地下空间自然采光研究

1地下停车空间自然采光研究杨铁夫摘要：绿色建筑评价标准中对地下空间的自然采光提出明确要求，而被动式自然采光是绿色建筑技术策略的首选。本研究采用软件模拟方法，选取常见的地下被动式采光方式：顶部采光和侧墙采光，通过关键要素的变化模拟，总结地下空间采光系数、采光面积和采光构筑物形状、位置、材质等的关联，总结规律，用于指导具体项目建筑设计。关键词：采光系数采光井侧墙采光一、引言随着城市化进程的推进，城市人口快速聚集，对于居住空间的需求也在持续的增长中，而随着生活品质的提高，越多越多的人选择小汽车出行，停车日益成为严峻的问题。在建设项目规划建设中，越来越普遍的采用建筑附建地下室、半地下室或者独立地下室作为停车库使用。利用地下空间解决停车问题，有效的解决了用地紧张、地价昂贵、空间拥挤和绿地缺乏等问题，但是地下车库或者半地下车库位于地面以下，存在着采光、通风难以解决的问题，会导致人生理和心理的不适。因此应尽可能的采用综合对策和措施改善地下空间的内部空间环境。《绿色建筑评价标准》中提到“采用合理措施改善地下空间的自然采光和自然通风效果”，并且明确了评价量化指标，“地下空间采用有利于自然通风和自然采光的措施。并且5%的地下一层空间采光系数达到0.5%以上。”本文拟采用软件模拟的方法，以绿色建筑评价标准为依据，分析被动式采光构筑物各要素对于住区地下空间自然采光的影响。二、地下空间自然采光的必要性在地下空间中，天然采光的设计对改善地下空间具有多方面的作用，不仅局限于满足照明和节能要求，更重要的是为了满足人们生理和心理需求。1、照明和节能要求2采光是地下空间中要解决的首要问题，由于缺少垂直方向的开口，并且在多层地下空间中通过顶部和侧向直接采光受到限制，人工采光被普遍认为是合理的解决方式，然而，将天然光引入地下空间，不仅可以提供满足功能要求的照度，在节约能源上面也有很大优势。2、方位感空间方位感是指人们通过对周围环境中相对物体的空间关系、位置判断而形成的对自身所处空间位置的知觉。人们通过这种自我定位过程，可以在个人外部世界概括的环境意向中产生全局的联系。空间的方位感和空间的封闭性是紧密联系的。因此在设计中应最大限度的减少封闭部分，增加开敞部分，实现地下空间和地上空间的融合与流通，使两者在空间上形成一个有机整体，消除人们在地下环境中的隔绝感，从而增加对其所在位置的判断力。3、心理要求在地下空间中，自然光线能满足人们对阳光、阴晴变化、季节轮回、等自然信息感知的心理需求，由于在封闭的空间中，没有阳光和外部景观，人们难以利用自然光线的变化和环境变迁形成时间观念，容易使人产生幽闭、不安等负面情绪。三、地下空间自然采光的方式地下空间获得自然采光的有效措施包括被动式自然采光和主动式自然采光。被动式自然采光，即不依赖设备，只通过建筑自身特性（如建筑形式、采光口布置、材料反射率等）将自然光引入室内。比如顶部天窗采光、庭院侧窗采光、地下中庭采光等。主动式采光是利用光控、电控设备，通过孔道、导管、光纤等将自然光传递到地下空间，包括镜面反射采光、导光管采光和棱镜传光采光等。被动式自然采光在不增加成本的前提下，通过精心设计，优化构造措施达到地下空间获得自然光线的目的。本文以被动式采光为主要研究内容。四、研究目的、方法1、目的：以绿色建筑评价条款为依据，分析顶部采光和侧向采光各要素变化对采光系数和采光面积的影响，总结规律，指导建设项目中地下室采光设计。32、方法：以软件模拟为手段，以单变量分析方法，通过数值比较分析方法，综合考虑成本、景观、采光效率等以确定最佳的采光方式。五、自然采光模拟原理1、天空模型自然光的作用机理和变化规律非常复杂，其中涉及了太阳辐射、大气成分、地理位置、和天气、时间等诸多因素。为了简化问题，建筑光环境模拟通常采用天空模型来描述天空中自然采光的分布和变化情况。天空模型是根据日期、时间、地理位置、大气质量和太阳辐射数据计算天球亮度分布的一种数学模型。天空模型分为CIE均匀天空模型、CIE全阴天模型、CIE晴天模型、Perez全气象条件天空模型。