姚亞緯，曹 陽 ，王立雄 ，張明宇，于 娟 ，韓國帥

(1.天津大學(xué)，建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072； 2.鄭州大學(xué)建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001)

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學(xué)校體育館天然采光現(xiàn)狀調(diào)查研究

姚亞緯1，曹 陽2，王立雄1，張明宇1，于 娟1，韓國帥1

(1.天津大學(xué)，建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072； 2.鄭州大學(xué)建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001)

針對天津地區(qū)學(xué)校體育館建筑，分別測量室外天然光照度、學(xué)校體育館場地尺寸、采光口布置及室內(nèi)照度、亮度數(shù)據(jù)，并將測試數(shù)據(jù)通過計算得到平均照度、采光系數(shù)平均值、采光均勻度、不舒適眩光指數(shù)等采光指標(biāo)。將上述指標(biāo)結(jié)合新修訂的《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033—2013中的標(biāo)準(zhǔn)要求，對其采光情況進(jìn)行評價分析，并結(jié)合典型案例研究探索優(yōu)化提高學(xué)校體育館天然采光質(zhì)量的可行途徑。

學(xué)校體育館；天然采光；設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；調(diào)查分析

引言

學(xué)校體育館是學(xué)?；A(chǔ)設(shè)施中不可或缺的重要部分，它不僅是日常教學(xué)和體育訓(xùn)練的主要場所，還兼具比賽、公眾健身場所的功能。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平不斷提高，大大增加了體育活動的強(qiáng)度，對體育館的環(huán)境質(zhì)量有了更高的要求。同時，伴隨著“綠色體育建筑”概念的不斷深化，節(jié)約能源成為體育建筑設(shè)計的重要方面。

由于學(xué)校體育館兼具“數(shù)量多”、“體量大”、“使用頻率高”等特點，人工照明的能耗問題日趨嚴(yán)重。合理利用天然光在降低人工照明能耗的同時，還能為使用者提供良好的室內(nèi)環(huán)境。從視功能實驗來看，人眼在天然光下比人工光下具有更高的視覺效應(yīng)，并感到舒適和有益于身心健康。對于體育館建筑而言，采用天然光照明更有助于提高體育訓(xùn)練和比賽水平。合理利用天然采光進(jìn)行照明，一方面可以避免采光質(zhì)量缺陷，獲得良好的使用環(huán)境，另一方面也解決了體育建筑照明能耗大的問題。

體育建筑采光設(shè)計與評價主要參考《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033—2013。該標(biāo)準(zhǔn)中新增了對體育館建筑采光的指標(biāo)要求。本文結(jié)合新標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)研天津地區(qū)學(xué)校體育館采光質(zhì)量數(shù)據(jù)，對場館采光質(zhì)量進(jìn)行評價分析，為優(yōu)化改善學(xué)校體育館天然采光質(zhì)量提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 測試方案

1.1 調(diào)研目的與對象

目的：調(diào)查天津地區(qū)學(xué)校體育館的天然采光質(zhì)量現(xiàn)狀。

對象：選取典型體育館建筑，天津大學(xué)體育館、天津工業(yè)大學(xué)新體育館、天津工業(yè)大學(xué)老體育館、天津師范大學(xué)體育館(主館)、天津師范大學(xué)體育館(體操館)、天津理工大學(xué)體育館、南開大學(xué)老體育館共七個(表1)。

表1 體育館基本情況Table 1 Gymnasium basic situation

1.2 測試內(nèi)容及方法

(1)時間：2013年10月—12月，10:00—14:00。

(2)儀器設(shè)備(圖1)：

①手持亮度計(konnica minolta Ls-100)

測量范圍：FAST：0.001至299900cd/m2(0.001至87530fL) SLOW：0.001至49990cd/m2(0.001至14590fL)

②照度計(XYI-III全數(shù)字照度計)

動態(tài)范圍：0.01至10000lx 0.1至100000lx

③測距儀(Leica Disto D5)

