孫 澄 訾 迎 韓昀松 SUN Cheng, ZI Ying, HAN Yunsong

1 研究背景

我國(guó)辦公建筑照明能耗約占建筑總能耗的10%～30%[1]，充分利用自然采光、減少人工照明能耗對(duì)節(jié)能減排有重要意義。相比人工照明，自然采光更利于保證身心健康、提高工作效率[2-5]，辦公建筑自然采光設(shè)計(jì)對(duì)提升室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)意義重大[6-7]。近年來(lái)，在城市化進(jìn)程加快與知識(shí)型經(jīng)濟(jì)發(fā)展大背景下，人們的工作形式更靈活，辦公空間呈現(xiàn)出開(kāi)放性、共享性等特征[8]。其中，帶有夾層的辦公空間能充分利用空間，提升了辦公空間的靈活性，在辦公建筑設(shè)計(jì)與改造中的應(yīng)用日益廣泛[9]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)開(kāi)放辦公建筑的采光性能進(jìn)行了廣泛研究。蘭新如等以采光系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，模擬分析了高層開(kāi)放辦公建筑的窗墻比、進(jìn)深、房間材質(zhì)以及室外照度等參數(shù)對(duì)距窗5 m外區(qū)域自然采光的影響，并提出了遠(yuǎn)窗區(qū)域采光系數(shù)平均值預(yù)測(cè)方程[10]。查全芳以我國(guó)中緯度地區(qū)城市為例，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得出窗地比與窗臺(tái)高度對(duì)大進(jìn)深辦公建筑采光系數(shù)影響較大的結(jié)論[11]。弗朗西斯科·戈亞（Francesco Goia）基于歐洲中緯度地區(qū)的光氣候特征，提出辦公建筑窗墻比理想?yún)^(qū)間為0.3～0.45[12]。王立雄等通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)提出寒冷地區(qū)辦公建筑窗地比為1/3、開(kāi)間8 m、進(jìn)深5 m時(shí)采光性能較好[13]。王飛翔以DA450為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)模擬分析得出透射率、窗朝向、窗高度對(duì)寒地大進(jìn)深辦公建筑自然采光性能影響較大，且高于室內(nèi)表面反射比對(duì)采光性能的影響[14]。肖輝等從使用者自然采光主觀需求出發(fā)，通過(guò)調(diào)研分析得出使用者最滿意的窗墻比區(qū)間為0.4～0.6，窗高為1 m[15]，黃海靜等從遮陽(yáng)形式入手，探討了建筑立面表現(xiàn)、形態(tài)塑造與建筑遮陽(yáng)有機(jī)結(jié)合的問(wèn)題[16]。

既有研究從建筑形態(tài)與材料光學(xué)屬性等方面對(duì)開(kāi)放辦公建筑采光性能的影響因素展開(kāi)了廣泛探討，這類研究多針對(duì)建筑空間圍護(hù)結(jié)構(gòu)展開(kāi)，對(duì)于室內(nèi)采光界面變化的關(guān)注相對(duì)較少。夾層置入是空間重塑的常見(jiàn)方法，夾層形狀、布局位置以及面積大小等方面差異較大，對(duì)建筑室內(nèi)采光情況的影響也較為復(fù)雜，研究夾層空間形態(tài)對(duì)室內(nèi)自然采光性能的影響可輔助建筑師制定天然采光設(shè)計(jì)決策。本研究旨在針對(duì)開(kāi)放辦公建筑夾層空間的自然采光性能，應(yīng)用參數(shù)化模擬工具分析夾層空間形態(tài)參數(shù)對(duì)室內(nèi)自然采光性能的影響，為辦公建筑夾層空間設(shè)計(jì)與改造提供參考。

2 辦公空間自然采光性能參數(shù)化模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 自然采光性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1.1全天然采光百分比（DA）

全天然采光百分比是指室內(nèi)某一測(cè)點(diǎn)在全年中單獨(dú)依靠自然采光時(shí)滿足室內(nèi)最小照度值要求的時(shí)間百分比，如式1[17]：

