邊菁華，李　偉，劉奕杉，曹　磊

（1.天津城建大學，天津 300384；2.中天建設(shè)集團有限公司天津分公司，天津 300070）

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，我國老年人口迅速增加，中國已經(jīng)步入老年社會[1].機構(gòu)養(yǎng)老作為重要的養(yǎng)老方式，近年來也越來越為人們所接受[2].經(jīng)過多年的研究實踐，我國養(yǎng)老機構(gòu)的建筑理論研究和工程實踐經(jīng)驗有所發(fā)展，但仍有較大發(fā)展空間.養(yǎng)老機構(gòu)建筑室內(nèi)光環(huán)境作為建筑室內(nèi)物理環(huán)境的重要方面，近年來得到了建筑設(shè)計者的關(guān)注.老年人由于其生理和心理的需求，對建筑室內(nèi)采光環(huán)境具有特殊的要求[3].雖然關(guān)于建筑采光的標準不斷完善[4-5]，但由于規(guī)范并未針對老年人的特殊需求對養(yǎng)老機構(gòu)建筑采光作出詳盡規(guī)定，因此在此類建筑設(shè)計中缺乏有效指導.

本文通過對天津市養(yǎng)老機構(gòu)建筑進行實地調(diào)研，掌握了養(yǎng)老機構(gòu)建筑采光現(xiàn)狀和老年人對采光的需求，并通過建筑采光計算機模擬軟件探索了養(yǎng)老機構(gòu)建筑采光設(shè)計優(yōu)化策略，為編制該類建筑的設(shè)計規(guī)范提供數(shù)據(jù)支撐.

1　天津市養(yǎng)老機構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)研

本文對天津市第一老年公寓、天津市北辰區(qū)愛馨瑞景園老年公寓等7所養(yǎng)老機構(gòu)進行了調(diào)研，共發(fā)放問卷54份，其中有效問卷為45份，問卷有效率達到87%.調(diào)研內(nèi)容主要包括養(yǎng)老機構(gòu)的建筑信息、居住老人的基本情況和行為習慣、養(yǎng)老機構(gòu)內(nèi)主要空間的建筑采光情況，調(diào)研方法參照相關(guān)測試標準.

1.1　養(yǎng)老機構(gòu)老年人行為模式

養(yǎng)老機構(gòu)內(nèi)老人根據(jù)活動能力分為自理老人、介助老人、介護老人.不同老人的活動能力、活動范圍、對機構(gòu)內(nèi)空間的利用不同.自理老人身體較為健康，行動能力較強，日常生活基本能夠自理；介助老人年齡較大，自身的器官衰退，心理和生理都需要幫助，往往需要助行架和輪椅等設(shè)施的幫助并由專人看護.圖1為調(diào)研過程中得到的不同活動能力的老人日間活動的時間節(jié)點和場所的統(tǒng)計圖.

圖1　不同活動能力老人的日間活動調(diào)研結(jié)果統(tǒng)計

由圖1可見，養(yǎng)老機構(gòu)老人夜間睡眠時間較短，大多早上06：30左右都已起床洗漱，進行1個小時的早間活動后開始早餐.自理老人多在餐廳用餐，介助老人由于行動能力有限，早間活動和早餐多在居室內(nèi)進行.上午3個小時時間根據(jù)個人興趣愛好會進行相應的活動，室內(nèi)活動主要集中在報刊室、棋牌室、健身房（或室外健身長廊）、書畫室等公共空間：有自理能力的老人多會選擇室外散步、曬太陽（尤其是天氣晴好的冬日），此時間段內(nèi)公共活動區(qū)域較為活躍；介助老人則多在室內(nèi)公共空間活動，少數(shù)人在醫(yī)護人員幫助下到室外活動.由于老年人夜間睡眠時間減少，下午這個時間段的睡眠壓力較大，尤其是在炎熱的夏季，1個小時午飯過后，老人多需通過午睡補充睡眠.15：00-17：30的近3個小時時間為下午活動時間，活動空間多在以上公共空間，也有部分人會選擇在居室內(nèi)活動.晚飯后，老人多會在自己的居室中活動，直至睡覺.介護老人多患有疾病，需躺在床上修養(yǎng)，活動范圍更小，因此大部分活動均在居室內(nèi)進行.

