張昕（通訊作者），周昕怡，陳曉東/ZHANG Xin (Corresponding Author), ZHOU Xinyi, CHEN Xiaodong

1 研究背景

中國(guó)學(xué)生近視高發(fā)的原因核查與預(yù)防干預(yù)已是包括建筑、照明、眼科等各相關(guān)領(lǐng)域亟待開(kāi)展的工作。根據(jù)國(guó)家衛(wèi)健委數(shù)據(jù)：2018年，全國(guó)兒童青少年總體近視率為53.6%，其中小學(xué)生為36%，初中生為71.6%，高中生為81%。習(xí)近平對(duì)此作出重要指示強(qiáng)調(diào)：共同呵護(hù)好孩子的眼睛，讓他們擁有一個(gè)光明的未來(lái)。

光線不足和光質(zhì)量差是引起學(xué)生近視的一個(gè)重要原因[1]。造成教室照度不足的原因包括：（1）由采光設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的采光不足；（2）與近窗區(qū)過(guò)亮、投影教學(xué)等有關(guān)的拉窗簾模式，造成室內(nèi)采光或補(bǔ)光不足；（3）全人工光模式的照明不足。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)以教室為采光設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)的最小單元。《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033-2013）基于保護(hù)青少年視力和身心健康的目的，將普通教室的采光標(biāo)準(zhǔn)列為強(qiáng)條，規(guī)定側(cè)窗采光的平均采光系數(shù)不低于3%和窗地面積比為1:5[1]?！?:5窗地比”被《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB7793-2010）、《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50099-2011）等重要標(biāo)準(zhǔn)引用。窗地比標(biāo)準(zhǔn)基于采光系數(shù)的相關(guān)估算，反映的是天空光照度，未計(jì)入日光照度。如在南向使用且不加遮陽(yáng)措施，將導(dǎo)致近窗課桌眩光嚴(yán)重，觸發(fā)拉窗簾模式，進(jìn)而造成遠(yuǎn)窗區(qū)采光不足。

基于動(dòng)態(tài)氣象參數(shù)模型的模擬方法，已為建筑設(shè)計(jì)從“教室采光”進(jìn)化到“課桌采光”提供了技術(shù)路徑。對(duì)于每列課桌：“有效照度”（UDI）照度上限3000lx的界定，可用于控制近窗區(qū)眩光；“采光閾占比” （sDA）達(dá)到300lx 50% 的時(shí)間占比界定，可用于控制遠(yuǎn)窗區(qū)采光不足。綜上，本論文的研究問(wèn)題和研究目的如下：

（1）建筑師如何執(zhí)行采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，1:5窗地比與平均采光系數(shù)3%是否自洽，重新評(píng)估現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的有效性。

（2）針對(duì)不同氣象參數(shù)，分析各種設(shè)計(jì)策略的優(yōu)劣。提出“不良利用時(shí)間占比”指標(biāo)，并證明其可在近窗區(qū)課桌過(guò)亮與遠(yuǎn)窗區(qū)課桌過(guò)暗的博弈中建立平衡。

（3）在動(dòng)態(tài)采光的背景下，以北京為例，分析不同朝向、遮擋、樓層的教室采光差異性，對(duì)建筑設(shè)計(jì)的潛力和彈性進(jìn)行展望。

2 建筑師對(duì)“教室采光”標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行與探索

“優(yōu)先保障由天然光提供全部或盡可能多的推薦照度值”[2]?！侗泵勒彰髟O(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)于教育建筑應(yīng)用天然光的提法，可以代表當(dāng)下建筑師、教育者、家長(zhǎng)對(duì)于教室天然光設(shè)計(jì)的共識(shí)?；诮?年代表案例（部分代表案例見(jiàn)表1）的梳理與建筑師訪談，總結(jié)如下：

（1）單廊教室最為普遍，存在一個(gè)主采光面，并在走廊側(cè)開(kāi)窗補(bǔ)光。少數(shù)雙側(cè)走廊教室，兩側(cè)采光方式接近，弱化主采光面的概念。

（2）盡管《建筑設(shè)計(jì)資料集》（第三版）提出“朝向以南向和東南向?yàn)橹鳌盵3]，實(shí)際上南向教室多位于北方地區(qū)，并采用多種形式的水平遮陽(yáng)、混合遮陽(yáng)。華東地區(qū)近期以北向教室較為流行，南向走廊側(cè)開(kāi)低窗或高窗（出于課堂視線屏蔽的考慮），走廊可視為水平遮陽(yáng)，部分走廊設(shè)置垂直遮陽(yáng)構(gòu)件，遮擋早晨與傍晚時(shí)段的低角度直射日光。

