湘西凤凰县老洞村苗族传统民居室内采光分析★

李 哲，何临风，程梦飞

(中南大学建筑与艺术学院，湖南 长沙 410083)

1 概述

传统民居在长期的演变过程中显现出了针对其所在地域的适应性，但在现行的评价标准下，传统民居所沿用的建构形式已经难以满足居民更高层次的生活需求。实地访谈的结果也显示，当地居民尽管认同传统民居值得保护与传承，但因为其居住环境较差，依然选择新建城镇式的住房。其中，光照作为人们所能感受的最为直观的环境条件，能够显著地影响民居的居住质量。在缺少人工照明的传统民居中，天然采光成为了室内照明的主要手段，因此，优化天然采光方式，对改善传统民居的居住质量有着至关重要的作用。

老洞村地处武陵山脉西支，湘西凤凰县西北部，属于典型的高寒山区苗族聚落。村寨南面背靠太平山逐级抬高，沿等高线分布，街巷错综曲折，呈现出自然生长的态势[1]。当地民居层数基本上都在一到两层，整体采用片石砌筑或者下部用片石做墙角，上部用夯土砖砌筑，少有全木房屋，且普遍带有前院，以便居民的户外劳作。这些自发建造的民居未经现行相关标准的指导，建造过程中也缺少对室内采光照明的考虑，从而难以满足人们的视觉感受与心理健康需求，因此，有必要科学分析传统民居采光现状，并结合其地域特征采取合理的优化策略。

2 测试对象及方法

2.1 测试对象

本次研究从村中选取某一民居进行实测。该民居为“L”型平面，长边正面朝向南偏西约60°，屋前设有场院。民居采用穿斗式木构架，室内落柱较少，通过板石与夯土砖堆砌的墙体分隔空间，厚度约600 mm。民居主要面向场院开窗，窗台高度约900 mm(见图1)。

2.2 测试方法

调研发现民居一层为住户日常活动的主要场所，因此本次研究仅针对民居一层进行测试。根据GB 50033—2013建筑采光设计标准(以下简称“标准”)[2]中的规定，研究的测点按照网格法均匀布置，工作平面高度为0.75 m，测点之间相隔1 m。测试时间段为14:28～14:56，气象条件为全阴天天空，室外天然光照度为23.5 klx。该地区属于Ⅴ类光气候分区，K值为1.20[3]。测点示意图见图2。

2.3 测试结果

测试中统计了该民居一层各房间的窗地比与采光系数均值，结果如图3，图4所示。对比标准可以发现，在窗地比方面，仅房间C与标准中的要求基本一致，其余两处房间的窗地比均远小于标准要求；在采光系数方面，尽管程度有所不同，所有房间采光系数均低于标准要求。

3 采光现状分析

3.1 理论公式分析

根据标准中的规定，侧面采光系数的计算按照如下公式进行：

(1)

其中，Ac为窗口面积，m2;Az为室内表面总面积，m2;τ为采光材料总透射比;Dd为窗对面遮挡物与窗的距离，m;Hd为窗对面遮挡物距离中心的平均高度，m;ρi为墙地顶饰面材料与普通玻璃窗的反射比;Ai为与ρi对应的各表面面积。

由式(1)可知，侧面采光系数受到诸多因素影响，其中窗口面积、采光材料总透射比、饰面材料反射比以及各饰面材料面积较易做出调整，是优化的主要方向。由于老洞村民居绝大多数以普通白玻作为采光材料，而室内的饰面材料往往采用单一材质，因此本次研究主要针对窗口面积与饰面材料反射比进行测试分析[4]。

