郭娟利，馮宏欣，王杰匯，徐 賀

(天津大學(xué)建筑學(xué)院 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

引言

體育類建筑具有投資大、運(yùn)維成本高、空間大、不可控性、能耗高的特點(diǎn)。傳統(tǒng)體育類建筑的設(shè)計(jì)往往更注重于美學(xué)和結(jié)構(gòu)學(xué)方面的研究，建筑師往往舍棄天然采光而直接用人工照明來(lái)解決高要求的體育類建筑照明問(wèn)題。體育類場(chǎng)館光環(huán)境設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)天然采光的合理控制，可以有效節(jié)約能源并且更好地發(fā)揮場(chǎng)館的使用功能及作用[1]。對(duì)于游泳館而言，其對(duì)光環(huán)境的要求較為特殊和嚴(yán)苛，這也是游泳館的功能所決定的。

山東省無(wú)棣縣全民活動(dòng)中心游泳館位于山東省濱州市無(wú)棣縣新城景觀軸線端頭，游泳館建筑面積為12 925 m2，建筑基底面積為6 380 m2，建筑地上五層，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為22.55 m。游泳館內(nèi)布置一個(gè)尺寸為50 m×21 m×2 m的比賽池和一個(gè)尺寸為25 m×15 m×2 m的練習(xí)池，另外布置武術(shù)、跆拳道、體操訓(xùn)練室和健身活動(dòng)場(chǎng)地。本項(xiàng)目的天然采光形式為頂部采光為主，側(cè)高窗采光為輔，但屋頂采用何種采光形式既能滿足天然采光標(biāo)準(zhǔn)要求，又可以避免眩光等不利因素，需要進(jìn)行更細(xì)致的優(yōu)化模擬及分析。本文利用天然采光模擬軟件VELUX對(duì)不同天然采光形式進(jìn)行模擬分析對(duì)比，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 游泳館天然采光要求

游泳館作為一種特殊的公共建筑，其光環(huán)境設(shè)計(jì)優(yōu)劣和運(yùn)動(dòng)員水平的發(fā)揮、裁判判斷的準(zhǔn)確性、觀眾觀賽的舒適性以及電視轉(zhuǎn)播的質(zhì)量都息息相關(guān)[2]。有研究表明運(yùn)行員長(zhǎng)時(shí)間在全部使用人工照明的室內(nèi)光環(huán)境中比賽、訓(xùn)練，容易由視覺(jué)疲勞衍生出倦怠情緒。而在由自然光構(gòu)成的室內(nèi)光環(huán)境中，運(yùn)動(dòng)員會(huì)感到興奮與刺激，有利于滿足其比賽競(jìng)技的心理狀態(tài)[3]。因此，本項(xiàng)目采用人工照明和天然采光相結(jié)合的方式，通過(guò)天然采光的合理設(shè)計(jì)最大限度的滿足室內(nèi)光環(huán)境要求，滿足該游泳館日常以訓(xùn)練、娛樂(lè)為主的功能要求，同時(shí)在比賽和夜晚、陰天等天然采光較弱期間輔以人工照明協(xié)同工作，將天然采光的舒適性和節(jié)能性優(yōu)勢(shì)最大化。

由于自然光本身具有良好的顯色性等特征，因此對(duì)于游泳館天然采光來(lái)說(shuō)，要著重處理好的是采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采光照度標(biāo)準(zhǔn)，均勻度標(biāo)準(zhǔn)以及避免眩光的產(chǎn)生[4]。

1.1 采光系數(shù)及照度標(biāo)準(zhǔn)

采光系數(shù)和室內(nèi)自然光照度的標(biāo)準(zhǔn)值常作為評(píng)價(jià)室內(nèi)采光環(huán)境的基礎(chǔ)指標(biāo)。GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》4.0.14條規(guī)定，體育類建筑場(chǎng)地在主要用于訓(xùn)練或娛樂(lè)活動(dòng)的情況下，頂部采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為1%，室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值為150 lx，如表1所示。綜上所述，作為體育類建筑的游泳館，在滿足日常訓(xùn)練和娛樂(lè)功能的需求下，場(chǎng)館內(nèi)水面天然光照度需達(dá)到150 lx，采光系數(shù)需達(dá)到1%。

表1 體育建筑的采光標(biāo)準(zhǔn)值

注：采光主要用于訓(xùn)練或娛樂(lè)活動(dòng)

