鄭耿濤

(上海建科環(huán)境技術(shù)有限公司，上海 200233)

引言

隨著城市化的快速發(fā)展，大量建筑玻璃幕墻開(kāi)始使用，城市光污染逐漸引起關(guān)注[1]。因建筑缺乏統(tǒng)一規(guī)劃或大量采用大面積高反射率鍍膜玻璃，當(dāng)玻璃幕墻受到太陽(yáng)照射時(shí)，其鏡面反射形成強(qiáng)烈的眩光，對(duì)人的身體及工作生活產(chǎn)生有害影響。目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了玻璃幕墻光污染的相關(guān)研究：Liu[2]通過(guò)比較香港特別行政區(qū)和河南安陽(yáng)建筑的建筑形態(tài)，得出玻璃幕墻建筑嚴(yán)重影響行車(chē)安全及人群健康。王寧和榮浩磊[3]以北京CBD核心區(qū)Z15地塊項(xiàng)目為例，探討城市CBD地區(qū)建筑光污染評(píng)價(jià)方法，李方鴻等[4]通過(guò)廣州玻璃幕墻建筑在不同季節(jié)及時(shí)間點(diǎn)的光環(huán)境監(jiān)測(cè)，提出玻璃幕墻反射光影響因素，毛鶴群等[5]、楊偵和張明宇[6]、Wong[7]通過(guò)不同玻璃幕墻類(lèi)型及影響因素研究，提出玻璃幕墻反射光有效的防治措施建議。張岱[8]分析光污染現(xiàn)狀，提出光污染防治立法研究，許巧云[9]通過(guò)對(duì)建筑玻璃幕墻的眩光污染影響因素分析，提供評(píng)估建筑玻璃幕墻眩光危害測(cè)試評(píng)估方法。王建平和王璐[10]根據(jù)反射光角度和亮度將光污染程度分成5級(jí)，展開(kāi)反射光影響的特征研究。從玻璃幕墻光污染法規(guī)來(lái)講，國(guó)家層面尚無(wú)專(zhuān)門(mén)針對(duì)玻璃幕墻反射光危害影響的相關(guān)法律法規(guī)及評(píng)估體系，僅對(duì)玻璃幕墻設(shè)置有一般性規(guī)定[11]。而上海市從立法層面要求玻璃幕墻建設(shè)新、改擴(kuò)建項(xiàng)目應(yīng)進(jìn)行玻璃幕墻反射光影響評(píng)價(jià)[12]。

玻璃幕墻光污染相關(guān)研究多為個(gè)案分析及防治措施的探討，光污染影響因素也是定性概括，且由于光污染影響的研究評(píng)價(jià)方法不一致，其相應(yīng)建議未能有效結(jié)合現(xiàn)行法規(guī)要求開(kāi)展。因此，本文基于上海市相關(guān)導(dǎo)則中光污染標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)估基礎(chǔ)，對(duì)玻璃幕墻反射光的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行定量分析，以上海地區(qū)為例闡明玻璃幕墻反射眩光影響的時(shí)空變化特征、影響程度和影響范圍等規(guī)律，為建筑玻璃幕墻設(shè)計(jì)、建設(shè)及光污染防治相關(guān)防治措施提供參考。

1 研究方案

1.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

光污染對(duì)象受影響程度與反射光的亮度值和反射光入射角度有關(guān)，也就是入射角度越小，反射光亮度值越大，則影響越嚴(yán)重.根據(jù)不同入射角及亮度值將影響程度由輕到重分級(jí)為：“可接受”，“輕微影響”和“強(qiáng)影響”[13]。本研究將產(chǎn)生“輕微影響”和“強(qiáng)影響”的反射光定義為眩光影響。

1.2 評(píng)價(jià)方法

1)亮度計(jì)算。反射光亮度取決于太陽(yáng)光直射法向照度和反射材料(玻璃幕墻)室外可見(jiàn)光反射率。本研究設(shè)定四個(gè)典型反射率，分別為反射率20%、15%、10%和7%，對(duì)反射光影響程度的變化進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算公式[12]即

