劉宇波 劉彬艷 王夢(mèng)蕊

1華南理工大學(xué)建筑學(xué)院

2廣東工業(yè)大學(xué)

1 教室光環(huán)境與青少年的健康成長(zhǎng)

目前我國(guó)青少年近視率連年居高不下，不僅中小學(xué)生患近視人數(shù)居世界之首，而且出現(xiàn)了明顯的低齡化趨勢(shì)[1]。引起青少年近視的原因不只有沉重的課業(yè)負(fù)擔(dān)、不良的用眼習(xí)慣等，光環(huán)境也是重要的影響因素。醫(yī)學(xué)研究者發(fā)現(xiàn)，更多的太陽(yáng)光照可以促進(jìn)視網(wǎng)膜上多巴胺的分泌，刺激瞳孔收縮，降低眼球調(diào)節(jié)負(fù)荷，從而減少近視的發(fā)生[2]。

除了近視，陽(yáng)光在其他方面也對(duì)青少年的健康有很大影響。醫(yī)學(xué)研究表明，陽(yáng)光中所攜帶的短波長(zhǎng)藍(lán)光不僅能夠促進(jìn)眼球的發(fā)育，而且能夠刺激人體的生理系統(tǒng)，而人工照明中的短波長(zhǎng)藍(lán)光的含量遠(yuǎn)少于太陽(yáng)光[3]。1999年美國(guó)加州的Heschong Mahone顧問(wèn)公司通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析美國(guó)3個(gè)地區(qū)21 000名小學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)和他們所處教室的天然采光情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)學(xué)生在天然采光好的教室里讀書時(shí)會(huì)學(xué)得更快，取得更好的成績(jī)；美國(guó)照明組織在2010年開展的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也表明，青少年若每天清晨得不到充足的陽(yáng)光就會(huì)導(dǎo)致睡眠不足，就寢時(shí)間也會(huì)相應(yīng)推遲[4]。

因此，如何保證青少年在成長(zhǎng)期間能夠享受到充足的陽(yáng)光已經(jīng)成為不能回避的問(wèn)題。學(xué)校是青少年學(xué)習(xí)和進(jìn)行各種活動(dòng)的主要場(chǎng)所，因此學(xué)校教室的光環(huán)境設(shè)計(jì)就成為了建筑設(shè)計(jì)中必須注意的部分。

為了解當(dāng)前中小學(xué)校教室的采光現(xiàn)狀，我們帶領(lǐng)本科生和研究生對(duì)廣州三所中學(xué)——廣雅中學(xué)、廣州市第二中學(xué)、廣州市第四十七中學(xué)的教室自然光環(huán)境進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試（圖1）。在三所學(xué)校選取樣本教室，分別在每間樣本教室的書桌水平面上選擇22個(gè)測(cè)點(diǎn)，選用TASI（TA8133）數(shù)字照度儀進(jìn)行照度測(cè)量，分別測(cè)量9:00、10:00、12:00、15:00、16:00教室內(nèi)不開燈情況下各測(cè)點(diǎn)的照度數(shù)據(jù)。

圖2為廣雅中學(xué)、第二中學(xué)、第四十七中學(xué)各樓層教室內(nèi)日光照度的變化曲線，可看到北向靠窗位置桌面自然光照度最高，其次是南邊靠窗位置，教室中部照度最低，整體教室內(nèi)的光照變化呈現(xiàn)出拋物線式的圓錐曲線。而且樓層越高，照度變化的拋物線越陡，反之則越平緩。頂層教室的這種照度不均勻現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。

進(jìn)一步調(diào)研和全國(guó)其他地區(qū)的相關(guān)調(diào)查結(jié)果都顯示，目前絕大多數(shù)僅依靠側(cè)窗采光的教室都存在著室內(nèi)照度極度不均衡的現(xiàn)象。這種靠近窗口部分的照度偏高而中間部分照度偏低的情況導(dǎo)致白天開燈、拉窗簾成為常態(tài)（圖3）。雖然照度依靠人工照明達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但是青少年接觸陽(yáng)光的機(jī)會(huì)被剝奪了，長(zhǎng)此以往必然會(huì)對(duì)中小學(xué)生的健康產(chǎn)生不利影響。

2 歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)

國(guó)際上對(duì)于教育空間的光環(huán)境問(wèn)題研究已久，形成了比較系統(tǒng)的研究成果，并匯總成為相關(guān)采光指南和導(dǎo)則文件。

通過(guò)對(duì)英美國(guó)家近20年來(lái)的50多本學(xué)校采光設(shè)計(jì)指南和手冊(cè)的深入研究，我們選擇了其中最具代表性的7本進(jìn)行重點(diǎn)翻譯、介紹和分析，并總結(jié)其特點(diǎn)和設(shè)計(jì)策略（表1）。

