李巖松 ，王治國 ，王成望 ，楊印波 ，曹勝昔 ，李宏偉

（1.北方工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北省建筑信息模型與智慧建造技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050000）

0 引言

在當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)中，室內(nèi)采光是影響建筑環(huán)境舒適性和能源利用效率的重要因素之一。有效利用自然光源不僅提高了建筑內(nèi)部的可居住性，還在一定程度上減輕了對(duì)人工照明系統(tǒng)的依賴，有助于實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)利用。在這一背景下，幕墻懸掛式豎向百葉作為一種常見的遮陽裝置，在建筑外觀設(shè)計(jì)中扮演著重要角色。

在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，幕墻懸掛式豎向百葉作為一種常見的遮陽裝置，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外的研究者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，主要集中在百葉的設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面。

在百葉的設(shè)計(jì)方面，研究者主要關(guān)注百葉的形狀、尺寸、布局等因素對(duì)其遮陽性能的影響。例如，王新龍[1]（2019）研究了懸掛式豎向扭轉(zhuǎn)梭形金屬百葉幕墻施工技術(shù)，提出了一種新的百葉設(shè)計(jì)方案，能夠有效地提高百葉的遮陽性能和美觀性。此外，還有一些研究者關(guān)注百葉的材料選擇和制造工藝，試圖通過改進(jìn)材料和工藝來提高百葉的性能。

在性能評(píng)價(jià)方面，研究者主要關(guān)注百葉的遮陽性能、熱性能、光學(xué)性能等。例如，駱肇陽等[2]（2024）智能遮陽百葉眩光預(yù)測模型控制變量有效性分析，為百葉在室內(nèi)采光方向的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

在參數(shù)化技術(shù)方面，研究者主要關(guān)注幕墻百葉系統(tǒng)的形體優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，王瑞琪等[3]（2023）基于BIM 參數(shù)化的幕墻曲線百葉系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過參數(shù)化來優(yōu)化曲面幕墻及百葉系統(tǒng)，以達(dá)到面板形態(tài)最優(yōu)解。

然而，盡管已經(jīng)有大量的研究關(guān)注了百葉的設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)，但是關(guān)于懸掛式豎向百葉對(duì)室內(nèi)采光影響的研究還相對(duì)較少。大多數(shù)研究只關(guān)注了普通百葉的單一性能，而忽視了懸掛式豎向百葉的采光影響。

在這一背景下，該研究旨在通過參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，深入探討懸掛式豎向百葉在不同角度下對(duì)室內(nèi)采光的影響，以期提供一種全面評(píng)價(jià)和優(yōu)化懸掛式豎向百葉采光性能的方法。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文選擇一座具有代表性的醫(yī)療建筑作為研究對(duì)象。希望通過這一研究，為建筑設(shè)計(jì)師提供一種有效的工具，幫助他們在設(shè)計(jì)過程中更全面地考慮懸掛式幕墻百葉的設(shè)計(jì)，以最大程度地提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

1 工程概況

本研究選取的項(xiàng)目位于河北省石家莊市的一座醫(yī)療建筑。這座建筑總建筑面積為28 867m2，地上共有10 層，每層的層高均為4.5m。這座建筑的設(shè)計(jì)和布局充分考慮了其作為醫(yī)療機(jī)構(gòu)的特殊性，室內(nèi)功能主要為醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，為醫(yī)務(wù)人員提供了一個(gè)寬敞、明亮、舒適的工作環(huán)境。

建筑的外窗采用了鋁合金幕墻框中空玻璃（6 中透光+12空氣+6 透明+12 空氣+6 透明雙銀Low-E），這種窗戶設(shè)計(jì)既保證了室內(nèi)的采光需求，又能有效地阻隔外部的熱量，提高了建筑的能源效率。此外，建筑的頂部還設(shè)置有外檐遮陽，挑出距離為0.85m，這種設(shè)計(jì)既能有效地阻擋夏季的強(qiáng)烈陽光，又能在冬季允許更多的陽光進(jìn)入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了遮陽和采光的平衡[4]。

