劉宇波 劉彬艷 王夢蕊

1華南理工大學(xué)建筑學(xué)院

2廣東工業(yè)大學(xué)

1 教室光環(huán)境與青少年的健康成長

目前我國青少年近視率連年居高不下，不僅中小學(xué)生患近視人數(shù)居世界之首，而且出現(xiàn)了明顯的低齡化趨勢[1]。引起青少年近視的原因不只有沉重的課業(yè)負(fù)擔(dān)、不良的用眼習(xí)慣等，光環(huán)境也是重要的影響因素。醫(yī)學(xué)研究者發(fā)現(xiàn)，更多的太陽光照可以促進(jìn)視網(wǎng)膜上多巴胺的分泌，刺激瞳孔收縮，降低眼球調(diào)節(jié)負(fù)荷，從而減少近視的發(fā)生[2]。

除了近視，陽光在其他方面也對青少年的健康有很大影響。醫(yī)學(xué)研究表明，陽光中所攜帶的短波長藍(lán)光不僅能夠促進(jìn)眼球的發(fā)育，而且能夠刺激人體的生理系統(tǒng)，而人工照明中的短波長藍(lán)光的含量遠(yuǎn)少于太陽光[3]。1999年美國加州的Heschong Mahone顧問公司通過統(tǒng)計分析美國3個地區(qū)21 000名小學(xué)生的學(xué)習(xí)成績和他們所處教室的天然采光情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)學(xué)生在天然采光好的教室里讀書時會學(xué)得更快，取得更好的成績；美國照明組織在2010年開展的一項實驗也表明，青少年若每天清晨得不到充足的陽光就會導(dǎo)致睡眠不足，就寢時間也會相應(yīng)推遲[4]。

因此，如何保證青少年在成長期間能夠享受到充足的陽光已經(jīng)成為不能回避的問題。學(xué)校是青少年學(xué)習(xí)和進(jìn)行各種活動的主要場所，因此學(xué)校教室的光環(huán)境設(shè)計就成為了建筑設(shè)計中必須注意的部分。

為了解當(dāng)前中小學(xué)校教室的采光現(xiàn)狀，我們帶領(lǐng)本科生和研究生對廣州三所中學(xué)——廣雅中學(xué)、廣州市第二中學(xué)、廣州市第四十七中學(xué)的教室自然光環(huán)境進(jìn)行了實地測試（圖1）。在三所學(xué)校選取樣本教室，分別在每間樣本教室的書桌水平面上選擇22個測點，選用TASI（TA8133）數(shù)字照度儀進(jìn)行照度測量，分別測量9:00、10:00、12:00、15:00、16:00教室內(nèi)不開燈情況下各測點的照度數(shù)據(jù)。

圖2為廣雅中學(xué)、第二中學(xué)、第四十七中學(xué)各樓層教室內(nèi)日光照度的變化曲線，可看到北向靠窗位置桌面自然光照度最高，其次是南邊靠窗位置，教室中部照度最低，整體教室內(nèi)的光照變化呈現(xiàn)出拋物線式的圓錐曲線。而且樓層越高，照度變化的拋物線越陡，反之則越平緩。頂層教室的這種照度不均勻現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。

進(jìn)一步調(diào)研和全國其他地區(qū)的相關(guān)調(diào)查結(jié)果都顯示，目前絕大多數(shù)僅依靠側(cè)窗采光的教室都存在著室內(nèi)照度極度不均衡的現(xiàn)象。這種靠近窗口部分的照度偏高而中間部分照度偏低的情況導(dǎo)致白天開燈、拉窗簾成為常態(tài)（圖3）。雖然照度依靠人工照明達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但是青少年接觸陽光的機會被剝奪了，長此以往必然會對中小學(xué)生的健康產(chǎn)生不利影響。

2 歐美發(fā)達(dá)國家的相關(guān)經(jīng)驗

國際上對于教育空間的光環(huán)境問題研究已久，形成了比較系統(tǒng)的研究成果，并匯總成為相關(guān)采光指南和導(dǎo)則文件。

通過對英美國家近20年來的50多本學(xué)校采光設(shè)計指南和手冊的深入研究，我們選擇了其中最具代表性的7本進(jìn)行重點翻譯、介紹和分析，并總結(jié)其特點和設(shè)計策略（表1）。