在對(duì)這7本國(guó)外學(xué)校采光設(shè)計(jì)指南文件的研究中，發(fā)現(xiàn)了一些共同特點(diǎn)，即普遍關(guān)注以下幾點(diǎn)：將天然光作為首選；將采光窗和景觀窗分開；關(guān)注教室的采光質(zhì)量；關(guān)注采光的一體化設(shè)計(jì)；關(guān)注采光的適用性設(shè)計(jì)，具體如表2所示。

1 廣雅中學(xué)、第二中學(xué)、四十七中學(xué)教室平面圖及測(cè)點(diǎn)布置

2 廣雅中學(xué)瓊?cè)A樓教室、廣州市第二中學(xué)紀(jì)元樓、廣州市第四十七中學(xué)北樓從北到南日光照度變化圖

總的來(lái)說(shuō)，這7本設(shè)計(jì)指南都將自然采光作為首選，認(rèn)為在學(xué)校建筑中，自然光應(yīng)是教室的主要照明光源。另外，其中6本都提到了“景觀窗”和“采光窗”的概念，采光窗通常獨(dú)立于景觀窗，被設(shè)置在約2m的高度以上，但是景觀窗只能照亮窗戶附近的空間，指南認(rèn)為，最好的采光窗應(yīng)為屋頂垂直窗或是北向高側(cè)窗以及安裝了反光板的南向高側(cè)窗，這與國(guó)內(nèi)的通用習(xí)慣有很大差異。我們進(jìn)一步查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)國(guó)外教育空間的采光研究很早就已提出相關(guān)概念，英美國(guó)家的學(xué)校采光設(shè)計(jì)指南均認(rèn)為頂部采光能夠?yàn)榻淌姨峁┳罹鶆虻淖匀还饩€：1867年赫爾曼·科恩（Hermann Cohn）在其著作《學(xué)校的眼睛衛(wèi)生》（Hygiene of the Eye in Schools）中提出教室的最佳采光應(yīng)是通過(guò)屋頂?shù)牟Ａ齑皬纳戏竭M(jìn)入教室[5]；1913年在英國(guó)照明工程師協(xié)會(huì)年會(huì)中也一致認(rèn)為天窗采光能夠?yàn)榻淌姨峁┳罾硐氲淖匀还鈼l件。

與此同時(shí)，我們搜集相關(guān)實(shí)踐案例時(shí)發(fā)現(xiàn)，國(guó)外一些長(zhǎng)期致力于教育建筑可持續(xù)設(shè)計(jì)的建筑事務(wù)所已有許多成熟的采光設(shè)計(jì)方法。比如美國(guó)創(chuàng)新設(shè)計(jì)事務(wù)所（Innovative Design）一直從事可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)及中小學(xué)校采光設(shè)計(jì)的研究，其設(shè)計(jì)的史密斯中學(xué)和北吉爾福德中學(xué)常被作為優(yōu)秀的頂部采光案例。

史密斯中學(xué)（Smith Middle School）于2001年設(shè)計(jì)完成（圖4），其中采光設(shè)計(jì)是該建筑可持續(xù)設(shè)計(jì)策略的核心。學(xué)校位于北卡羅來(lái)納州，教室部分呈有利于采光的南北向布局。學(xué)校在教室、媒體中心、體育館和主要走廊上都使用了朝南的屋頂垂直天窗，為室內(nèi)空間提供了充足的光照。垂直天窗內(nèi)部設(shè)置了阻燃抗紫外線的布擋板（圖5，6），有助于均勻分布光線，同時(shí)消除潛在的眩光問(wèn)題。

此外，在南側(cè)窗上安裝了陽(yáng)極氧化鋁制反光板，可以將陽(yáng)光反射到房間中，也為下部景觀窗提供了遮陽(yáng)（圖7）。

3 廣州市某學(xué)校教室內(nèi)景

4 北卡羅納州史密斯中學(xué)

5 北卡羅納州史密斯中學(xué)教室室內(nèi)設(shè)置屋頂垂直天窗

6 北卡羅納州史密斯中學(xué)教室屋頂垂直天窗采光示意圖

7 北卡羅納州史密斯中學(xué)教室側(cè)面采光窗

表1 英美7本（學(xué)校）采光導(dǎo)則概況

表2 英美7本（學(xué)校）采光設(shè)計(jì)導(dǎo)則的關(guān)注點(diǎn)分析

8 北吉爾福德中學(xué)

9 北吉爾福德中學(xué)教室內(nèi)部設(shè)置曲線半透明反光板

10 北吉爾福德中學(xué)教室室內(nèi)設(shè)置曲線反光板采光示意圖

11 廣州南沙青少年宮方案鳥瞰

12 廣州南沙青少年宮方案“光的篩子”