該指標(biāo)最早于 1989 年提出，2001 年由萊因哈特（Reinhart）等人進(jìn)行了修正[18]。相比采光系數(shù)，全天然采光百分比體現(xiàn)了地域性光氣候?qū)ㄖ匀徊晒庑阅艿挠绊懀梢愿?、真?shí)地評(píng)價(jià)建筑的自然采光水平[19]。研究根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033—2013相關(guān)規(guī)定，將450 lx作為室內(nèi)采光設(shè)計(jì)最小照度[20]。

2.1.2有效天然采光照度百分比（UDI）

有效天然采光照度百分比是指滿足室內(nèi)工作面照度水平要求范圍的時(shí)間占全年需采光時(shí)間的百分比[21]：

該指標(biāo)由納比爾（Nabil）等人于2005年提出，以100 lx和2 000 lx為上下限值，將UDI劃分為3 個(gè)區(qū)間：有效（100～2000 lx）、過(guò)低（<100 lx）和過(guò)高（>2 000 lx）。過(guò)低值域意味著采光不足，過(guò)高則易產(chǎn)生眩光。相比采光系數(shù)，UDI指標(biāo)在統(tǒng)籌考慮建筑全年自然采光性能的同時(shí)還考慮了眩光等視覺(jué)不舒適情況對(duì)自然采光性能的影響。

若僅采用DA450作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，會(huì)忽略100～450 lx以及2 000 lx以上照度區(qū)間的采光評(píng)價(jià)，而100～450 lx區(qū)間的自然采光照度可緩解人工照明的壓力，2 000 lx以上區(qū)間則容易產(chǎn)生眩光風(fēng)險(xiǎn)；若僅采用UDI100-2000作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，則無(wú)法衡量建筑完全依賴自然采光的時(shí)間比例。因此，研究同時(shí)以DA450與UDI100-2000作為寒地辦公建筑夾層空間自然采光性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 自然采光參數(shù)化模擬模型建構(gòu)

如圖1所示，建立南向開(kāi)放辦公建筑模型為模擬模型，開(kāi)間10.0 m，進(jìn)深12.0 m，房間凈高6.0 m，室內(nèi)夾層層高3.0 m，夾層樓板厚度0.2 m。建筑采光形式為單側(cè)窗采光，根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033—2013、《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ67—2006的相關(guān)要求，窗地比設(shè)定為1/5[20,22]。

圖1 辦公空間模型Fig.1 the office room model

研究采用計(jì)算機(jī)模擬方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)自然采光性能模擬[23-24]，基于Grasshopper參數(shù)化平臺(tái)，構(gòu)建自然采光性能參數(shù)化模擬模型[25]，應(yīng)用DIVA協(xié)同Radiance、Daysim計(jì)算模型與Grasshopper參數(shù)化平臺(tái)，建立辦公空間幾何參數(shù)模塊、夾層空間形態(tài)設(shè)計(jì)模塊、材質(zhì)參數(shù)設(shè)置模塊、采光模擬與可視化模塊以及數(shù)據(jù)輸出模塊（圖2），輸入哈爾濱氣象文件作為模擬光氣候數(shù)據(jù)，模擬參數(shù)如表1所示。

圖2 自然采光性能參數(shù)化模擬模型Fig.1 parametric daylight performance simulation model

表1 Radiance模擬參數(shù)Tab. 1 radiance ambient parameters

根據(jù)《采光測(cè)量方法》GB/T 5699—2017相關(guān)規(guī)定[26]，設(shè)置距地面垂直高度0.75 m的水平面為照度計(jì)算平面，根據(jù)室內(nèi)空間面積大小，將計(jì)算平面劃分為1.0 m×1.0 m的分析網(wǎng)格，測(cè)點(diǎn)位于各網(wǎng)格中心，測(cè)點(diǎn)間距為1.0 m。依據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033-2013的相關(guān)規(guī)定，設(shè)置典型模型內(nèi)表面與玻璃等材質(zhì)的光學(xué)參數(shù)如表 2 所示。