由上述分析可見，老人的日間活動主要集中在居室、餐廳、活動室、健身房等公共空間，應關(guān)注這些區(qū)域的室內(nèi)采光環(huán)境.

1.2　機構(gòu)內(nèi)建筑光環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)研分析

為了更好地研究機構(gòu)內(nèi)建筑采光效果，減少測量誤差，本文以照度計測量得到的各主要功能空間照度數(shù)值為依據(jù)，計算各主要功能空間的采光系數(shù)平均值，并與《采光測量方法》[6]中的標準值進行比較，來反應機構(gòu)內(nèi)建筑采光效果.功能房間采光系數(shù)平均值計算公式為

式中：C為功能房間采光系數(shù)平均值；Ein為功能房間測量點由直接或間接地接受來自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而產(chǎn)生的照度，lux；Eiw為功能房間同一時刻該天空半球在室外無遮擋水平面上產(chǎn)生的天空漫射光照度值，lux；m為同一功能房間的測量點數(shù).

表1為所調(diào)研養(yǎng)老機構(gòu)各功能空間采光系數(shù)計算結(jié)果與標準要求對比情況.其中望園老人院的衛(wèi)生間形式為公共衛(wèi)生間，因此其采光系數(shù)數(shù)據(jù)未在表中列出.由于同一養(yǎng)老機構(gòu)的臥室朝向形狀較為相似，其建筑采光系數(shù)差別較小，因此本文對于調(diào)研得到的同一養(yǎng)老機構(gòu)多個臥室的采光系數(shù)數(shù)值取平均數(shù)作為臥室的采光系數(shù)，與規(guī)范數(shù)值進行比較.

養(yǎng)老機構(gòu)建筑的餐廳參照GB50033—2013《建筑采光設(shè)計標準》規(guī)范4.0.10節(jié)中關(guān)于旅館建筑餐廳的采光標準.養(yǎng)老機構(gòu)中一些讀書、繪畫的活動空間采光系數(shù)可參照規(guī)范中閱覽室的采光標準，但采光要求應相應降低，故取為2.0%.規(guī)范中沒有養(yǎng)老機構(gòu)中活動室的相應規(guī)定，由于活動室中的活動多不需要太高的采光要求，因此參考健身房，將采光系數(shù)標準設(shè)定為2.0%.

由表1可知，由于各功能空間的采光情況和規(guī)范要求不同，因此滿足標準要求的情況也不同.其中臥室、活動室、餐廳、健身房的采光系數(shù)較高，遠超規(guī)范要求，調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)餐廳、活動室多開設(shè)大面積玻璃窗，因此具有較好的采光效果；醫(yī)療室采光系數(shù)要求較高，有兩個機構(gòu)未能滿足要求；衛(wèi)生間受建筑結(jié)構(gòu)影響較大，臥室與衛(wèi)生間之間采用玻璃分隔的，采光效果較好，采用砌塊墻體的，采光效果較差，甚至全天都需要使用人工照明補充采光，因此調(diào)研中未有老人反應采光不夠的問題；走廊為單廊的養(yǎng)老院，走廊內(nèi)采光充足，而近半數(shù)的養(yǎng)老院走廊采光系數(shù)較低.

表1　各功能空間采光系數(shù)計算結(jié)果與標準要求對比　%

在主觀調(diào)研部分，養(yǎng)老機構(gòu)老人對建筑整體光環(huán)境非常滿意的人數(shù)占22%，選擇較滿意和一般滿意的人較多，占76%.不滿意的主要原因是由于走廊較長，僅在走廊盡端開有兩扇窗，盡端較亮，走廊中間區(qū)域較暗，易形成眩光，造成老人視覺不適.調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，雖然大部分功能空間整體采光數(shù)量能夠滿足老人活動需求，但有些空間由于開窗面積較大等原因，造成了眩光等問題，如主要臥室、走廊等空間.

2　養(yǎng)老機構(gòu)建筑采光環(huán)境現(xiàn)狀模擬

2.1　標準模型建立

2.1.1主要功能空間

為使模型具有更高的代表性，對所調(diào)研的7所養(yǎng)老機構(gòu)的功能空間進行統(tǒng)計，得到模型必須設(shè)置的空間.統(tǒng)計結(jié)果顯示，臥室（標準間）、醫(yī)療室、餐廳、活動室為養(yǎng)老機構(gòu)基本的功能空間，所調(diào)研的7家養(yǎng)老機構(gòu)均具有這些功能空間；其他的功能空間受規(guī)模、成本的影響，僅部分機構(gòu)具有.由于具有居住功能的臥室是養(yǎng)老機構(gòu)的核心功能空間，且其形式較為規(guī)整，在保證模型準確性的基礎(chǔ)上，為盡量簡化模型，降低建模難度，本文僅建立居室空間的模型，并統(tǒng)計分析其采光情況.