表1 影響程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Influence degree and classification standard

(1)

(2)

式中：B為亮度；E為全晴氣候下太陽(yáng)光直射法線(xiàn)照度；ρ為反射材料室外可見(jiàn)光反射率；h0為太陽(yáng)高度角。

2)入射角計(jì)算。反射光入射角(也稱(chēng)“眩光角”)是指經(jīng)玻璃幕墻反射后的太陽(yáng)光線(xiàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)“反射光線(xiàn)”)與人眼水平視線(xiàn)(受照立面法線(xiàn))的夾角。入射角A與反射光線(xiàn)高度角B、水平夾角C空間位置如圖1所示[3]。C取決于具體受照對(duì)象方位，假設(shè)受照立面正對(duì)著反射光線(xiàn)時(shí)，即C=0，則B=A。當(dāng)玻璃幕墻垂直設(shè)置時(shí)，反射光線(xiàn)高度角等同于對(duì)應(yīng)時(shí)刻太陽(yáng)入射光線(xiàn)高度角。

圖1 反射光角度模型Fig.1 Reflected light angle model

1.3 研究模型

光污染評(píng)價(jià)實(shí)際工作中，通過(guò)光污染影響范圍判斷分析對(duì)象是否受反射，然后根據(jù)該影響時(shí)段的影響程度進(jìn)一步判斷該影響是否符合法規(guī)要求。故本文分別對(duì)“影響程度”和“影響范圍”的一般特征進(jìn)行研究。

1)“影響程度”研究：亮度值可以根據(jù)不同季節(jié)、時(shí)刻及玻璃材料反射率進(jìn)行推算，亮度值計(jì)算時(shí)僅考慮全晴太陽(yáng)直射光(不考慮天空散射光以及氣候影響)。而入射角值取決于幕墻以及受影響對(duì)象的方位，根據(jù)上述入射角計(jì)算方法，入射角以最不利條件考慮(即所有的受照立面都是正對(duì)著反射光線(xiàn)情況下(水平夾角C=0))，入射角值就可以簡(jiǎn)化等同于該時(shí)刻的太陽(yáng)高度角。

2)“影響范圍”研究中：論文主要關(guān)注反射眩光(“輕微影響”和“強(qiáng)影響”)的影響范圍，反射光影響范圍又與玻璃幕墻形狀、玻璃高度、朝向有關(guān)，故建筑模型設(shè)置幕墻高度為100 m，建筑平面形狀為邊長(zhǎng)300 m正方形，各立面均為豎直的全玻璃幕墻。

根據(jù)以上模型基礎(chǔ)，研究上海地區(qū)(北緯31°12＇)在不同季節(jié)、不同時(shí)刻及不同反射率的幕墻反射光影響程度。據(jù)此進(jìn)一步評(píng)價(jià)玻璃幕墻建筑在不同朝向時(shí)，反射眩光的影響范圍。

2 結(jié)果與討論

2.1 反射光影響程度研究

太陽(yáng)反射光亮度值與太陽(yáng)高度角成正相關(guān)關(guān)系，太陽(yáng)初升時(shí)高度為0，對(duì)應(yīng)亮度值也為0，至中午12：00高度角和亮度值達(dá)到頂峰，下午各時(shí)間點(diǎn)的高度角及亮度值與上午成對(duì)稱(chēng)關(guān)系。同時(shí)，太陽(yáng)反射光亮度值與玻璃幕墻反射率成完全正相關(guān)關(guān)系。圖2～圖4分別為典型日冬至日、春秋分和夏至日在不同反射率下反射光的影響程度。

圖2 春秋分日時(shí)不同反射率反射光的影響程度Fig.2 The degree of influence of reflected light at different reflectivity during equinox

圖3 冬至日不同反射率反射光影響程度Fig.3 The degree of influence of reflected light at different reflectivity during winter solstice

圖4 夏至日不同反射率反射光影響程度Fig.4 The degree of influence of reflected light at different reflectivity during summer solstice

