参数化性能模拟的福清传统民居光环境优化策略

赖思彬, 张兵华, 吴木生, 彭琳

(福州大学建筑与城乡规划学院, 古建筑保护福建省高校工程研究中心, 福建 福州 350108)

0 引言

中国民居的历史悠久, 早期传统民居以防御性作用为主, 以及抵御寒冷的天气, 民居呈现出外封闭内开敞、 卧室封闭厅堂开敞的现象. 当地居民在自行建造过程中还受到技术和其他经济条件等限制, 房间普遍存在开窗少、 窗口小的问题, 从而导致室内的采光不足. 光环境影响人体在视觉上的舒适性及身心健康, 即室内光环境迫切需要改进[1].

现阶段, 国内外的学者在研究民居光环境上做了大量的室内环境实测和分析, 并探讨其优化的策略和措施. 张宏儒等[2]以苏州传统民居为例, 通过采光实测与软件模拟对比分析和总结当地民居生态设计要素, 验证光环境设计的有效性. Kim等[3]使用Daysim程序创建模拟单元, 并采用照度和采光频次(daylight factor, DF)指标评价采光性能, 发现与窗墙比的增大呈线性关系, 提出横向与纵向的单元比值设计指南. 孙澄等[4]通过调研农村住宅, 研究总结了10项天然采光因素与采光照度的定量关系, 并建立其环境数据库. Cammarano等[5]以不同建筑特征的房间对比, 研究自然采光随着建筑特征变化而变化, 并分析每个特征的影响因素, 提出在室内采光的初步设计. 何苗等[6]通过采集闽南地区民居光环境实验数据进行对比研究, 分析民居采光存在的主要问题和原因, 为制定当地采光标准作为参考并提出改善策略. Huang等[7]基于碳减排等方面考虑, 从窗高、 窗地比和窗宽比要素中研究城市住宅采光并提出初步设计优化策略. 黄海静等[8]在黔东南地区采光不足问题上结合实验测量研究, 通过软件模拟验证及分析影响因素并提出优化策略. 于姝亚等[9]通过ECOTECT 模拟并且进行定量研究, 结合对平立面的定量测量数据, 分析了传统窑洞民居光环境在时间演化下的适应关系.

目前, 对光环境影响因素的定量研究较为完善, 大多数学者集中于光环境实测数据分析, 但对传统民居地域性特征关注较少. 本研究以福清地区岑兜村典型合院式传统民居为例, 在保留完整建筑历史风貌的基础上, 从建筑平面布局、 剖面空间及建筑材料等方面出发, 根据民居现状实测分析与采光参数性能模拟相结合, 提出适用于当地民居的保护性改造策略.

1 岑兜村概况分析

1.1 地理位置分析

岑兜村地处福建省福清市海口镇(北纬25°18′～25°52′, 东经119°03′～119°42′), 距离福州市90.2 km. 福清市10.2 km, 属南亚热带海洋性气候. 根据我国建筑规范标准[10], 福清市属于光气候区中的Ⅳ类区, 常年日照2 200～3 000 h, 光资源较为丰富. 岑兜村不仅依山傍水、 环境优美, 红壤、 黄壤为主要土壤类型, 而且当地木石资源十分丰富, 居民们依托此优势建造了具有地域性特征的民居. 近几十年来, 还一直保留着完整较好的传统民居, 以及村庄内不断大量兴建新的民居, 呈现出了新、 老民居共存的局面, 因此选用岑兜村传统民居为研究对象.

1.2 传统民居现状分析

研究选取的典型传统民居为林氏住宅, 位置处于海口镇岑兜村, 是一座建于清末民国、 坐北朝南的合院式布局建筑(图1). 根据民居现场测绘的尺寸, 建筑总长为31.48 m, 总宽为18.23 m, 面积为1 264.18 m2. 建筑组合平面布局为二进五开间, 由主轴线向两侧扩展, 属于典型的“一明两暗”布局、 木结构承重为主的传统民居[11]. 其在立面上分为两层, 侧立面夯土墙为主, 毛石砌筑基础, 有利于防潮与排水, 墙体厚度为0.42 m. 正立面5层花岗岩为裙堵, 红砖为镜面墙, 四扇新式开窗(图2), 形成具有特色的立面形象[12]. 该民居纵深较长, 天井为主要采光区, 正立面有部分采光口, 侧立面为辅助采光面(图3).