北吉爾福德中學(xué)于2007年建成（圖8），該項(xiàng)目的采光設(shè)計(jì)首次在教室內(nèi)部采用曲線半透明反光板將陽(yáng)光反射到教室深處（圖9）。該方法將側(cè)窗分為采光窗與景觀窗，并將采光窗、曲線半透明反光板、高反射傾斜天花板相結(jié)合。此外，由于在反光板上使用的半透明面板的可見(jiàn)光透光率為20%，因此有效減少了眩光，使得柔和的光線能夠均勻地分布在空間內(nèi)（圖10）。

3 針對(duì)中國(guó)國(guó)情的思考

當(dāng)前我國(guó)學(xué)校建筑的采光設(shè)計(jì)模式非常單一，基本都是采用大側(cè)窗的采光模式。在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，建筑師的思路也局限在側(cè)窗采光這種模式上，甚至在單層建筑和頂層教室也不愿意考慮天窗和高側(cè)窗采光的可能性。

據(jù)筆者實(shí)測(cè)，雖然一些教室的窗地面積比高達(dá)30%，但是采光效果并不理想，反而會(huì)加劇教室內(nèi)照度的明暗對(duì)比，甚至引起眩光。與之相對(duì)，頂部采光窗能夠?yàn)榻淌規(guī)?lái)更穩(wěn)定、均勻的自然光照，因此在用地面積寬裕且條件允許的情況下，在設(shè)計(jì)中小學(xué)校建筑（特別是小學(xué)或幼兒園建筑）時(shí)應(yīng)盡可能選擇頂部采光設(shè)計(jì)模式，教室宜設(shè)計(jì)為單層建筑或是將教室空間安排在多層建筑的頂層，也可以利用錯(cuò)層等設(shè)計(jì)手法創(chuàng)造更多可開天窗的屋面。頂部采光模式雖然造價(jià)高于側(cè)面采光模式，但由于其更加有利于青少年的身心健康發(fā)展，同時(shí)也能節(jié)約電能，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看是值得的。屋頂垂直采光窗（俗稱老虎窗）的效果更為理想，防水效果也更好。

若條件所限不能采用天窗時(shí)，也應(yīng)認(rèn)真細(xì)化、謹(jǐn)慎選擇具體的側(cè)面采光模式。根據(jù)對(duì)國(guó)外導(dǎo)則的研究，建議將“景觀窗”和“采光窗”分別考慮。減小可能帶來(lái)直射光的景觀窗（低于2m的窗戶）的面積，增加高側(cè)窗的面積，這樣能夠使自然光在教室內(nèi)傳播得更深遠(yuǎn)，降低臨窗位與教室深處的照度差。除此之外，景觀窗外還應(yīng)增加外遮陽(yáng)，阻擋直射光進(jìn)入室內(nèi)；在高側(cè)窗內(nèi)設(shè)置導(dǎo)光系統(tǒng)有助于反射進(jìn)入室內(nèi)的直射光；結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)不同的室內(nèi)天花形式能夠優(yōu)化側(cè)窗的采光效果，使教室內(nèi)的光線更加均勻。但總體來(lái)說(shuō)，側(cè)窗采光始終難以提供充足且均勻的光照，仍不能代替頂部采光。

國(guó)外案例大多是可利用屋頂進(jìn)行頂部采光的單層建筑，但在中國(guó)人多地少的情況下，中小學(xué)建筑通常是多層建筑，所以采光設(shè)計(jì)策略需要考慮如何爭(zhēng)取更多的采光面以及將更需要采光的房間按采光需求立體配置。目前我國(guó)學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范要求小學(xué)建筑應(yīng)為4層以下，幼兒園應(yīng)為3層以下。按此要求可將對(duì)自然光需求高的班級(jí)教室放置在頂層，用天窗來(lái)提高自然采光的均勻度，使頂層教室可以只依靠自然光就能滿足日常的學(xué)習(xí)需求。其他中間層教室可以考慮設(shè)置為流動(dòng)性較強(qiáng)、使用率沒(méi)有那么高的美術(shù)教室、音樂(lè)教室等專業(yè)教室，按照上文區(qū)分景觀窗和采光窗，設(shè)置適宜的側(cè)窗采光方式，選擇合適的天花板形式，改善室內(nèi)光環(huán)境效果。功能空間按采光需求進(jìn)行合理的立體配置，可以為學(xué)生提供最多接觸陽(yáng)光的機(jī)會(huì)。