全阴天模型可以用于评估建筑在全年最不利条件下的采光情况，我国采光设计标准中就使用基于全阴天模型的采光系数作为基本的采光评价标准。2、模拟软件：建筑光环境模拟从广义上来说包括公式计算、模型测量和软件模拟三种方式。本研究中采用的是软件模拟方式，即用市场上主流的光环境模拟软件Ecotect和Radiance模拟、分析地下空间自然光采光。EcotectAnalysis是美国Autodesk公司开发的综合建筑性能模拟软件，其提供了包括光、热、声、日照、造价以及可视度在内的一系列建筑性能模拟和分析功能。Radiance是由美国劳伦斯伯克利国家实验室、美国太平洋煤气和电力公司旗下的太平洋能源中心以及美国Marinsoft公司合作开发的一款建筑光环境模拟软件，因为其卓越的模拟性能，很多第三方软件都以其作为核心进行二次开发。Ecotect的光环境模拟分为两种，一种是基于英国建筑中心（BRE）的分项法计算全阴天情况下室内的采光系数，分项法假设达到房间的天然光由三个独立部分组成，天空组分、外部反射组分和内部反射组分。这种方法多用于分析建筑在全年最不利情况下的采光情况，其本质依然是公式法，精度较低。另外一种方法是输出到Radiance进行精确的光环境模拟。Radiance所使用的是基于辐照度缓冲技术的混合式光线跟踪算法，能以较小的计算成本取得精确的结算结果。本研究中采用后一种方式计算分析。43、采光系数《建筑采光设计标准》（2013）对采光系数的定义是“在室内参考平面上的一点，由直接或间接的接受来自于假定和已知天空亮度分布的天空漫反射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比”。采光系数与建筑的位置和方位无关，和周边的遮挡物有关系，采光系数不考虑直射太阳光的影响。4、软件参数设置网格设置：顶部采光以采光口为中心，四周1.5柱网网格为边线设置网格，单元网格尺寸为300mm，共有2500采样点。采用全阴天模型，反射次数设定为2。长沙地区属于光气候分区III类区，室外天然光设计照度值13500lx，光气候系数K值为1.1。本地区采光系数标准值应乘以相应地区的光气候系数K。根据绿建评价标准要求，5%一层地下室的采光系数要达到0.5%，要达到本地区的采光系数标准值，应乘以光气候系数，对应值为0.55%。六、建立模型地下室的建筑结构布置方式，当主要用于停车时，其柱网、层高、柱宽、梁高的尺寸差别不大，因此在本研究中这些参数不参与研究，以常见的地下室为蓝本，建立简化基本模型。1、顶部采光模型参数：地下室柱网7800*7800mm、高度3900mm、柱尺寸600*600mm，主梁高度1200mm，次梁高度800mm。地下室内地面采用深色油漆，反射率0.25、室内墙面采用大白粉刷，反射率0.75。工作面高度750mm。柱网单元内，在车行道上空中心位置布置采光井，采光井顶板以上伸出高度1200mm，采光井梁高600mm，顶部水平顶盖为12厚钢化玻璃，总透射比0.78，考虑水平玻璃在南方地区的窗污染系数0.6，综合的透射比为0.47。顶部采光模型如下图所示。5顶部采光模型平面顶部采光模型剖面2、侧墙采光模型参数：临地下室外墙设置窗洞，窗底高900mm，窗高1800mm，窗宽7000mm，梁高1200mm，顶板上部考虑600mm覆土。窗洞外侧设进深7800mm，宽度7800庭院，庭院底标高同地下室，顶标高自地下室顶板以上600mm。庭院地面墙面反射率取0.75，即以光亮铺地为主。侧窗采光模型如下：侧窗采光模型三维图侧窗采光模型剖面七、顶部自然采光模拟和分析1、顶部采光影响要素顶部采光一般有采光井、天窗、地下中庭等。天窗是直接在顶板上面开洞，设置窗户，是采光井井壁高度趋于0的特例，地下中庭是采光井井口面积放大。对采光井的分析，可以同样适用于天窗和地下中庭，因此本分析主要针对采光井。对采光井采光效率影响较大的因素有采光井位置、大小、形状、高度、侧壁反射率、有无顶盖等。