2.2 不同反射率影響分析

反射率在10%～20%之間時(shí)可能出現(xiàn)反射眩光影響(“輕微影響”或“強(qiáng)影響”)；反射率如果控制在7%～10%之間時(shí)最大影響為“輕微影響”，可以消除所有“強(qiáng)影響”；反射率如果控制在7%以下，反射光影響均可接受，消除所有的反射眩光(“輕微影響”和“強(qiáng)影響”)。根據(jù)現(xiàn)有玻璃幕墻制造技術(shù)研究，生產(chǎn)及使用反射率低于7%的玻璃幕墻可行，且低反射率玻璃案例已經(jīng)在上海等地得到應(yīng)用，但低反射率玻璃會(huì)增加玻璃透射率，從而影響建筑節(jié)能及外觀(guān)。

2.3 反射時(shí)長(zhǎng)分析

由表2分析，春分日秋分日時(shí)產(chǎn)生眩光影響(“輕微影響”或“強(qiáng)影響”)集中在6:34—8:24和15:36—17:26之間，影響時(shí)長(zhǎng)總和最大為220 min；夏至日眩光影響則集中在5:36—7:28和16:32—18:24之間，影響時(shí)長(zhǎng)總和最大為224 min；冬至日反射眩光影響集中在7:40—10:16和13:44—16:20之間，影響時(shí)長(zhǎng)總和最大為312 min。

表2 典型日上午時(shí)段不同反射率眩光影響匯總Table 2 Summary of the impact of glare at different reflectivity in the morning

2.4 不同日期影響分析

雖然冬至日照時(shí)長(zhǎng)要短于春分秋分和夏至，但從眩光影響(“輕微影響”或“強(qiáng)影響”)時(shí)長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，冬至日產(chǎn)生的影響時(shí)長(zhǎng)要大于春分日和夏至日，各典型日主要的影響時(shí)間點(diǎn)為太陽(yáng)升起后(或者日落前)0.5～2.5 h之間。眩光影響根據(jù)入射角和亮度兩個(gè)因素進(jìn)行判斷，初升(日落)時(shí)雖太陽(yáng)入射角較小，但亮度值較低，故不易造成“眩光影響”。同樣接近中午時(shí)，雖然太陽(yáng)反射光亮度值較大，但入射角也較大，同樣不易造成“眩光影響”。冬至日雖然日照短，但其入射角在0°～30°的時(shí)間較長(zhǎng)，故長(zhǎng)時(shí)間低角度反射光更易引起“眩光影響”。

2.5 反射光影響范圍研究

玻璃幕墻反射光影響范圍與玻璃幕墻方位相關(guān)，因此，本研究模擬玻璃幕墻建筑(四個(gè)立面均為玻璃幕墻，各立面玻璃幕墻高為100 m，寬度為300 m，玻璃幕墻反射率為15%)在不同日期及不同朝向時(shí)的反射眩光影響范圍(“輕微影響”和“強(qiáng)影響”)。建筑正向分布時(shí)(四個(gè)立面朝向?yàn)檎龞|、南、西、北)影響范圍見(jiàn)圖5，建筑物逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)15°、30°、45°和60°時(shí)的影響范圍見(jiàn)圖6。

圖5 建筑正向分布時(shí)(四個(gè)立面朝向?yàn)檎龞|南西北)影響范圍Fig.5 The range of influence when the four facades are facing east,west,south,and north

圖6 建筑物逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)15°、30°、45°和60°時(shí)的影響范圍Fig.6 The range of influence when the building is rotated to 15°、30°、45°和60°

1)從影響范圍來(lái)說(shuō)，各朝向的玻璃幕墻輕微影響面積略大于“強(qiáng)影響”，這是因?yàn)樵谕瑮l件下“輕微影響”的反射光高度角是小于“強(qiáng)影響”高度角，則“輕微影響”反射的距離較遠(yuǎn)。