室內(nèi)天花板距地高度為2.7m，這種高度設(shè)置既保證了室內(nèi)的空間感，又能滿足醫(yī)務(wù)人員的工作需求。此外，從4 層起，每兩層之間設(shè)置了高度為7m 的香檳色金屬百葉，百葉的截面如圖1 所示，距地650mm。這種百葉設(shè)計(jì)既增加了建筑的美觀性，又能有效地調(diào)節(jié)室內(nèi)的光照，提高了室內(nèi)環(huán)境的舒適性。

圖1 百葉截面示意圖

在建筑設(shè)計(jì)中，充分考慮了建筑的功能需求和環(huán)境因素，力求實(shí)現(xiàn)建筑美觀、功能性和環(huán)保性的統(tǒng)一。在建筑的外觀設(shè)計(jì)中，采用了簡潔、明快的線條，使建筑具有現(xiàn)代感和科技感。在建筑的內(nèi)部布局中，充分考慮了醫(yī)務(wù)人員的工作需求和患者的就醫(yī)需求，力求實(shí)現(xiàn)空間的合理利用和流線的合理布局[5]。

在建筑的環(huán)保設(shè)計(jì)中，采用了高效的節(jié)能材料和設(shè)備，如鋁合金幕墻框中空玻璃、外檐遮陽等，力求實(shí)現(xiàn)建筑的能源效率最大化。此外，還在建筑中設(shè)置了香檳色金屬百葉，通過調(diào)節(jié)百葉的角度，可以有效地調(diào)節(jié)室內(nèi)的光照，提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性。

2 研究方法

在本研究中，采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)和模擬實(shí)驗(yàn)的方法，來分析幕墻懸掛式豎向百葉在不同角度下對(duì)室內(nèi)采光的影響。具體的研究方法如下：

以建筑東南側(cè)部分房間為分析區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的選擇是基于其具有代表性的地理位置和建筑環(huán)境。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，通過模擬現(xiàn)有環(huán)境的影響，對(duì)給定進(jìn)深空間的采光結(jié)果進(jìn)行了分析。

在采光結(jié)果的分析中主要關(guān)注的是在有效占用時(shí)間內(nèi)測試點(diǎn)接收到日光照度范圍的時(shí)間百分比。這個(gè)指標(biāo)可以直觀地反映出室內(nèi)采光的情況，為后續(xù)的研究提供了一個(gè)重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在時(shí)間的選擇上，選擇了全年8:30 ～17:30 的辦公時(shí)段，這個(gè)時(shí)段是醫(yī)療建筑的主要使用時(shí)段，對(duì)于室內(nèi)采光的需求較高。

在模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，參照了石家莊市的氣象數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括了全年的日照時(shí)間、日照強(qiáng)度、日照角度等信息，為模擬實(shí)驗(yàn)提供了準(zhǔn)確的輸入數(shù)據(jù)。在現(xiàn)有固定的遮光物體（天花板及頂部外檐）的影響下，通過改變梭形百葉旋轉(zhuǎn)角度，分析了在工作時(shí)段內(nèi)室內(nèi)采光的影響情況，從中選擇了最佳的百葉旋轉(zhuǎn)角度。

在數(shù)據(jù)的收集和處理中，采用了網(wǎng)格劃分的方法，將室內(nèi)空間劃分為多個(gè)小的格點(diǎn)，然后在每一個(gè)格點(diǎn)位置處的日照強(qiáng)度進(jìn)行了劃分統(tǒng)計(jì)。通過這種方法，可以得到不同日照強(qiáng)度范圍下的受光時(shí)間占所設(shè)定時(shí)間（即工作時(shí)間）的百分比，以此來判定室內(nèi)采光是否適宜。

