耿一涵，任 杰，彭翔威

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶400030)

集裝箱移動(dòng)教室天然采光方式設(shè)計(jì)探究

耿一涵，任 杰，彭翔威

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶400030)

集裝箱建筑具有成本低、施工方便、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。區(qū)別于普通磚混或框架結(jié)構(gòu)教室，集裝箱教室可以實(shí)現(xiàn)更加靈活多樣的功能設(shè)想。主要對(duì)比3種較為成熟的集裝箱教室天然采光方式，用Ecotect軟件模擬天然采光，對(duì)其進(jìn)行定性與定量評(píng)估，并初步探討開窗方式的更多可能。

集裝箱；移動(dòng)教室；天然采光；評(píng)估與設(shè)想

1 研究背景

素質(zhì)教育浪潮下，中小學(xué)生課外教育方興未艾。然而，中國(guó)針對(duì)此類教室的建設(shè)幾乎還是空白。隨著“一帶一路”規(guī)劃推進(jìn)，中西部地區(qū)集裝箱用量顯著增加，廢舊集裝箱結(jié)構(gòu)完整，造價(jià)低廉，施工方便，靈活性高，集裝箱建筑最高可達(dá)到30年使用年限，可作為集裝箱教室結(jié)構(gòu)和空間基礎(chǔ)。

1.1 集裝箱教室初探

集裝箱教室和正常中小學(xué)教室有顯著區(qū)別。

首先，集裝箱教室空間靈活，給功能設(shè)想提供更多可能性。比如：重慶市江津區(qū)MINI自然王國(guó)。項(xiàng)目是一個(gè)室外拓展訓(xùn)練營(yíng)地，移動(dòng)教室既可為訓(xùn)練前的培訓(xùn)提供空間，也可單獨(dú)作為觀看電影、游戲等室內(nèi)空間，隨著四季變化或者培訓(xùn)項(xiàng)目的改變移動(dòng)教室位置。又如北京黑橋社區(qū)中心，北京黑橋村是打工者聚集區(qū)，創(chuàng)辦者希望打工者的孩子在放學(xué)后、父母回家前，有人能照看他們，同時(shí)教授一些知識(shí)。打工子弟走到哪里，集裝箱運(yùn)到哪里。

其次，兩種教室天然采光模式不同(圖1)。

圖1 兩種教室天然采光模式區(qū)分

由圖1可知，集裝箱教室可在兩個(gè)側(cè)面和頂面進(jìn)行直接采光，普通教室從一側(cè)直接采光，走廊一側(cè)間接采光。

1.2 既有案例評(píng)析

集裝箱教室的輕質(zhì)帶來(lái)了可移動(dòng)、建造快等特性。集裝箱教室盡可能做到天然采光，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，減少人工光的比重也可加快施工速度，進(jìn)一步提升教室可移動(dòng)性(表1)。

表1 既有案例評(píng)析

2 集裝箱教室的改造設(shè)計(jì)

2.1 箱型選擇

1)常見集裝箱尺寸見表2。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)主要使用類型②，即為IAA型集裝箱(圖2)，全新12 000元，廢舊6 000元。

2)中小學(xué)教室最后一排到黑板的距離約8 m，類型③教室后空置空間太多。

表2 常見集裝箱尺寸

圖2 IAA型集裝箱分解(CECS 334—2013《集裝箱模塊化組合房屋技術(shù)規(guī)程》)

2.2 教室初步設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)教室功能及集裝箱構(gòu)造特點(diǎn)的綜合分析，將兩個(gè)IAA集裝箱并置并打通長(zhǎng)邊，組合為一個(gè)教室單元進(jìn)行改造，根據(jù)基本教室光學(xué)需求進(jìn)行空間設(shè)計(jì)(圖3)，并用Ecotect軟件進(jìn)行天然采光方案對(duì)比模擬。

圖3 教室功能示意

2.3 工作面選擇

中小學(xué)常見課桌型號(hào)以及選用范圍見表3及表4。選取0.75 m高度作為工作面。

表3 課桌型號(hào)

表4 中小學(xué)課桌型號(hào)選用范圍

3 教室的天然采光設(shè)計(jì)方案

采取3種常見開窗方式進(jìn)行天然采光。玻地比嚴(yán)格按照國(guó)家1∶6的最低標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，切割出壓型鋼板作為遮陽(yáng)構(gòu)件。