表2 材料光學(xué)參數(shù)Tab. 2 material properties

2.3 自然采光性能參數(shù)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究總結(jié)與提取夾層空間在辦公空間內(nèi)的設(shè)計(jì)手法，采用控制變量法，以?shī)A層布局位置、夾層面積占底層面積的比例（夾層面積占比）以及夾層退離窗口距離與房間進(jìn)深之比（夾層退窗比例）為實(shí)驗(yàn)變量，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)解析各因素對(duì)寒地辦公建筑夾層空間自然采光性能的影響（圖3），共設(shè)置 42組模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖3 自然采光模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.3 parametric daylight performance simulation design

夾層布局位置：夾層空間在室內(nèi)的布置通常以矩形平面為原型，通過(guò)多種排布、組合、變形等形成豐富的夾層空間，本研究根據(jù)夾層空間與建筑底層的相對(duì)位置，分為南側(cè)布局位置、北側(cè)布局位置、東側(cè)布局位置、西側(cè)布局位置 4 種典型布局。

夾層面積占比：夾層作為室內(nèi)采光界面的組成部分，通過(guò)對(duì)不同夾層面積占比的模擬，可以研究夾層大小對(duì)室內(nèi)自然采光性能的影響。為保證夾層的可用性，研究設(shè)置夾層面積占比范圍為30%～80%，變化步長(zhǎng)為10% 。

夾層退窗比例：對(duì)于南北側(cè)夾層布局形式，研究控制夾層面積不變，以10%為步長(zhǎng)，改變夾層退窗距離與房間進(jìn)深之比，進(jìn)而探究其對(duì)辦公空間室內(nèi)自然采光性能的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 夾層布局位置對(duì)室內(nèi)采光性能的影響

圖4與圖5顯示了夾層布局位置對(duì)夾層開(kāi)放辦公空間內(nèi)底層空間、夾層空間以及室內(nèi)總體的DA450與UDI100-2000的影響。如圖4所示，對(duì)于底層空間，北側(cè)夾層布置方式下的DA450最高，東西側(cè)次之且數(shù)值接近，南側(cè)夾層布置方式下的DA450較低，北側(cè)布局較南側(cè)布局高約20%；夾層空間模擬數(shù)值與底層空間差異較大，南側(cè)夾層布置方式下DA450最高，東西側(cè)次之且數(shù)值接近，北側(cè)夾層布置方式較低，夾層面積較小時(shí)南北側(cè)布局差異可達(dá)70%以上；從室內(nèi)整體來(lái)看，四種布局方式下DA450數(shù)值相近，東西側(cè)布置方式相似且最高，北側(cè)布置次之，南側(cè)布置方式相對(duì)較低，四種布局間差異控制在5%以內(nèi)。如圖5所示，對(duì)于底層空間，南側(cè)布局方式下UDI100-2000最高，東西側(cè)次之且數(shù)值接近，北側(cè)夾層布置方式較低；夾層空間與室內(nèi)總體在UDI100-2000上體現(xiàn)出與夾層底部空間相同的趨勢(shì)。

圖4 夾層位置對(duì)于DA450的影響Fig.4 the influence of the site of the mezzanine on DA450

圖5 夾層位置對(duì)于UDI100-2000的影響Fig.5 the influence of the site of the mezzanine on UDI100-2000

夾層布局位置的不同會(huì)對(duì)底層與夾層部分的自然采光性能產(chǎn)生較大影響，其中南北側(cè)布局差異最大。在夾層占比不同的情況下，北側(cè)夾層布置方式在室內(nèi)DA450水平上存在優(yōu)勢(shì)，這與夾層遠(yuǎn)離窗口因而室內(nèi)有足夠的進(jìn)光量有較大關(guān)系；南側(cè)夾層由于靠近窗口，阻擋了室內(nèi)進(jìn)光造成夾層下部底層空間進(jìn)光量降低的現(xiàn)象。然而進(jìn)光量的減少使得室內(nèi)超過(guò)UDI100-2000上限照度的時(shí)間減少，從而增加了室內(nèi)處于有效照度的累計(jì)時(shí)間。

