姚淵，田苗，張昕（通訊作者）/YAO Yuan,TIAN Miao,ZHANG Xin (Corresponding Author)

1 研究背景

紙是中國傳統(tǒng)建筑中最具有代表性的透光材料，其應(yīng)用始于唐代。玻璃在我國宮殿中安裝的記載最早見于雍正元年（1723 年），至乾隆年間，在宮中得以普及[1]。到20 世紀(jì)中葉，玻璃在民居建筑中逐漸取代窗紙[2]。當(dāng)代雖然仍有民居建筑使用窗紙[3]，但其工藝的傳承岌岌可危。與之同時瀕臨消亡的，是對以窗紙為依托的傳統(tǒng)建筑天然光環(huán)境的認(rèn)知。

四合院是北方地區(qū)最常見的民居建筑形式之一。選用北京四合院作為研究載體，主要因其地理位置和院落形制的代表性[4]。近年來，在城市更新過程中，傳統(tǒng)四合院面臨著保護(hù)和發(fā)展的雙重挑戰(zhàn)。對于紙窗情境的溯源研究，具有一定的現(xiàn)實意義。

本研究旨在通過測量紙窗的光學(xué)參數(shù)，建立模擬方法，通過動態(tài)模擬，還原北京四合院的天然光環(huán)境特征，其研究意義在于：保護(hù)傳統(tǒng)建筑室內(nèi)的“光環(huán)境真實性”；通過逐時模擬精確刻畫室內(nèi)的光分布情況，指導(dǎo)使用過程中的天然光調(diào)節(jié)，為視覺舒適度和節(jié)律照明的研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；為類窗紙效果的漫透射材料的研發(fā)提供參考。

1.1 影響傳統(tǒng)四合院光環(huán)境的建筑要素

我國合院建筑的光環(huán)境主要與以下建筑要素有關(guān)：

（1）朝向。以坐北朝南為主，坐南朝北為輔，還有少量坐東朝西和坐西朝東的院落。由于北京冬季氣候寒冷，室內(nèi)需要更多日照，因此無論院落朝向哪個方向，院內(nèi)軸線均為南北方向，且正房等主要建筑多為坐北朝南，增加冬季得熱和天然采光。正房的臺明高度、柱高和檐口高度高于其他建筑，為避免影響正房采光，廂房的出檐不能延伸至正房山墻的軸線之內(nèi)[5]。

（2）比例。四面圍合的建筑物能夠相互遮擋強烈的直射光，具體比例受季節(jié)性的遮陽與采光需求的影響，其中內(nèi)院平面比例主要與經(jīng)度相關(guān)，而剖面比例與緯度相關(guān)（圖1）。由于北京冬季太陽高度角較小，因此需要增大建筑之間的距離，將更多的日光引入室內(nèi)。據(jù)統(tǒng)計，北京地區(qū)內(nèi)院南北距離與建筑高度的比例約為10:3，這一比例在吉林、江浙和福建地區(qū)分別為5:1、5:3 和6:5[6]。北京地區(qū)內(nèi)院的南北和東西向距離比約為1:1，在北方更偏西的地區(qū)，為了減弱廂房受到的西曬影響，內(nèi)院的東西方向距離縮小[7]，在山西中部和陜西北部分別為2:1 和3:1[6]。

1 我國合院建筑的內(nèi)院平面比例和剖面比例

（3）檐廊。在夏季可以遮擋強烈的直射光，在冬季由于太陽高度角較低，較淺的檐廊能夠使日光更多地照射到室內(nèi)，改善采光[7]。

（4）開窗。四合院建筑單體大多僅通過隔扇門（明間）和支摘窗（次間）朝向內(nèi)院采光[5,7]，將經(jīng)過庭院各表面和綠化調(diào)節(jié)的光線引入室內(nèi)。支摘窗分為上下兩部分，每部分均有兩層，上部外層可以支起，下部外層可以摘下，使用狀態(tài)可根據(jù)季節(jié)性需求進(jìn)行調(diào)整。冬季多用高麗紙或玻璃紙糊窗粘牢，在加強保溫的同時保持室內(nèi)的天然光充足。夏季多用紗或冷布糊窗，加強透氣性，另有做法是在冷布外加“卷窗”，即可以卷起的幅紙，白天卷起，夜晚落下[8]。

