林 燕，巫 丹，黃 駿

引言

遺址博物館的展覽以遺址及藏品文物的保護性展覽為主，其展廳主要分為遺址展廳和藏品展廳兩種。藏品展廳通常以人工照明為主，對藏品進行局部重點照明。遺址展廳普遍空間體量較大，需要較大范圍有效的照明便于觀看遺址，而大量人工照明往往耗能較高。廣東地區(qū)太陽能資源豐富，全年平均日照時數高達1608個小時[1]。在廣東地區(qū)的遺址博物館中采用天窗采光不僅能有效降低照明能耗，還能還原遺址和文物的觀展真實感，并提高室內光環(huán)境舒適度，是一種宜選用的能夠配合人工照明使用的良好采光方式。

圖2 二期展館藏品展廳調研照片及測量區(qū)域平剖面

調研發(fā)現(xiàn)，目前遺址博物館存在以人工照明為主的展廳基本照度不夠、采用天窗采光未結合遮陽設計導致局部出現(xiàn)眩光、整體照度過高或光環(huán)境不均勻的現(xiàn)象。遺址博物館由于遺址和文物保護等因素，需要嚴格控制光環(huán)境，不應有直射陽光進入展廳，展覽區(qū)域照度標準值不高于300lux[2]。因此，其天窗設計需結合遮陽來優(yōu)化才能獲得合理的光環(huán)境。本文對廣東地區(qū)遺址博物館遺址展廳中天窗的采光遮陽及優(yōu)化設計進行研究，針對不同類型天窗提出不同的策略。

國內外天窗采光現(xiàn)有研究普遍將測量與模擬相結合，例如，通過測量和模擬的比對方 法，提出DSADP技術是運用在博物館方案設計階段采光設計的重要手段[3]；通過對展示空間的光環(huán)境進行仿真分析，證明采 光優(yōu)化可改善博物館展示空間的采光質量[4]；基于互動式建筑的設計理念，利用grasshopper建立一種互動式天窗百葉結合建立實體模型進行模擬實驗，可保證室內照度的同時解決夏季熱輻射帶來的高溫問題[5]。或基于參數化模型的建筑采光設計方法，分析地域性光氣候條件下的采光以及利用參數化模型進行采光方案的比對，從而得出兼顧遮陽效果的采光設計方案[6]。

本文通過實地調研測量和軟件模擬分析相結合的方式，針對廣東地區(qū)遺址博物館展廳天窗遮陽整合設計初步探究，以模擬分析結果作為天窗遮陽整合設計的依據。采光遮陽措施分內遮陽措施與外遮陽措施[7]，由于內遮陽措施形式多樣，效果好，適用于我國遺址類博物館需要自然采光且要控制光環(huán)境的大體量展覽空間[8]，結合內遮陽措施的天窗設計能夠減少強烈直射光對遺址和文物的損壞，同時達到舒適的視覺感受，因此本研究主要考慮天窗結合內遮陽的優(yōu)化設計。

1 廣東地區(qū)遺址博物館展廳天窗采光調研現(xiàn)狀分析

本次研究選取兩個遺址博物館進行采光測量及優(yōu)化模擬分析。兩個研究對象均位于廣東省廣州市，廣州市位于東經113°17'，北緯23°8'，屬于光氣候Ⅳ區(qū)，日照充足，冬暖夏熱。兩個遺址博物館的展廳中都采用了天窗采光，分別是全玻璃頂天窗和條形天窗。實測時間是2020年8月23日，測試當天天氣晴朗無云，使用型號為GM1040B的手持式數字照度計，總量程為0.1～200000lux，在天窗正投影下方展覽區(qū)域內取1.5m×1.5m網格交點為測點，測點高度為0.75m[9]。依據《采光測量方法GB/T 5699-2017》[10],對采光系數、采光系數平均值以及采光均勻度進行計算，得出表1和表2所示相關數值。