3.2 夾層面積占比對(duì)室內(nèi)自然采光性能影響

圖6與圖7顯示了不同夾層面積占比對(duì)夾層開(kāi)放辦公空間內(nèi)底層空間、夾層空間以及室內(nèi)總體的DA450與UDI100-2000的影響。如圖6所示，底層空間DA450值隨夾層面積占比的增加逐漸降低；對(duì)于夾層空間，南側(cè)夾層布置方式下DA450值隨夾層面積占比的增加下降，東西側(cè)夾層布置方式下DA450值保持得相對(duì)穩(wěn)定，北側(cè)夾層布置方式下的DA450值呈上升趨勢(shì)；從室內(nèi)整體來(lái)看，DA450值隨夾層面積占比的增加下降，夾層面積占比提升50%時(shí)，室內(nèi)整體DA450下降約15%。如圖7所示，底層空間與室內(nèi)整體UDI100-2000隨夾層面積占比的增加逐漸降低；對(duì)于夾層空間，東西側(cè)夾層布置方式下UDI100-2000隨夾層面積占比的增加輕微降低，南側(cè)夾層布置方式下UDI100-2000呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)夾層面積占比為50%時(shí)，UDI100-2000達(dá)到最高點(diǎn)，北側(cè)夾層布置方式下夾層空間UDI100-2000隨夾層面積占比的增加逐漸提高并趨于穩(wěn)定。

圖6 夾層面積占比對(duì)于DA450的影響Fig.6 the influence of the area ratio of the mezzanine to entire room on DA450

圖7 夾層面積占比對(duì)于UDI100-2000的影響Fig.7 the influence of the area ratio of the mezzanine to entire room on UDI100-2000

隨著夾層面積的增加，夾層底層空間進(jìn)光量降低，整體照度下降，室內(nèi)DA450值降低。夾層面積占比對(duì)夾層空間的影響相對(duì)多變，對(duì)于南北側(cè)夾層空間，隨著夾層面積的增大，夾層空間處于有效照度區(qū)間的面積增大，照度因此呈上升趨勢(shì)，而南側(cè)夾層深處的照度隨進(jìn)深的增加逐漸降低，再次出現(xiàn)下降趨勢(shì)，北向夾層面積的增大使得近窗區(qū)的面積增大，整體照度水平提高，有效采光照度時(shí)間繼續(xù)提升。東西側(cè)夾層面積的改變并未引起夾層在房間進(jìn)深方向的采光變化，說(shuō)明東西側(cè)夾層空間的自然采光性能對(duì)面積的改變不敏感。

3.3 夾層退窗比例對(duì)室內(nèi)采光性能影響

圖8和圖9顯示了南側(cè)夾層布置方式下夾層退離窗的距離與房間進(jìn)深比值對(duì)夾層開(kāi)放辦公空間內(nèi)底層空間、夾層空間以及室內(nèi)總體的DA450與UDI100-2000的影響。如圖8所示，底層空間的DA450值隨夾層退窗比例的增加逐漸提高，當(dāng)退窗比例由0%提高到50%時(shí)，夾層底層DA450值可提升約20%；夾層空間DA450值隨夾層退窗占比的增加而顯著降低，當(dāng)退窗比例由0%提高到50%時(shí)，夾層空間DA450值下降50%以上；室內(nèi)整體DA450值隨著夾層退窗比例的逐漸增加而呈現(xiàn)出下降—上升—下降的微小變化趨勢(shì)，但是變化幅度小于4%，夾層面積占比較大時(shí)變化相對(duì)明顯。如圖9所示，底層空間UDI100-2000隨夾層退窗距離的增加逐漸下降并趨于平緩，夾層空間UDI100-2000隨夾層退窗比例的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)。在夾層面積占比為30%與40%的情況下，退窗比例為20%時(shí)UDI100-2000達(dá)到最高點(diǎn)，在夾層面積占比大于50%的情況下，退窗比例為10%時(shí)UDI100-2000達(dá)到最高點(diǎn)，而室內(nèi)整體UDI100-2000隨夾層退窗距離增加逐漸降低，降幅較小。