在對這7本國外學(xué)校采光設(shè)計指南文件的研究中，發(fā)現(xiàn)了一些共同特點，即普遍關(guān)注以下幾點：將天然光作為首選；將采光窗和景觀窗分開；關(guān)注教室的采光質(zhì)量；關(guān)注采光的一體化設(shè)計；關(guān)注采光的適用性設(shè)計，具體如表2所示。

1 廣雅中學(xué)、第二中學(xué)、四十七中學(xué)教室平面圖及測點布置

2 廣雅中學(xué)瓊?cè)A樓教室、廣州市第二中學(xué)紀(jì)元樓、廣州市第四十七中學(xué)北樓從北到南日光照度變化圖

總的來說，這7本設(shè)計指南都將自然采光作為首選，認(rèn)為在學(xué)校建筑中，自然光應(yīng)是教室的主要照明光源。另外，其中6本都提到了“景觀窗”和“采光窗”的概念，采光窗通常獨立于景觀窗，被設(shè)置在約2m的高度以上，但是景觀窗只能照亮窗戶附近的空間，指南認(rèn)為，最好的采光窗應(yīng)為屋頂垂直窗或是北向高側(cè)窗以及安裝了反光板的南向高側(cè)窗，這與國內(nèi)的通用習(xí)慣有很大差異。我們進(jìn)一步查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)國外教育空間的采光研究很早就已提出相關(guān)概念，英美國家的學(xué)校采光設(shè)計指南均認(rèn)為頂部采光能夠為教室提供最均勻的自然光線：1867年赫爾曼·科恩（Hermann Cohn）在其著作《學(xué)校的眼睛衛(wèi)生》（Hygiene of the Eye in Schools）中提出教室的最佳采光應(yīng)是通過屋頂?shù)牟Ａ齑皬纳戏竭M(jìn)入教室[5]；1913年在英國照明工程師協(xié)會年會中也一致認(rèn)為天窗采光能夠為教室提供最理想的自然光條件。

與此同時，我們搜集相關(guān)實踐案例時發(fā)現(xiàn)，國外一些長期致力于教育建筑可持續(xù)設(shè)計的建筑事務(wù)所已有許多成熟的采光設(shè)計方法。比如美國創(chuàng)新設(shè)計事務(wù)所（Innovative Design）一直從事可持續(xù)建筑設(shè)計及中小學(xué)校采光設(shè)計的研究，其設(shè)計的史密斯中學(xué)和北吉爾福德中學(xué)常被作為優(yōu)秀的頂部采光案例。

史密斯中學(xué)（Smith Middle School）于2001年設(shè)計完成（圖4），其中采光設(shè)計是該建筑可持續(xù)設(shè)計策略的核心。學(xué)校位于北卡羅來納州，教室部分呈有利于采光的南北向布局。學(xué)校在教室、媒體中心、體育館和主要走廊上都使用了朝南的屋頂垂直天窗，為室內(nèi)空間提供了充足的光照。垂直天窗內(nèi)部設(shè)置了阻燃抗紫外線的布擋板（圖5，6），有助于均勻分布光線，同時消除潛在的眩光問題。

此外，在南側(cè)窗上安裝了陽極氧化鋁制反光板，可以將陽光反射到房間中，也為下部景觀窗提供了遮陽（圖7）。

3 廣州市某學(xué)校教室內(nèi)景

4 北卡羅納州史密斯中學(xué)

5 北卡羅納州史密斯中學(xué)教室室內(nèi)設(shè)置屋頂垂直天窗

6 北卡羅納州史密斯中學(xué)教室屋頂垂直天窗采光示意圖

7 北卡羅納州史密斯中學(xué)教室側(cè)面采光窗

表1 英美7本（學(xué)校）采光導(dǎo)則概況

表2 英美7本（學(xué)校）采光設(shè)計導(dǎo)則的關(guān)注點分析

8 北吉爾福德中學(xué)

9 北吉爾福德中學(xué)教室內(nèi)部設(shè)置曲線半透明反光板

10 北吉爾福德中學(xué)教室室內(nèi)設(shè)置曲線反光板采光示意圖

11 廣州南沙青少年宮方案鳥瞰

12 廣州南沙青少年宮方案“光的篩子”

