参数化下悬挂式竖向百叶对室内采光的影响分析

李岩松 ，王治国 ，王成望 ，杨印波 ，曹胜昔 ，李宏伟

（1.北方工程设计研究院有限公司，河北 石家庄 050000；2.河北省建筑信息模型与智慧建造技术创新中心，河北 石家庄 050000）

0 引言

在当代建筑设计中，室内采光是影响建筑环境舒适性和能源利用效率的重要因素之一。有效利用自然光源不仅提高了建筑内部的可居住性，还在一定程度上减轻了对人工照明系统的依赖，有助于实现能源的可持续利用。在这一背景下，幕墙悬挂式竖向百叶作为一种常见的遮阳装置，在建筑外观设计中扮演着重要角色。

在建筑设计领域，幕墙悬挂式竖向百叶作为一种常见的遮阳装置，已经得到了广泛的应用。国内外的研究者对此进行了大量的研究，主要集中在百叶的设计、性能评价、优化设计等方面。

在百叶的设计方面，研究者主要关注百叶的形状、尺寸、布局等因素对其遮阳性能的影响。例如，王新龙[1]（2019）研究了悬挂式竖向扭转梭形金属百叶幕墙施工技术，提出了一种新的百叶设计方案，能够有效地提高百叶的遮阳性能和美观性。此外，还有一些研究者关注百叶的材料选择和制造工艺，试图通过改进材料和工艺来提高百叶的性能。

在性能评价方面，研究者主要关注百叶的遮阳性能、热性能、光学性能等。例如，骆肇阳等[2]（2024）智能遮阳百叶眩光预测模型控制变量有效性分析，为百叶在室内采光方向的优化设计提供了科学依据。

在参数化技术方面，研究者主要关注幕墙百叶系统的形体优化设计。例如，王瑞琪等[3]（2023）基于BIM 参数化的幕墙曲线百叶系统的优化设计，通过参数化来优化曲面幕墙及百叶系统，以达到面板形态最优解。

然而，尽管已经有大量的研究关注了百叶的设计和性能评价，但是关于悬挂式竖向百叶对室内采光影响的研究还相对较少。大多数研究只关注了普通百叶的单一性能，而忽视了悬挂式竖向百叶的采光影响。

在这一背景下，该研究旨在通过参数化设计方法，深入探讨悬挂式竖向百叶在不同角度下对室内采光的影响，以期提供一种全面评价和优化悬挂式竖向百叶采光性能的方法。为了实现这一目标，本文选择一座具有代表性的医疗建筑作为研究对象。希望通过这一研究，为建筑设计师提供一种有效的工具，帮助他们在设计过程中更全面地考虑悬挂式幕墙百叶的设计，以最大程度地提高室内环境质量。

1 工程概况

本研究选取的项目位于河北省石家庄市的一座医疗建筑。这座建筑总建筑面积为28 867m2，地上共有10 层，每层的层高均为4.5m。这座建筑的设计和布局充分考虑了其作为医疗机构的特殊性，室内功能主要为医学实验室，为医务人员提供了一个宽敞、明亮、舒适的工作环境。

建筑的外窗采用了铝合金幕墙框中空玻璃（6 中透光+12空气+6 透明+12 空气+6 透明双银Low-E），这种窗户设计既保证了室内的采光需求，又能有效地阻隔外部的热量，提高了建筑的能源效率。此外，建筑的顶部还设置有外檐遮阳，挑出距离为0.85m，这种设计既能有效地阻挡夏季的强烈阳光，又能在冬季允许更多的阳光进入室内，实现了遮阳和采光的平衡[4]。

室内天花板距地高度为2.7m，这种高度设置既保证了室内的空间感，又能满足医务人员的工作需求。此外，从4 层起，每两层之间设置了高度为7m 的香槟色金属百叶，百叶的截面如图1 所示，距地650mm。这种百叶设计既增加了建筑的美观性，又能有效地调节室内的光照，提高了室内环境的舒适性。

图1 百叶截面示意图

在建筑设计中，充分考虑了建筑的功能需求和环境因素，力求实现建筑美观、功能性和环保性的统一。在建筑的外观设计中，采用了简洁、明快的线条，使建筑具有现代感和科技感。在建筑的内部布局中，充分考虑了医务人员的工作需求和患者的就医需求，力求实现空间的合理利用和流线的合理布局[5]。

在建筑的环保设计中，采用了高效的节能材料和设备，如铝合金幕墙框中空玻璃、外檐遮阳等，力求实现建筑的能源效率最大化。此外，还在建筑中设置了香槟色金属百叶，通过调节百叶的角度，可以有效地调节室内的光照，提高室内环境的舒适性。