（3）在方案階段，建筑師均通過(guò)1:5窗地比確定“主采光面”的窗洞口面積，該指標(biāo)接受施工圖審核。標(biāo)準(zhǔn)制定的初衷，3%是考察采光設(shè)計(jì)是否合理的判斷依據(jù)，1:5窗地比是簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)法則；而設(shè)計(jì)的操作邏輯上，二者關(guān)系常被倒置，即默認(rèn)1:5窗地比可獲得近似3%的平均采光系數(shù)。

（4）冬至日滿(mǎn)窗日照2小時(shí)的規(guī)范，嚴(yán)格限定了教學(xué)樓布局。對(duì)于立面得光下限的限定，將導(dǎo)致大量教室日照過(guò)量，因此仍需通過(guò)設(shè)計(jì)遮陽(yáng)措施，保證南側(cè)天然光的合理利用。以由直向建筑設(shè)計(jì)的、

1 深圳福田區(qū)人民小學(xué)效果圖（圖紙?zhí)峁褐毕蚪ㄖ?/p>

表1 學(xué)校建筑近年代表案例（繪制：周昕怡）

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：52078266）尚未完工的深圳福田區(qū)人民小學(xué)項(xiàng)目為例，建筑布局首先滿(mǎn)足冬至日滿(mǎn)窗日照符合規(guī)范，并根據(jù)遮陽(yáng)與視野營(yíng)造的整體構(gòu)思，設(shè)計(jì)了傾斜的38%穿孔率的30mm厚外掛混凝土遮陽(yáng)板。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行采光模擬，為實(shí)現(xiàn)平均采光系數(shù)3%的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需在走廊側(cè)設(shè)計(jì)較大開(kāi)窗（圖1）。

3 “課桌采光”的研究模型

選取5個(gè)光氣候區(qū)的7個(gè)代表城市進(jìn)行模擬研究。兼顧光氣候、建筑氣候區(qū)、地域代表性、城市規(guī)模與學(xué)校建設(shè)量，分別為拉薩（I/嚴(yán)寒）、昆明（II/溫和）、北京（III/寒冷）、哈爾濱（IV/嚴(yán)寒）、上海（IV/夏熱冬冷）、深圳（IV/夏熱冬暖）、重慶（V夏熱冬冷）。

教學(xué)樓布局依據(jù)中學(xué)規(guī)范，設(shè)置為5層，每層3間教室[4]。墻體厚度設(shè)定為外墻370mm，內(nèi)墻240mm。為研究相鄰建筑對(duì)教室采光情況的影響，采用3棟教學(xué)樓南北向排列的無(wú)連廊布局，樓間距25m。每棟教學(xué)樓選取5間基準(zhǔn)教室（一層兩端2間，三層中間1間，五層兩端2間），各方案性能的比較，采用15間教室均值的綜合評(píng)估方式。

教室模型取標(biāo)準(zhǔn)中學(xué)教室，7800mm（進(jìn)深）×9300mm（面寬）× 3400mm（凈高），單人課桌尺寸為600mm×400mm。教室平面根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)資料集》中的雙人座方案進(jìn)行微調(diào)，以滿(mǎn)足：黑板寬度為4m，前排邊座座椅與黑板遠(yuǎn)端的水平視角不小于30°；最前排課桌的前沿與前方黑板的水平距離不小于2200mm；最后排課桌的后沿與前方黑板的水平距離不大于9000mm。反射比設(shè)置為黑板0.1、室內(nèi)/外地面0.2、外墻0.5、內(nèi)墻/天花0.7、課桌/窗框/欄桿0.35（參木質(zhì)），玻璃透射比0.8。每間教室設(shè)置130個(gè)計(jì)算點(diǎn)，相鄰兩點(diǎn)的南北距離設(shè)定為600mm，東西距離設(shè)定為900mm。保障48個(gè)照度計(jì)算點(diǎn)位于48張課桌面正中央，并均勻分布在教室內(nèi)。