图1 航拍图

1.3 光环境实测分析

测量时间为2022年5月10日—12日, 每日的9: 00—17: 00的9个时间点, 天气多云、 全阴天, 满足规范要求, 并同时采集此3 d内所有时间点实测的平均值, 作为该时间段的光照量数据. 二层阁楼均为储藏间, 通常使用移动梯子上楼, 仅有部分房间还保留着楼梯. 因现今二楼不住人, 故只针对一层功能房间进行测量. 一层功能分别有卧室、 客厅、 厨房. 测量方案利用均分平面网格, 选取距地面0.75 m的工作平面进行测定, 将网格均等地布满区域, 所有采光测试区点位间距为0.5 m(图4)以满足规范标准[13]. 采光测量仪器选用 SanLiang数字型照度计, 有效范围为0～200 000 lx, 数据储存2 000组. 每个点从该时间点的前后间隔5 min, 各取5次数据的平均值, 能够极大减小误差. 首先, 将每个房间测试点的采光照度取平均值作为该房间的平均照度. 其次, 测量得出该民居室内的窗地比(表1)和材料的透射系数(表2). 最后, 将实测所得的平均照度和窗地比值与规范标准值进行对比, 根据该传统民居所在地区, 规定卧室、 客厅、 起居室和厨房的窗地比为 1/6, 采光照度标准值为300 lx, 采光系数为2.20%[10], 得出该民居部分主要功能房间的平均照度和窗地比远小于标准值.

表1 房间窗地比实测与标准值对比

表2 房间表面的材料系数

图4 测点分布图(单位: mm)Fig.4 Distribution of measuring points(unit: mm)

2 光环境模拟和分析

2.1 模拟流程

通过实测的建筑平面导入Rhino中, 建立初步的基本模型, 提取到Grasshopper平台中同步建立Honeybee模型(图5). 模拟过程中, 先设置各个房间开窗位置、 地面和周边建筑遮挡物. 赋予其材料参数: 室内墙体反射系数为0.3, 天花反射系数为0.20, 地面反射系数为0.22, 及玻璃的透射系数为0.42. 再利用ladybug获取气象数据文件[14], 分析采用全阴天天空模型符合《采光测量方法(GB/T 5699—2017)》规范, 最后拾取工作平面, 高度设置为0.75 m, 测点间距设置为0.5 m, 连接运算引擎实现结果可视化(图6).

图5 Honeybee模型Fig.5 Honeybee model

图6 Grasshopper电池图Fig.6 Grasshopper battery diagram

2.2 实测与模拟验证

Ladybug和Honeybee的内核Radiance引擎已经过多次验证采光模拟结果的可行性[15]. 本研究采用的epw气象数据文件由中国气象信息中心实测全国270个地面气象站收集的气象数据为基础编制的[16]. 为验证该地区气象数据文件的可行性, 本次采光模拟试验采用实测数据与模拟数据校对误差, 将原室内采光照度模拟结果与实测数据对比, 其误差率在2.78%～13.29%(图7). 在检验其可行性的基础上进行模拟分析评价研究[17].

图7 采光照度实测值与模拟值对比Fig7 Comparison of measured and simulated lighting illuminance values

3 光环境优化设计策略

3.1 增加开窗透射系数

考虑到光环境改造会对该地区的历史建筑风貌有所影响, 以不改变外墙的整体历史风貌为原则, 根据窗户构造形式, 改变该门窗的透射系数, 其实测的玻璃透射率为0.42, 查阅相关规范, 采用普通白玻璃, 其厚度为6 mm, 与原民居玻璃厚度相匹配透射率为0.84, 即在模型中设置并模拟, 其结果如图8所示. 由于地域特点与民俗习惯, 传统民居普遍采用“光厅暗房”结构营建, 正厅与前厅起着起居室的作用, 皆为开敞面向天井[18], 窗地比与采光量皆满足标准值. 玻璃透射率对提升其他房间采光照度增幅较大, 整体通过300 lx标准值的房间占有率为5.71%, 其中卧室G和卧室M布局紧靠外墙, 通过外墙窗户直接对外采光, 所以玻璃透射率对其增幅最大, 而卧室B和卧室C布局虽然紧靠东侧外墙, 但受到周边建筑的影响, 遮挡住了大部分的入射光, 所以玻璃透射率对其增幅最小, 且均未达到国家规范的标准值.