在參數(shù)化設(shè)計(jì)的過程中，首先建立了分析模型，然后在模型中確定了分析范圍，將模型四周的百葉加以尺寸、位置、間距及高度等控制項(xiàng)進(jìn)行了整理。然后，對(duì)這些控制項(xiàng)進(jìn)行了參數(shù)化處理，以便于在分析過程中可以快速地修改和調(diào)整這些參數(shù)，從而得到不同的結(jié)果[6]。

在參數(shù)化分析的過程中，通過調(diào)整百葉角度，研究了其對(duì)室內(nèi)采光的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，百葉的角度對(duì)室內(nèi)采光的影響非常顯著，通過合理地調(diào)整百葉的角度，可以顯著提高室內(nèi)的采光效果。

3 實(shí)驗(yàn)工具

在本研究中，選擇了Rhino 和Honeybee 作為主要的實(shí)驗(yàn)工具。Rhino 是一款專業(yè)的三維建模軟件，它具有強(qiáng)大的建模功能和靈活的操作方式，可以幫助研究人員快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建建筑模型和百葉模型。Honeybee 則是一款專門用于建筑環(huán)境分析的插件，它可以幫助研究人員進(jìn)行日照模擬和數(shù)據(jù)分析。

在Rhino 中，首先根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙創(chuàng)建了醫(yī)療建筑的三維模型。在這個(gè)過程中，充分考慮了建筑的尺寸、比例和布局，確保了模型的準(zhǔn)確性。然后，在模型中添加了幕墻懸掛式豎向百葉。在這個(gè)過程中根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置了百葉的數(shù)量、位置、截面形狀和尺寸，以及百葉的旋轉(zhuǎn)角度，以確保模型可以準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。

在Honeybee 中，進(jìn)行了日照模擬和數(shù)據(jù)分析。在日照模擬中，首先設(shè)置了模擬參數(shù)，包括模擬的時(shí)間、地點(diǎn)、天氣等。導(dǎo)入到Rhino 模型中并定義了擬任務(wù)，開始模擬過程。在模擬過程中，Honeybee 會(huì)根據(jù)設(shè)置，模擬不同百葉角度下的室內(nèi)采光情況，生成模擬結(jié)果。

在數(shù)據(jù)分析中，使用了Honeybee 提供的工具和其他數(shù)據(jù)可視化工具，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比較。主要關(guān)注的是在不同百葉角度下，室內(nèi)采光的變化情況。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，可以得到百葉角度對(duì)室內(nèi)采光的影響規(guī)律，為后續(xù)研究提供了重要的數(shù)據(jù)支持[7]。

4 創(chuàng)建模型

在創(chuàng)建模型的過程中，可以使用Rhino 等專業(yè)的建筑設(shè)計(jì)軟件，來創(chuàng)建一個(gè)三維模型。首先，需要將建筑設(shè)計(jì)圖紙導(dǎo)入到軟件中，然后根據(jù)圖紙中的尺寸和比例，創(chuàng)建一個(gè)精確的建筑模型。在創(chuàng)建模型的過程中，需要考慮建筑的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括墻體、窗戶、門、樓梯、走廊等。在確定好分析范圍之后，需要將模型四周的百葉加以尺寸、位置、間距及高度等控制項(xiàng)進(jìn)行整理。這些控制項(xiàng)的設(shè)置需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，還需要進(jìn)行參數(shù)化處理，以便于在分析過程中可以快速地修改和調(diào)整這些參數(shù)，從而得到不同的結(jié)果。

在模型中添加幕墻懸掛式豎向百葉時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。首先，需要確定百葉的數(shù)量和位置，以及百葉的截面形狀和尺寸。然后，需要設(shè)置百葉的旋轉(zhuǎn)角度，以方便后續(xù)模擬不同的遮陽情況，模型如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