1.2 采光均勻度標(biāo)準(zhǔn)

采光均勻度是用來(lái)揭示場(chǎng)館內(nèi)照度分布情況的物理量，是衡量室內(nèi)光環(huán)境效果的又一關(guān)鍵指標(biāo)[4]。對(duì)游泳館場(chǎng)地來(lái)說(shuō)，要防止出現(xiàn)較大的明暗對(duì)比，若泳池場(chǎng)地均勻度較差，在館內(nèi)活動(dòng)的人的瞳孔會(huì)隨著明暗變化不斷變大變小，引起視覺(jué)疲勞，影響訓(xùn)練、娛樂(lè)和比賽的效果。采光均勻度有兩種表示方式：

(1)

(2)

其中Cmin為最小采光系數(shù)，Cmax為最大采光系數(shù)，Cave為平均采光系數(shù)。

JGJ 153—2016《體育場(chǎng)館照明設(shè)計(jì)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》4.2.2條將游泳館的場(chǎng)地照明設(shè)計(jì)設(shè)定為一套標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示，可知要滿足游泳館日常健身、訓(xùn)練及娛樂(lè)的功能，采光均勻度U2應(yīng)不小于0.3。

1.3 合理的眩光控制措施

眩光就是視野中由于亮度的分布或亮度范圍不適宜，或存在著極端的對(duì)比，以致引起不舒適感覺(jué)或降低觀察細(xì)部或目標(biāo)能力的視覺(jué)現(xiàn)象。直射光源在水池附近會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的水面鏡面反射和池底的反射，易產(chǎn)生眩光，極大地影響運(yùn)動(dòng)員和觀眾的視覺(jué)能力和視覺(jué)舒適性。如圖1所示，光幕區(qū)的亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出水面的平均亮度，嚴(yán)重影響了對(duì)水中情況的觀看。即使通過(guò)安裝直筒采光窗等方式可以避免直射光直接照入室內(nèi)，但由于天氣等原因，也只能在一定程度上限制直射光照入室內(nèi)，仍易造成自然光直接照射易形成眩光，如圖2所示。因此，水面眩光的控制是游泳館室內(nèi)采光設(shè)計(jì)的重要部分，水面眩光無(wú)法完全消除，但可以通過(guò)合理的采光方式選擇及采光口設(shè)計(jì)盡量減少其帶來(lái)的不利影響。

表2 游泳館場(chǎng)地照明標(biāo)準(zhǔn)值

圖1 游泳館水面眩光Fig.1 Water glare in swimming pool

圖2 直筒采光窗采光效果圖Fig.2 Daylighting effect of straight tube window

1.4 VELUX模擬軟件的適用性

VELUX DAYLIGHT VISUALIZER是一款兼具準(zhǔn)確性和迅捷性的可視化建筑天然采光分析軟件，可以幫助設(shè)計(jì)人員在建筑設(shè)計(jì)之前，通過(guò)準(zhǔn)確地模擬采光量，對(duì)天然采光效果及空間效果有一個(gè)正確的、直觀的了解，模擬天然采光照明的最大誤差低于5.13%，平均誤差低于1.29%[6]。軟件和SKETCH-UP有良好的對(duì)接性，可提供不同的窗體布置、玻璃性能、室內(nèi)墻面、天空光量、地理位置、建筑方位等等不同條件下的建筑天然采光分析比較，便于設(shè)計(jì)者找到最理想的采光方案。

2 屋頂采光方式的選擇

通常游泳館跨度較大，復(fù)雜的屋面結(jié)構(gòu)對(duì)天然采光有較大影響，加重天然采光的不穩(wěn)定性和不均勻性，易產(chǎn)生不必要的光污染，為減少結(jié)構(gòu)對(duì)采光的不利影響，本項(xiàng)目的游泳館頂部采用變截面鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 游泳館內(nèi)變截面梁Fig.3 Beam with variable cross section in the Swimming Pool

