对于UDI100-2000的影响Fig.9 the influence of the ratio of back distance of the mezzanine to the depth on UDI100-2000

夹层退离距离的改变影响了室内采光分布状况，随着夹层退离窗口距离的增大，夹层对于室内进光量的阻挡作用减弱，底层照度水平提高，DA450提高，增加了底层空间的照明节能潜力，与此同时，照度值超出有效照度区间的采光时间增大，造成夹层UDI100-2000减小；对于夹层部分，随着退窗距离的增加，照度水平下降，照度值超出有效照度区间上限的采光时间减少，因此增加夹层退窗距离有利于提高夹层UDI100-2000，但随着夹层后退距离的进一步提高，照度持续下降，UDI100-2000也随之下降。

4 总结

本文应用参数化模拟工具对寒地开放办公建筑夹层空间的自然采光性能进行了动态模拟，分析了夹层布局位置、夹层面积占比、夹层退窗比例等建筑内部夹层空间形态因素对开放办公空间自然采光性能的影响。研究实践表明，东西南北四种布置方式下的DA450值较为相近，东西侧布置方式具有相对优势；南侧夹层布置方式在UDI100-2000方面优于北侧以及东西侧夹层布置方式，可以改善室内自然采光有效照度时间，是办公室夹层设计与改造时的理想布局选择。在不同的夹层布置方式下，夹层面积的增加对室内的整体自然采光性能有减弱作用，当南侧布置夹层时，夹层空间UDI100-2000在夹层面积占比为50%时达到最高值。对于南侧布置夹层的办公空间，提高夹层距离窗的距离可以增加室内的进光量，有利于提升夹层底层空间的照明节能潜力，但会降低其自然采光有效照度时间；适当提高夹层后退距离有利于提升夹层空间的自然采光有效照度时间，对于夹层面积占比小于50%的夹层空间，夹层退窗比例为20%时最佳，对于夹层面积占比高于50%的夹层空间，夹层退窗比例为10%时最佳。研究可为开放办公建筑夹层空间设计与既有建筑空间改造提供一定的参考与支持，在实际的办公空间夹层设计与改造中，夹层空间的呈现形式更加多变与丰富，在今后的研究中可进一步探讨更多复杂形式的夹层办公空间的自然采光性能，同时可以将眩光等其他采光评价方法进一步应用于相关研究，提高自然采光性能权衡与建筑设计决策制定的全面性与合理性。

图表来源：

图1-9：作者绘制

表1-2：作者绘制