图8 增加开窗透射率采光照度模拟结果Fig.8 Simulation results of lighting illumination by increasing the window transmittance

3.2 提高室内反射比系数

考虑到既有建筑的主要空间结构延续使用, 保持建筑平面布局形式, 房间开间进深, 屋架结构不变. 基于历史建筑风貌的保护和整体性原则, 尽量保持门窗雕刻和屋顶装饰前提下, 对室内的空间表面材料进行改造[19]. 由于该民居采用的室内材料为杉木板, 实测浅黄色木板反射率为0.30, 杉木板不适合整体墙面粉刷, 所以提升室内反射比相对较好的方式是采用图钉, 利用浅色墙纸装订在杉木板里, 既方便又节省成本. 通过查阅相关规范, 采用塑料墙纸黄白色, 其反射率为0.72, 即在模型模拟中, 将数值赋予墙体、 地面、 屋面. 依据建立的模型进行运算, 模拟结果如图9所示. 从结果可以看出, 单纯从室内的反射比上来改善光环境, 效果甚小, 未有房间能通过标准值, 整体的房间采光强度增幅率不到5%, 所以必须整合其他措施优化来满足采光需求.

图9 提高室内反射比采光照度模拟结果Fig.9 Improved indoor reflection ratio lighting simulation results

3.3 增加内墙开窗面积

区别于普通住宅, 该传统民居布局形式为四合院形式, 由于周边的中高层新建建筑的兴起, 阻挡了大部分天然光从侧面射入, 重要的功能房间主要还是依靠天井采光口[20]. 在其原有木窗单元尺寸的基础上增加内窗, 以420 mm×800 mm和450 mm×1 000 mm为模数(图10), 通过对内墙的开窗设置, 满足规范的窗地比值. 由于该民居主要功能房间以中轴对称分布, 部分房间不满足窗墙比值, 以450 mm×1 000 mm为模数增加开窗面积, 即卧室B与卧室O需要增加2扇窗户, 厨房C与厨房P需要增加3扇窗户, 卧室D与卧室Q需要增加4扇窗户, 卧室E与卧室K需要2扇窗户, 卧室F与卧室L需要增加2扇窗户, 总计内墙开窗面积为11.70 m2. 模拟结果见图11, 由图11可知, 增加内墙开窗满足窗地比的标准值, 整体采光量增幅对比优化前相对较大, 通过300 lx标准值的房间占有率为2.01%, 其中由于卧室B与卧室O布局上紧靠卧室F与卧室L, 内墙开窗位置受到极大的限制, 所以其增幅最小, 厨房C与厨房P布局上紧靠天井, 内墙开窗位置灵活, 直接对天井采光, 所以其增幅最大, 但采光照度均达到标准值.

图10 内墙开窗示意图Fig.10 Diagram of interior wall opening window

图11 增加内墙开窗面积采光照度模拟结果Fig.11 Simulation results of lighting illumination by increasing the window area of the inner wall

3.4 增设顶部采光口面积

主要功能房间进深太长, 采用外部开窗形式也满足不了室内的采光需求, 则需要从屋顶处增设亮瓦. 福清传统民居基本上墙体以红砖、 屋顶以红瓦为建筑材料[21], 则亮瓦为底瓦, 盖瓦采用当地的红瓦, 对整体的历史建筑风貌影响较小. 亮瓦在设置上分为两种情况, 每处设置的亮瓦区域模数为0.45 m2(0.45 m×1.00 m)面积.

1) 通高空间. 厨房C与厨房P为通高空间, 在屋顶处可直接铺设亮瓦(图12), 通过直接采光来满足采光量的需求. 但亮瓦的可采光面积需根据屋檐下的檩条位置来确定, 由窗地比的标准值, 可得厨房C与厨房P顶部均需要设置3处亮瓦, 亮瓦面积设置为2.70 m2.

