地下空间自然采光研究.docx
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地下空间自然采光研究
地下停车空间自然采光研究
杨铁夫
摘要：
绿色建筑评价标准中对地下空间的自然采光提出明确要求，而被动式自然采光是绿色建筑技术策略的首选.本研究采用软件模拟方法，选取常见的地下被动式采光方式：
顶部采光和侧墙采光，通过关键要素的变化模拟，总结地下空间采光系数、采光面积和采光构筑物形状、位置、材质等的关联，总结规律，用于指导具体项目建筑设计.
关键词：
采光系数采光井侧墙采光
一、引言
随着城市化进程的推进,城市人口快速聚集，对于居住空间的需求也在持续的增长中,而随着生活品质的提高，越多越多的人选择小汽车出行，停车日益成为严峻的问题。
在建设项目规划建设中，越来越普遍的采用建筑附建地下室、半地下室或者独立地下室作为停车库使用。
利用地下空间解决停车问题，有效的解决了用地紧张、地价昂贵、空间拥挤和绿地缺乏等问题，但是地下车库或者半地下车库位于地面以下,存在着采光、通风难以解决的问题，会导致人生理和心理的不适。
因此应尽可能的采用综合对策和措施改善地下空间的内部空间环境。
《绿色建筑评价标准》中提到“采用合理措施改善地下空间的自然采光和自然通风效果”，并且明确了评价量化指标，“地下空间采用有利于自然通风和自然采光的措施。
并且5%的地下一层空间采光系数达到0。
5％以上.”
本文拟采用软件模拟的方法，以绿色建筑评价标准为依据，分析被动式采光构筑物各要素对于住区地下空间自然采光的影响.
二、地下空间自然采光的必要性
在地下空间中，天然采光的设计对改善地下空间具有多方面的作用,不仅局限于满足照明和节能要求，更重要的是为了满足人们生理和心理需求。
1、照明和节能要求
采光是地下空间中要解决的首要问题,由于缺少垂直方向的开口，并且在多层地下空间中通过顶部和侧向直接采光受到限制，人工采光被普遍认为是合理的解决方式，然而，将天然光引入地下空间，不仅可以提供满足功能要求的照度，在节约能源上面也有很大优势.
2、方位感
空间方位感是指人们通过对周围环境中相对物体的空间关系、位置判断而形成的对自身所处空间位置的知觉.人们通过这种自我定位过程，可以在个人外部世界概括的环境意向中产生全局的联系.空间的方位感和空间的封闭性是紧密联系的。
因此在设计中应最大限度的减少封闭部分,增加开敞部分，实现地下空间和地上空间的融合与流通,使两者在空间上形成一个有机整体,消除人们在地下环境中的隔绝感，从而增加对其所在位置的判断力。
3、心理要求
在地下空间中，自然光线能满足人们对阳光、阴晴变化、季节轮回、等自然信息感知的心理需求，由于在封闭的空间中,没有阳光和外部景观，人们难以利用自然光线的变化和环境变迁形成时间观念，容易使人产生幽闭、不安等负面情绪。
三、地下空间自然采光的方式
地下空间获得自然采光的有效措施包括被动式自然采光和主动式自然采光.
被动式自然采光，即不依赖设备,只通过建筑自身特性（如建筑形式、采光口布置、材料反射率等）将自然光引入室内.比如顶部天窗采光、庭院侧窗采光、地下中庭采光等。
主动式采光是利用光控、电控设备,通过孔道、导管、光纤等将自然光传递到地下空间，包括镜面反射采光、导光管采光和棱镜传光采光等。
被动式自然采光在不增加成本的前提下，通过精心设计，优化构造措施达到地下空间获得自然光线的目的。
本文以被动式采光为主要研究内容.
四、研究目的、方法
1、目的：
以绿色建筑评价条款为依据，分析顶部采光和侧向采光各要素变化对采光系数和采光面积的影响，总结规律，指导建设项目中地下室采光设计。
2、方法:
以软件模拟为手段，以单变量分析方法,通过数值比较分析方法,综合考虑成本、景观、采光效率等以确定最佳的采光方式。
五、自然采光模拟原理
1、天空模型
自然光的作用机理和变化规律非常复杂，其中涉及了太阳辐射、大气成分、地理位置、和天气、时间等诸多因素.