(3)內(nèi)容：①建筑尺寸；②場地及采光口尺寸；③物理測試：室內(nèi)、室外的水平照度，窗口亮度，墻面亮度。

圖1 測試所用儀器Fig.1 Test instruments

(4)方法：根據(jù)《采光測量方法》(GB 5600—2008)，制定如下測試方法：

①照度測量方法采用均勻布點法，每個點間距3米～4米，覆蓋活動場地區(qū)域及場地周圍1米；亮度測量方法采用均勻布點法，每面墻上布4至6個點；

②排除人工照明的干擾，在只有天然光條件下進(jìn)行測量；

③在維持場地采光口常態(tài)的情況下進(jìn)行測試。

2 測量結(jié)果統(tǒng)計與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實地測量數(shù)據(jù)進(jìn)一步計算，具體計算方法如下：

式中：Ei——室內(nèi)水平照度(單位：lx)；E0——室外同一水平面上照度(單位：lx)；Cmin——采光系數(shù)最小值(單位：%)；M——縱向布點數(shù)；N——橫向布點數(shù)。

窗的不舒適眩光計算如下：

DGI=10 log ∑Gn

p=exp[35.2-0.31889α-1.22e-2α/9)10-3β+ (21+0.26667α-0.002963α2)10-5β2]

式中：Gn——眩光常數(shù);Ls——窗亮度，即通過窗所看到的天空、遮擋物和地面的加權(quán)平均亮度(單位：cd/m2)；

Lb——背景亮度，即觀察者視野內(nèi)各表面的平均亮度(單位：cd/m2)；ω——窗對計算點形成的立體角(單位：sr)；

Ω——考慮窗位置修正的立體角(單位：sr)；

p——古斯位置指數(shù)；

α——窗對角線與窗垂直方向的夾角；

β——觀察者眼睛與窗中心點的連線與視線方向的夾角(見圖2)。

圖2 窗的不舒適眩光計算的各角度示意圖Fig.2 Schematic plot for discomfort glare index calculation of windows

2.2 數(shù)據(jù)對比分析

2.2.1 國家標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033—2013中對體育建筑的規(guī)定：側(cè)面采光的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為2.0%、室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值300lx，頂部天窗采光的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值1.0%、室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值150lx，體育館的采光等級為Ⅳ級，對應(yīng)窗的不舒適眩光指數(shù)(DGI)為27。對于采光均勻度，標(biāo)準(zhǔn)中僅針對頂部天窗采光規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值為0.7；側(cè)面采光由于照度變化太大，標(biāo)準(zhǔn)中不做規(guī)定。故本文中不考慮側(cè)面采光的均勻度參數(shù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)對比

綜合調(diào)研所得到的各場館數(shù)據(jù)，分別從平均照度、采光系數(shù)平均值、采光均勻度、窗的不舒適眩光指數(shù)(DGI)四個方面進(jìn)行對比。

(1)室內(nèi)平均照度

各場館室內(nèi)平均照度對比如圖3所示。其中，除天津工業(yè)大學(xué)新體育館室內(nèi)平均照度(48.53lx)不能滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，其他六個體育場館的室內(nèi)平均照度均高于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值。

圖3 室內(nèi)平均照度對比Fig.3 Average interior illuminance comparison

(2)采光系數(shù)平均值

圖4為各場館采光系數(shù)平均值對比情況。其中，滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值的場館有天津大學(xué)體育館(2.3650%)、天津工業(yè)大學(xué)老體育館(1.2585%)、天津師范大學(xué)體育館(體操館)(5.7275%)、天津理工大學(xué)體育館(5.0503%)。在不滿足采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的場館中，天津工業(yè)大學(xué)新體育館的采光系數(shù)平均值為0.1577%，遠(yuǎn)低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值，場館室內(nèi)采光嚴(yán)重不足。