圖8 夾層退窗比例對(duì)于DA450的影響Fig.8 the influence of the ratio of back distance of the mezzanine to the depth on DA450

圖9 夾層退窗比例對(duì)于UDI100-2000的影響Fig.9 the influence of the ratio of back distance of the mezzanine to the depth on UDI100-2000

夾層退離距離的改變影響了室內(nèi)采光分布狀況，隨著夾層退離窗口距離的增大，夾層對(duì)于室內(nèi)進(jìn)光量的阻擋作用減弱，底層照度水平提高，DA450提高，增加了底層空間的照明節(jié)能潛力，與此同時(shí)，照度值超出有效照度區(qū)間的采光時(shí)間增大，造成夾層UDI100-2000減小；對(duì)于夾層部分，隨著退窗距離的增加，照度水平下降，照度值超出有效照度區(qū)間上限的采光時(shí)間減少，因此增加夾層退窗距離有利于提高夾層UDI100-2000，但隨著夾層后退距離的進(jìn)一步提高，照度持續(xù)下降，UDI100-2000也隨之下降。

4 總結(jié)

本文應(yīng)用參數(shù)化模擬工具對(duì)寒地開(kāi)放辦公建筑夾層空間的自然采光性能進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，分析了夾層布局位置、夾層面積占比、夾層退窗比例等建筑內(nèi)部夾層空間形態(tài)因素對(duì)開(kāi)放辦公空間自然采光性能的影響。研究實(shí)踐表明，東西南北四種布置方式下的DA450值較為相近，東西側(cè)布置方式具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)；南側(cè)夾層布置方式在UDI100-2000方面優(yōu)于北側(cè)以及東西側(cè)夾層布置方式，可以改善室內(nèi)自然采光有效照度時(shí)間，是辦公室?jiàn)A層設(shè)計(jì)與改造時(shí)的理想布局選擇。在不同的夾層布置方式下，夾層面積的增加對(duì)室內(nèi)的整體自然采光性能有減弱作用，當(dāng)南側(cè)布置夾層時(shí)，夾層空間UDI100-2000在夾層面積占比為50%時(shí)達(dá)到最高值。對(duì)于南側(cè)布置夾層的辦公空間，提高夾層距離窗的距離可以增加室內(nèi)的進(jìn)光量，有利于提升夾層底層空間的照明節(jié)能潛力，但會(huì)降低其自然采光有效照度時(shí)間；適當(dāng)提高夾層后退距離有利于提升夾層空間的自然采光有效照度時(shí)間，對(duì)于夾層面積占比小于50%的夾層空間，夾層退窗比例為20%時(shí)最佳，對(duì)于夾層面積占比高于50%的夾層空間，夾層退窗比例為10%時(shí)最佳。研究可為開(kāi)放辦公建筑夾層空間設(shè)計(jì)與既有建筑空間改造提供一定的參考與支持，在實(shí)際的辦公空間夾層設(shè)計(jì)與改造中，夾層空間的呈現(xiàn)形式更加多變與豐富，在今后的研究中可進(jìn)一步探討更多復(fù)雜形式的夾層辦公空間的自然采光性能，同時(shí)可以將眩光等其他采光評(píng)價(jià)方法進(jìn)一步應(yīng)用于相關(guān)研究，提高自然采光性能權(quán)衡與建筑設(shè)計(jì)決策制定的全面性與合理性。

圖表來(lái)源：

圖1-9：作者繪制

表1-2：作者繪制