健康导向的参数化病房采光设计——以重庆智慧医院设计为例

胡广梽，汪统岳，郝洛西

(1.华东建筑设计研究院有限公司，上海 200000；2.同济大学 建筑与城市规划学院，上海 200092；3.高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室(同济大学)，上海 200092)

引言

新时代的医院不仅仅要满足治疗疾病的功能，更要注重疗愈空间的打造。住院部作为医院七大类功能中占比最大的部分，所占面积达到了37%～41%[1]，而病房空间则是住院部所占面积最大的功能空间，也是住院患者长期居住的空间。一直以来，光环境都对人类健康有着重要的影响[2]。首先光可以影响人的视觉功能，长期恶劣的光环境容易引起视功能下降、视觉疲劳、作业绩效降低，还妨碍活动的顺利进行，引起近视、黄斑病变等疾病；其次，光对生物节律也有重要的影响，通过人眼中的第三类感光细胞，影响生物节律，包括睡眠、进食、新陈代谢、激素分泌以及免疫应答等生理过程；另外光环境能够影响人的情绪，调节心理健康[3]。因此，在病房这样注重对患者疗愈效果的空间中，光环境的舒适度则是非常重要的设计要素。光环境的营造主要由天然采光和人工照明决定，而在一天的活动时间中，天然采光的占比对于病人来说更长，因此这里主要探究病房的天然采光设计。

参数化设计是指，建立变量之间的对应关系作为参数模型，以研究某些变量的改变所带来的对其他变量的影响和最终结果[4]。在采光设计中，室内光环境作为“因变量”，受到众多“自变量”的影响和控制，例如病房层的平面布局、采光口尺寸等。将光环境与众多影响因素建立参数模型，可以更加精确地研究其中的对应关系，确定合适的自变量以达到优化病房光环境的目的。

1 天然采光评价指标

若要提升采光设计，首先要选取恰当的采光效果评价指标。天然采光的评价指标多种多样，主要可以分为两种，其一是评价单一时间的静态采光指标，另外则是反映整年采光效果的动态采光指标。前者通常选取全阴天条件下的特定时刻进行模拟分析；后者则通过将建筑所在地全年的气象数据导入到软件中，建立天空模型，以小时为单位分析全年的照度、天然光眩光概率等数据，全面评价采光效果，该种类型的指标更能全面反映真实情况的室内光环境，对于提升病房空间的健康设计具有更加重要且直观的作用。而在动态采光指标中，也可大致分为两种方向，其一是反映某一观测点的采光效果指标，其二则是反映某一空间范围的采光效果指标。在众多动态采光指标中，选取较为具有代表性的——天然光占比、有效天然光照度以及天然光眩光概率进行采光分析。

1.1 天然光占比

天然光占比(Daylight Autonomy，DA)指在全年范围内，依靠天然采光所营造的室内光环境中，满足最低照度要求的时间所占全年时间的百分比，它将全年8 760 h的采光情况纳入计算之中，较为整体地描述了整年的天气、气候变化、建筑等要素对于室内光环境的影响。但其局限性也较为明显：只规定了最低照度要求，并没有考虑照度过高时带来的眩光等问题。但对于一些光照条件本身较为匮乏的地区，天然光占比这一指标还是具有一定的参考意义。

1.2 有效天然光照度

有效天然光照度(Useful Daylight Illuminance，UDI)描述的是在全年的范围内，室内工作面上处于有效照度范围内的时间所占全年8 760 h的比例。2006年，Wienold等[5]通过研究将光环境的照度划分为三个区间(表1)。相较于DA，UDI规定了一个范围，将眩光等高照度情况纳入模拟计算中，从而更加全面精确地进行采光评价。因此，选用UDI指标来进行后续的采光模拟评价。

表1 有效天然光照度区间

1.3 天然光眩光概率

天然光眩光概率(Daylight Glare Probability，DGP)是进一步评价室内光环境由眩光影响下的舒适度的指标，它将人视野内的总体亮度、眩光范围和亮度，以及视觉对比差异等信息综合考虑进来，使用了严谨的方法用于计算，贴切地考虑了使用者的感受[5]。并将DGP的值划分为4个等级(表2)。由表2可知，DGP等级在0.4以内时较为理想。

表2 DGP等级划分

对于医院病房来说，为了营造有利于病人健康的天然光环境，首先应当确保充足的光照，让患者虽处于病房中却能感受到自然的氛围；其次过高的照度容易产生眩光，影响病人的视觉感受，特别是患有眼部疾病的患者。因此，理想情况下，室内的天然采光照度应当处于一个充足但并不过高的范围，选用UDI作为室内光环境整体的评价标准较为合适。同时，应对病房中病人长期生活的区域进行眩光分析，利用DGP值进行量化，评价眩光情况以减少光污染对病人带来的负面影响。