圖4 采光系數(shù)平均值對比Fig.4 Average daylight factor comparison

(3)采光均勻度

以天窗采光為主的體育場館為天津大學(xué)體育館、天津工業(yè)大學(xué)新體育館、天津工業(yè)大學(xué)老體育館、天津師范大學(xué)體育館(主館)，采光均勻度對比情況如圖5所示。除天津工業(yè)大學(xué)新體育館(0.7561)滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其余場館均不滿足采光均勻度標(biāo)準(zhǔn)值。其中，天津工業(yè)大學(xué)老體育館采光均勻度為0.1762，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值0.7，采光均勻度很差。

圖5 采光均勻度對比Fig.5 Uniformity of daylighting comparison

(4)窗的不舒適眩光指數(shù)(DGI)

以側(cè)窗為主的體育館的DGI對比情況如圖6所示。天津理工大學(xué)體育館主要采光口DGI指數(shù)為24.78，低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高值27，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求；天津師范大學(xué)體育館(體操館)和南開大學(xué)老體育館主要采光口DGI指數(shù)分別為32.81和33.40，高于最高值27，不滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 主要采光口窗的不舒適眩光指數(shù)對比Fig.6 Discomfort glare index comparison in main lighting windows

2.2.3 綜合場館評價分析

綜合體育館采光測試及計算得出的數(shù)據(jù)見表2。

由表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，采光口形式以天窗為主的場館大部分不滿足采光均勻度標(biāo)準(zhǔn)值和采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。而以側(cè)窗為主的場館大多不滿足不舒適眩光指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。同時，根據(jù)測試人員的現(xiàn)場感受，大部分場館光環(huán)境不能滿足體育鍛煉的需求。這是由于在原采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中沒有單獨針對體育館采光質(zhì)量的指標(biāo)規(guī)定，導(dǎo)致現(xiàn)存體育館在設(shè)計時缺乏對采光的考慮，甚至缺乏采光設(shè)計。

表2 綜合統(tǒng)計表Table 2 Comprehensive table statistics

注：括號內(nèi)為不滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)。

3 案例分析與模擬優(yōu)化

以天津師范大學(xué)體育館(主館)(以下簡稱師大主館)為例，對其現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并使用Ecotect軟件對其進(jìn)行模擬優(yōu)化。該館的采光問題為雖滿足室內(nèi)平均照度的情況下，卻不能滿足采光系數(shù)和均勻度要求，該案例一定程度上代表了現(xiàn)存體育館建筑的采光問題(見圖7)。

3.1 場館介紹

師大主館位于天津師范大學(xué)新校區(qū)內(nèi)，建筑周邊沒有建筑物遮擋。該館的主要采光口為東西向的帶形天窗，另外在東、西兩側(cè)各有一排高側(cè)窗作為輔助采光口(西側(cè)高窗處于常年關(guān)閉狀態(tài))。

該場館的測試時間為2013年12月11日，天氣晴。圖8是根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)使用SIGMAPLOT繪制的室內(nèi)水平照度偽色圖。根據(jù)計算所得，該館滿足室內(nèi)平均照度標(biāo)準(zhǔn)值，但不滿足采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值和采光均勻度標(biāo)準(zhǔn)值。結(jié)合場館的采光口布置和照度分布偽色圖進(jìn)行分析，該館東西向的水平天窗為館內(nèi)提供了足夠的水平照度，但同時造成館內(nèi)南部區(qū)域照度值較北部高，使場館的采光均勻度較差，采光口布置不合理。

圖8 天津師范大學(xué)主館室內(nèi)水平照度偽色圖(單位：lx)Fig.8 Tianjin Normal University gymnasium (Main Hall) horizontal interior illuminance (unit:lx)

3.2 模擬優(yōu)化

3.2.1 原始模型模擬分析(圖9、圖10)

模擬基于CIE全云天空模型，加載天津地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，模擬時間為12月21日(冬至日)中午12點。玻璃材料的可見光透過率為0.737，為一般清潔程度(折減系數(shù)為0.9)。