游泳館采光方式的選用是其采光設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題。側(cè)窗采光具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工簡(jiǎn)便、構(gòu)造和結(jié)構(gòu)易處理的特點(diǎn)[5]，但由于游泳館進(jìn)深較大，僅靠側(cè)窗采光會(huì)造成場(chǎng)館內(nèi)遠(yuǎn)窗點(diǎn)照度偏低，導(dǎo)致室內(nèi)采光不均勻，同時(shí)側(cè)窗采光若安裝角度與人視線角度較小還會(huì)產(chǎn)生直接眩光。相比較而言，利用頂部采光在室內(nèi)照度方面要比相同面積利用側(cè)窗采光高出2～5倍[7]，同時(shí)其在采光均勻度、眩光控制和陰影控制上性能也更加優(yōu)異，但頂部采光也存在構(gòu)造、設(shè)計(jì)較復(fù)雜的特點(diǎn)。因此，基于水面眩光對(duì)游泳館使用有較大影響，本項(xiàng)目以頂部采光為主，主要依靠頂部采光達(dá)到其采光照度和均勻性，并輔以少量高側(cè)窗進(jìn)行采光，優(yōu)化建筑立面美學(xué)特性，使二者的優(yōu)點(diǎn)集中發(fā)揮，取長(zhǎng)補(bǔ)短。而作為本項(xiàng)目的主要采光方式，屋頂采光口的選擇和設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目的難點(diǎn)也是本文研究的重點(diǎn)。

2.1 頂部采光形式的比選

建筑頂部采光通常分為天窗采光和利用導(dǎo)光管、光導(dǎo)纖維等天然采光新技術(shù)，如表3所示。根據(jù)使用要求不同，產(chǎn)生了各種不同的天窗形式，常用的有平天窗、矩形天窗、鋸齒形天窗等形式。其中平天窗雖然比同樣面積的其他天窗采光效率高，但易引起游泳館建筑最應(yīng)避免的眩光問(wèn)題；而相比與矩形天窗，鋸齒形天窗可以把光線反射到背對(duì)窗戶的室內(nèi)墻壁上，消除直射光產(chǎn)生的眩光，同時(shí)，鋸齒形天窗的采光效率比矩形天窗高15%～20%[8]。作為天然采光新技術(shù)，導(dǎo)光管、光導(dǎo)纖維、采光擱板和導(dǎo)光棱鏡窗均具有減少眩光，提高室內(nèi)采光均勻度的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于游泳館而言，采光擱板不適合于進(jìn)深較大建筑，導(dǎo)光棱鏡窗的使用會(huì)給運(yùn)動(dòng)員帶來(lái)心理不良影響，山東無(wú)棣地區(qū)屬于Ⅳ類光氣候分區(qū)，具有較豐富的天然光，因此導(dǎo)光管和光導(dǎo)纖維相比具有更高的光通量。綜上所述，本論文選擇各頂部采光口類型中適合該地區(qū)游泳館的鋸齒形天窗和導(dǎo)光管系統(tǒng)作為模擬分析對(duì)象。

表3 不同天窗形式對(duì)比

續(xù)表3

2.2 鋸齒形天窗采光

1)天窗面積的確定。依據(jù)中國(guó)光氣候分區(qū)圖可以看出山東省濱州市無(wú)棣縣屬于Ⅳ區(qū)。GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中6.0.1條規(guī)定，在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)Ⅲ類光氣候區(qū)的采光，頂部采光平天窗窗地面積比為1/13，鋸齒形天窗和矩形天窗可分別按平天窗的1.5倍和2倍窗地面積比進(jìn)行估算，且Ⅳ類氣候區(qū)的窗地面積比應(yīng)乘以該地區(qū)相應(yīng)的光氣候系數(shù)K=1.10。以此為依據(jù)計(jì)算該游泳館比賽廳鋸齒形天窗所需面積約為233 m2。

2)模型及參數(shù)設(shè)置。鋸齒形天窗布置方向隨建筑形體朝東南，并采用隨結(jié)構(gòu)逐跨布置的方式以滿足更好的采光均勻性和建筑韻律。部分光線射入后，在天窗的反射面形成二次反射，將光線均勻分布到室內(nèi)。建筑模型如圖4所示。將模型導(dǎo)入VELUX采光模擬軟件，更改地理位置信息為山東無(wú)棣，東經(jīng)117.36°，北緯37.75°，建筑朝向?yàn)楸逼?5°。利用VELUX天然采光模擬軟件對(duì)建筑參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，水池設(shè)為透射率為0.82的散射體、水下底面設(shè)為反射率為0.732、粗糙度為0.04的淺藍(lán)色石材，選取天窗角度、反射面內(nèi)飾層材料及其粗糙度3個(gè)參數(shù)進(jìn)行變化對(duì)比研究，分析其對(duì)游泳館采光系數(shù)、照度、均勻度和眩光等的影響變化趨勢(shì)，對(duì)屋頂天窗進(jìn)行合理的參數(shù)選擇與優(yōu)化設(shè)計(jì)，內(nèi)飾面參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖4 鋸齒形天窗模型Fig.4 Model of saw-toothed skylight