2.1.2空間的尺寸

由于不同年代建成的養(yǎng)老機構(gòu)建筑的設(shè)計風格、設(shè)計理念不同，導致建筑內(nèi)部空間的形狀和尺寸也有較大差異.為使得到的建筑模型的尺寸具有代表性，本文通過對所調(diào)研的養(yǎng)老機構(gòu)的建筑尺寸信息進行統(tǒng)計，選取各養(yǎng)老機構(gòu)中居室空間尺寸的平均數(shù)作為該功能空間的尺寸.考慮到實際測量中的測量誤差，并結(jié)合實際建模的需要，對臥室房間尺寸進行細微的調(diào)整.統(tǒng)計結(jié)果如表2所示.

表2　建筑模型功能空間尺寸

依據(jù)以上統(tǒng)計結(jié)果，并結(jié)合建筑的實際使用情況，添加樓梯間、公共衛(wèi)生間等空間，繪制建筑模型平面圖及三維模型（見圖2）.

2.2　光環(huán)境現(xiàn)狀模擬

美國伯克利實驗室開發(fā)的專業(yè)計算機光學模擬軟件Radianc是目前國際公認的能夠較為精確地模擬室內(nèi)天然采光的光學模擬軟件[7-8].該軟件使用采樣及反向光線追蹤法，對光線的處理全面，涉及了直射、鏡面和漫射的非直接3種情況.為了獲得更加精確的計算結(jié)果，它設(shè)有二次光源處理部位，即采光口.同時Radiance在渲染功能上可謂十分優(yōu)質(zhì)，它可以在短時間內(nèi)用蒙特卡落的光線追蹤法得到建筑場景渲染圖.由于以上幾點優(yōu)勢，Radianc在國內(nèi)外的建筑采光模擬研究中得到了廣泛的應用[9].本文主要使用IES中關(guān)于采光分析的模塊Radiance IES和FlucsDL對養(yǎng)老機構(gòu)建筑自然采光情況進行模擬分析.采光分為自然采光和間接采光，本文著重分析室內(nèi)自然采光，即對直接或間接射入室內(nèi)的天空漫射光進行模擬，因此應選取全陰天模式進行采光模擬.

圖2　養(yǎng)老機構(gòu)標準模型示意

模擬的邊界參數(shù)根據(jù)實地調(diào)研和各種關(guān)于建筑材料表面反射率資料設(shè)定[10].調(diào)研中所有養(yǎng)老機構(gòu)墻面和頂面均為白色粉刷，室內(nèi)地面多為木色紋理飾面，因此本次模擬設(shè)定室內(nèi)墻面及頂棚表面為普通白色粉刷，反射率為0.75；地面為木色紋理地板，反射率為0.36；窗為普通玻璃，結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)值，透射率設(shè)定為0.75.根據(jù)建筑采光設(shè)計標準的規(guī)定[4]，采光參考平面取距地面0.75 m.

在Radiance IES中建立模型并賦予模型邊界條件后進行運算，得到標準模型的建筑采光效果.圖3為養(yǎng)老機構(gòu)建筑標準模型居室平面的模擬等照度曲線圖，由圖3可見各空間的采光情況差別較大，基本規(guī)律都是隨著距采光口距離的增大，照度值逐漸減小.各個房間在采光口處照度值可達3 000 lux以上，而走道盡端采光口處的照度最大值為1 100 lux左右，而遠離窗口位置的照度值低于100 lux.

