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关于建筑的天然采光你需要了解的知识点

发布时间: 2016-07-14
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发布者:

建筑学教授边宇:

自然光为什么对建筑来说至关重要?


1.天然光能够让人保持健康的生理和心理,人需要太阳的全光谱辐射;

2.充分合理地使用自然光能够节约能源、保护环境;

3.自然光的运用是建筑艺术创作的重要手段。


早在古人学会建造房屋时起,他们就掌握了在屋顶或墙壁上开洞收集天然光照明的方法。


古罗马万神庙巨大的穹顶上直径近 9m 的圆洞和我国民居常用的面积不到一尺见方的亮瓦,都显示了前人采光的智慧。


近代著名的建筑大师,如莱特、勒·柯布西埃、路易斯·康等人的许多作品,更是运用昼光照明和渲染气氛的杰作。


罗马万神庙


哈德良皇帝于公元120年~公元124年在意大利罗马新建了万神庙,作为奉祀诸神的神殿。这座显示了古罗马人卓越工程技术的建筑物,给人们留下了深刻的印象。


穹顶的圆眼(一直径为8.2米的采光圆孔)使阳光泄入万神庙,庙内的地面和墙壁均用色彩鲜明的大理石建成。


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金贝尔美术馆(路易斯·康)

将天然采光设计和空间造型相结合的经典案例。


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天气对光气候和照度的影响


在天然采光的房间里,室内的光线会随着室外天气的变化而改变,所以要设计好室内采光,保证光需要,就需了解光气候知识。


什么是光气候?


光气候是指由太阳直射光、天空扩散光和地面反射光形成的天然光平均状况。


太阳直射光:太阳光穿过大气层时,直接透过射到地面的光。直射光照度大、有方向,在物体背后形成阴影。


天空扩散光:太阳光穿过大气层时,碰到大气层中的空气分子、灰尘、水蒸气等颗粒,产生多次反射,形成天空扩散光。天空扩散光使天空具有一定的亮度,在地面上形成的照度较小,无方向、不形成阴影。


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天然光=直射光+散射光


直射光会随着太阳高度角增加而增加,散射光在太阳高度角较小时变化快,到太阳高度角较大时变化小。


全云天时只有天空扩散光,而晴天时天然光由太阳直射光和天空扩散光两部分组成。


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通常,采光设计中提到的昼光(天然光)指的是天空光,它是建筑采光的主要光源。


直射日光强度极高,变化很快,为防止眩光或避免房间过热,工作房间常需要遮蔽日光,所以采光计算中一般不考虑太阳直射光。


不同天气室外光气候的变化


地面照度来源于太阳直射光和天空漫射光,其比例随太阳高度与天气(天空中的云是否将太阳遮住)而变化,通常天空中云的数量将天气分为三类:


晴天——云量0~3/10

多云天——云量4/10~7/10

全阴天——云量8/10~1


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晴天地面照度主要来自直射日光,随着太阳高度角的增大,直射日光照度在总照度中占的比例也加大。


全阴天则几乎完全是天空扩散光照明,多云介于二者之间,太阳时隐时现,照度很不稳定。


决定地面照度的几个因素有:


① 太阳高度角

② 云状

③ 地面反射能力

④ 大气透明度


CIE标准全阴天空(全云天)

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我国光气候概况


我国日照率(太阳出现的时数和可能出现的时数之比)由北、西北往东南方向逐渐减少,四川盆地一带为最低。云量由北向南逐渐增多,新疆南部最少,华北、东北少,长江中下游较多。云状,南方低云向北逐渐以高、中云为主。


天然光照度中,南方天空扩散光照度较大,北方和西北以太阳直射光为主。



采光标准及不同场景的应用


采光系数的计算方法

采光标准是评价天然光环境的质量准则,也是进行采光设计的主要依据。


① 采光系数:

天然采光质量不以照度绝对值为标准,而使用采光系数来评价。


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En—室内某一点天然光照度

Ew—室外同一时间无遮挡天空在水平面上产生的照度


② 采光系数标准值:

不同情况的视看目标要求不同的照度,而照度在一定范围内愈高愈好,照度越高,工作效率越高。但高照度投资大、费用高,故照度的确定需考虑视觉工作的需要,又要顾经济上的可能性和技术上的合理性。


③ 照度均匀度:

视野内照度分布不均匀,易使得人眼疲劳,视功能下降,影响工作效率。照度均匀度以工作面上的最低照度和平均照度之比表示(或采光系数最低值与平均值之比),不得低于0.7,CIE的建议是0.8。