2 研究方法

在本研究中，采用了参数化设计和模拟实验的方法，来分析幕墙悬挂式竖向百叶在不同角度下对室内采光的影响。具体的研究方法如下：

以建筑东南侧部分房间为分析区域，这个区域的选择是基于其具有代表性的地理位置和建筑环境。在这个区域内，通过模拟现有环境的影响，对给定进深空间的采光结果进行了分析。

在采光结果的分析中主要关注的是在有效占用时间内测试点接收到日光照度范围的时间百分比。这个指标可以直观地反映出室内采光的情况，为后续的研究提供了一个重要的评价标准。在时间的选择上，选择了全年8:30 ～17:30 的办公时段，这个时段是医疗建筑的主要使用时段，对于室内采光的需求较高。

在模拟实验的设计中，参照了石家庄市的气象数据，这些数据包括了全年的日照时间、日照强度、日照角度等信息，为模拟实验提供了准确的输入数据。在现有固定的遮光物体（天花板及顶部外檐）的影响下，通过改变梭形百叶旋转角度，分析了在工作时段内室内采光的影响情况，从中选择了最佳的百叶旋转角度。

在数据的收集和处理中，采用了网格划分的方法，将室内空间划分为多个小的格点，然后在每一个格点位置处的日照强度进行了划分统计。通过这种方法，可以得到不同日照强度范围下的受光时间占所设定时间（即工作时间）的百分比，以此来判定室内采光是否适宜。

在参数化设计的过程中，首先建立了分析模型，然后在模型中确定了分析范围，将模型四周的百叶加以尺寸、位置、间距及高度等控制项进行了整理。然后，对这些控制项进行了参数化处理，以便于在分析过程中可以快速地修改和调整这些参数，从而得到不同的结果[6]。

在参数化分析的过程中，通过调整百叶角度，研究了其对室内采光的影响。实验结果发现，百叶的角度对室内采光的影响非常显著，通过合理地调整百叶的角度，可以显著提高室内的采光效果。

3 实验工具

在本研究中，选择了Rhino 和Honeybee 作为主要的实验工具。Rhino 是一款专业的三维建模软件，它具有强大的建模功能和灵活的操作方式，可以帮助研究人员快速、准确地创建建筑模型和百叶模型。Honeybee 则是一款专门用于建筑环境分析的插件，它可以帮助研究人员进行日照模拟和数据分析。

在Rhino 中，首先根据建筑设计图纸创建了医疗建筑的三维模型。在这个过程中，充分考虑了建筑的尺寸、比例和布局，确保了模型的准确性。然后，在模型中添加了幕墙悬挂式竖向百叶。在这个过程中根据实际情况设置了百叶的数量、位置、截面形状和尺寸，以及百叶的旋转角度，以确保模型可以准确地反映实际情况。

在Honeybee 中，进行了日照模拟和数据分析。在日照模拟中，首先设置了模拟参数，包括模拟的时间、地点、天气等。导入到Rhino 模型中并定义了拟任务，开始模拟过程。在模拟过程中，Honeybee 会根据设置，模拟不同百叶角度下的室内采光情况，生成模拟结果。

在数据分析中，使用了Honeybee 提供的工具和其他数据可视化工具，对模拟结果进行了详细的分析和比较。主要关注的是在不同百叶角度下，室内采光的变化情况。通过对模拟结果的分析，可以得到百叶角度对室内采光的影响规律，为后续研究提供了重要的数据支持[7]。

4 创建模型

在创建模型的过程中，可以使用Rhino 等专业的建筑设计软件，来创建一个三维模型。首先，需要将建筑设计图纸导入到软件中，然后根据图纸中的尺寸和比例，创建一个精确的建筑模型。在创建模型的过程中，需要考虑建筑的外观和内部结构，包括墙体、窗户、门、楼梯、走廊等。在确定好分析范围之后，需要将模型四周的百叶加以尺寸、位置、间距及高度等控制项进行整理。这些控制项的设置需要根据实际情况进行调整，以确保模型的准确性和可靠性。同时，还需要进行参数化处理，以便于在分析过程中可以快速地修改和调整这些参数，从而得到不同的结果。

在模型中添加幕墙悬挂式竖向百叶时，需要根据实际情况进行设置。首先，需要确定百叶的数量和位置，以及百叶的截面形状和尺寸。然后，需要设置百叶的旋转角度，以方便后续模拟不同的遮阳情况，模型如图2 所示。

图2 实验模型

5 参数化设计

参数化分析的前提是建立好分析模型，在模型中确定好分析范围之后，将模型四周的百叶加以尺寸、位置、间距及高度等控制项进行整理，然后对这些控制项进行参数化处理，以便于在分析过程中可以快速地修改和调整这些参数，从而得到不同的结果。建筑分析模型参数化控制节点如图3 所示，通过参数化分析，可以更加深入地了解模型的特性，并且能够更好地优化设计方案。