3.2 实地调研分析

3.2.1 窗口面积

窗口面积包含两个方面的要素，一方面是本身的尺寸大小，另一方面是窗口构造的遮挡效果。实地调研发现，老洞村民居的开窗尺寸通常小于其他地区民居；受气候环境与经济技术条件限制，老洞村民居普遍采用板石与夯土砖砌筑外墙，厚度可达到600 mm左右，从而形成了较深的采光洞口，遮挡了天然光进入；此外，传统民居在历史演变过程中始终保留着复杂的窗棂结构，进一步减小了窗口的有效采光面积[5]，见图5。综上所述，针对窗口的优化可以从扩大窗口尺寸与简化窗棂结构两方面着手。需要注意的是，窗口作为立面重要的构成要素，对传统民居的风貌影响极大，因此采取的优化策略应当考虑风貌保护的需求，将调整控制在合适的范围内。

3.2.2 饰面材料

实地调研发现，老洞村除了少数木构民居在木板上涂刷桐油之外，大部分土石外墙的民居仍以大白粉刷作为墙体饰面材料，而部分建设较晚的民居则采用水泥砂浆抹面的做法，见图6。根据标准中的相关规定，室内墙面适宜的反射比为0.3～0.6之间，而由于缺少及时的维护，以及灶炕火塘长时间烟火的熏烤，当地民居室内表面的饰面材料受到了较大的破坏与污染，反射比通常介于0.16～0.23之间，低于标准规定的数值。综上所述，可以采用较高反射比的饰面材料提高室内整体光感，并及时进行维护以使饰面材料正常发挥作用。

4 优化模拟分析

对民居室内采光的优化模拟通过Ecotect Analysis 2010软件进行。根据相关标准，天空照度模型设为全阴天空，计算参考平面为0.75 m，室外天空照度值和模拟时间与实际情况保持一致，窗户洁净程度为一般[6]。室内光环境的模拟结果主要通过采光系数进行评价[7]，将原始条件下的模拟结果与实测数值进行对比，结果如表1所示。

表1 原始条件下采光系数模拟值与实测值对比 %

以上数据显示模拟结果与实测值的误差率在5%以内，说明软件模拟具有足够的可信度。在此基础上，从窗口优化与饰面材料反射比优化两个方面对民居室内采光进行模拟分析。

4.1 窗口优化

4.1.1 窗口尺寸

尽管加大窗口尺寸能够有效改善民居室内光照条件，过大的窗口尺寸容易导致局部眩光[8]，从村落的整体性角度来看，不加控制地扩大窗口也将造成民居传统风貌的破坏。因此，必须在一个限定范围内找出兼顾室内采光与民居风貌的最佳选择。基于以上考虑，研究中结合窗口与民居外墙两者的尺寸关系，以窗墙比作为变量展开实验[9]。对当地12栋典型民居进行测算后，发现其窗墙比介于0.08～0.23之间，且多数集中于0.11附近，因此研究从窗墙比0.06开始，以0.03的步进值逐渐提升至0.24，观察采光系数的相应变化，见表2,图7。

表2 采光系数随窗墙比变化

结果显示，随着民居窗墙比的提高，模拟图像中红色区域的面积明显扩大，这表明民居室内有更多区域被照亮，采光系数增加，但分析折线图可以发现，当窗墙比超过0.15时，采光系数的增长速率放缓，此时房间的采光系数已经接近甚至超过标准中的标准值，即进一步提高窗墙比对室内采光的改善意义不大。从模拟图像中也可以看出窗墙比超过0.15后局部区域呈现为黄色，说明进一步提高窗墙比将降低室内光照的均匀度，并可能导致眩光。综上所述，当民居的窗墙比控制在0.15附近时，采光效果较好，见图8。

4.1.2 窗棂结构

当地民居的窗棂结构大多采用矩形组合，通过雕花相互连接，镂空较大；也有少部分窗棂由繁复的花草纹样构成，镂空较小但数量更多[10]。考虑到实际情况，模拟时以数量最多的矩形格窗棂为对象，改变其虚实比与镂空的分布形式，分析采光系数的变化，如图9，图10所示。

