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

2023-02-28 02:59胡广梽汪统岳郝洛西
照明工程学报 2023年5期
关键词:遮阳板照度布局

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。

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