北吉爾福德中學(xué)于2007年建成（圖8），該項目的采光設(shè)計首次在教室內(nèi)部采用曲線半透明反光板將陽光反射到教室深處（圖9）。該方法將側(cè)窗分為采光窗與景觀窗，并將采光窗、曲線半透明反光板、高反射傾斜天花板相結(jié)合。此外，由于在反光板上使用的半透明面板的可見光透光率為20%，因此有效減少了眩光，使得柔和的光線能夠均勻地分布在空間內(nèi)（圖10）。

3 針對中國國情的思考

當(dāng)前我國學(xué)校建筑的采光設(shè)計模式非常單一，基本都是采用大側(cè)窗的采光模式。在進(jìn)行建筑設(shè)計時，建筑師的思路也局限在側(cè)窗采光這種模式上，甚至在單層建筑和頂層教室也不愿意考慮天窗和高側(cè)窗采光的可能性。

據(jù)筆者實測，雖然一些教室的窗地面積比高達(dá)30%，但是采光效果并不理想，反而會加劇教室內(nèi)照度的明暗對比，甚至引起眩光。與之相對，頂部采光窗能夠為教室?guī)砀€(wěn)定、均勻的自然光照，因此在用地面積寬裕且條件允許的情況下，在設(shè)計中小學(xué)校建筑（特別是小學(xué)或幼兒園建筑）時應(yīng)盡可能選擇頂部采光設(shè)計模式，教室宜設(shè)計為單層建筑或是將教室空間安排在多層建筑的頂層，也可以利用錯層等設(shè)計手法創(chuàng)造更多可開天窗的屋面。頂部采光模式雖然造價高于側(cè)面采光模式，但由于其更加有利于青少年的身心健康發(fā)展，同時也能節(jié)約電能，從長遠(yuǎn)角度來看是值得的。屋頂垂直采光窗（俗稱老虎窗）的效果更為理想，防水效果也更好。

若條件所限不能采用天窗時，也應(yīng)認(rèn)真細(xì)化、謹(jǐn)慎選擇具體的側(cè)面采光模式。根據(jù)對國外導(dǎo)則的研究，建議將“景觀窗”和“采光窗”分別考慮。減小可能帶來直射光的景觀窗（低于2m的窗戶）的面積，增加高側(cè)窗的面積，這樣能夠使自然光在教室內(nèi)傳播得更深遠(yuǎn)，降低臨窗位與教室深處的照度差。除此之外，景觀窗外還應(yīng)增加外遮陽，阻擋直射光進(jìn)入室內(nèi)；在高側(cè)窗內(nèi)設(shè)置導(dǎo)光系統(tǒng)有助于反射進(jìn)入室內(nèi)的直射光；結(jié)合實際情況設(shè)計不同的室內(nèi)天花形式能夠優(yōu)化側(cè)窗的采光效果，使教室內(nèi)的光線更加均勻。但總體來說，側(cè)窗采光始終難以提供充足且均勻的光照，仍不能代替頂部采光。

國外案例大多是可利用屋頂進(jìn)行頂部采光的單層建筑，但在中國人多地少的情況下，中小學(xué)建筑通常是多層建筑，所以采光設(shè)計策略需要考慮如何爭取更多的采光面以及將更需要采光的房間按采光需求立體配置。目前我國學(xué)校設(shè)計規(guī)范要求小學(xué)建筑應(yīng)為4層以下，幼兒園應(yīng)為3層以下。按此要求可將對自然光需求高的班級教室放置在頂層，用天窗來提高自然采光的均勻度，使頂層教室可以只依靠自然光就能滿足日常的學(xué)習(xí)需求。其他中間層教室可以考慮設(shè)置為流動性較強、使用率沒有那么高的美術(shù)教室、音樂教室等專業(yè)教室，按照上文區(qū)分景觀窗和采光窗，設(shè)置適宜的側(cè)窗采光方式，選擇合適的天花板形式，改善室內(nèi)光環(huán)境效果。功能空間按采光需求進(jìn)行合理的立體配置，可以為學(xué)生提供最多接觸陽光的機會。