需要說(shuō)明的是，由于Ecotect軟件模擬天光條件為全陰天漫射光，因此，遮陽(yáng)構(gòu)件不會(huì)對(duì)模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

3.1 普通開窗的采光模擬

采用普通中小學(xué)教室常見開窗模式(圖4)，2×3個(gè)相同平行的矩形窗，各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期檢驗(yàn)，均勻度相對(duì)較好。

圖4 普通開窗軸側(cè)示意

3.2 帶狀開窗的采光模擬

從成品集裝箱到可以天然采光的集裝箱教室，切割壓型鋼板是必不可少的環(huán)節(jié)，兩側(cè)帶狀開窗可以減少切割工作量，減少熱學(xué)和聲學(xué)構(gòu)造的施工難度(圖5)。

圖5 帶狀開窗軸側(cè)示意

3.3 自由開窗的采光模擬

集裝箱移動(dòng)教室不一定作正常教學(xué)用，可以作為中小學(xué)社區(qū)娛樂(lè)中心等，開窗方式相對(duì)靈活(圖6)，活潑自由的立面也符合青少年的心理需求。缺點(diǎn)是需要定制不同尺寸的窗戶以及聲熱構(gòu)造，提高造價(jià)，延長(zhǎng)施工時(shí)間。

圖6 自由開窗軸側(cè)示意

4 采光設(shè)計(jì)方案的模擬與分析

參數(shù)設(shè)置：

1)研究對(duì)象為集裝箱移動(dòng)教室。

2)基本條件為 106.45 E，29.53 N，光氣候第V區(qū)，K=1.20。

3)天空漫反射照度。保證室外天然光只有擴(kuò)散光，避免烈日直射對(duì)不同開窗方式產(chǎn)生影響，在Ecotect軟件中，天氣狀況設(shè)定為CIE，天空照度5 000 lx。

在同樣的外界環(huán)境中，保證室內(nèi)平面布置和開門相同，控制相同的總開窗面積(即相同的窗地比)，將開窗的位置以及大小作為研究變量，綜合運(yùn)用控制變量法和Ecotect仿真技術(shù)，主要仿真模擬3種不同開窗方式的采光情況，以及開窗位置和方式對(duì)室內(nèi)自然采光的影響。

4.1 普通開窗

普通開窗如圖7、圖8所示。

圖7 普通開窗立面示意

(a) 普通開窗采光系數(shù)平面分布

(b) 普通開窗采光系數(shù)平面疊合圖

(c) 普通開窗采光系數(shù)剖面疊合圖圖8 普通開窗采光系數(shù)分布示意(ECOTECT軟件模擬)

4.2 帶狀開窗

帶狀開窗效果如圖9、圖10所示。

圖9 帶狀開窗立面示意

(a) 帶狀開窗采光系數(shù)平面分布圖

(b) 帶狀開窗采光系數(shù)平面疊合圖

(c) 帶狀開窗采光系數(shù)剖面疊合圖圖10 帶狀開窗采光系數(shù)分布示意(ECOTECT軟件模擬)

4.3 自由開窗

自由開窗效果如圖11、圖12所示。

圖11 自由開窗立面示意

(a) 自由開窗采光系數(shù)平面分布圖

(b) 自由開窗采光系數(shù)平面疊合圖

(c) 自由開窗采光系數(shù)剖面疊合圖圖12 自由開窗采光系數(shù)分布示意(ECOTECT軟件模擬)

4.4 模擬結(jié)果分析

表5所列采光系數(shù)值適用于重慶的Ⅴ類光學(xué)氣候區(qū)，在《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50099—2011)中規(guī)定普通教室采光系數(shù)在Ⅲ類光氣候區(qū)最低值不小于2.0，與光氣候系數(shù)K值1.20相乘結(jié)果為2.40，沒(méi)能滿足規(guī)范要求，實(shí)際工程中只需適當(dāng)增大開窗面積即可滿足規(guī)范要求。其他幾項(xiàng)指標(biāo)可以通過(guò)室內(nèi)裝修或者人工照明進(jìn)行修正。