2 项目基本信息

重庆智慧医院新建项目位于重庆市沙坪坝区香炉山街道，重庆科技学院(虎溪校区)南侧约230 m，大学城南一路北侧。场地周围多为居民区，在采光设计时应当考虑病房楼与高层住宅之间的相互影响。项目总用地面积约为22 000 m2，总建筑面积为78 910 m2，包含一个二级医院综合楼、一个疾控实验楼和共享行政楼，二级医院床位数为400床。在经过周边场地分析、用地功能分区分析以及各项功能用房面积梳理后，大致形成了如图1所示的建筑布局和形体关系：疾控及实验区位于场地全年主导风向的下风向处即东南角，住院区位于北侧以减少场地南侧高层住宅的影响，共享行政距离医院和疾控中心较近，承担过渡和衔接的作用。

图1 初步的功能布局及形体关系Fig.1 Preliminary functional layout and physical relationship

重庆位于全国光气候分区的第Ⅴ类分区，属于全国太阳能资源最为匮乏的地区之一，常年阴天缺乏日照，天然光年平均总照度小于30 klx，因此该项目的病房光环境设计尤为重要，其中首要目的是确保病房内部充足的光照。由于日照资源匮乏，眩光现象也较少，因此只选取最不利的傍晚时刻进行西向的眩光分析。

3 采光模拟分析及优化

经过初步的建筑体量设计后，需要针对病房的光环境进行相应的采光设计和光照模拟，将研究的变量之间构建参数所存在的体系和对应的函数关系，使得参数之间在保持对应关系的前提下可以相互影响、相互决定。利用已有的“参数”来决定和影响需要的参数，形成动态的参数化模型[6]。根据模拟结果优化建筑设计，从而使得病房光环境达到理想的要求。

3.1 采光效果影响因素

首先需要确定的是影响病房采光情况的建筑设计变量。由于整体布局已经确定，且住院楼的南侧没有遮挡，那么只需要考虑其自身的情况。

(1)住院楼的布局形体本身是否存在光照自遮挡的情况。在目前的体量形态下，选用“回”形和两个“C”形错动的形态进行对比计算(图2)。

图2 两个“C”形(上图)和“回”形(下图)的住院楼形态Fig.2 The shape of the inpatient building with two “C” shapes (above)and a circular shape (below)

(2)住院楼各层护理单元中病房的朝向。南向房间受到更多的日照，东西向次之，北向最差。朝向南方的病房越多，则会更有可能享受到更好的日照条件。但在该项目中，受制于场地条件，病房楼整体形态大致为方形，只在南向布置病房满足不了护理单元床位数的要求，只能沿东、南、西三个边布置病房，因此并无太多可能性，不做过多讨论。

(3)病房采光口。《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)[7]规定了不同光气候分区的建筑应当满足的窗地比，在满足一定窗地比的情况下，采光口的尺寸对于内部光环境也存在相应的影响。同时为了避免眩光，使室内光环境处于相对舒适的DGP范围，也要考虑遮阳设施的影响。

接下来将详细研究(1)和(3)所述的布局方式、采光口尺寸以及遮阳设施对于室内光环境的影响。

3.2 模型建立与采光模拟

首先按照既定的体量尺度、柱跨、病房尺寸进行参数化建模，并选取病房的标准层进行研究。选用了grasshopper平台中的ladybug插件进行采光模拟。首先按照柱跨8.4 m确定房间尺寸：面宽半跨，即4.2 m；进深一跨，即8.4 m。其次根据住院楼形体的尺寸，病房若要在满足床位数达到要求的同时(一层40～50床)享受到更多的光照，只能沿东、南、西侧布置，医生区、护理区和公共活动区位于住院楼中部。形成双护理单元同层设置，可分可合，布置灵活；病房区、护理工作区、医生工作区、公共活动区相辅相成；病员配餐服务、废弃物收集服务，实现“洁进污出”的平面布局模式(图3)。

图3 两个“C”形(左)与回形(右)的平面布局Fig.3 The approximate plane layout of two “C” shapes (left)and a circular shape (right)

接着将平面布局转化为三维模型，由于主要研究病房的采光，因此将每间病房及其组合方式在模型中表达，并参考GB 50033—2013[7]对于墙面、玻璃等材质要求，在ladybug平台中赋予每间病房围合面相应的光学参数，建立带有光学属性的三维参数模型。

在确定窗户尺寸时，重庆属于Ⅴ类光气候分区，在满足其窗地比不小于GB 50033—2013[7]中规定的1/10的情况下，通过计算可得其窗户的最小面积为8.4×4.2×0.1≈3.53 m2，病房楼的东南侧为城市绿地，病房的窗台高度最好在满足通风采光的需要的同时，能够满足病人远眺观景的需要，因此设定窗台高度为0.3～0.7 m；考虑到梁和吊顶的厚度约为0.9 m、层高4.2 m的情况下，窗户的高度范围则为2.6～3.0 m(以0.2 m为模数，共3个值)；考虑到柱子的尺寸0.6 m宽和房间进深4.2 m，窗户的宽度最多为3.6 m，为了在窗高最小的情况下满足窗户最小面积3.53 m2，且考虑外立面效果，综合考虑模数那么窗户的宽度最小定为2.1 m，因此窗户的宽度范围则是2.1～3.6 m(以0.3 m为模数，共6个值)，那么在同种病房楼形态的情况下，共进行18种采光方案的模拟计算。