（5）表面。庭院內(nèi)的地面、柱面和墻面形成了豐富的漫反射面，部分院落設(shè)置淺色影壁和照壁，為室內(nèi)提供充足而柔和的漫反射光，也是改善室內(nèi)采光的重要因素[7]。

（6）種植。在以居住為主的傳統(tǒng)庭院，多于院外大門和院內(nèi)倒座房處[9]種植高大落葉喬木，院內(nèi)配以玉蘭和西府海棠等[10]小喬木,以及低矮灌木和草本植物[9]。高大喬木在夏季遮擋過強的直射日光，提供陰涼舒適的室外空間，且冬季落葉后不影響室內(nèi)采光。

1.2 傳統(tǒng)四合院改造實踐中的光環(huán)境設(shè)計策略

本研究聚焦于玻璃與窗紙的性能差異，可為四合院改造類建筑實踐提供可量化的設(shè)計依據(jù)。在近年的北京四合院改造實踐中，建筑師提出了多種光環(huán)境設(shè)計策略[11-19]（表1），如沿屋面方向設(shè)置點式/帶形的平天窗和矩形天窗，改用透明門或增大窗面積，以及山墻開窗等。這些改造實踐中所提及的光環(huán)境策略，多基于“增加采光”的構(gòu)想，較少提及減光、改善光分布、半透明/不透明材料應(yīng)用與量化分析。

表1 近年北京四合院改造中的光環(huán)境設(shè)計策略（繪制：田苗）

2 研究目的與方法綜述

傳統(tǒng)院落式建筑光環(huán)境研究的目的主要為：（1）歷史與理論研究，關(guān)注采光性能[20-23]，分析庭院尺寸、比例、形狀和建筑層數(shù)等幾何因素對光環(huán)境的影響[24-25]；（2）工程與應(yīng)用研究，通過光環(huán)境數(shù)據(jù)分析，總結(jié)建筑對氣候的響應(yīng)策略，應(yīng)用于建筑設(shè)計[26-28]、城市規(guī)劃[29]或傳統(tǒng)建筑改造[28,30-31]。以上研究多關(guān)注整體光環(huán)境策略，鮮有關(guān)注半透明/不透明材料，未見針對傳統(tǒng)窗紙的研究。

傳統(tǒng)院落式建筑光環(huán)境研究的方法主要為：（1）實測，主要基于照度測量進(jìn)行研究[20-21,27]；（2）計算機模擬，分為靜態(tài)模擬和動態(tài)模擬。已有研究多采用靜態(tài)模擬，使用軟件如Ecotect[21-22][24-26]、Desktop Radiance[21]、DIVA for Rhino[27,30]、綠建斯維爾[31]和DianaX[29]等，采用的天空模型（如CIE 全陰天空）和評價指標(biāo)（如采光系數(shù)）也是靜態(tài)的。少量研究采用動態(tài)模擬，多使用Daysim 軟件[21,28]，采用天光自治（Daylight Autonomy,DA）和有效天然光照度（Useful Daylight Illuminance,UDI）等動態(tài)評價指標(biāo)。

我國現(xiàn)行天然光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033-2013）[32]，仍采用靜態(tài)指標(biāo)，如天然光照度、采光系數(shù)等。為完整再現(xiàn)四合院的室內(nèi)光環(huán)境，固定時間和天氣狀況的靜態(tài)模擬無法滿足復(fù)雜的結(jié)果輸出要求，基于動態(tài)氣象參數(shù)的模擬方法可以預(yù)測典型氣象年的逐時天然光數(shù)據(jù)，著重分析與時間序列相關(guān)的數(shù)據(jù)，基于各類時間跨度對天然光進(jìn)行評估，得到更為接近真實情況的模擬結(jié)果。