表1 墓室展廳和藏品展廳調研測量結果

表2 水流石渠展廳和水井展廳調研測量結果

1.1 南越王墓博物館

南越王墓博物館位于廣州，興建于遺址原址上，占地14000m2，展館面積8657m2。主要分為陡坡上的一期展館、山崗平頂上的墓室展廳和二期擴建展館，墓室周圍設回廊圍繞[11]。一期展館有三層，其中二層為展廳，全為人工照明，墓室展廳僅采用自然采光；而二期展館共二層，全部為展廳，均采用自然采光和人工照明混合的采光方式（圖1、2）。

圖1 墓室展廳調研照片及測量區(qū)域平剖面

墓室展廳光線充足，室內明亮；以人工照明為主的藏品展廳采用遮陽百葉過濾自然光，室內環(huán)境光照度低，對展品作重點展示照明，室內與室外銜接處光照明暗程度差別較大。南越王墓藏品展廳由于遮陽百葉過密，采光均勻度較高但室內照度整體較低。墓室展廳與藏品展廳相比，未采用任何遮陽調節(jié)設施，室內照度過高（表1）。

1.2 南越國宮署遺址博物館

南越國宮署遺址博物館位于廣州，主要展示南越國古石渠遺址、古水井遺址及藏品，博物館展館中有兩處設有天窗采光，采用自然采光和人工照明混合的采光方式，其余采用純人工照明[12]。一處位于曲流石渠遺址展廳，遺址展廳局部約1/4體量頂部設有5個長度不等寬度相同的條形平天窗，調研發(fā)現(xiàn)，有直射光進入展廳產生光斑以及眩光現(xiàn)象。另有一處位于水井遺址展廳，設一大一小兩個平天窗，同樣是天窗采光結合人工照明（圖3、4）。

圖3 曲流石渠遺址展廳調研照片及測量區(qū)域平剖面

圖4 水井展廳調研照片及測量區(qū)域平剖面

曲流石渠遺址展廳的條形天窗由于采光口深度較大，采光面積相對展廳較小，雖然采光系數最高值很高（表2），但平均值不及南越王墓墓室展廳，且出現(xiàn)較明顯的眩光現(xiàn)象，即使分布有較多的人工照明，由于層高較高，展廳面積大，室內采光不均勻，暗角較多，影響觀眾參觀遺址。

水井展廳采用一大一小兩個平天窗，占展廳面積比例不大，采光較為不均但略高于遺址展廳。

1.3 廣東地區(qū)遺址博物館展廳天窗采光調研現(xiàn)狀

通過對廣東地區(qū)遺址博物館的調研觀察和調研結果的數據分析，得出如下調研現(xiàn)狀，對這些現(xiàn)狀進行思考分析，以此為基礎進行后續(xù)優(yōu)化設計。

1.3.1 天窗利用率不高

部分遺址博物館展廳的天窗利用率不高，例如南越王墓博物館的藏品展廳用遮陽百葉將天窗完全遮蔽起來。

1.3.2 混合照明模式下照度平均值、采光均勻度超過或不及規(guī)范要求

根據采光設計標準，采用頂部采光時，博物館建筑中陳列室、展廳的采光系數標準值為1.0%，采光均勻度標準值為0.7，室內天然光照度標準值為150lux[13]。目前測量的所有展廳的照度均值遠超標準值，而除了南越王墓墓室展廳的全玻璃頂天窗采光均勻度達到0.72之外，其余的采光均勻度都小于標準值，即存在采光不均勻的現(xiàn)象。

1.3.3 天窗設計不適用于當前展廳或未采用遮陽措施導致光環(huán)境不良

不適用展廳形式的天窗設計和無有效遮陽措施的采光天窗會為博物館內部帶來不良影響[14]，例如南越王墓博物館和南越王宮博物館的遺址展廳未采取有效遮陽措施，遺址上均被直射光照射出現(xiàn)光斑，南越王宮遺址展廳上設置的采光洞口較小較深，造成展廳內出現(xiàn)一些照明不足的暗部。