统计发现，当地民居窗棂结构的虚实比介于0.87～1.64之间，模拟中通过改变窗棂格栅的宽度，使虚实比从0.9开始以0.2的步进值逐渐提升至1.7，结果显示，当虚实比从0.9提升至1.7时，采光系数仅提升0.02，提升幅度过小，此外，与无窗棂的情况进行对比后，发现两者采光系数仍相差约0.35，说明在现有范围内，通过改变格栅宽度来提高虚实比难以有效优化民居室内采光效果，见图11，图12。在镂空形式方面，研究中保持窗口尺寸与透光区域面积不变，选取一种基本窗棂样式设置1倍、2倍与4倍的镂空面积并按相同比例减少镂空数量，结果显示，镂空较大时，采光系数相对于镂空较小时仅提升约0.03，说明在虚实比恒定的情况下，改变窗棂镂空分布形式对室内采光的影响不明显，见表3，表4。综上所述，在尽量保留窗棂原有风貌的情况下，以上优化措施对民居室内采光的改善效果较差，需要提高优化程度，或采取其他措施。

表3 采光系数随镂空分布变化

表4 采光系数随窗棂虚实比变化

4.2 饰面材料反射比优化

提高饰面材料反射比对优化民居室内采光的意义在于改善了室内光照的均匀度，从整体上提高了室内光环境的质量。当等量的光线进入室内时，高反射比的饰面材料能够将更多的光线反射到深处，从而改善传统民居在进深较大时采光不足的情况，见图13。研究中以墙壁的反射比为对象，从0.15开始以0.15的步进值逐渐提升至0.75，分析采光系数的变化，见表5。

表5 采光系数随墙壁反射比变化

结果显示，当墙壁的反射比从0.15提升至0.75时，采光系数提高0.5，说明提高墙壁反射比能够较为明显的改善民居室内采光情况，见图14。从模拟结果中可以看出，随着墙壁反射比的提高，民居室内紫色区域面积明显增加，而红色区域面积基本保持不变，说明在采光系数最大值提升较小的情况下，采光均匀性得到了有效改善。此外，观察折线图可以发现，当墙壁的反射比提高至0.6以后，采光系数增加的速率明显提高，这与分析公式得出的结果一致。因此，在对民居墙壁反射比进行优化时，最好选择反射比在0.6以上的饰面材料，从而达到更好的采光效果。

5 结论

对老洞村传统民居的实地调研显示当地民居室内光环境质量较差，各项指标未能满足GB 50033—2013建筑采光设计标准中的相关规定。结合采光计算公式与当地民居实际情况进行分析后，以民居窗口与饰面材料反射比为研究对象，通过Ecotect Analysis 2010软件进行模拟分析，探讨其对民居室内采光的影响：

1)窗口尺寸：综合考虑采光优化与风貌保护两方面的需求后，将窗口尺寸与外墙尺寸结合，以窗墙比作为变量进行采光效果的模拟分析。研究发现，当窗墙比提高至0.15左右时，民居的采光系数已基本达到标准，继续提高窗墙比，则容易导致眩光，降低室内光环境质量，同时，0.15的窗墙比接近当地民居大多数采用的数值。因此，从改善采光与保护风貌两方面来看，在民居采光优化时将窗墙比控制在0.15左右较为合适。

2)窗棂结构：针对窗棂结构的分析考虑了虚实比与镂空分布形式两方面的影响，结果显示，在老洞村民居现有窗棂结构的虚实比范围内通过调整窗棂宽度来进行优化，采光系数仅提高0.02，对室内光环境的改善不明显；对比大而集中与小而分散两种镂空分布形式，发现两者差距仍然较小，说明在尽量保留窗棂结构原有风貌的情况下，针对虚实比与镂空分布形式的优化策略难以发挥效果，需要提高优化程度，或是采取诸如活动式窗棂等其他策略。

3)饰面材料反射比：针对老洞村民居饰面材料反射比较低的情况，以标准中规定数值为参考进行模拟分析，发现随着反射比提高，室内采光的最大值提升较小而均匀性改善较大，此外，当反射比超过0.6之后，采光系数提升的速率明显提高，结合现有市场分析，建议采用反射比介于0.6～0.8的饰面材料以获得更好的采光效果。