3 研究方法

3.1 窗紙材料

本研究采用高麗紙為模擬材料。北京四合院支摘窗的常用透光材料是玻璃或高麗紙[33]，其中窗紙一般貼在窗欞的室內(nèi)側(cè)[34]。清代《燕京雜記》記載:“人家窗牖，多糊紙以障之。冬日又防寒氣內(nèi)侵，或易以高麗紙?！弊辖侵械匚惠^高的正殿使用更高級的高麗紙[35]。高麗紙如今則作為寫字、作畫或修復(fù)用紙[36]。本研究采用分光光度計加積分球的方式測量紙樣在可見光光譜（380～780nm）下的正反面總反射比、漫反射比和正反面總透射比、漫透射比（圖2）。

2 高麗紙紙樣的光學(xué)特性（1.2繪制：姚淵）

將以上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用于模擬的Radiance 材質(zhì)，通過1:5 縮尺模型預(yù)實驗對比兩種常用于半透明材料的模擬材質(zhì)定義BRTDfunc 和Trans，最終確定使用后者完成正式實驗中的模擬部分。

3.2 研究模型

四合院研究模型的確定依托于宏觀層面的街巷規(guī)劃，以及微觀層面的開間進(jìn)深和構(gòu)件比例。院落面寬、進(jìn)深參考高毅存[37]和張杰[38]等人的研究。通過對北京現(xiàn)存75 座四合院[39]（共計335 個建筑單體）的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，3 開間的正房和廂房最多，建筑進(jìn)深、高度則與步架、舉架和整體比例有關(guān)。

用于模擬的研究模型設(shè)定兩種尺度：小尺度模型面寬20m，進(jìn)深24m；大尺度模型面寬24.2m，進(jìn)深27.65m。朝向坐北朝南，為考慮周邊建筑的遮擋和反射，在東、西、北3 個方向設(shè)置相鄰的四合院（圖3）。具體尺寸詳見表2。

表2 模擬模型的幾何參數(shù)（繪制：田苗，姚淵）

3 用于模擬的大尺度（左）、小尺度（右）模型軸測圖（紅框標(biāo)注為模擬院落）（繪制：田苗）

門窗做法采用最常見的隔扇加支摘窗的形式，隔扇上添加橫陂窗來限制隔扇高度。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，北京四合院共有13 種基礎(chǔ)窗欞樣式，分別是步步錦、方格、燈籠錦、十字海棠、盤長如意、夾桿條、龜背錦、拐子錦、套方、萬字、菱形、冰裂紋、井字格，其中步步錦樣式使用比例超過50%，因此在模擬模型中采用步步錦樣式（圖4）。

4 小尺度模型正房門窗做法示意圖，圖為步步錦樣式（繪制：姚淵）

3.3 實測校核方法

在進(jìn)行完整四合院的動態(tài)光環(huán)境模擬之前，通過縮尺模型實測校核模擬方法。參照《清式營造則例》的五檁前廊小式建筑制作1:5 縮尺模型，構(gòu)件和門窗尺寸結(jié)合真實四合院實例確定[40-41]（圖5），并使用國產(chǎn)高麗紙作為門窗的透光材料。

5 用于實測校核的1:5縮尺模型（攝影：姚淵）

在縮尺模型中，分別布置3×5 個測點測量室內(nèi)的水平照度和垂直照度（圖6），并同時測量對應(yīng)的太陽輻射，包括水平面總輻射（Global Horizontal Irradiance，GHI）和水平面散射輻射（Diffuse Horizontal Irradiance，DHI）。測量工況選擇東南西北4 個方位，測量時間從2019 年11 月16 日至2020 年1 月14 日，保證每個工況至少測得兩整天的數(shù)據(jù)，以減小系統(tǒng)誤差。對應(yīng)地，在DIVA for Rhino 軟件中對測量得到有效數(shù)據(jù)的工況進(jìn)行模擬，通過與實測照度的對比和誤差計算，確定后文動態(tài)模擬研究的可行性。

6 實測校核實驗中的測點分布（繪制：姚淵）

3.4 模擬方法

動態(tài)模擬使用DIVA for Rhino 軟件，調(diào)用來自Energyplus 的CSWD（Chinese Standard Weather Data）北京典型氣象年數(shù)據(jù)，測點位于正房和東西廂房，逐時計算各測點的照度數(shù)據(jù)，分析窗紙和玻璃兩種材質(zhì)的差異性。窗紙采用前述定義的trans 材質(zhì)，玻璃采用DIVA 材質(zhì)庫中透光率80%的glass 材質(zhì)，其他材質(zhì)參數(shù)參考真實的四合院材質(zhì)。測點選擇考慮四合院建筑中實際的視覺功能、空間感知和生理節(jié)律，共計以下5 個指標(biāo)：