2 廣東地區(qū)遺址博物館展廳采光遮陽整合優(yōu)化模擬分析

遮陽能對天窗的采光設計起到輔助和修正作用，因此對天窗遮陽進行整合模擬，從而研究如何對天窗進行優(yōu)化設計[15]。通過對遺址展廳中玻璃頂、條形采光口兩種常見采光形式，應用不同遮陽措施進行計算機模擬分析，可以比較準確的得出適宜的優(yōu)化策略。

模擬選擇采用與實測相同的晴天無云的天氣情況。因本文研究所針對的是天窗遮陽整合設計，多云條件下日照情況復雜多變，全陰天日照雖然比較穩(wěn)定，但也由于天空中存在大量漫射光，此時天窗所受日照相對比較均勻，不易出現(xiàn)例如眩光、光照過度等光環(huán)境不良現(xiàn)象，在此天氣情況下研究意義不大。廣東地區(qū)夏季天氣晴朗無云時，日照輻射量較大，而一天中日照最強烈的時段是上午10:00～下午2:00，因篇幅有限，文中暫不討論日間天窗采光的動態(tài)變化過程，考慮到中午12:00～下午2:00展廳中人流量較小，該時段日照情況對于人們觀展體驗影響不大，因此選擇上午11:00～11:30進行實測。即如果此天氣下較高太陽角時天窗采光都能夠得到優(yōu)化，那么也能夠適用于其他日照條件下。實測時間嚴格控制在半小時內，減少日照隨測量時間變化帶來的影響，并確保測量時段室外天氣穩(wěn)定無云從而得到有效數據。

2.1 模擬準確性驗證

為了進一步探究遺址博物館天窗遮陽整合設計的方法，采用計算機模擬遮陽設計前后的光環(huán)境，從而對天窗遮陽整合設計的模擬結果進行對比分析研究。模擬軟件選用VELUX Daylight Visualizer 2。在計算機模擬之前，需對計算機模擬的有效性進行評估。由于南越王墓墓室展廳是4個展廳中唯一完全采用自然采光的展廳，以其進行模擬比較，在SU中建立該展廳模型（圖5），玻璃透射率設置為0.17，模擬定位在東經113°，北緯23°，天氣條件設置為晴天無云，測試時間為8月23日上午11:00，結構構件簡化處理，測量結果如下（表3）：

圖5 模擬測量模型及測量結果示意圖

表3 模擬結果與實測對比圖

由于材料反射率以及窗污染、窗結構折減、測點位置等因素，模擬數值與實測數值存在誤差，值為2.2%，測量結果并不絕對準確，同時測量時日照強度時刻變化，這也是造成誤差的一大原因，但誤差值滿足該軟件經國際照明協(xié)會認證的±5%的誤差范圍，因此模擬方式是可行的。

2.2 廣東地區(qū)遺址博物館展廳天窗優(yōu)化設計方法——天窗遮陽整合設計

通過設計合理有效的遮陽措施將直射光線進行漫反射處理，降低照度，提高室內采光均勻度，既能夠利用自然光資源來達到綠色節(jié)能的目的，也能夠使采光不良情況得到改善（表4）。結合天窗設計的遮陽方法主要有遮陽百葉、漫反射結構和發(fā)光天棚，根據以上案例提取出空間形式和天窗設計形式，分析在嶺南地區(qū)——以廣州為例，對不同天窗采用不同遮陽形式進行優(yōu)化，采用計算機模擬的方式對采光系數、照度等影響因子進行比較評估。

表4 主要三種與天窗結合的遮陽設計方法

2.3 優(yōu)化設計模擬分析

如表4所示，要獲得好的室內光環(huán)境和空間效果，須結合天窗設計采用適宜的遮陽設計方法。因此對于研究對象的兩種不同的天窗形式，根據3種不同的遮陽設計方法，探究全玻璃頂天窗和條形天窗應如何進行優(yōu)化。