为了简化问题,建筑光环境模拟通常采用天空模型来描述天空中自然采光的分布和变化情况。
天空模型是根据日期、时间、地理位置、大气质量和太阳辐射数据计算天球亮度分布的一种数学模型。
天空模型分为CIE均匀天空模型、CIE全阴天模型、CIE晴天模型、Perez全气象条件天空模型。
全阴天模型可以用于评估建筑在全年最不利条件下的采光情况,我国采光设计标准中就使用基于全阴天模型的采光系数作为基本的采光评价标准。
2、模拟软件:
建筑光环境模拟从广义上来说包括公式计算、模型测量和软件模拟三种方式.本研究中采用的是软件模拟方式，即用市场上主流的光环境模拟软件Ecotect和Radiance模拟、分析地下空间自然光采光.
EcotectAnalysis是美国Autodesk公司开发的综合建筑性能模拟软件，其提供了包括光、热、声、日照、造价以及可视度在内的一系列建筑性能模拟和分析功能.
Radiance是由美国劳伦斯伯克利国家实验室、美国太平洋煤气和电力公司旗下的太平洋能源中心以及美国Marinsoft公司合作开发的一款建筑光环境模拟软件，因为其卓越的模拟性能，很多第三方软件都以其作为核心进行二次开发.
Ecotect的光环境模拟分为两种,一种是基于英国建筑中心（BRE）的分项法计算全阴天情况下室内的采光系数，分项法假设达到房间的天然光由三个独立部分组成，天空组分、外部反射组分和内部反射组分。
这种方法多用于分析建筑在全年最不利情况下的采光情况，其本质依然是公式法,精度较低。
另外一种方法是输出到Radiance进行精确的光环境模拟。
Radiance所使用的是基于辐照度缓冲技术的混合式光线跟踪算法，能以较小的计算成本取得精确的结算结果。
本研究中采用后一种方式计算分析.
3、采光系数
《建筑采光设计标准》（2013）对采光系数的定义是“在室内参考平面上的一点,由直接或间接的接受来自于假定和已知天空亮度分布的天空漫反射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比".采光系数与建筑的位置和方位无关，和周边的遮挡物有关系，采光系数不考虑直射太阳光的影响。
4、软件参数设置
网格设置:
顶部采光以采光口为中心，四周1.5柱网网格为边线设置网格，单元网格尺寸为300mm，共有2500采样点。
采用全阴天模型，反射次数设定为2。
长沙地区属于光气候分区III类区,室外天然光设计照度值13500lx，光气候系数K值为1.1。
本地区采光系数标准值应乘以相应地区的光气候系数K.
根据绿建评价标准要求，5％一层地下室的采光系数要达到0。
5%，要达到本地区的采光系数标准值，应乘以光气候系数，对应值为0。
55％。
六、建立模型
地下室的建筑结构布置方式，当主要用于停车时，其柱网、层高、柱宽、梁高的尺寸差别不大，因此在本研究中这些参数不参与研究，以常见的地下室为蓝本，建立简化基本模型.
1、顶部采光模型参数：
地下室柱网7800*7800mm、高度3900mm、柱尺寸600＊600mm，主梁高度1200mm,次梁高度800mm。
地下室内地面采用深色油漆,反射率0.25、室内墙面采用大白粉刷，反射率0。
75。
工作面高度750mm。
柱网单元内，在车行道上空中心位置布置采光井，采光井顶板以上伸出高度1200mm，采光井梁高600mm，顶部水平顶盖为12厚钢化玻璃，总透射比0.78，考虑水平玻璃在南方地区的窗污染系数0.6，综合的透射比为0。
47.
顶部采光模型如下图所示.
顶部采光模型平面顶部采光模型剖面
2、侧墙采光模型参数：
临地下室外墙设置窗洞，窗底高900mm，窗高1800mm,窗宽7000mm,梁高1200mm,顶板上部考虑600mm覆土.
窗洞外侧设进深7800mm，宽度7800庭院，庭院底标高同地下室，顶标高自地下室顶板以上600mm。
庭院地面墙面反射率取0。
75,即以光亮铺地为主.