圖5 內(nèi)飾層參數(shù)修改界面Fig.5 Interface of modifying Interior layer’s parameters

3)天窗角度優(yōu)化設(shè)計(jì)。鋸齒形天窗角度不同，對(duì)采光照度及均勻度均有不同程度的影響。選用30°、40°、45°、50°和60°五種不同角度相同面積的鋸齒形天窗進(jìn)行模擬對(duì)比，結(jié)果如表4所示。由結(jié)果可知,隨著天窗角度的增大,室內(nèi)采光系數(shù)也在增大,采光均勻度在下降,其中30°天窗冬至日陰天照度不滿足頂部采光照度標(biāo)準(zhǔn)值要求，其余方案40°采光均勻度最好，又可以滿足照度要求,因此選取40°鋸齒形天窗。

表4 天窗不同角度的采光對(duì)比

4)天窗內(nèi)飾層優(yōu)化設(shè)計(jì)。鋸齒形天窗具有把部分直射光通過(guò)內(nèi)飾面反射進(jìn)入室內(nèi)的特點(diǎn)，因此內(nèi)飾層的材料選擇和粗糙度設(shè)置對(duì)采光照度和均勻度均有影響。本項(xiàng)目選用40°相同面積鋸齒形天窗,選擇五種不同的內(nèi)飾層材料和粗糙度分別做模擬對(duì)比分析，模擬結(jié)果如表5所示。通過(guò)對(duì)比得知，改變內(nèi)飾層的材料，只有白色乳膠漆滿足頂部采光的照度要求，而對(duì)于白色乳膠漆的粗糙度選擇方面，隨粗糙度增加，采光系數(shù)平均值和照度平均值逐漸減小，采光均勻度不斷增加。但粗糙度增大到0.40時(shí)，平均照度水平不能滿足建筑采光標(biāo)準(zhǔn)，而在滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下，粗糙度為0.30時(shí)采光最均勻。因此最終選用粗糙度為0.30的白色乳膠漆，模擬結(jié)果如圖6所示，場(chǎng)館地面平均采光系數(shù)為3.1，夏至日晴天平均照度為308.7 lx，冬至日陰天平均照度為150.9 lx，采光均勻度為0.32，全年滿足體育類建筑頂部采光標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足該場(chǎng)館日常訓(xùn)練、娛樂(lè)的采光要求。

表5 天窗不同內(nèi)飾層的采光對(duì)比

圖6 鋸齒形天窗光環(huán)境模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of the plan of saw-toothed skylight

2.3 導(dǎo)光管采光

2.3.1 模型及參數(shù)設(shè)置

導(dǎo)光管照明系統(tǒng)是通過(guò)采光裝置采集自然光，將光線導(dǎo)入導(dǎo)光管內(nèi)部，通過(guò)發(fā)射材料在導(dǎo)光管內(nèi)進(jìn)行傳輸并由底部的漫射材料將光線均勻的照射到室內(nèi)，其將直射光轉(zhuǎn)為漫射光傳遞的特點(diǎn)符合游泳館比賽廳避免眩光的采光要求。其主要由采光罩、導(dǎo)光管、漫射器及調(diào)光系統(tǒng)組成[9]。本項(xiàng)目在SEKETCH-UP軟件中對(duì)導(dǎo)光管進(jìn)行建模，導(dǎo)光管管徑為750 mm，長(zhǎng)度為1.8 m，距地高度為10.05 m。設(shè)計(jì)方案分為4個(gè)每組、18組共72個(gè)和6個(gè)每組、18組共108個(gè)兩種排布方式，如圖7所示。在VELUX模擬軟件中對(duì)各部件相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，透射率為0.98的集光器、發(fā)射率為0.99的金屬內(nèi)壁和散射率為0.8的漫射器，如圖8所示。