④ 眩光限制:

眩光可以损害视觉,也能造成视觉上的不舒服感。当侧窗位置较低时,对于工作视线处于水平的场所形成不舒服眩光。故标准提出了侧窗不舒适眩光评价标准。顶部采光口位置高,常处于视野之外,不易引起眩光,标准未作限制。



不同场景下天然采光的应用



建筑采光的核心是窗的设计,在应用时需要综合考虑采光、隔热、隔声、经济等要求。


采光要求:充分的照度、无眩光、与外界的视线交流


隔热、隔声要求:窗尽量小、特殊玻璃和窗结构


⑴ 窗的实用功能:

引入自然光

控制自然通风

沟通室内外视线

建筑艺术创作的重要环节


⑵ 采光窗的类型:

侧窗:单侧窗、双侧窗、高侧窗

天窗:矩形天窗、锯齿形天窗、平天窗


侧窗


单侧窗:最常见的形式,构造简单,布置方便,造价低,视线沟通好;灌流方向性强,有利于光影造型;有效避免光幕反射和不舒适眩光;昼光照度随距离增大而迅速降低,距离内墙1m处照度最低,照度分布不均匀。


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双侧窗:相对侧墙上开窗使照射进深增加一倍


高侧窗:多用于仓库和博览建筑


凸窗:窗附近照度充足,但顶板影响照射进深


角窗:窗与墙面亮度对比柔和,有特殊照明效果


使用侧窗采光时需注意:


窗的位置高低会影响房间进深方向上的采光均匀度;

减少窗面积的方式不同,室内采光量有不同的变化;

阴天时,窗口朝向对室内的采光状况无影响;

晴天时,不同朝向的房间,室内采光状况不同;


为了应对侧窗采光照度变化剧烈的情况,提高房间深处照度,可采取的措施有:


提高窗的位置,可提高房间深处照度,改善均匀性能;

采用乳白玻璃、玻璃砖等扩散透光材料,或者能将光折射至顶棚的折射玻璃,提高房间深处照度,利于加大房间进深,降低造价。


天窗


矩形天窗:实质上相当于提高位置的成对高侧窗,常用于单层工业厂房中。


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横向天窗:横向矩形天窗是将屋面板隔跨分别设在屋架上弦和下弦位置,窗扇立在屋架外侧,紧贴屋架,也成下沉式天窗。横向采光均匀度好,自然通风效果好,适合热空间。


锯齿形天窗:锯齿形天窗的特点是屋顶倾斜,可以充分利用顶棚的反射光,锯齿形天窗适合用于纺织车间、美术馆。


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平天窗:在屋面上直接开洞,铺上透明材料(例如钢化玻璃、玻璃钢、夹丝平板玻璃)。


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导光管:传输室外自然光的一种系统,可将室外自然光“引入”室内。


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窗玻璃


透明玻璃:最常用

有色吸热玻璃:减少室内的热量,透光减少

镀膜玻璃(反射玻璃):隔热性能好,单向可视

半透明玻璃:隔绝视线,透光比小


建筑天然采光下——案例介绍


天使山修道院图书馆

The Mount Angel Abbey library


阅览空间布局:阅览区布置于靠窗一侧及靠天窗一侧,书库布置于空间中部。

靠近天窗的白色倾斜表面有利于自然光的漫反射,从而营造良好的自然光氛围。


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柏林自由大学哲学系图书馆

Free University's Philology Library


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英国阿伯丁大学图书馆

University of Aberdeen New Library

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赫尔辛基当代艺术博物馆


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金贝尔美术馆

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在现代建筑艺术创作中,天然采光的方式成为建筑艺术重要的创作方式之一。


而在实际的情况中,建筑天然采光的设计在很大程度上能够影响一个空间照明质量的好坏,要把握好空间里照明设计的质量,不仅需要研究人造光源的照明设计,更多时候需要进行考虑的是建筑本身的天然采光。


掌控好建筑的天然采光,不仅仅能够满足建筑本身照明功能性的需求,而且还能够满足照明另一个高层次的要求——装饰照明。天然光是人最为熟悉的,也是人感受最为舒适的,所以建筑的天然采光是照明设计中至关重要,必不可少的一部分。


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边 宇

华南理工大学建筑学院副教授

亚热带建筑科学国家重点实验室

建筑光学实验室副主任

云知光照明学院 直播课程讲师


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