圖3　標準模型居室采光模擬結(jié)果

采光系數(shù)和照度值能夠較好地反映室內(nèi)采光數(shù)量情況，照度均勻度則是采光質(zhì)量的重要方面，數(shù)值過大或過小均不能滿足使用的要求.通過以上3個參數(shù)即能很好地評價室內(nèi)采光情況.表3為模擬結(jié)果的具體數(shù)值.由表3可見，南向臥室各房間平均采光系數(shù)達到3.3%，平均照度為408.7 lux，遠超規(guī)范規(guī)定的2%和300 lux；南向起居室由于窗地比更大，開窗面積也大，因此其平均采光系數(shù)達到3.5%，平均照度值430.9 lux，同樣超過規(guī)范要求；走廊區(qū)域雖然其平均采光系數(shù)和平均照度能夠滿足要求，但由于其空間較長，其照度均勻度只有0.01，遠小于其他功能空間，在窗口位置易形成眩光等問題.

表3　標準模型居室模擬數(shù)值結(jié)果

以其中一間南向房間為例，對其室內(nèi)采光情況進行詳細分析，如圖4所示.

圖4　南向房間采光環(huán)境模擬結(jié)果

由圖4可見，南向臥室房間整體照度較大，靠近采光口位置形成一個區(qū)域的光斑，中心區(qū)域照度值≥1 000 lux，在側(cè)墻靠近窗的位置也有兩處位置照度明顯較高，照度值≥480 lux，而采光口處的墻體照度值則在60 lux左右，形成較大反差，極易形成眩光.

3　養(yǎng)老機構(gòu)建筑采光優(yōu)化設(shè)計模擬

由現(xiàn)狀模擬結(jié)果可知，現(xiàn)有標準模型的建筑采光數(shù)量較為充足，而采光質(zhì)量較差.由于建筑采光與外窗的形式密切相關(guān)，為減少變量，在探索過程中保持原有窗戶面積不變，在此基礎(chǔ)上改變外窗的其他參數(shù)，對養(yǎng)老機構(gòu)建筑采光效果進行優(yōu)化.將不同優(yōu)化方案的三維模型和采光模擬結(jié)果列于圖5.

由圖5可見，不同優(yōu)化策略的優(yōu)化效果并不相同.為進一步比較，將優(yōu)化前后采光效果具體數(shù)值列于表4.

圖5　不同優(yōu)化策略采光模擬結(jié)果

表4　不同優(yōu)化策略采光效果對比

由表4可見，加設(shè)陽臺后，雖然室內(nèi)采光均勻度提高，但其室內(nèi)采光系數(shù)和照度值急劇下降，無法滿足使用功能的要求.在保持外窗面積不變的情況下，將外窗改為雙窗，采光數(shù)量略有下降，均勻度增大.在此基礎(chǔ)上通過加設(shè)高窗、加導光板的措施進一步提高室內(nèi)的采光均勻度，減低室內(nèi)照度.由表4中數(shù)據(jù)可見，當加設(shè)0.5 m朝內(nèi)的導光板后，臥室內(nèi)采光系數(shù)為2.5%，與《建筑采光設(shè)計標準》要求數(shù)值最為接近，照度均勻度為0.13也滿足要求.

4　結(jié)論

通過對天津市典型養(yǎng)老機構(gòu)的實地調(diào)研，了解了天津市養(yǎng)老機構(gòu)建筑采光現(xiàn)狀和老年人的實際使用需求，建立了養(yǎng)老機構(gòu)建筑的標準模型，結(jié)合模擬結(jié)果，掌握了養(yǎng)老機構(gòu)建筑室內(nèi)采光現(xiàn)狀的主要問題：養(yǎng)老機構(gòu)居室內(nèi)采光數(shù)量充足，且遠超規(guī)范規(guī)定數(shù)值要求，但照度均勻度較??；養(yǎng)老機構(gòu)走廊內(nèi)照度數(shù)值能夠滿足規(guī)范要求，但照度均勻度極低，無法滿足使用功能.

針對以上問題，通過改變外窗的形式，對室內(nèi)采光設(shè)計進行優(yōu)化，并使用軟件模擬改進后的室內(nèi)采光效果：在外窗外加設(shè)陽臺并不能夠改善室內(nèi)采光環(huán)境，相反會大幅降低室內(nèi)采光數(shù)量；在外窗面積不變的情況下，將外窗改為雙窗，加設(shè)高窗和導光板都能在保證室內(nèi)采光系數(shù)的情況下，提高采光質(zhì)量.在以上基礎(chǔ)上，加設(shè)朝內(nèi)的0.5 m的導光板后，室內(nèi)采光系數(shù)最接近規(guī)范規(guī)定數(shù)值，且能達到較高的照度均勻度，為老年人提供較好的室內(nèi)光環(huán)境.