接下来是设定病房单元各个界面的材质(表3)。

表3 病房各界面材质及相关参数

继而导入重庆地区的气象数据，建立CIE天空模型，根据GB 50033—2013[7]中对医院类型建筑的使用时间规定，即8：00—17：00，全年310天，制定相应的模拟时间范围，对上述的病房参数模型进行共3 100 h的光照模拟。至此，建立好采光模拟的参数化模型(图4)。

图4 参数模型的建立示意Fig.4 Establishment of parameter models

3.3 数据处理与设计优化

对模拟计算的多组数据进行分析和处理，首先是“C”形和“回”字形病房布局的采光情况对比。为了简化计算，采用控制变量法，以窗高3 m、宽2.1 m的模型进行模拟，由于“C”形布局的南侧中间病房可能存在自遮挡现象，除了分析平均UDI100-2000lx值外，也单独分析该房间的UDI100-2000lx值，见表4。

表4 不同布局形式的UDI100-2000lx值

由表4可知，无论是从平均UDI100-2000lx还是南侧中间房间的UDI100-2000lx来看，两种布局结果均近似，主要是由于在“C”形布局中，自遮挡的部分设置成了公共休息区，将形体转折带来的自遮挡因素降至最低。因此从采光方面来讲，两种布局并无明显差别，在设计中可以考虑使用形体变化更为丰富的“C”形护理单元形态，以丰富建筑体量造型。

接下来对“C”形布局的不同采光口方案进行模拟计算，由于重庆光照资源较为匮乏，全年大部分时间为阴天，眩光产生较少，因此主要考虑UDI，并汇总数据见表5。

表5 “C”形布局形式的不同采光方案数据

由表5可看出，随着病房采光口面积的降低，平均UDI100-2000lx值的整体走势是：以宽度相同的3个数据为一组，随组增加。这是由于采光口在过大的情况下室内出现了较多2 000 lx以上照度的空间，并在编号16之后增长趋势趋于停滞，且在采光口宽度一定的情况下，高度越小，UDI100-2000lx值越小，因此采光口的大小并不是越大越好。在以上数据中，编号16和19是最优的采光口尺寸，但考虑到人的景观视野感受，还是选取宽度较大的编号16。

因在模拟过程中发现部分情况存在照度过高的眩光现象，决定加入遮阳板的元素，考虑到美观因素，在一个病房单元的采光口分别设置3～7个均匀布置的竖向遮阳板(图5)，并选取较容易产生眩光的夏至日下午4点进行DGP模拟分析，眩光分析是基于特定时刻的视点和视线方向，以及以此产生的视图来分析图中各个物体的亮度，从而进行眩光的分析，数据结果见表6。

图5 竖向遮阳的设置Fig.5 Setting of vertical shading

表6 竖向遮阳板对眩光的改善

从表6中可以看出，随着竖向遮阳板数量的增加，西向房间的DGP整体也随之减少，且平均UDI100-2000lx值随之增大，在增加至6个和7个遮阳板时，DGP和UDI100-2000lx趋于稳定，但遮阳板过多也会影响病人的观景体验和立面效果，因此选用每个病房开间6个竖向遮阳板的遮阳方式。

综上所述，病房楼“C”形和“回”形的平面形态对于采光方面来讲，两种布局并无明显差别，在设计中可以考虑使用形体变化更为丰富的“C”形护理单元形态，以丰富建筑体量造型；对于采光口而言，选取编号16(2.1 m×3.0 m)的采光口，以获得更高的平均UDI100-2000lx值以及较好的景观视野；同时在立面上以每个病房为单位均匀设置6个竖向遮阳板，以减少眩光并在一定程度上增加UDI100-2000lx值。

4 小结

病房作为患者长期居住的空间，其内部光环境与患者健康息息相关，而病房的室内光环境受多种因素影响。病房设计并不能只聚焦于病房本身，结合建筑所处的地缘特征、业主诉求、文脉语境等进行针对性的病房光环境设计很有必要。

首先，对重庆智慧医院项目进行分析，提取项目中影响病房光环境的重点要素——病房的平面形态、采光口尺寸以及立面外遮阳；接着，建立各影响因素与采光效果之间的参数化模型，进行采光模拟实验；最后，以室内光环境的UDI、DGP参数为评价标准，对得出的实验数据进行整理、评价，从而探究出一个相对优化的设计方案。从项目分析、到建立参数模型、再到数据整理，最后优化设计。这便是在实际项目中，以健康为导向的一种光环境设计方法。