侧窗采光模型如下:
侧窗采光模型三维图侧窗采光模型剖面
七、顶部自然采光模拟和分析
1、顶部采光影响要素
顶部采光一般有采光井、天窗、地下中庭等。
天窗是直接在顶板上面开洞,设置窗户，是采光井井壁高度趋于0的特例，地下中庭是采光井井口面积放大。
对采光井的分析，可以同样适用于天窗和地下中庭,因此本分析主要针对采光井。
对采光井采光效率影响较大的因素有采光井位置、大小、形状、高度、侧壁反射率、有无顶盖等。
采光井的位置直接影响到自然光照射范围.地下停车空间中，最需要采光位置是车行道上方，既可以起到照明的作用，同时也有引导、指示的效果.因此宜将采光口布置在行车道的中心位置。
在每个柱网单元内，采光位置受到梁、柱的影响，根据日常经验可知，采光井越靠近梁边，梁在垂直方向的遮挡影响越大,采光效率越低，因此采光井的位置宜布置在行车道柱网单元的中心位置。
采光井的大小和形状,直接决定了采光面积的大小和形状，采光井越大，地下室采光面积越大，采光井的形状变化时，采光的等值曲线形状也会随着变化。
侧壁的高度决定光线在井壁内的反射次数,而反射次数过多会导致光线强度的衰减,而反射率的高低，决定了光线通过反射以后的光线强度.
有顶盖的采光井容易受到污染，直接影响光线的透过能力。
2、大小及形状变化
在其他条件不变前提下，改变采光井的大小及长宽比，模拟和分析结果如下：
1500＊2000mm采光系数平面图1500*3000采光系数平面图
2000＊2000mm采光系数平面图2000*3000mm采光系数平面图
不同形状大小采光剖面比较图
采光系数分段变化比较
不同大小形状采光分析表
尺寸（mm）
采光井面积（m2）
达标面积比（%）
达标面积（m2）
贡献率
最大值（％）
平均值（%）
达标距离1（mm）
达标距离2（mm）
1500*2000
3.0
15。
76
38。
35
12.78
3.85
0.42
6500
7200
2000*2000
4。
0
21.48
52.27
13.07
4.98
0。
55
7800
7800
1500*3000
4。
5
23。
88
58.11
12.91
5.3
0.59
7600
9500
2000*3000
6.0
28。
76
69.99
11。
67
6。
95
0。
78
8500
10000
采光系数平面图中,颜色的深浅表示采光系数的高低，自圆心向外的弧线是采光系数等值线，间距差值为0。
5，最外围的等值线采光系数为0。
55％，其围合的面积为达标面积。
随着采光井洞口面积的增加，达标面积也随着增加，最大值也增加。
采光井达标的距离随着采光井面积的扩大而扩大，除去采光井本身距离扩大的影响外，达标距离也是逐步增加的，这是因为采光井洞口面积扩大，高宽比加大，光线入射角度减少,光线照射的距离更远。
一般双车道宽度在7m左右，采光井的横向尺寸在1。
5m时，达标采光距离为6.5m，可基本保证车行道横向宽度的自然光照明,当采光井横向尺寸为2m时,达标采光距离为7。
8m,达标采光系数范围超过了车行道的横向宽度.