表5 3種開窗方式評(píng)估

從3種開窗方式采光系數(shù)分布中可見，常規(guī)開窗方式的采光系數(shù)(圖7)臨界范圍是1.5%～21.5%(圖8)，平均值為5.72%,天然采光系數(shù)最小值為1.5%，不能滿足重慶普通教室≥2.40%的要求，而其余2種開窗方式亦難以滿足要求，帶狀開窗(圖9)的采光系數(shù)范圍是1.8%～21.8%(圖10)，自由開窗(圖11)采光系數(shù)范圍是1.7%～21.7%(圖12)。3種情況比較來(lái)看，帶狀開窗方式無(wú)論是最低采光系數(shù)還是室內(nèi)采光均勻度都優(yōu)于其余2種。實(shí)驗(yàn)中開窗面積控制嚴(yán)格按照1∶6的玻地比設(shè)置，因此，出現(xiàn)最低采光系數(shù)均低于要求的數(shù)值，只需適當(dāng)增加開窗面積便可以滿足要求。

若只出于滿足室內(nèi)采光需求，帶型連續(xù)開窗效率最高，但考慮到移動(dòng)教室實(shí)際使用情況以及服務(wù)人群，可選擇采用效率居中的自由開窗模式，既滿足了趣味性的需求，也在采光效率上優(yōu)于常規(guī)開窗方式。

3種開窗方式天然采光時(shí)，帶狀開窗的室內(nèi)工作平面(距地面750 mm高)平均照度為294.89 lx，常規(guī)開窗平均照度為286.01 lx，而自由開窗的方式只有275.11 lx。由數(shù)據(jù)可知，在增大開窗面積后，自由開窗的方式需要更多考慮到人工照明的光源補(bǔ)充才能滿足300 lx的工作平面照明需求，而帶型開窗依舊是相對(duì)最理想，效率最高的開窗方式。

5 結(jié) 論

集裝箱移動(dòng)教室具有成本低，施工方便，靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，素質(zhì)教育浪潮下小型移動(dòng)教室擁有廣闊前景。用Ecotect軟件模擬天然采光，對(duì)比3種較為成熟的開窗方式，并對(duì)其進(jìn)行定性與定量評(píng)估。平行窗、條形窗和自由窗，3種開窗方式各有優(yōu)劣，實(shí)際運(yùn)用中根據(jù)項(xiàng)目情況靈活選擇。

集裝箱移動(dòng)教室可與綠色建筑相結(jié)合，既符合可持續(xù)發(fā)展的要求，同時(shí)，減少各種設(shè)備管道的鋪設(shè)進(jìn)一步提升教室移動(dòng)性，也有利于集裝箱建筑的工廠化生產(chǎn)。以照明為例，重慶春秋冬三季多陰雨天，傳統(tǒng)的側(cè)窗天然采光無(wú)法達(dá)到亮度要求，可采用發(fā)光天棚、導(dǎo)光管、太陽(yáng)能光電系統(tǒng)等建筑構(gòu)件輔助，既有利于建筑物理環(huán)境的改善，也給建筑形體塑造帶來(lái)更多可能。

[1] 劉家平. 建筑物理[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009:3-4.

[2] 陳彥君. 基于側(cè)窗形式的重慶地區(qū)高校普通教室天然采光研究[D]. 重慶:重慶大學(xué)，2014.

[3] 中華人民共和國(guó)住建部.建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50033—2013[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[4] 中華人民共和國(guó)住建部.中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50099—2011[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[5] 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).集裝箱模塊化組合房屋技術(shù)規(guī)程：CECS 334—2013[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

Study on Natural Lighting Design of the Container Mobile Classroom

GENG Yihan，REN Jie，PENG Xiangwei

(College of Architecture and Urban Planning，Chongqing University，Chongqing 400045，P.R. China)

Container constructions have the advantages of low cost, convenient construction, high flexibility and so on. Different from ordinary brick or frame structure classroom, container classroom can achieve more flexible and diverse functions. In this paper, we compare three kinds of mature natural lighting methods, and make qualitative and quantitative evaluation.

container;mobile classroom;natural lighting;evaluation and assumption

2017- 04-30 作者簡(jiǎn)介：耿一涵(1994-)，女，重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院本科生。