公共建筑中庭天然采光眩光模拟研究——以四向中庭为例

吕晨歌，张明宇，赵春水，刘乾昌，吴传德

(1.天津大学 天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072；2.天津市城市规划设计研究总院有限公司，天津 300070)

引言

公共建筑中庭空间的置入是最为常用的建筑设计手法之一，在设计师普遍关注中庭空间体验感的同时，其中庭内部的物理环境品质也同样应受到重视。中庭空间尺度大，人员活动密集，常以天窗采光为整个空间提供较为充足的光照条件。但相关研究与经验表明，天窗采光的眩光问题较为严重，其不舒适眩光对使用者的体验感有很大影响。合理进行采光设计的优化，避免中庭过度眩光问题，则需对天窗采光提出合理设计要求。

1 研究背景

在公共建筑的中庭设计中，设计师往往会为了追求视觉效果的通透性而选择设置大面积玻璃天窗，却忽略了由此可能带来的物理环境的影响。天窗的使用丰富了中庭的设计感和空间体验，且保证了充足的采光，但是大面积开窗导致大量阳光直射，从而可能引起中庭中使用者的眩光感受。经课题前期调查发现，公共建筑的中庭空间中，有很大一部分使用者表示经常感受到眩光带来的不舒适。

眩光是指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。它往往有很大的危害，如会引起刺眼感，导致视觉舒适性降低，分辨物体能力下降甚至短暂性视觉失能，并可能引起人的烦恼、厌恶和心理上的不舒适[1]。

① SVD表示空间中DGP>0.45的占用时间与总时间比值超过20%的占用空间百分比。

针对眩光问题，国内外已有较多研究。在20世纪初，国际上对眩光问题开展了研究。我国于20世纪60年代意识到眩光的危害性，并针对眩光问题提出讨论，随后《建筑照明设计标准》(GB 50034—2004)提出用统一眩光值UGR评价公共建筑和工业建筑常用房间或场所的不舒适眩光[2]，到2013年我国《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)才明确提出了我国将不舒适眩光指数DGI作为评价不舒适眩光的参考指标[3]。国际上关于眩光的研究领先于国内水平，在眩光评价指标的研究中，1972年有学者在DGI的基础上进一步通过主观评价实验发现，仅通过计算得出的DGI数值，相较于真实天然光情况下的视觉体验感收敛性较低，因此提出了新的评价指标DGP[4]。2017年另一位学者对教室空间等具有固定视线场所提出评价空间眩光发生概率的指标SVD[5]，但是该指标不适用于无固定视线的情况。由此，现有眩光评价指标还难以评价中庭等大空间无固定视线方向的情况。

本文选取典型四向中庭空间，在满足采光照度要求(DF>3%且sDA>75%)的基础上探讨不同天窗面积及分布状态的眩光发生概率指标，筛选出合理的天窗布置方案及遮阳措施，为合理解决眩光问题提供设计指导。

2 模拟评价指标

2.1 眩光评价指标SFVD的引入

天然采光眩光发生概率DGP(Daylight Glare Probability)为已有眩光评价指标，表示某个视野范围内发生眩光的概率百分比。DGP相较于其他眩光评价指标的不同之处在于它考虑了人眼对光环境的适应能力，同时对不均匀光源和大光源的眩光评价更加准确。因此DGP相对来讲更加接近使用者的主观眩光评价，与人的主观感受符合率更高。对于DGP的数值来说，眩光的发生概率分为四个等级：DGP<0.35为眩光不可察觉、0.350.45为无法忍受的眩光。在对DGP的研究基础上，有学者在眩光评价指标中扩展出DGPexceed，表示空间内DGP>0.45的时间占总时间的百分比[6]。

由于DGPexceed没有引入眩光评价的上限值，可能导致模拟结果无法代表全年的眩光水平。本文研究借鉴参考以往研究，国外学者针对教室空间眩光评价使用SVD(Spatial View Discomfort)[5]表征教室空间视线相对固定时的眩光发生几率这一概念①，针对中庭视线随机这一状态，将其修正为针对中庭视线眩光研究的评价指标SFVD(Spatial Field of View Discomfort)，它表示全年中庭内DGP>0.45的占用时间与总时间比值超过20%的占用视线百分比，认为SFVD<10%的情况下对应的中庭天窗布置方案为眩光程度较轻的设计方案。