4 廣州南沙青少年宮設(shè)計方案

青少年宮是集青少年思想文化學(xué)習(xí)、培訓(xùn)娛樂為一體的綜合性場所，是青少年進(jìn)行校外素質(zhì)教育的重要場地，也是教育空間的一種。我們完成的廣州南沙青少年宮設(shè)計方案是一個以改善自然光環(huán)境為目標(biāo)的設(shè)計嘗試，從整體布局出發(fā)到頂部天窗細(xì)節(jié)的設(shè)計處理都是一個理性推導(dǎo)的過程（圖11）。

南沙青少年宮擬建于南沙蕉門島南側(cè)，占地面積37 385m2，總建筑面積為26 500m2，功能大致分為教育研修、國際會議廳、國際青少年博覽中心、辦公服務(wù)、綜合劇場遺跡、戶外訓(xùn)練場等幾大部分。在方案初始階段，我們先根據(jù)任務(wù)書要求建立簡單的體量模型，即開始天然采光的考慮，此時考慮天然采光就會對建筑的布局產(chǎn)生關(guān)鍵性影響。我們的理念是將建筑物理解為一種特殊的“陽光的篩子”（圖12），首先布局上頂層應(yīng)該考慮安排最需要自然采光的空間，往下是次一級需要自然采光的空間，中間層是對自然光需求不強的空間（如展廳、劇場），而底層留給在夏季酷熱的嶺南地區(qū)需要更多陰涼的戶外公共的活動空間。所以設(shè)計初步構(gòu)思采用了特殊的立體布局形式，將大而整的體塊置于頂層，小而碎的體塊置于底層，在大體塊上開一定數(shù)量的洞口，透過洞口的光線通過反射和折射到達(dá)底層，形成按照光環(huán)境需求層級變化的立體布局。因此設(shè)計將會議和展覽置于底層，二層為研修教育類次要使用空間，主要使用教室則位于三、四層（圖13，14）。

設(shè)計參考基地周圍村落的肌理，采用10m×10m的基本模數(shù)，將建筑體量劃分成橫6縱5的方格網(wǎng)。通過舒展的平面布局和錯動的體塊保證大部分教室的屋頂都可以享有頂部采光（圖15，16）。教室頂部設(shè)置條形垂直天窗，可以為室內(nèi)提供充足且均勻的光線。

太陽光通過頂部中庭到達(dá)建筑底層后，光線會逐漸減弱，因此在底層空間的設(shè)計中，減少封閉墻體、解放底層空間成為必然的選擇。實際設(shè)計中，除西北角的報告廳和會議體塊外，將底層其他功能房間設(shè)計為一個個獨立的展廳，圍繞著各個小中庭展開，體現(xiàn)了傳統(tǒng)嶺南建筑的氣候特色（圖17），不僅有利于建筑的通風(fēng)防潮，同時還起到減少太陽光直射所造成的熱輻射作用。底層空間由南至北、由東至西都形成了可穿越的漫步通道，步道結(jié)合臺階、水池、平臺、花壇等要素豐富架空層內(nèi)的空間層次，為青少年提供了一個可以盡情游玩的半室外活動場所，同時也可作為一個開放式的家長休憩區(qū)，解決青少年宮缺少家長等候空間的問題。

青少年宮提供的是較為特殊的教育空間，功能組成較復(fù)雜，更有利于將多種功能按采光需求進(jìn)行立體配置。對于中小學(xué)校等其他類型的教育空間布局，還需要根據(jù)自身的特點進(jìn)行更多的探索與實踐。

13 廣州南沙青少年宮方案首層平面圖

14 廣州南沙青少年宮方案底層架空空間

15 廣州南沙青少年宮方案總平面圖

16 廣州南沙青少年宮方案三層平面圖

17 廣州南沙青少年宮方案底層架空呼應(yīng)嶺南氣候特點

5 結(jié)語

在我國青少年近視率高發(fā)、低齡化的現(xiàn)實問題面前，改善教室的自然光環(huán)境顯得十分緊迫。國外已有很多專注于教育建筑光環(huán)境的研究與實踐，而我國起步較晚，需要在相關(guān)研究和實踐方面投入更多精力，慎重思考常見的側(cè)窗采光方式的利弊，探索符合中國國情的解決方案。

圖片來源：圖1，2，11～17為作者自繪，圖3為作者自攝，圖4～10來源于網(wǎng)絡(luò)。