每間教室設(shè)2個(gè)3600mm（窗寬）×2000mm（窗高）主采光窗，窗臺(tái)高900mm。窗戶(hù)分隔為上（不可開(kāi)啟扇）、下（可開(kāi)啟扇）兩部分，窗框?qū)挾葹?0mm。教室前后門(mén)的上部設(shè)置高450mm的窗。以主采光面朝南/北的兩個(gè)符合1:5窗地比且不加遮陽(yáng)措施的模型為基準(zhǔn)策略，通過(guò)降低主采光窗高至1500mm，走廊側(cè)設(shè)不同高度側(cè)窗，設(shè)置混合遮陽(yáng)、水平遮陽(yáng)、內(nèi)導(dǎo)光板、內(nèi)外導(dǎo)光板等措施，共生成11種方案進(jìn)行綜合策略比較（圖2）。

2 11個(gè)研究模型及其采光系數(shù)（繪制：周昕怡）

表2 11種采光遮陽(yáng)策略不良利用時(shí)間占比（%）的綜合評(píng)估表（繪制：張昕）

采用DIVA for Rhino進(jìn)行基于動(dòng)態(tài)氣象參數(shù)模型的模擬。氣象數(shù)據(jù)源采用CSWD（北京、上海、重慶、拉薩、哈爾濱、昆明）和SWERA（深圳），進(jìn)行全年8769小時(shí)的逐時(shí)模擬，為兼顧中、小學(xué)的上下學(xué)時(shí)間，分析數(shù)據(jù)取每日8:00-16:00。獲得各計(jì)算點(diǎn)的逐時(shí)數(shù)據(jù)后，提取分析指標(biāo)，包括各教室的采光系數(shù)平均值、DA300lx(天然光照度不足300lx的時(shí)間占比)、DA3000lx(天然光照度超過(guò)3000lx的時(shí)間占比)。

提出各列課桌的天然光“不良利用時(shí)間占比”指標(biāo)，為兩類(lèi)不良利用時(shí)間的占比之和，以綜合評(píng)估天然采光的過(guò)量與不足：（1）各列課桌的天然光照度超過(guò)3000lx 的時(shí)間占比，用于近主采光窗側(cè)課桌的采光過(guò)量評(píng)估，提取自“有效照度”（UDI）研究中對(duì)于照度上限的界定。（2）各列課桌的天然光照度不足DA300lx的時(shí)間占比與50%的差距，用于房間深處課桌的采光不足評(píng)估，參考自主采光閾（DA）的定義。例如，如果47%的天然采光時(shí)間，該列照度達(dá)不到300lx，則計(jì)作3%的不良利用時(shí)間。

4 以“不良利用時(shí)間占比”為判據(jù)的“課桌采光”評(píng)估

11個(gè)分析模型的全年不良利用時(shí)間平均值，通過(guò)Python和Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，呈現(xiàn)于表2。綠色為各地排名前五的策略，數(shù)字越小意味著性能越優(yōu)。根據(jù)各列課桌的天然光不良利用時(shí)間占比指標(biāo)，總結(jié)如下。

本研究以一列課桌為最小分析單元，上限借用有效照度（UDI）概念，下限借用天光自治（DA）概念，解決了在同一教室中“采光過(guò)量”與“采光不足”的判定博弈。利用182,120,400個(gè)模擬數(shù)據(jù)（9×365×48×15×11×7），重點(diǎn)比較同一地域在不同設(shè)計(jì)策略間的性能差異。

對(duì)于北側(cè)主采光面，1:5窗地比可作為華東、華南地區(qū)的參考設(shè)計(jì)指標(biāo)，可滿(mǎn)足15間代表教室的平均采光系數(shù)高于3%，但應(yīng)設(shè)置走廊側(cè)遮陽(yáng)。

（1）北向代表方案——2號(hào)方案，2000mm窗高（1:5窗地比），南側(cè)450mm高側(cè)窗的策略，在拉薩、北京、哈爾濱為排名前三的策略，但與嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)的日照需求矛盾；在重慶為最差策略，列平均僅42.7%的時(shí)間超過(guò)300lx。

（2）北向代表方案——6號(hào)方案，2000mm窗高（1:5窗地比），南側(cè)1350mm低側(cè)窗的策略，如在華東、華南地區(qū)使用，1800mm走廊且不設(shè)遮陽(yáng)的策略表現(xiàn)不佳，應(yīng)在走廊南向表面設(shè)置遮陽(yáng)措施，與調(diào)查案例采用的措施吻合。