图3 建筑分析模型参数化控制节点

在建立完分析模型之后，根据设计需求建立百叶模型，此时需要将分析模型底面的四个定点作为百叶的起始点，以四条边作为百叶的控制路径，在这四个路径上控制百叶的起点位置、终点位置、间距、角度以及数量，需要注意在确定百叶的起始点时，应该保证其与分析模型底面定点之间存在一定的关联性，在控制百叶角度时，需要统一规定0°方向，该实验中按照逆时针旋转方向为正角度进行分析，在确定其他参数值时，例如外部的遮阳板、遮挡物等，则需要考虑实际情况下所涉及的因素，并灵活选择合适的数值范围，具体百叶角度参数化控制分析节点如图4 所示。

图4 百叶角度参数化控制分析节点

在模型完成之后利用插件honeybee 进行日光环境分析，首先通过Honeybee Weather Manager 组件导入对应地区和时间段内的天气数据，之后利用Honeybee Daylight Analysis Recipe 组件进行仿真计算，在其中选择需要输出的结果指标（如室内照度平均值），并设置相应参数（如网格密度）后开始运行仿真计算过程。最后利用Honeybee Daylight Analysis Recipe 组件进行仿真计算，得到不同时间段下室内采光量、直射光强度以及全天平均值等指标结果。如图5 所示，在进行仿真过程中可根据需求调整百叶遮阳装置的参数值来获得最优化结果。

图5 日光环境参数化控制分析节点

在完善三部分节点之后，为了使设计师在使用过程中更便捷，以10°为间距进行逐角度计算，并将结果导出到表格中进行对比分析。通过这种方式，可以快速地得到不同角度下的室内采光量等指标数据，并且根据实际需求进行优化调整。例如，在南北向建筑物中，适当调整百叶角度可以最大程度地利用自然采光资源，同时减少室内过多的直射日光所带来的不适感和能耗增加；而在东西向建筑物中，则需要更加关注晨晚时段太阳高度较低、入射角较小等因素对于采光效果的影响。

6 实验分析

在实验分析阶段，主要关注了不同百叶角度下室内采光的变化情况。实验结果以DLA，UDLI_100_2000 和UDLI_More_2000 三种色块图进行表示，如图6 所示以直观地显示出室内各点位的采光情况。

图6 日光环境参数化控制分析节点

同时将室内满足设定要求空间的占比以表格的形式进行记录，如表1 所示，以此来推断出特定间距、位置、角度的百叶影响下室内的采光情况。

表1 路基测点不同传感器线缆用量对比

DLA（Daylight Autonomy）是一个重要的采光指标，它表示在有效占用时间内，测试点接收到的日光超过照度阈值的时间百分比。在本次测试中，依据《建筑采光设计标准》（GB 50033-2013），将室内照度阈值设定为300 勒克斯。通过DLA 的分析，可以得到室内各点位在不同百叶角度下的采光情况，从而评价百叶角度对室内采光的影响。

UDLI_100_2000 和UDLI_More_2000 则是两个关于室内照度的指标。UDLI_100_2000 表示测试点在100 ～2 000 勒克斯之间接收的有效占用小时内的时间百分比，这个范围是室内适宜情况下的光照强度。UDLI_More_2000 表示测试点接收超过2 000 勒克斯的有效占用小时内的时间百分比，超过2 000 勒克斯会造成相应的眩光影响，影响室内采光舒适度[8]。通过这两个指标的分析，可以得到室内各点位在不同百叶角度下的照度情况，从而评价百叶角度对室内照度的影响。

通过对实验结果的详细分析，发现在2m 间距下，图7 所示西侧百叶在130°～180°及0°～30°角度下，室内日照强度较为均衡，但在170°下眩光情况影响相较严重，在0°～30°范围内30°时眩光影响表现最佳。

图7 西侧百叶最佳角度范围

图8 所示东侧百叶在140°～170°范围内室内日照强度较为均衡。图9 所示南侧百叶在60°～100°范围内室内日照强度较为均衡，该侧百叶受眩光情况较弱，在合理范围内80°下眩光影响表现最佳。

图8 东侧百叶最佳角度范围

这些结果表明，百叶的角度对室内采光的影响非常显著，通过合理地调整百叶的角度，可以显著提高室内的采光效果。因此，在设计幕墙悬挂式竖向百叶时，应充分考虑其对室内采光的影响，根据建筑的朝向和使用场景，选择合适的百叶角度。

7 结论

（1）经过研究和分析，幕墙悬挂式竖向百叶的角度对室内采光的影响非常显著。在一定范围内调整百叶角度，可以显著提高室内的采光效果。在后续的设计中可以根据该实验方式，合理地调整百叶的角度，以提高室内的采光效果，提高建筑的环境舒适性和能源效率。（2）参数化设计方法在建筑设计领域展现出广泛的应用前景。通过这一方法，能够迅速、精确地分析不同设计方案的性能，为设计决策提供科学基础，提高设计效率和质量。未来的研究将进一步深入，探索更多影响因素，以期提供更全面、深入的研究结果。