2)從產(chǎn)生影響立面說(shuō)，當(dāng)建筑正向分布時(shí)(四個(gè)立面朝向?yàn)檎龞|南西北)，東立面和西立面在各日期均會(huì)產(chǎn)生眩光影響。北立面在春秋分和冬至日時(shí)不會(huì)產(chǎn)生眩光影響，南立面在夏至日不會(huì)產(chǎn)生眩光影響。主要原因是北立面玻璃幕墻在春、秋、冬時(shí)由于太陽(yáng)方位角關(guān)系，不會(huì)產(chǎn)生反射；南立面雖然在夏時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，但是由于入射角度較大，不構(gòu)成“輕微影響”或“強(qiáng)影響”。當(dāng)旋轉(zhuǎn)玻璃幕墻建筑時(shí)，各朝向的玻璃幕墻或多或少都會(huì)產(chǎn)生一定影響。

3)建筑四個(gè)立面為正向分布時(shí)(各立面)，以及建筑旋轉(zhuǎn)45°時(shí)，同一個(gè)日期內(nèi)上午和下午的影響范圍呈軸對(duì)稱(chēng)，對(duì)稱(chēng)軸為過(guò)建筑中心點(diǎn)的經(jīng)度線(xiàn)，這是由于太陽(yáng)光方位角上午和下午時(shí)間點(diǎn)也是對(duì)稱(chēng)關(guān)系造成的。

4)建筑正向分布時(shí)反射眩光影響范圍集中在東西兩側(cè)，建筑物旋轉(zhuǎn)15°和30°時(shí)反射眩光影響范圍集中在西南和東北方向，而建筑物旋轉(zhuǎn)45°后反射眩光影響位置集中到南側(cè)和北側(cè)。建筑物旋轉(zhuǎn)60°時(shí)反射眩光影響范圍集中在西北側(cè)和東南側(cè)。旋轉(zhuǎn)30°和旋轉(zhuǎn)60°的反射光影響范圍呈對(duì)稱(chēng)關(guān)系，同理建筑物旋轉(zhuǎn)75°后也和旋轉(zhuǎn)15°的反射光影響范圍呈對(duì)稱(chēng)關(guān)系。

3 結(jié)論

本文通過(guò)模擬玻璃幕墻建筑建立了三維空間模型，對(duì)影響玻璃幕墻光反射的各因素進(jìn)行了定量分析。得出結(jié)果如下。

1)冬至日反射眩光影響時(shí)長(zhǎng)(“輕微影響”或“強(qiáng)影響”)要明顯高于春秋分和夏至日。春秋分時(shí)最大時(shí)長(zhǎng)為220 min，夏至日最大時(shí)長(zhǎng)為224 min，冬至日最大時(shí)長(zhǎng)為312 min。

2)反射率小于7%時(shí)，反射光影響均可接受，消除所有的眩光影響( “輕微影響”和“強(qiáng)影響”)。反射率如果控制在7%～10%之間時(shí)最大影響為“輕微影響”，玻璃幕墻反射率大于10%時(shí)，可能出現(xiàn)“輕微影響”和“強(qiáng)影響”。

3)當(dāng)建筑正向分布時(shí)(四個(gè)立面朝向?yàn)檎龞|南西北)，春分秋分和冬至反射眩光影響范圍集中在東、西和南，夏至影響范圍影響集中在東、西和北。且各日期“輕微影響”范圍要大于“強(qiáng)影響”。

4)建筑正向分布時(shí)反射眩光影響集中在東側(cè)和西側(cè)；建筑物旋轉(zhuǎn)15°和30°時(shí)，反射眩光影響范圍集中在西南側(cè)和西北側(cè)；當(dāng)建筑物旋轉(zhuǎn)45°反射眩光影響范圍集中在南側(cè)和北側(cè)。

上述結(jié)論表明，在玻璃幕墻建筑進(jìn)行規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)匾荒晁募镜奶?yáng)運(yùn)行規(guī)律，綜合考慮反射率和朝向等因素對(duì)反射光的影響，以求在建筑設(shè)計(jì)階段有效控制玻璃幕墻反射眩光的影響。