對(duì)于南側(cè)主采光面，內(nèi)外導(dǎo)光板的性能最優(yōu)，混合遮陽(yáng)、水平遮陽(yáng)、內(nèi)導(dǎo)光板的性能接近。排序較優(yōu)策略的平均采光系數(shù)低于2%，其對(duì)應(yīng)的窗地比在1:6至1:7之間。北京、哈爾濱的遮陽(yáng)效力減弱，與太陽(yáng)高度角較低有關(guān)，應(yīng)減小開(kāi)窗并設(shè)置遮陽(yáng)措施。重慶地區(qū)因天然光資源不足，南向較為適宜，但應(yīng)綜合得熱與節(jié)能進(jìn)行評(píng)估。

（1）南向代表方案——1號(hào)方案，1500mm窗高（1:6.7窗地比），即設(shè)置內(nèi)外導(dǎo)光板的策略，在7個(gè)代表城市均為最優(yōu)策略，主要體現(xiàn)在控制南向進(jìn)光，并合理利用日照，即近窗遮陽(yáng)并將光線導(dǎo)向房間深處，而此方案的平均采光系數(shù)僅為1.68%。如仍按1:5窗地比設(shè)置南向開(kāi)窗，并設(shè)置同型號(hào)內(nèi)外導(dǎo)光板，即7號(hào)方案，在除重慶以外的6個(gè)城市，至少6.3%的時(shí)間，列平均照度超過(guò)3000lx。

（2）南向代表方案——4號(hào)方案，1500mm窗高（1:6.7窗地比），即設(shè)置內(nèi)導(dǎo)光板的策略，可視作9號(hào)方案的室內(nèi)改造，對(duì)于北京、深圳，降低了5%以上的超3000lx時(shí)間占比，可視作一種有效的改造措施。

（3）南向代表方案——11號(hào)方案，2000mm窗高 （1:5窗地比），即無(wú)遮陽(yáng)措施的策略。除重慶外，在其它6個(gè)代表城市均為最差策略，至少13.7%的時(shí)間，列平均照度超過(guò)3000lx。

5 教室間采光差異評(píng)估（以北京為例）

教室間的采光不均由朝向、樓層位置、形體自遮擋造成?？蓞⒖贾鞑晒獯巴獗砻娴哪耆站怪闭斩?，評(píng)估每間教室可利用的天然光資源總量。以北京為例，每組布局方案共45間教室，通過(guò)模擬得到6組布局方案（南/北向的無(wú)連廊、東側(cè)連廊、西側(cè)連廊）下270間教室的主采光窗外表面的年日均垂直照度（單位lx，圖3），可知：

（1）南向可利用的天然光資源遠(yuǎn)高于北向，以無(wú)連廊布局為例，南向（綠線）約為北向（灰線）的2.80倍，平均采光系數(shù)適用于北向穩(wěn)定的天然光環(huán)境，因此南向必須采取必要的遮陽(yáng)措施，以控制天然光過(guò)量的問(wèn)題。

3 教室間采光差異與日照時(shí)數(shù)分析模型（繪制：周昕怡）

（2）東西側(cè)的連廊導(dǎo)致教室間的采光不均，以中間樓（橫坐標(biāo)16-30）為例，北向的均勻度（平均值/最大值）由0.92（無(wú)廊）下降到0.83（東廊）/0.79 （西廊），受影響最大教室下降為原來(lái)的70%（東廊）/61%（西廊）；南向的均勻度（平均值/最大值）由0.93（無(wú)廊）下降到0.83（東廊）/0.81（西廊），受影響最大教室下降為原來(lái)的64%（東廊）/57%（西廊）。

（3）根據(jù)平均采光系數(shù)3%的采光標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)線，推算出年日均窗口垂直照度（8:00-16:00）為7509lx，年日均室內(nèi)平均照度（8:00-16:00）為644lx?；鶞?zhǔn)線以下的北向教室，可相應(yīng)增加走廊側(cè)開(kāi)窗；基準(zhǔn)線以上的南向教室，可相應(yīng)減小窗口面積，并設(shè)置遮陽(yáng)措施。

