基于采光分布和视觉舒适度的办公建筑设计分析

王嗣文

摘要：光环境作为建筑的基本舒适度指标，一直以来都是建筑设计的重点，光可以体现建筑空间的形式，能使建筑功能得以实现，又与建筑的能耗息息相关。本文通过对板式办公建筑光环境分析和视觉舒适度调研，总结和分析出人们对于光环境舒适度要求的量化指标、光资源利用效率及特点（其中涉及到照度、亮度比、采光均匀度、光照稳定性、眩光频率、心理影响等方面的主客观指标），以从场地布局、平面设计、采光方案等方面指导和优化建筑设计。

关键词：光环境舒适度;照度分布规律;场地布局;平面设计;采光方案

1.光环境调研分析

1.1窗口附近光环境光环境分析

在调研中发现，既有办公建筑的南向房间在靠近窗口处，由于阳光直射和缺少必要的遮阳措施等原因，在一定范围内会具有较大的照度值。经常产生强烈的窗口眩光现象，需要拉窗帘才能维持正常工作。这种现象在上午的实测中显得更为突出，尽管下午窗口处的照度值仍然很大，但眩光现象会有所减少。

1）窗口照度值偏大，如图表1-1所示在上午时南侧的窗口照度值明显较高，北侧的则平均维持在1500lx左右，无较高照度值出现;在下午时，南北侧窗口照度值相较于上午都有明显的下降，但个别调研对象会出现较高照度，与当天的室外光环境和太阳直射角度有一定关系。

2）对调研数据进行整理分析，也明显发现在窗口附近照度会出现峰值，而且一般在窗口轴线进深0.5m左右之前照度的衰减斜率较大（如图1-2），在500mm的间距里会出现几百甚至上千勒克斯的照度差值。（如图1-3、1-4）强烈的照度落差，很容易形成眩光。

1.2南侧天然采光与开灯后的照度分布特点

整理分析调研数据，总结不同情况下天然采光和开灯后两种室内光环境的特点与照度分布。

1）如图1-3、1-4、1-5、1-6所示，南侧上午在自然采光的情况下，进深 2.5处墙线轴、窗线轴均向一个稳定的照度值收敛，并且变化斜率开始一致变缓，进深对于照度影响开始变小。最后照度值的大小与测试时的天空光环境、太阳角度、建筑构件的形式有一定关系，但一般稳定在200-500lx之间。

在南侧上午自然采光的情况下，进深2.5m处的前后各1m左有适宜自然采光的稳定照度出现，若按现行300lx的办公空间照度标准，基本可以到达工作要求;窗中线0.5m进深以前具有较大照度，墙中线在0.5m进深以前照度值较小，灰暗的情况占大多数。

2）图1-7、1-8所以，南侧上午时2.5m进深以前开灯后照度值会有一定的提升，窗中线照度会继续增大，墙中线位置的照度提升幅度不大，仍达不到现行的照度要求。南侧上午，2.5m进深以后人工照明对于室内照度的提升在100 lx左右，可以基本达到舒适的采光照度范围。

3）如下图，南侧下午自然采光，稳定的照度区间与上午相比开始向后推移

出现在3.5m和4.5m之间的进深处，稳定的照度值也会下降到100-200 lx左右。但受窗墙影响的进深与上午相比会提前，在进深1m左右;下午时，窗中线西侧轴线的照度开始比东侧轴线的照度值大，与太阳的直射方向有一定关系。窗口处照度值仍不稳定，开间方向照度差值较大，易造成不舒适感。

4）如图1-11、1-12所示，南侧下午，在开灯后各轴线的照度又有在2.5m左右进深处开始收敛的趋势，在2.5m左右的照度稳定区间更大;0.5m进深之前变化规律基本不变;而0.5m-1m进深的照度稳定性有很大增加，这与室外照度值下降，人工照明开始占具主导地位有一定关系。1m进深之前开灯对照度分布没有多大改观。

1.3北侧天然采光与开灯后的照度分布特点

分析所有调研建筑的北侧办公室的照度分布数据，总结北侧仅天然采光和开灯后两种室内光环境的特点与照度分布。

1）如图1-13、1-14所示，北侧上午在自然采光的情况下，1m以前照度值在开间方向受窗墙的影响较大，1m以后出现相同且稳定的变化规律。1.5m进深以后开始出现稳定照度区间，照度值一般维持在200lx左右，但由于室外照度、建筑构造等原因不同对象会出现照度的差异。

2）如圖1-15、1-16所示，北侧上午开灯时，1m进深以后照度值十分平稳，而照度值的大小与光源的选择有一定关系，与南侧相比，照度分布更为平稳，均匀度更好。

3）如图1-17、1-18所示，北侧下午自然采光，受窗墙轴线影响的进深、开始出现稳定照度的进深与上午相比向后推移，1.5m之前开间方向照度差值大，2.5m左右开始出现稳定照度，一般在100-200lx左右。