5 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化分析的前提是建立好分析模型，在模型中確定好分析范圍之后，將模型四周的百葉加以尺寸、位置、間距及高度等控制項(xiàng)進(jìn)行整理，然后對(duì)這些控制項(xiàng)進(jìn)行參數(shù)化處理，以便于在分析過程中可以快速地修改和調(diào)整這些參數(shù)，從而得到不同的結(jié)果。建筑分析模型參數(shù)化控制節(jié)點(diǎn)如圖3 所示，通過參數(shù)化分析，可以更加深入地了解模型的特性，并且能夠更好地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖3 建筑分析模型參數(shù)化控制節(jié)點(diǎn)

在建立完分析模型之后，根據(jù)設(shè)計(jì)需求建立百葉模型，此時(shí)需要將分析模型底面的四個(gè)定點(diǎn)作為百葉的起始點(diǎn)，以四條邊作為百葉的控制路徑，在這四個(gè)路徑上控制百葉的起點(diǎn)位置、終點(diǎn)位置、間距、角度以及數(shù)量，需要注意在確定百葉的起始點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該保證其與分析模型底面定點(diǎn)之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，在控制百葉角度時(shí)，需要統(tǒng)一規(guī)定0°方向，該實(shí)驗(yàn)中按照逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎嵌冗M(jìn)行分析，在確定其他參數(shù)值時(shí)，例如外部的遮陽板、遮擋物等，則需要考慮實(shí)際情況下所涉及的因素，并靈活選擇合適的數(shù)值范圍，具體百葉角度參數(shù)化控制分析節(jié)點(diǎn)如圖4 所示。

圖4 百葉角度參數(shù)化控制分析節(jié)點(diǎn)

在模型完成之后利用插件honeybee 進(jìn)行日光環(huán)境分析，首先通過Honeybee Weather Manager 組件導(dǎo)入對(duì)應(yīng)地區(qū)和時(shí)間段內(nèi)的天氣數(shù)據(jù)，之后利用Honeybee Daylight Analysis Recipe 組件進(jìn)行仿真計(jì)算，在其中選擇需要輸出的結(jié)果指標(biāo)（如室內(nèi)照度平均值），并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)（如網(wǎng)格密度）后開始運(yùn)行仿真計(jì)算過程。最后利用Honeybee Daylight Analysis Recipe 組件進(jìn)行仿真計(jì)算，得到不同時(shí)間段下室內(nèi)采光量、直射光強(qiáng)度以及全天平均值等指標(biāo)結(jié)果。如圖5 所示，在進(jìn)行仿真過程中可根據(jù)需求調(diào)整百葉遮陽裝置的參數(shù)值來獲得最優(yōu)化結(jié)果。

圖5 日光環(huán)境參數(shù)化控制分析節(jié)點(diǎn)

在完善三部分節(jié)點(diǎn)之后，為了使設(shè)計(jì)師在使用過程中更便捷，以10°為間距進(jìn)行逐角度計(jì)算，并將結(jié)果導(dǎo)出到表格中進(jìn)行對(duì)比分析。通過這種方式，可以快速地得到不同角度下的室內(nèi)采光量等指標(biāo)數(shù)據(jù)，并且根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。例如，在南北向建筑物中，適當(dāng)調(diào)整百葉角度可以最大程度地利用自然采光資源，同時(shí)減少室內(nèi)過多的直射日光所帶來的不適感和能耗增加；而在東西向建筑物中，則需要更加關(guān)注晨晚時(shí)段太陽高度較低、入射角較小等因素對(duì)于采光效果的影響。

6 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)分析階段，主要關(guān)注了不同百葉角度下室內(nèi)采光的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以DLA，UDLI_100_2000 和UDLI_More_2000 三種色塊圖進(jìn)行表示，如圖6 所示以直觀地顯示出室內(nèi)各點(diǎn)位的采光情況。

圖6 日光環(huán)境參數(shù)化控制分析節(jié)點(diǎn)