圖9 模型示意Fig.9 Model

圖10 屋頂平面俯視圖、東立面圖(右上)、西立面圖(右下)Fig.10 The top surface, east facade (top right), west facade (lower right)

由所建立的三維場館模型，使用Ecotect對其室內(nèi)進(jìn)行光環(huán)境模擬。模擬結(jié)果如下：采光系數(shù)平均值：4.71%，采光均勻度：0.541，照度平均值：235.39lx。由模擬結(jié)果可知，該館的采光均勻度較差，且照度平均值不達(dá)標(biāo)。根據(jù)圖11顯示，場館北側(cè)照度值偏低，與實測的照度偽色圖相符。

圖11 模擬偽色圖Fig.11 Simulate pseudo color image

3.2.2 采光口調(diào)整優(yōu)化

改善室內(nèi)采光質(zhì)量有兩種途徑：增加采光口面積和改變采光口位置。下面分別采用這兩種方式調(diào)整模型，優(yōu)化室內(nèi)光環(huán)境。

(1)增加天窗的面積：如圖12所示，建筑屋頂北側(cè)加設(shè)天窗，長50m，寬4m，與原天窗距離2.8m。模擬結(jié)果如下：采光系數(shù)平均值：6.10%，采光均勻度：0.585，照度平均值：304.89lx。通過優(yōu)化，該館的照度平均值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定，但采光均勻度仍不滿足標(biāo)準(zhǔn)值0.7的要求。偽色圖見圖13。

圖12 增加天窗示意圖Fig.12 Increase the skylight

圖13 模擬偽色圖Fig.13 Simulate pseudo color image

(2)改變采光口位置：將圖示(見圖14)天窗向北側(cè)平移2米，同時在不改變原有側(cè)窗的數(shù)量和尺寸的前提下，將東西兩側(cè)的高側(cè)窗重新排列(如圖14)。模擬結(jié)果如下：采光系數(shù)平均值：6.24%，采光均勻度：0.716，照度平均值：311.76lx。通過改變采光口位置，大大提高了該館的采光均勻度，滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的平均照度和采光均勻度要求。偽色圖見圖15。

圖14 屋頂平面、東立面(右上)、西立面(右下) 采光口改變示意Fig.14 The top surface, east facade (top right), west facade (lower right)

圖15 模擬偽色圖Fig.15 Simulate pseudo color image

3.2.3 小結(jié)

對現(xiàn)有場館從建筑體型上進(jìn)行改造，優(yōu)化其采光質(zhì)量比較困難，只有通過調(diào)整場館的采光口的位置以及增減采光口面積來達(dá)到優(yōu)化場館采光質(zhì)量的目的，但調(diào)整后的采光口有可能不滿足建筑的美學(xué)設(shè)計。因此，在建筑設(shè)計時應(yīng)進(jìn)行采光設(shè)計的考慮，通過合理設(shè)計采光口的大小和布置方式，避免采光問題。

4 結(jié)論

建筑采光設(shè)計，尤其是對于使用要求相對嚴(yán)苛的體育館來說是一個綜合的過程，需要結(jié)合建筑設(shè)計、使用功能和使用時間段的需求綜合考慮。傳統(tǒng)的建筑設(shè)計過程在此方面考慮較少。本文結(jié)合實測情況與模擬優(yōu)化對現(xiàn)有體育館的采光進(jìn)行了分析和評價，借此希望引起體育館建筑設(shè)計對自然采光利用的考慮。本文僅針對個案利用模擬軟件對天津地區(qū)體育館建筑采光情況進(jìn)行分析，且只考慮采用CIE標(biāo)準(zhǔn)全云天這一種天空模型，在實際采光研究和設(shè)計應(yīng)用中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。進(jìn)一步研究應(yīng)針對地域性的光氣候特征，結(jié)合體育建筑的建筑造型、使用需求開展深入研究，以推動建筑采光研究和適應(yīng)實際工程的需要。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50033—2013建筑設(shè)計采光標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2] 國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 5699—2008采光測量方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3] 王愛英，李卓. 雍和宮法輪殿天然光環(huán)境解析[J].照明工程學(xué)報，2008,19(3):22-25.