2.3.2 導(dǎo)光管方案模擬對(duì)比

對(duì)兩組導(dǎo)光管方案水面天然采光系數(shù)、冬至日陰天及夏至日晴天照度分別進(jìn)行模擬分析，如圖9所示，方案一夏至日晴天平均照度為276.4 lx，冬至日陰天平均照度為136.9 lx，采光系數(shù)平均值為2.7%，采光均勻度為0.34；方案二夏至日晴天平均照度為280.6 lx，冬至日陰天平均照度為137.6 lx，采光系數(shù)平均值為2.7%，采光均勻度為0.38。由此得出，采用導(dǎo)光管途徑采光較為均勻、且隨著導(dǎo)光管密度的提升均勻度更佳，但采光系數(shù)照度提升不明顯。

圖7 兩種不同的導(dǎo)光管排布方案Fig.7 Two different arrangement schemes of light guide tube

圖8 導(dǎo)光管系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)置Fig.8 Light guide tube system and parameter setting

圖9 導(dǎo)光管方案的照度、采光系數(shù)模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results of illuminance and daylight factor of light guide tube

2.4 眩光分析

本項(xiàng)目側(cè)窗僅采用少量高側(cè)窗輔助采光，且一層玻璃幕墻帶有遮陽(yáng)百葉，因此避免了直接眩光，本文主要分析其水面間接眩光，眩光分析首先選取其最不利時(shí)間點(diǎn)。對(duì)于朝向角度為南偏西65°的鋸齒形天窗，選取一年12個(gè)月中午12:00進(jìn)行室內(nèi)亮度模擬分析。因太陽(yáng)高度角較高，夏季通過(guò)天窗進(jìn)入室內(nèi)的直射光較少，無(wú)眩光影響；而冬季太陽(yáng)高度角較低，進(jìn)入室內(nèi)的直射光較多，如圖10所示。其水面亮度最大處亮度為332.8 cd/m2，其周邊水面亮度為60 cd/m2左右，無(wú)明顯眩光影響；對(duì)于導(dǎo)光管方案二，其最不利時(shí)間點(diǎn)為夏至日中午12:00，模擬結(jié)果如圖11所示。其水面亮度最大處亮度為210.8 cd/m2，其周邊水面亮度為84 cd/m2左右，無(wú)明顯眩光影響?；谀M分析得知，水面間接眩光通過(guò)帶有粗糙內(nèi)飾面的鋸齒形天窗或?qū)Ч夤芟到y(tǒng)兩種采光手段均可有效避免。

圖10 鋸齒形天窗冬至日12:00室內(nèi)亮度模擬結(jié)果Fig.10 Results of luminance simulation of saw-toothed skylight at 12:00 in the winter solstice

圖11 導(dǎo)光管系統(tǒng)夏至日12:00室內(nèi)亮度模擬結(jié)果Fig.11 Results of luminance simulation of light guide tube at 12:00 in the summer solstice

2.5 對(duì)比分析

從游泳館的天然采光要求出發(fā)，對(duì)鋸齒形天窗和兩種導(dǎo)光管方案進(jìn)行對(duì)比，比較不同方案的室內(nèi)照度、采光系數(shù)、采光均勻度等指標(biāo)，如表6所示。由表6可知，導(dǎo)光管方案的采光更加均勻，且防眩光效果更佳，但綜合成本造價(jià)考慮，要達(dá)到一定照度成本太高，而鋸齒形天窗方案采光系數(shù)、照度和采光均勻度均可滿足要求，同時(shí)無(wú)眩光影響，因此本游泳館最終采用鋸齒形天窗方案。

表6 采光方式對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

將天然光應(yīng)用于建筑工程具有節(jié)約能源的重要意義[10]。對(duì)于游泳館場(chǎng)地的光環(huán)境設(shè)計(jì)的特殊性，天然采光口的設(shè)計(jì)尤為重要，通過(guò)本文模擬分析可知，在以無(wú)棣縣為例的Ⅳ類光氣候地區(qū)，游泳館采用天然采光方式時(shí)布置40°天窗角度的鋸齒形天窗，且?guī)в写植诙葹?.30的白色乳膠漆內(nèi)飾層是較適宜且經(jīng)濟(jì)的方式。同時(shí)我們認(rèn)為，其他地區(qū)游泳館也可采用此種分析模式對(duì)采光口的模式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。