4）如下图所示，如图1-19、1-20所示，北侧下午，在开灯后各轴线的照度受窗墙影响的进深又回到1m左右，之后的照度分布与光源的布置关系很大，但均匀布置灯具时，会有较大范围稳定照度分布出现。

1.4调研分析总结的现有光环境特点

1）南北向的窗口处与房间其他位置相比都有较大的照度值，南侧窗口处中午时易产生眩光，北侧相对较好，0.5m进深以前的照度衰减斜率较大;

2）南侧上午自然采光的情况下，2.5m进深之前，开间方向照度值受窗墙关系影响较大，2.5m之后出现相同的变化趋势，出现较为稳定的照度区间;

3）南侧上午开灯后，2.5m进深之前对光环境没有太大影响，2.5m之后会在稳定进深区间内有100lx的照度提升;

4）南侧下午自然采光的情况下，稳定区间的进深会向后推移;

5）南侧下午开灯后，稳定区间会呈现与上午相似情况，而且区间会变大;

6）北侧上午自然采光的情况下，1m进深以前受窗墙影响较大，1.5m进深之后出现稳定照度区间，比南向范围要大，但照度值会偏低;

7）北侧上午开灯后，1m进深以后照度值十分平稳，与南侧相比，照度分布更为平稳，均匀度更好;

8）北侧下午自然采光情况下，与上午相比稳定区间和受窗墙影响范围都向后推移;

9）北侧下午开灯后，受窗墙影响范围回到1m进深处，光照分布稳定但照度值低。

如图1-21至图1-27散点图研究与验证，对所有调研对象的数据进行散点分布，验证各种情况下的采光照度分布规律基本满足散点规律北侧的四种分析情况不赘述。

2.基于现代办公的视觉舒适度调研及分析

从图2-1可知，受访者主观对于光环境的室内照度水平评价偏于良好，36%的选择了照度水平始终，32%的选择了略昏暗，25%的选择了略明亮。只有9%的选择了明亮和昏暗的极端情况。而对于出现晃眼亮斑的概率在17%，明显偏高。

而从第二章的分析中，明显可以得出由于南北朝向不同、进深大小、上下午时段不同、室外光环境不同等因素，导致受访者的工作面照度水平会呈现千差万别的情况。故分析问卷时，把受访者对于对于光环境的评价按南北分开进行对比分析。

从图2-2中可以看出，北向房间的整体不利评价要比南向少，其中包括感觉昏暗的主观感受。而第二章可以看出南向房间的照度值明显大于北向。这种现象值得进一步作出探讨。在眩光产生的严重程度方面，受访者的主观评价北向更是优于南向。

从第一章中，可以得出北向房间的照度值会明显低于南向房间，按现行办公空间的照度标准，南向房间能满足照度需求的面积更大，但在人主观对于光环境的主观评价中却没有体现出来，反而北向房间的光环境整体评价优于南向房间。从调研中发现，有些房间的照度值低于现行标准，但人视觉舒适度却感觉良好，两者总体上照度的稳定性都较好，光色适宜。笔者认为，现行标准是基于老式办公传统的照度要求，而现代办公方式主要是以计算机为主题的电子办公设备。随着人们生活质量要求的提高，办公空间光环境越来越得到重视，对于标准的设定已然不能单从照度水平和满足功能需求出发。结合调研，基于现在办公的视觉舒适度评价应该是光环境设计应该考虑的重要因素。

3.给予现代办公光环境的合理建筑设计

3.1合理的场地布局

本文重点是从室内的采光分布与现代办公条件下的视觉舒适度从发，对于建筑的场地布局没有做过多论述，但自然采光是一个动态过程，除了天光条件对其有较大影响，建筑场地的布局、太阳光的直射方向等因素也有较大影响。当建筑周围存在遮挡物的情况下，会在一定程度上影响室内的光环境。合理布置建筑在场地中的位置，可以有效地获得自然采光。如图4-1天空垂直角度越大，

在调研中也发现不是所有的遮挡都是不利的，当建筑南侧场地布置了许多密度均匀的树木，由于树叶的遮挡作用，会一定程度上起到遮阳的作用，避免南侧上午窗口眩光的出现。

3.2满足采光和视觉需求的平面布局

在现有光环境调研中发现，对于大进深的办公空间，无论是基于既有标准还是第三章中分析所得照度标准，距离窗户较远地方的采光都难以满足。这是单侧窗采光方式常见的问题，合理的平面形式，可以有效的控制采光面进深，结合采光照度分布，能最大限度利用天然采光，并满足视觉舒适度的要求。