同時(shí)將室內(nèi)滿足設(shè)定要求空間的占比以表格的形式進(jìn)行記錄，如表1 所示，以此來推斷出特定間距、位置、角度的百葉影響下室內(nèi)的采光情況。

表1 路基測點(diǎn)不同傳感器線纜用量對(duì)比

DLA（Daylight Autonomy）是一個(gè)重要的采光指標(biāo)，它表示在有效占用時(shí)間內(nèi)，測試點(diǎn)接收到的日光超過照度閾值的時(shí)間百分比。在本次測試中，依據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033-2013），將室內(nèi)照度閾值設(shè)定為300 勒克斯。通過DLA 的分析，可以得到室內(nèi)各點(diǎn)位在不同百葉角度下的采光情況，從而評(píng)價(jià)百葉角度對(duì)室內(nèi)采光的影響。

UDLI_100_2000 和UDLI_More_2000 則是兩個(gè)關(guān)于室內(nèi)照度的指標(biāo)。UDLI_100_2000 表示測試點(diǎn)在100 ～2 000 勒克斯之間接收的有效占用小時(shí)內(nèi)的時(shí)間百分比，這個(gè)范圍是室內(nèi)適宜情況下的光照強(qiáng)度。UDLI_More_2000 表示測試點(diǎn)接收超過2 000 勒克斯的有效占用小時(shí)內(nèi)的時(shí)間百分比，超過2 000 勒克斯會(huì)造成相應(yīng)的眩光影響，影響室內(nèi)采光舒適度[8]。通過這兩個(gè)指標(biāo)的分析，可以得到室內(nèi)各點(diǎn)位在不同百葉角度下的照度情況，從而評(píng)價(jià)百葉角度對(duì)室內(nèi)照度的影響。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)在2m 間距下，圖7 所示西側(cè)百葉在130°～180°及0°～30°角度下，室內(nèi)日照強(qiáng)度較為均衡，但在170°下眩光情況影響相較嚴(yán)重，在0°～30°范圍內(nèi)30°時(shí)眩光影響表現(xiàn)最佳。

圖7 西側(cè)百葉最佳角度范圍

圖8 所示東側(cè)百葉在140°～170°范圍內(nèi)室內(nèi)日照強(qiáng)度較為均衡。圖9 所示南側(cè)百葉在60°～100°范圍內(nèi)室內(nèi)日照強(qiáng)度較為均衡，該側(cè)百葉受眩光情況較弱，在合理范圍內(nèi)80°下眩光影響表現(xiàn)最佳。

圖8 東側(cè)百葉最佳角度范圍

這些結(jié)果表明，百葉的角度對(duì)室內(nèi)采光的影響非常顯著，通過合理地調(diào)整百葉的角度，可以顯著提高室內(nèi)的采光效果。因此，在設(shè)計(jì)幕墻懸掛式豎向百葉時(shí)，應(yīng)充分考慮其對(duì)室內(nèi)采光的影響，根據(jù)建筑的朝向和使用場景，選擇合適的百葉角度。

7 結(jié)論

（1）經(jīng)過研究和分析，幕墻懸掛式豎向百葉的角度對(duì)室內(nèi)采光的影響非常顯著。在一定范圍內(nèi)調(diào)整百葉角度，可以顯著提高室內(nèi)的采光效果。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中可以根據(jù)該實(shí)驗(yàn)方式，合理地調(diào)整百葉的角度，以提高室內(nèi)的采光效果，提高建筑的環(huán)境舒適性和能源效率。（2）參數(shù)化設(shè)計(jì)方法在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。通過這一方法，能夠迅速、精確地分析不同設(shè)計(jì)方案的性能，為設(shè)計(jì)決策提供科學(xué)基礎(chǔ)，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。未來的研究將進(jìn)一步深入，探索更多影響因素，以期提供更全面、深入的研究結(jié)果。