[4] 李雯雯，王愛英，連志強(qiáng). 天津火車站候車廳天然采光研究[J].照明工程學(xué)報，2011,22(5):74-78.

[5] Chang Sung Kim, Seung Jin Chung. Daylighting simulation as an architectural design process in museums installed with top lights[J]. Building and Environment, 2010,46 (1)：210-222.

中國科協(xié)八屆七次全國委員會會議在北京召開

2015年1月8日，中國科協(xié)第八屆全國委員會第七次會議在北京召開。中共中央政治局委員、國家副主席李源潮出席會議并與中國科協(xié)全委會委員座談。會議傳達(dá)了中央書記處對科協(xié)工作的重要指示精神，審議并通過了中國科協(xié)常委會工作報告，選舉尚勇同志為中國科協(xié)第八屆全國委員會常務(wù)委員會委員、第八屆全國委員會副主席(主持常務(wù)工作)。全國政協(xié)副主席、中國科協(xié)主席韓啟德主持開幕式并作工作報告。中國科協(xié)黨組書記、常務(wù)副主席、書記處第一書記尚勇主持閉幕式并作總結(jié)講話。

在大會座談會上，有4位學(xué)會代表和1位地方科協(xié)代表發(fā)言。李源潮在座談時指出：希望中國科協(xié)深入學(xué)習(xí)領(lǐng)會習(xí)近平總書記系列重要講話精神，堅持中國特色社會主義群團(tuán)組織的發(fā)展方向，引領(lǐng)廣大科技工作者在促進(jìn)科技創(chuàng)新上發(fā)揮更大作用。

座談中，大家圍繞學(xué)會有序承接政府轉(zhuǎn)移職能、創(chuàng)新驅(qū)動助力工程、科技人才培養(yǎng)、海外人才引進(jìn)等作了發(fā)言。李源潮說，希望中國科協(xié)引導(dǎo)廣大科技工作者積極創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)創(chuàng)優(yōu)，進(jìn)軍經(jīng)濟(jì)建設(shè)主戰(zhàn)場、進(jìn)軍科技創(chuàng)新前沿，為推動經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)健康發(fā)展作貢獻(xiàn)。

中國科協(xié)第八屆全國委員會委員，部分在京中國科協(xié)榮譽(yù)委員及中國科協(xié)機(jī)關(guān)、直屬單位負(fù)責(zé)人和全國學(xué)會、省級科協(xié)有關(guān)負(fù)責(zé)人500余人出席、列席會議。中國照明學(xué)會理事長徐淮出席，副秘書長高飛列席會議。

Investigation and Study on Daylighting Situation of the School Gymnasium

Yao Yawei1, CaoYang2, Wang Lixiong1, Zhang Mingyu1,Yu Juan1, Han Guoshuai1

(1.TianjinUniversity,TianjinKeyLaboratoryofArchitecturalPhysicsandEnvironmentalTechnology,Tianjin300072,China;2.SchoolofArchitecture,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

In this paper, the research object is the school gymnasium in Tianjin region. Through a series of in-depth researches which present the necessary parameters, we can get average interior illuminance, average daylight factor, uniformity of daylighting and discomfort glare index through calculation by the measured data. Then, combined with the daylight quantity and quality indicators which are mentioned in the newly revisedStandardforDaylightingDesignofBuildings(GB 50033—2013), we analyze the lighting quality in school sports buildings in Tianjin, combined with typical case study to explore the feasible way of optimization quality of the school gymnasium natural lighting.

school gymnasium; daylighting; design standard; evaluation and analysis

張明宇，E-mail:zmy0526@163.com

TU113

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.003