4 廣州南沙青少年宮設(shè)計(jì)方案

青少年宮是集青少年思想文化學(xué)習(xí)、培訓(xùn)娛樂(lè)為一體的綜合性場(chǎng)所，是青少年進(jìn)行校外素質(zhì)教育的重要場(chǎng)地，也是教育空間的一種。我們完成的廣州南沙青少年宮設(shè)計(jì)方案是一個(gè)以改善自然光環(huán)境為目標(biāo)的設(shè)計(jì)嘗試，從整體布局出發(fā)到頂部天窗細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)處理都是一個(gè)理性推導(dǎo)的過(guò)程（圖11）。

南沙青少年宮擬建于南沙蕉門島南側(cè)，占地面積37 385m2，總建筑面積為26 500m2，功能大致分為教育研修、國(guó)際會(huì)議廳、國(guó)際青少年博覽中心、辦公服務(wù)、綜合劇場(chǎng)遺跡、戶外訓(xùn)練場(chǎng)等幾大部分。在方案初始階段，我們先根據(jù)任務(wù)書要求建立簡(jiǎn)單的體量模型，即開始天然采光的考慮，此時(shí)考慮天然采光就會(huì)對(duì)建筑的布局產(chǎn)生關(guān)鍵性影響。我們的理念是將建筑物理解為一種特殊的“陽(yáng)光的篩子”（圖12），首先布局上頂層應(yīng)該考慮安排最需要自然采光的空間，往下是次一級(jí)需要自然采光的空間，中間層是對(duì)自然光需求不強(qiáng)的空間（如展廳、劇場(chǎng)），而底層留給在夏季酷熱的嶺南地區(qū)需要更多陰涼的戶外公共的活動(dòng)空間。所以設(shè)計(jì)初步構(gòu)思采用了特殊的立體布局形式，將大而整的體塊置于頂層，小而碎的體塊置于底層，在大體塊上開一定數(shù)量的洞口，透過(guò)洞口的光線通過(guò)反射和折射到達(dá)底層，形成按照光環(huán)境需求層級(jí)變化的立體布局。因此設(shè)計(jì)將會(huì)議和展覽置于底層，二層為研修教育類次要使用空間，主要使用教室則位于三、四層（圖13，14）。

設(shè)計(jì)參考基地周圍村落的肌理，采用10m×10m的基本模數(shù)，將建筑體量劃分成橫6縱5的方格網(wǎng)。通過(guò)舒展的平面布局和錯(cuò)動(dòng)的體塊保證大部分教室的屋頂都可以享有頂部采光（圖15，16）。教室頂部設(shè)置條形垂直天窗，可以為室內(nèi)提供充足且均勻的光線。

太陽(yáng)光通過(guò)頂部中庭到達(dá)建筑底層后，光線會(huì)逐漸減弱，因此在底層空間的設(shè)計(jì)中，減少封閉墻體、解放底層空間成為必然的選擇。實(shí)際設(shè)計(jì)中，除西北角的報(bào)告廳和會(huì)議體塊外，將底層其他功能房間設(shè)計(jì)為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的展廳，圍繞著各個(gè)小中庭展開，體現(xiàn)了傳統(tǒng)嶺南建筑的氣候特色（圖17），不僅有利于建筑的通風(fēng)防潮，同時(shí)還起到減少太陽(yáng)光直射所造成的熱輻射作用。底層空間由南至北、由東至西都形成了可穿越的漫步通道，步道結(jié)合臺(tái)階、水池、平臺(tái)、花壇等要素豐富架空層內(nèi)的空間層次，為青少年提供了一個(gè)可以盡情游玩的半室外活動(dòng)場(chǎng)所，同時(shí)也可作為一個(gè)開放式的家長(zhǎng)休憩區(qū)，解決青少年宮缺少家長(zhǎng)等候空間的問(wèn)題。

青少年宮提供的是較為特殊的教育空間，功能組成較復(fù)雜，更有利于將多種功能按采光需求進(jìn)行立體配置。對(duì)于中小學(xué)校等其他類型的教育空間布局，還需要根據(jù)自身的特點(diǎn)進(jìn)行更多的探索與實(shí)踐。

13 廣州南沙青少年宮方案首層平面圖

14 廣州南沙青少年宮方案底層架空空間

15 廣州南沙青少年宮方案總平面圖

16 廣州南沙青少年宮方案三層平面圖

17 廣州南沙青少年宮方案底層架空呼應(yīng)嶺南氣候特點(diǎn)

5 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)青少年近視率高發(fā)、低齡化的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題面前，改善教室的自然光環(huán)境顯得十分緊迫。國(guó)外已有很多專注于教育建筑光環(huán)境的研究與實(shí)踐，而我國(guó)起步較晚，需要在相關(guān)研究和實(shí)踐方面投入更多精力，慎重思考常見(jiàn)的側(cè)窗采光方式的利弊，探索符合中國(guó)國(guó)情的解決方案。

圖片來(lái)源：圖1，2，11～17為作者自繪，圖3為作者自攝，圖4～10來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)。