6采光井的位置直接影响到自然光照射范围。地下停车空间中，最需要采光位置是车行道上方，既可以起到照明的作用，同时也有引导、指示的效果。因此宜将采光口布置在行车道的中心位置。在每个柱网单元内，采光位置受到梁、柱的影响，根据日常经验可知，采光井越靠近梁边，梁在垂直方向的遮挡影响越大，采光效率越低，因此采光井的位置宜布置在行车道柱网单元的中心位置。采光井的大小和形状，直接决定了采光面积的大小和形状，采光井越大，地下室采光面积越大，采光井的形状变化时，采光的等值曲线形状也会随着变化。侧壁的高度决定光线在井壁内的反射次数，而反射次数过多会导致光线强度的衰减，而反射率的高低，决定了光线通过反射以后的光线强度。有顶盖的采光井容易受到污染，直接影响光线的透过能力。2、大小及形状变化在其他条件不变前提下，改变采光井的大小及长宽比，模拟和分析结果如下：1500*2000mm采光系数平面图1500*3000采光系数平面图2000*2000mm采光系数平面图2000*3000mm采光系数平面图7不同形状大小采光剖面比较图采光系数分段变化比较不同大小形状采光分析表尺寸（mm）采光井面积（m2）达标面积比（%）达标面积（m2）贡献率最大值（%）平均值（%）达标距离1（mm）达标距离2（mm）1500*20003.015.7638.3512.783.850.42650072002000*20004.021.4852.2713.074.980.55780078001500*30004.523.8858.1112.915.30.59760095002000*30006.028.7669.9911.676.950.78850010000024681012142000*20001500*20001500*30008采光系数平面图中，颜色的深浅表示采光系数的高低，自圆心向外的弧线是采光系数等值线，间距差值为0.5，最外围的等值线采光系数为0.55%，其围合的面积为达标面积。随着采光井洞口面积的增加，达标面积也随着增加，最大值也增加。采光井达标的距离随着采光井面积的扩大而扩大，除去采光井本身距离扩大的影响外，达标距离也是逐步增加的，这是因为采光井洞口面积扩大，高宽比加大，光线入射角度减少，光线照射的距离更远。一般双车道宽度在7m左右，采光井的横向尺寸在1.5m时，达标采光距离为6.5m，可基本保证车行道横向宽度的自然光照明，当采光井横向尺寸为2m时，达标采光距离为7.8m，达标采光系数范围超过了车行道的横向宽度。采光井面积的贡献率（达标面积/采光井面积）在采用2*2m采光井时达到峰值。当只需要对车行道上空采光时，采用2*2m的采光井，采光效率是最高的。从采光效果剖面图中可以看出，增加采光井的尺寸，对于达标面积而言，增加的幅度不是太大，因此要增加采光面积，不能仅仅依靠扩大采光口的面积，而是要增加采光口的数量。从采光系数分段比较中可以看出，无论哪种尺寸的采光井，采光系数大部分集中在0.55%-3.55之间，但是采光均匀度都是偏大的（最大值/平均值），在采光井中心部分容易引起炫光。3、高度变化采光井模型按基本模型，其他参数不变，顶部以上部分按伸出顶板高度分别为600mm、900mm、1200mm、1500mm进行分析。模拟及分析结果如下。采光井高度600mm采光井高度900mm9采光井高度1200mm采光井高度1500mm采光井高度分析表采光井高度（mm）采光达标面积比例（%）达标面积（m2）最大值（%）平均值（%）采光达标距离L（mm）60025.2861.525.980.62840090023.5657.345.440.598200120021.4852.274.980.557800150016.4840.114.580.466900随着采光井井壁高度增加，达标面积、最大值、平均值和采光距离逐步变小，从分析表中可以看出，达标面积在600-1200mm时基本是均匀减少，从1200到15mm时，减少幅度要大