（1）地面照度。作為室內(nèi)空間的基本使用保障，在地面設(shè)置間距為500mm 的水平照度測點陣。

（2）工作面照度。針對辦公等基本功能，測點高度為距地面750mm 的工作面，設(shè)置間距為500mm 的水平照度測點陣。

（3）后墻面垂直照度。針對公共活動、展覽等功能，考察作為主展示面的后墻面垂直照度，設(shè)置間距為500mm 的測點陣。

（4）眼部垂直照度。在成年人的眼部高度，即距地面1500mm 高朝向門窗的方向設(shè)置距窗1000mm、2000mm、3000mm、4000mm（在大尺度模型的正房）的測點。

（5）日光眩光幾率（Daylight Glare Probability，DGP）。在1500mm 高度的房間中點處，計算朝向門窗的日光眩光幾率。

4 結(jié)果

4.1 實測校核結(jié)果

對比實測和模擬結(jié)果，整體表現(xiàn)為模擬值高于實測值，但其分布規(guī)律基本相同。對模擬照度和實測照度進(jìn)行回歸分析，綜合統(tǒng)計結(jié)果和誤差計算結(jié)果，對比選取表現(xiàn)最好的冪函數(shù)作為校準(zhǔn)函數(shù)。計算經(jīng)過統(tǒng)計校準(zhǔn)的模擬值和實測值的相對平均偏差誤差（Mean Bias Error，MBE）和相對均方根誤差（Root Mean Squard Error，RMSE），并與文獻(xiàn)中提出的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比[42-43]，發(fā)現(xiàn)大部分點誤差達(dá)標(biāo)（表3 和表4，其中黑色為達(dá)標(biāo)，黃色為部分達(dá)標(biāo)，紅色為不達(dá)標(biāo)），所有水平照度均達(dá)標(biāo)，只有南向和西向的個別垂直照度超出誤差范圍，但數(shù)據(jù)集整體滿足誤差要求。該結(jié)果證明模擬方法可行。

表3 水平照度模擬與實測的誤差值（繪制：姚淵）

表4 垂直照度模擬與實測的誤差值（繪制：姚淵）

4.2 模擬結(jié)果（以小型四合院為例）

經(jīng)過模擬分析，大型四合院與小型四合院呈現(xiàn)相近的光環(huán)境規(guī)律，受篇幅所限，本文僅呈現(xiàn)小型四合院的模擬結(jié)果，部分重要區(qū)別在第五章總結(jié)。

4.2.1 室內(nèi)照度分布

根據(jù)地面、工作面和后墻面計算點的逐時照度模擬結(jié)果，統(tǒng)計以下指標(biāo)：

（1）年均逐時照度（圖7）。計算全年各日同一時刻測點的照度平均值。計算全年各日5:30～19:30同一時刻測點的照度均勻度（最小值/平均值）。

7 地面和后墻面年均逐時照度分布

（2）日均逐月照度（圖8）。計算各月每日8:00～16:00 測點照度平均值和照度均勻度平均值。

8 地面和后墻面日均逐月照度分布

對以上繪制平面分布為彩度圖，色標(biāo)參考有效天然光照度（UDI）標(biāo)準(zhǔn)：低于100lx 視為不足，需要補充人工照明；高于3000lx 視為過量，會引發(fā)眩光問題（色標(biāo)不再區(qū)分）；大于100lx 小于300lx 時，需要人工照明進(jìn)行補充以完成閱讀等高照度要求的視覺任務(wù)。