位于北京东城的中青旅大厦在采光设计上是一个优秀的案例，建筑设计的概念是创建联系东西的景观通廊，所以在东西两侧各设置了一个贯通的边庭，不仅创造了良好的视觉景观，南大北小的“工”字形平面，加上边庭和办公空间合理的开窗，使得建筑内部具有满足视觉舒适度的采光分布出现。

中庭的运用可以把大进深空间分割成小空间，并通过天窗或侧窗将自然光引进平面的深处。中庭与边庭的采光可以使用天窗，也可以不采用天窗。但无论是否具有顶部采光，都会增加空间的天然光进入量，减少人工照明的能耗，单使用顶部采光时要注意建筑得热过多的情况，增加建筑能耗。香港汇丰银行采用了中庭的平面形式，取得了稳定良好的光环境。

3.3满足采光和视觉舒适度的室内空间布局

建筑的合理空间布局是基于室内照度分布和调研分析所得的现代办公视觉舒适度出发的。在方案阶段，对于不同房间的使用功能的确定之后，空间布局在一定程度上可以迎合天然采光下的室内光环境，做到合理利用天然光，再结合照明设计，得到一个既能满足功能和舒适度需求又节能的室内光环境设计。

1）復杂平面的建筑中，要在设计初期做好自然光分布的模拟和预估，把对采光要求不高的功能放在照度分布水平低的区域，同理，对采光要求高功能放在光环境好的区域;

2）根据舒适度要求利用空间和安排工作性质，把随机的任务设置在眩光频率高、直射强烈或者采光不足的位置，把日常工作放在无眩光、舒适度高的环境里;

3）家具的布置不应该阻碍自然光的进入，需要隔断的大空间，应该合理设置隔断高度或采用可以透光的材质;

4）北侧房间具有更稳定光线，宜设置成画室或者绘图空间，东西向注意不同时间段的光环境差异;

5）窗口附近应设置视觉景观或者休闲区，高照度的天然采光会给人积极的心理影响，有利于对于情绪的稳定;

对于消除眩光的实例，如图3-5所示，如果办公桌的摆布如a所示，在前面已做论述，中午时会面临较为严重的窗口眩光;而b方式则会在电脑屏幕上出现较强的反射光;c、d的布置方式下再结合必要的遮阳设施就能够最大限度利用天然光。

3.4合理灯具布置对于节能设计的考虑

3.4.1 ECOTECT模拟的采光照明方案

容易得到，窗口处开间方向照度分布不均匀，并且具有较大照度值，容易产生眩光，无论南北都不合适布置办公工作面。自然采光的情况下北侧具有更加均匀且稳定的照度分布，在上午时的照度完全可以满足以计算机为主的现代办公条件，下午时在照度不足的地方合理布置灯具就会同样满足。南侧在上午时，必须合理解决眩光问题，在照度稳定区间也同样在不开灯的情况下具有良好的现代办公光环境条件，下午则需要在5m进深后合理布置灯具。2.5m进深之前墙轴线和窗轴线要采用不同的设计策略;在窗轴线0.5m到2.5m进深的照度满足传统标准要求;

现以标准模型北侧房间春分日15：00的ecotect软件模拟照度分布，简述合理灯具布置获得满足现代办公光环境的设计策略。

调研分析所得的照度分布和现代办公条件下的视觉舒适度条件中可得，北侧下午在自然采光的情况下不能完全满足现代办公条件的光环境，需要借助人工照明。如图3-6所示，模拟的自然采光情况下的照度分布，在合理灯具布置之后，达到在房间大部分是200lx稳定照度的区间范围，满足基于计算机办公的视觉舒适度条件。（模拟所用的光源是模拟光源，非实际灯具）

图3-7和图3-8模式使用的是相同的单个灯具，图3-9为平时的灯具布置形式，仅采用人工照明，达到的平均照度仅为142.49lx。而合理布置灯具后，结合天然采光则能到244.10lx的平均照度，但消耗却大幅度的降低了。

图3-9中模拟的为在仅人工照明情况下，平均照度达到300lx，满足现行办公空间照度水平的情况，光环境则缺乏变化，能耗水平则更大。

图3-10则分析了都在人工照明的情况下，采用标准的灯具功率密度情况下，正常灯具布置与合理灯具布置的能耗对比，节能一半有余。

3.4.2 DIALUX模拟的采光照明方案对比

运用dialux进行灯光模拟，分别模拟原有标准照度值300lx和基于现代办公的照度标准值120lx，同样的灯具布置时，300lx具有的灯具瓦数为56，而120lx需要的灯具灯具瓦数为28w。在如此两种情况下开启灯光时，在大多数工作面下都能有稳定的照度，而节能效率达到50%。

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