模擬采用對比實驗法，以原設計的天窗采光無遮陽為對照組，選取調研案例中的展廳天窗進行不同遮陽方式的模擬，對比其產生的光環(huán)境優(yōu)化效果和室內空間效果。選擇晴天天空作為模擬條件，模擬設計的遮陽百葉尺寸均為150mm寬×20mm厚，間距為150mm，角度為90°和0°，光反射結構均采用傾角約為45°的弧形混凝土板，發(fā)光天棚均采用透光率為0.5的半透明材質。模擬地點均位于東經113°，北緯23°，模擬時間為上午11:00，朝向為正南北，天窗玻璃材質均采用透射率為0.78的普通白玻。

由模擬結果可知（表5），該遺址展廳采用全玻璃頂天窗采光時室內照度和采光系數偏高，結合發(fā)光天棚設計后，整體照度衰減最多，但采光最均勻，且平均采光系數最高，采用遮陽百葉時遮陽效果不明顯，室內仍有直射光線進入。采用漫反射結構時雖然整體照度降低但有明顯暗角。

該展廳天窗采用遮陽百葉無法完全消除直射光線的干擾，由照度和采光系數分布圖可知（表6），采用發(fā)光天棚時采光較均勻，但平均照度值過低。采用漫反射結構時展廳內無直射光線，照度降低程度適中，且展廳四周無明顯暗部，優(yōu)化效果最好。

表6 南越王宮曲流石渠展廳模擬分析

2.4 廣東地區(qū)遺址博物館展廳天窗遮陽整合設計模擬結果分析

全玻璃頂天窗采光面積大，可視作面光源，通常應用于大型公共空間，在遺址展廳中應用時，能為遺址提供充足且較為均勻的自然光線，模糊室內外界限，但也由于其采光面積大，往往在天氣晴朗時采入過多陽光，對建筑節(jié)能、室內物品造成不良影響[19]。因此在展廳中對此類天窗進行優(yōu)化設計時，必須根據展廳的使用要求，采用計算機預先進行較精確的光環(huán)境模擬。根據南越王墓墓室展廳天窗遮陽整合設計模擬結果，采用遮陽百葉時由于太陽高度角高且百葉無傾角，仍有部分直射光線進入展廳，因此室內照度降低不明顯，采用漫反射結構時雖然能阻擋大量直射光，但由于天窗本身面積過大，所需采用的漫反射結構自身體量較大，對光線形成了一定遮擋，反射后光線難以達到整體均勻的效果。而發(fā)光天棚能將所有光線均勻漫射，降低照度的同時采光仍保持均勻。

條形天窗可視為點光源或線光源，用于展廳中可形成獨特的光影效果和空間氛圍，但如南越王宮曲流石渠遺址展廳的天窗，由于采光面積小，采光口較深，無法提供大量均勻的漫射光，造成展廳采光不均，室內形成大量暗角的現(xiàn)象。且采光口周圍明暗對比強烈，易造成眩光。模擬采用遮陽百葉時，同樣因為太陽高度和百葉傾角的問題，室內仍有直射光線，照度調節(jié)作用不明顯，采用漫反射結構和發(fā)光天棚后都能達到相對均勻的室內光環(huán)境，是因為光線經漫反射結構和以漫射材料制成的發(fā)光天棚進行充分的漫反射后，到達室內暗角區(qū)域，改善了這些區(qū)域的采光質量。

3 廣東地區(qū)遺址博物館展廳天窗優(yōu)化設計策略

經過調研和模擬，采用天窗的遺址展廳在無遮陽情況下都存在室內照度過高、眩光以及采光不均現(xiàn)象，不利于遺址遺跡的保存維護和觀眾觀賞，模擬結果證明采取遮陽措施來對原有天窗進行優(yōu)化調整是必要且有效的。

3.1 優(yōu)化設計策略一——天窗與遮陽百葉整合設計

遮陽百葉整合全玻璃頂天窗和條形天窗進行設計優(yōu)化時，當百葉角度垂直于采光面，均可降低一定照度但無法完全阻隔直射光，例如根據南越王墓博物館和南越王宮博物館的展廳采用遮陽百葉的模擬結果，平均照度降低的差值較小且仍有少量直射光進入展廳。因此對于需嚴格控制直射光的遺址博物館展廳，采用遮陽百葉可以通過進一步調整葉片尺寸、密度以及傾角來達到更符合遺址博物館展廳對遺址文物保護需求的天窗優(yōu)化設計效果。