2.2 采光量评价指标

1)DF。采光系数DF指在室内参考平面上的一点的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比。该指标为静态评价指标。

2)sDA。空间天然采光百分比sDA表示工作平面符合全天然采光百分比要求的部分占所有空间面积的比值。该指标为动态评价指标。

美国LEED(v4)能源评级系统对空间内的sDA做出规定，即为了获得LEED(v4)能源等级系统的日光积分，每个空间必须满足sDA300/50%>55%(2积分)或sDA300/50%>75%(3积分)[7]，这个要求旨在为空间提供足够的光线。因此，本次模拟设定在DF>3%及sDA300/50%> 75%的基础上对眩光程度较轻的天窗开窗方案进行筛选，具体模拟评价指标取值及模拟时间见表1。

表1 模拟评价指标取值及模拟时间 Table 1 Value of simulation evaluation index and simulation time

3 眩光模拟实验设计

3.1 模拟平台及气象数据

模拟平台借助基于Rhino的Grasshopper平台中编程及插件与Ladybug & Honeybee衔接的Daysim、Radiance软件作为基础。

光气候数据选用CSWD(Chinese Standard Weather Data)，CSWD是中国气象局于1971～2003年根据270个站台测来的典型年气象数据，是由其中12个最接近历史平均值的典型月组成的假想气象年[8]，具有较大的普遍性。气象数据中所包含的气象元素有室外温度、露点温度、太阳辐射和风速，本次光环境模拟选用了其中天津地区基于光气候的天空亮度分布数据。

3.2 模拟模型

本文模拟选择中庭模型参数：两层四向中庭建筑(四个侧面不与外界直接接触，采用顶部天窗采光的中庭形式)。中庭平面为矩形，处于建筑内部，面宽27 m、进深13 m、高11 m，且所处建筑周围无遮挡。壁面材质及天窗透射比固定。模型所取固定参数及模拟变量设置分别如下：

1)固定参数。固定参数如表2所示。

表2 典型模型固定参数表Table 2 Typical model fixed parameter table

2)模拟变量及取值范围。本文选用的模拟变量为天窗布置方式及天窗面积比。

①天窗布置方式：按本文模拟需要，将天窗布置方式分为以下五种：

a.中心集中式。该天窗布置在中庭屋顶正中心，长宽比例与中庭屋顶相同，天窗与地面面积比变化时以天窗正中心为定点缩放，见图1。

图1 中心集中式天窗与地面面积比为0.3、0.5的情况Fig.1 When the area ratio of the central centralized skylight to the ground is 0.3 and 0.5

b.纵向布置式。该天窗布置方式为纵向均匀布置三个条形天窗。将屋顶纵向三等分，三个天窗均布置在三个部分正中心，天窗与地面面积比变化时以各自正中心为定点缩放，见图2。

图2 纵向布置式天窗与地面面积比为0.3、0.5的情况Fig.2 When the area ratio of the longitudinally arranged skylight to the ground is 0.3 and 0.5

c.横向布置式。该天窗布置方式为横向均匀布置六个条形天窗。将屋顶横向六等分，六个天窗均布置在六个部分正中心，天窗与地面面积比变化时以各自正中心为定点缩放，见图3。

图3 横向布置式天窗与地面面积比为0.3、0.5的情况Fig.3 When the area ratio of the transversely arranged skylight to the ground is 0.3 and 0.5

d.四角布置式。该天窗布置方式为均匀布置四个天窗。将屋顶横向、纵向等分为四部分，天窗均布置在每部分中心位置，天窗与地面面积比变化时以各自正中心为定点缩放，见图4。