（3）地面照度

地面照度的逐時/逐月規(guī)律如表5 所示。

表5 地面照度的逐時/逐月規(guī)律（繪制：田苗，姚淵）

整體而言，使用窗紙的室內(nèi)照度低于使用玻璃的室內(nèi)照度，窗紙在大部分時段可以滿足100lx 的使用要求。使用玻璃的正房室內(nèi)靠近門窗的地面區(qū)域，由于檻墻和隔扇的遮擋而相對較暗；使用窗紙的室內(nèi)靠近門窗的地面區(qū)域相對較亮。使用玻璃時，室內(nèi)會有多處高于3000lx 的照度區(qū)域，正房出現(xiàn)在正午前后和冬季，西廂房出現(xiàn)在上午，東廂房出現(xiàn)在下午。

窗紙材料可提供更好的均勻性，既體現(xiàn)在同一空間的光分布、時段間差異、季節(jié)間差異，也體現(xiàn)在同一時刻，正/廂3 間房之間的差異。

（4）工作面照度

與地面照度的規(guī)律基本一致，工作面年均逐時照度和日均逐月照度的峰值更高，其中東廂房增加顯著。根據(jù)《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034-2013）[44]，當(dāng)房間或場所作為居住建筑使用時，一般活動在工作面高度的照明標(biāo)準(zhǔn)值為 100lx，作為辦公建筑使用時，照明標(biāo)準(zhǔn)值為 300lx。使用玻璃時，對于月均照度，正房和廂房均達(dá)到300lx；對于日均照度，正房在 9:30～15:30 達(dá)到300lx，西廂房是6:30～16:30，東廂房是9:30～18:30。使用窗紙時，對于月均照度，正房在4～9 月達(dá)到100lx，正房在10～3 月和廂房各月均達(dá)到300lx；對于日均照度，正房在10:30-14:30 達(dá)到300lx，西廂房是7:30-14:30，東廂房是10:30～17:30。照度均勻度規(guī)律與地面基本一致。

使用玻璃時，室內(nèi)工作面出現(xiàn)多處高于3000lx的區(qū)域，除靠近窗戶的區(qū)域外，廂房在房間深處也出現(xiàn)高照度區(qū)域，而使用窗紙的室內(nèi)較少出現(xiàn)。

（5）后墻面照度

后墻面照度的逐時/逐月規(guī)律如表6 所示。

表6 后墻面照度的逐時/逐月規(guī)律（繪制：田苗，姚淵）

對于正房的后墻面照度，窗紙高于玻璃。對于廂房，使用窗紙時照度略低但更均勻，使用玻璃時會出現(xiàn)高于3000lx 的區(qū)域。

4.2.2 眼部曝光量

根據(jù)眼部垂直照度模擬結(jié)果，計算年均逐時（圖9）和日均逐月（圖10）眼部曝光量。日間時段的眼部曝光量與居民的覺醒度、情緒、睡眠質(zhì)量等非視覺健康密切相關(guān)。

9 正房與廂房眼部曝光量年均逐時變化

10 正房與廂房眼部曝光量日均逐月變化

對于正房和廂房的年均逐時眼部曝光量，玻璃高于窗紙，其中西廂房的峰值出現(xiàn)在上午，東廂房的峰值出現(xiàn)在下午。

正房在冬季眼部曝光量較高。廂房使用窗紙時夏季眼部曝光量較高，使用玻璃時近窗點峰值出現(xiàn)在夏季，遠(yuǎn)窗點峰值出現(xiàn)在春秋季。值得注意的是，正房冬季使用窗紙的眼部曝光量在距窗較遠(yuǎn)的兩個測點要高于使用玻璃的情況。

4.2.3 天然光眩光幾率

眩光分析用天然光眩光幾率DGP 評估潛在的視覺不適感（圖11），以不滿意度百分比表示，并用以下范圍顯示在圖像上：DGP<35%——不可感知的眩光（綠色）；35%≤DGP ＜40%——可感知的眩光（黃色）；40%≤DGP ＜45%——產(chǎn)生干擾的眩光（橙色）；DGP ≥45%，不可忍受的眩光（紅色）。

11 正房與廂房的天然光眩光幾率（DGP）（7-11繪制：田苗，姚淵）

與玻璃相比，窗紙降低了東西廂房的眩光幾率：西廂房使用窗紙時，在春、夏、秋三季的上午有不可忍受的眩光，夏季略強，使用玻璃時全年上午均有不可忍受的眩光；冬季較強，東廂房與西廂房類似，眩光出現(xiàn)在下午，使用玻璃時不可忍受眩光的時間更長。正房使用窗紙時，在冬季正午有少量可感知的眩光和極少量產(chǎn)生干擾的眩光，使用玻璃時無眩光。