3.2 優(yōu)化設計策略二——天窗與漫反射結構整合設計

對于采用了條形天窗的遺址展廳，宜采用漫反射結構作為優(yōu)化措施。如南越王宮博物館曲流石渠遺址展廳中的條形天窗，采光口較深，面積較小，展廳平均照度為333.2lux，雖然均值滿足規(guī)范但室內暗角較多，整體光環(huán)境偏暗，增加采光口數量或增大采光面積、減小采光口深度是從根本上提高采光質量的措施。條形天窗由于采光面積小，易造成采光不均和采光口周圍明暗強烈對比形成眩光的現(xiàn)象，采用漫反射結構模擬設計后，光線通過結構體的充分反射可擴散到室內大量照度過低的暗角，從而改善采光不均勻，提高室內參觀的舒適度。因此，漫反射結構適宜結合條形天窗來設計。光線從采光口引入后經過一系列反射衰減后進入室內，從而達到對光線的調節(jié)作用。但應根據當地太陽光入射規(guī)律來調整光反射結構形式，從而避免光線通過縫隙形成光斑。

3.3 優(yōu)化設計策略三——天窗與發(fā)光天棚整合設計

如果展廳天窗優(yōu)化的需求是降低照度的同時保證高均勻度，那么應采用發(fā)光天棚。發(fā)光天棚通常采用軟膜或亞克力板制成，調節(jié)機理在于其不同于平滑的玻璃，材料本身凹凸的特質可將光線進行充分的阻隔和漫射。作為室內吊頂設置時，光源可以是天窗，也可以是人工照明設施，光線透過這層材料后，形成一個整潔美觀的面光源，并提供均勻柔和的環(huán)境光。

例如南越王墓墓室展廳，由模擬結果可看出，采用發(fā)光天棚后照度值由6196.9lux降低至2963.5lux，而采光系數分布仍然十分均勻。因此采光面積大的展廳如采用玻璃頂的情況下，應采用發(fā)光天棚作為天窗遮陽整合設計方法，能在顯著降低照度的同時獲得較均勻、明亮的室內光環(huán)境。且發(fā)光天棚應用范圍廣，可根據天窗造型和室內空間配合設計成各種造型，形式多變，是遺址博物館采用大面積天窗采光時可采用的有效優(yōu)化設計策略。

結語

根據對遺址博物館展廳天窗采光光環(huán)境實地測量和現(xiàn)狀分析，并通過對計算機模擬得到的數據以及照度、采光系數分布圖進行對比研究，分析歸納天窗遮陽整合設計前后的光環(huán)境特點，并對其優(yōu)化設計效果進行評估，最后總結出遺址博物館展廳天窗優(yōu)化設計策略。從優(yōu)化效果來看，采用遮陽百葉優(yōu)化天窗設計時，可根據當地日照規(guī)律調整百葉密度或角度來減少天窗采入的直射光線，漫反射結構適宜整合條形天窗設計，發(fā)光天棚適宜整合全玻璃頂天窗等大面積采光口進行設計。鑒于本文篇幅有限，未涉及能耗相關因素的影響分析以及需進一步探究關于采光與遮陽各設計因素的定量分析。

本文對天窗優(yōu)化設計的研究初探得出適用于遺址博物館展廳天窗的優(yōu)化設計策略，以期對今后的遺址博物館天窗優(yōu)化設計研究起到參考借鑒作用。

圖、表來源

圖1～5：巫丹繪制；（其中的圖片，由巫丹拍攝或繪制、VELUX Daylight Visualizer 2）表4：巫丹繪制；（其中的圖片源自：https://image.baidu.com/；https://www.archdaily.cn/cn）

其余表格均為巫丹繪制。