图4 四角布置式天窗与地面面积比为0.3、0.5的情况Fig.4 When the area ratio of the four corner layout skylight to the ground is 0.3 and 0.5

e.均匀分布式。该天窗布置方式为均匀布置多个天窗。天窗与地面面积比变化时以各自正中心为定点缩放。本文采取纵向三排、横向六列的划分方式，共计18个天窗，见图5。

②天窗面积比：模拟控制天窗面积与地面面积比例区间为0.1～0.5，步长为0.1，共计25组变量数据，见表3。

图5 均匀分布式天窗与地面面积比为0.3、0.5的情况Fig.5 When the area ratio of the uniformly distributed skylight to the ground is 0.3 and 0.5

表3 控制变量取值表Table 3 Value table of control variables

3.3 基于sDA和DF的初步筛选

以满足sDA与DF规范要求对开窗形式进行筛选。sDA与DF模拟结果如图6、图7所示。

图6 不同天窗分布及面积条件下sDA数值分布图Fig.6 Numerical distribution of sDA under different skylight distribution and area conditions

图7 不同天窗分布及面积条件下DF数值分布图Fig.7 Numerical distribution of DF under different skylight distribution and area conditions

根据LEED能源评级系统对sDA与DF数值的要求(sDA>75%、DF>3%)，可保留天窗面积比为0.2及以上的所有天窗形式，以及天窗面积比为0.1的横向布置式天窗。以上21个模型可对眩光进行进一步筛选。

3.4 模拟点位及视线方向

针对中庭空间视线方向的不确定性，为全面研究不同视线状态下的眩光情况，考虑各种不同位置及可能视线方向，选取中庭内16个主要视线，包括中庭边缘八个点位看向中心的八个视线及中庭中心点位向周围的八个视线方向，选取高度为距地面1.5 m的人眼高度作为SFVD的典型模拟场景，见图8、图9。

图8 模拟点位及视线选择图示Fig.8 Analog point and line of sight selection diagram

图9 各模拟视线伪色图Fig.9 Pseudo color map of each simulated line of sight

4 结果分析与展望

4.1 结果分析

本文基于SFVD这一指标，在初步筛选满足sDA和DF的基础上，探讨了五种天窗类型从天窗面积比0.1～0.5区间内共计21种布置方案的眩光指标，获得SFVD模拟结果见图10，并分析提出优选天窗布置方案。

由图10可看出，同一种天窗类型当天窗与地面面积比增大时，对应SFVD值增大，呈线性趋势；同一面积比的不同天窗类型SFVD值与天窗开窗类型没有固定规律，不同天窗面积比条件下眩光程度各有优劣。当天窗面积比增大时，纵向布置式、横向布置式和均匀分布式三种天窗形式分布眩光影响程度相对较小。

图10 不同模型SFVD分布图Fig.10 SFVD distribution of different models

根据模拟结果统计，按照SFVD<10%的评价指标，可分析结论如下，具体如表4所示。

1)天窗面积比在0.4以上时，对应SFVD值全部超过10%，因此在天窗采光时不推荐天窗面积比高于0.4；

2)在满足DF与sDA要求下，对不同天窗布置方案选用可行性考虑如下：

a.天窗面积比为0.1的横向布置式天窗、天窗与地面面积比为0.2的横向布置式、四角布置式和均匀分布式天窗四种方案SFVD值为0，是眩光影响程度最小的优选方案；

b.天窗面积比为0.2的中心集中式和纵向布置式天窗、天窗与地面面积比为0.3的全部五种天窗形式、天窗与地面面积比为0.4的纵向布置式天窗八种方案SFVD值为6.3%，是眩光影响程度较小的可选方案；

c.剩余九种方案SFVD值均超过了10%，为不推荐选择的眩光影响程度较大的设计方案。

表4 天窗布置方案选择表Table 4 Skylight layout scheme selection table

4.2 展望

本文所提出的SFVD是基于室内空间无固定视线的状态下，为满足整体空间眩光影响较小而引入的概率统计类评价指标，具有一定的适用性和代表性，模拟得出的天窗占屋顶面积比可作为中庭方案设计时供设计师参考使用。但同时值得注意的是，SFVD指标可能存在不足，即筛选所得优选方案仍存在个别点位在某一时刻上眩光值较大的问题，需在具体设计中进一步探讨。