6 對(duì)于冬至日滿(mǎn)窗日照標(biāo)準(zhǔn)的思考（以北京為例）

“冬至日滿(mǎn)窗日照不小于2小時(shí)”的標(biāo)準(zhǔn)，被《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50099-2011）[4]、上海市工程建設(shè)規(guī)范《普通中小學(xué)校建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ08-12-2004 J10355-2004）[5]等多個(gè)校園建筑標(biāo)準(zhǔn)采用。日照時(shí)數(shù)規(guī)定多見(jiàn)于住宅建筑。對(duì)于辦公、學(xué)校等以閱讀、書(shū)寫(xiě)為主要視覺(jué)任務(wù)的空間，限定照度超過(guò)某閾值的面積、時(shí)間占比是國(guó)際上更為通用的評(píng)價(jià)方法，如“年日照時(shí)數(shù)” （annual sunlight exposure, ASE），指房間中某一點(diǎn)一年中所接收到的太陽(yáng)光直射光照度超過(guò)1000lx的累計(jì)時(shí)間。如ASE1000lx,250h指房間中某一點(diǎn)一年中所接受到的太陽(yáng)光直射照度超過(guò)1000lx的累計(jì)時(shí)間為250小時(shí)。該指標(biāo)用于評(píng)估由直射日光造成的視覺(jué)不舒適問(wèn)題，如LEED 規(guī)定不超過(guò)工作平面面積的10%達(dá)到ASE1000lx,250h。

滿(mǎn)窗日照指標(biāo)關(guān)注的是最不利教室，即學(xué)校建筑的天然采光下限，但是，最不利教室的下限值達(dá)標(biāo)，也意味著大量教室的曝光過(guò)量。選取上述模型中的日照遮擋最不利情況，即南向西廊模型（以北京為例）。由Ecotect、DIVA模擬分別獲得4個(gè)教室的冬至日滿(mǎn)窗日照時(shí)數(shù)和平均采光系數(shù)，未達(dá)標(biāo)教室依次為16號(hào)（0.77小時(shí)/1.74%）、19號(hào)（1.52小時(shí)/1.97%）、17號(hào)（1.77小時(shí)/2.18%）。以冬至日滿(mǎn)窗日照僅0.77小時(shí)的16號(hào)教室為例，其年日均窗口垂直照度（8:00-16:00）仍高出北向基準(zhǔn)照度59%，意味著通過(guò)季節(jié)性的遮陽(yáng)導(dǎo)光，即將過(guò)量日光轉(zhuǎn)化為可接受的照度范圍，并增加走廊側(cè)補(bǔ)光，仍具有實(shí)現(xiàn)合理采光的可能性。由于直射陽(yáng)光并不是教室能直接利用的光線，基于上述分析，有必要對(duì)于冬至日滿(mǎn)窗日照標(biāo)準(zhǔn)的合理性展開(kāi)更深入的研究。

7 設(shè)計(jì)潛力展望

相比于窗簾、人工照明等被動(dòng)式的干預(yù)手段，立面系統(tǒng)與走廊系統(tǒng)對(duì)于改善教室采光，具有極大的設(shè)計(jì)潛力，可保障教室空間設(shè)計(jì)的整體性與視覺(jué)環(huán)境的舒適性。

關(guān)于立面系統(tǒng)，從遮陽(yáng)形式上，除內(nèi)外導(dǎo)光板性能最優(yōu)外，內(nèi)遮陽(yáng)、水平遮陽(yáng)、混合遮陽(yáng)的效果接近，除北京和重慶外，其他5個(gè)城市的性能接近，意味著立面創(chuàng)作上的較大自由度。

關(guān)于走廊系統(tǒng)，如能通過(guò)設(shè)計(jì)手段解決好課堂視線干擾，將是極為有效的教室采光的空間調(diào)節(jié)手段，北側(cè)走廊具有較大的設(shè)計(jì)自由度，南側(cè)走廊應(yīng)因地制宜地做好遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，也具有豐富的形式可能性。

關(guān)于設(shè)計(jì)策略，整齊劃一的設(shè)計(jì)策略無(wú)法實(shí)現(xiàn)全校的教室得光均勻，建筑師將有更大空間，設(shè)計(jì)漸變式的、因教室位置而異（宜）的采光遮陽(yáng)策略。

從“教室采光”到“課桌采光”，從粗放的平均采光系數(shù)指標(biāo)到精細(xì)的各列課桌的天然光“不良時(shí)間利用占比”指標(biāo)，其本質(zhì)是時(shí)間與空間層面細(xì)分的動(dòng)態(tài)采光評(píng)估，即面向人因采光設(shè)計(jì)的飛躍。建筑師應(yīng)充分整合采光設(shè)計(jì)的新策略與空間干預(yù)的新手段，不局限于僵化的數(shù)值引導(dǎo)，一如既往地在教室采光設(shè)計(jì)理念與實(shí)踐探索中，發(fā)揮引領(lǐng)作用?！酰ㄖ轮x：感謝建筑師董功、張佳晶、臧峰在本文研究過(guò)程中提供的寶貴意見(jiàn)。）