图12 屋顶亮瓦铺设示意图Fig.12 Schematic diagram of roof tile laying

2) 阁楼空间. 卧室B与卧室O, 卧室D与卧室Q局部二层阁楼用来做储藏功能, 也能起到湿热环境调节空间的功能. 而一层用来做卧室功能, 利用阁楼上部的檐下空间来设置亮瓦, 亮瓦的可采光面积受到阁楼位置的限制,为满足窗地比值, 则各需要设置2处亮瓦和4处亮瓦, 亮瓦设置为5.40 m2面积. 卧室E与卧室K, 卧室F与卧室L二楼整层为储藏间, 则需要拆卸部分的阁楼面积来满足一层卧室的采光需求, 采光面积受限于檩条的位置, 为满足窗地比值, 则各需要设置2处亮瓦, 亮瓦面积设置为1.80 m2. 总计亮瓦设置面积为9.90 m2. 可以从模拟结果(图13)看出, 增加顶部采光口满足窗地比的标准值, 对比优化前房间单体采光量增幅较大, 通过300 lx标准值的房间占有率为36.62%, 其中厨房C与厨房P达到标准值, 其余房间虽然未达到标准值, 但差距不大, 并且采光口设于屋檐下, 对其整体风貌影响较小.

图13 增设顶部采光口面积采光照度模拟结果Fig.13 Add the lighting illumination simulation results of the top lighting port area

3.5 光环境综合优化设计策略

基于以上单项优化结果分析, 可以得出需要考虑建筑材料、 空间结构、 建筑风貌等因素来综合提出优化设计策略. 即采用单层普通白玻璃, 透射率设置为0.84, 室内墙体, 地面, 屋面采用塑料黄白色墙纸, 反射比设置为0.72. 厨房C与厨房P增设1.35 m2内墙开窗面积, 同时各房间屋顶的中心对称放置亮瓦(图14), 确保能够最大效率地增加采光量, 各增加2处亮瓦, 卧室Q和卧室D单独增设4处亮瓦, 亮瓦设置面积为16.20 m2. 卧室E与卧室K, 卧室F与卧室L二层阁楼各需要拆除3.90 m2作为采光口, 总计设置的采光面积为24.00 m2. 模拟结果如图15所示, 可见该民居各房间室内的平均采光照度大幅度增加, 通过300 lx标准值的房间占有率为61.51%, 并满足国家规范标准. 由于采光受到周边中高层新建住宅的遮挡, 仅有卧室A, 卧室B及卧室O还未达到规范值, 但距离标准值相差不大, 且验证了屋顶亮瓦采光效率的有效性.

图14 亮瓦剖面设置示意图Fig.14 Schematic diagram of bright tile profile setting

图15 综合优化采光照度模拟结果Fig.15 Simulation results of daylighting were comprehensively optimized

4 结语

在Grasshopper平台中以Ladybug获取气象数据文件建立了Honeybee模型, 根据传统民居的光环境现状调研实测和模拟, 结果显示, 该民居的采光照度远低于标准值, 且玻璃材料参数、 室内反射比、 空间形态和开窗大小等因素影响采光性能. 通过模拟各影响因素进行量化和对比分析, 针对合院式的平面布局和阁楼形式的剖面类型, 提出如下几点整体传统民居保护性改造策略. 1) 在室内墙面装饰上可采用浅色墙纸来提高室内反射比, 以及通过局部改变木墙门窗构造来增加玻璃透射率, 能够起到优化整体光环境的作用. 2) 靠近天井的房间, 考虑增设内墙门窗, 直接对天井采光. 3) 当内墙采光不足时, 利用当地红瓦元素进行亮瓦处理, 增设顶部采光口. 结合以上的优化策略, 可为该地区民居与新建民居改造更新提供一定价值的参考意义. 但在模拟过程中, 在一定程度上简化了模型, 造成部分房间的模拟与实测误差值相对较大. 今后该Grasshopper平台还可以将光环境、 热环境和风环境相结合, 通过优化算法的衔接, 实现更加精准、 从局部到整体改造的参数化设计.