5 結(jié)論與展望

（1）影響四合院天然光分布的首要因素是朝向。無論采用何種透光材料，天然光數(shù)據(jù)特征與朝向的關(guān)系可概括為：正房、西廂房和東廂房的峰值分別出現(xiàn)在正午、上午和下午，正房平均照度的峰值、眼部曝光量和眩光時長均最低，西廂房居中，東廂房最高，正房房間深處及后墻面照度一般低于廂房；對于季節(jié)性規(guī)律，正房在夏季的平均照度遠(yuǎn)低于冬季，較好地實現(xiàn)了夏季遮陽和冬季獲得日照，而廂房在春、夏、秋三季的平均照度高于冬季。

（2）影響四合院天然光分布的重要因素是透光材料、有無前廊和檐口高度，均與遮陽效力相關(guān)。與玻璃窗相比，紙窗令地面和工作面的照度更低，提高了照度均勻度，降低了隨時間的波動性，降低了近窗部位的眼部曝光量，降低了無前廊廂房的天然光眩光幾率。前廊、較低的檐口高度均能有效遮陽，降低室內(nèi)的天然光照度。由于小尺度模型的檐口高度低且?guī)繜o前廊，大尺度模型的檐口高度高且?guī)坑星袄?，二者天然光?shù)據(jù)差異的原因即體現(xiàn)于此。

（3）對于四合院改造的實踐意義在于提出透光材料應(yīng)用的更多可能性。

窗紙材料的光學(xué)性能量化后，可作為古建修復(fù)、改造為博物館等特定項目中透光材料的研發(fā)依據(jù)。對比透明材料與漫透射材料對光環(huán)境的影響，二者各有優(yōu)劣，在保護(hù)和設(shè)計實踐中，可靈活組合，揚長避短。例如，依據(jù)天然光數(shù)據(jù)結(jié)果，正房宜采用玻璃窗，廂房宜采用紙窗。正房的高照度時段在冬季，紙窗的遮陽作用不利于冬季得熱，并增加了冬季中午的眩光幾率；相比紙窗，玻璃窗既在11～2月保障了正房的冬季得熱，又在3～10 月更好地實現(xiàn)了天光自治（更接近300～500lx 區(qū)間）。廂房的高照度時段在春、夏、秋三季，能更好發(fā)揮紙窗的遮陽和光線擴散作用，明顯提升室內(nèi)均勻度，降低不利時段的作業(yè)面照度，并明顯降低天然光眩光幾率。

（4）研究不足與展望

a）模擬研究尚無法計入高大喬木的影響。高大喬木在夏季對于陽光的遮擋貢獻(xiàn)是不可忽視的，但目前在天然光模擬領(lǐng)域尚未提出有效的對于植物的簡化模擬方法，因此研究模型中未設(shè)置植物。對于保留高大喬木的院落，冬季模擬結(jié)果更接近實際情況，夏季模擬結(jié)果高于實際情況。

b）模擬采用的動態(tài)氣象參數(shù)是北京的典型氣象年數(shù)據(jù)，研究結(jié)果不能直接應(yīng)用于其他光氣候特征不同的地理位置。

c）模擬僅針對關(guān)窗的基本工況，而支摘窗的上部外層可以支起，下部外層可摘下或更換。窗紙的耐久性和保溫性能雖存在不足，但其漫透射性能已經(jīng)可由耐久的現(xiàn)代透光材料替代，窗的材料選型、材料組合、啟閉控制，為優(yōu)化四合院的室內(nèi)光、熱環(huán)境，提供了大量可能性，有待更深入研究。

d）窗紙隔絕了視野，窗口可視作亮度、色溫可變得具有節(jié)律特征的室內(nèi)漫射光源，其與玻璃窗的性能比較，除模擬數(shù)據(jù)外，應(yīng)進(jìn)行長期的生理數(shù)據(jù)跟蹤和心理評價實驗，以確定窗紙對視覺舒適度和非視覺健康的影響?！?/p>