采光井面积的贡献率（达标面积/采光井面积）在采用2*2m采光井时达到峰值。
当只需要对车行道上空采光时，采用2*2m的采光井，采光效率是最高的。
从采光效果剖面图中可以看出，增加采光井的尺寸，对于达标面积而言，增加的幅度不是太大，因此要增加采光面积，不能仅仅依靠扩大采光口的面积，而是要增加采光口的数量。
从采光系数分段比较中可以看出，无论哪种尺寸的采光井，采光系数大部分集中在0。
55%-3。
55之间，但是采光均匀度都是偏大的（最大值/平均值），在采光井中心部分容易引起炫光。
3、高度变化
采光井模型按基本模型，其他参数不变，顶部以上部分按伸出顶板高度分别为600mm、900mm、1200mm、1500mm进行分析.模拟及分析结果如下。
采光井高度600mm采光井高度900mm
采光井高度1200mm采光井高度1500mm
采光井高度分析表
采光井高度（mm）
采光达标面积比例（％）
达标面积（m2）
最大值（%）
平均值（％）
采光达标距离L（mm）
600
25.28
61。
52
5。
98
0。
62
8400
900
23。
56
57。
34
5.44
0。
59
8200
1200
21.48
52。
27
4。
98
0.55
7800
1500
16。
48
40。
11
4.58
0.46
6900
随着采光井井壁高度增加，达标面积、最大值、平均值和采光距离逐步变小,从分析表中可以看出，达标面积在600—1200mm时基本是均匀减少，从1200到15mm时，减少幅度要大于从600-1200mm，说明采光井从1200再增加时，采光的效率会明显降低。
而从达标的距离来看，采光井的高度越小,地下空间中采光达标的面积越多。
4、侧壁反射率
不同的材质对自然光的反射率是不一样的，改变内侧壁的反射率，分析对于采光效率的变化。
侧壁反射率分别设置为0。
5、0。
75、0.84。
反射率0。
50反射率0。
75
反射率0。
84
采光井内侧壁反射率分析表
采光井壁反射率
采光井尺寸（mm）
采光井高度（mm）
达标面积比例（％）
达标面积（m2）
最大值（％）
平均值（％）
0。
60
2000*2000
1200
19.04
46.34
4.71
0。
53
0。
75
2000＊2000
1200
21.48
52.27
4。
98
0.55
0.84
2000＊2000
1200
21.80
53.05
5.05
0.55
当井壁内侧反射率越大时,采光达标面积、最大值都有增加，但是增加的幅度不大.在经常使用的建筑材料中，石膏、大白粉刷、白色乳胶漆等可以达到0。
8以上的反射率,可以通过使用高反射率的材料,增加采光井的反射率，达到提高采光效率的作用。
5、有无顶盖
采光井上部是否有顶盖，各有利弊。
当有顶盖时,可以防雨和保证安全，而且景观效果更好,但是因为污染的原因,顶部玻璃的光线透射能力将大大减弱。
没有顶盖覆盖时，采光效率大大提高，但需要考虑雨水在地下室的排放和安全防护。
有顶盖采用12钢化玻璃水平覆盖,综合透射系数0.47。
无顶盖采用采光井顶部中空。
分析图表如下：
水平顶盖无顶盖
采光井顶部有无顶盖
顶盖
采光井尺寸（mm）
采光井高度（mm）
达标面积比例（%）
达标面积（m2）
最大值（%）
平均值（％）
有
2000*2000
1200
21。
48
52.27
4.98
0。
55
无
2000＊2000
1200
30。
44
74。
08
10。
71
0.94
从图表中可以看出，顶部有无顶盖对于采光效率影响很大，主要的原因是顶盖的污染，尤其是水平放置时，污染物会沉积在玻璃表面，时间一长,自然采光效果就会大减。
因此有顶盖时,需要对顶盖表面定期进行清洁处理。
6、结论
地下空间的自然采光主要集中在行车道上，当改变采光井的大小和形状时,满足行车道采光要求的效率较高的采光井尺寸为2m*2m,采光井顶板以上高度1.2m，上盖12厚水平钢化玻璃，侧壁采用大白粉刷，地下室层高3.9m时，每个可提供达标的采光面积为52m2。
当顶板以上采光井高度越高时,达标的采光面积和采光系数最大值、平均值都会相应减少。
当条件允许时，采光井高度越小越有利于采光。
考虑到实际工程，采光井的适宜高度为1。
2m，
采光井内侧壁尽可能的采用高反射比的涂料，以提高采光效果，如采用白色乳胶漆或者白色抛光、镜面铝板.
采光井顶部是否采用顶盖对采光效率影响很大,如无顶盖，要妥善解决好雨水收集和排放问题，如采用顶盖，要定期清洁顶部玻璃.
采光井中心区域和周边区域采光系数变化较大，采光均匀性较差，要采取措施防止炫光的出现，如增加顶部反射板、采光井下口增加漫反射材料等。
八、侧窗自然采光分析
1、侧窗采光影响要素
侧窗采光的方式主要有通过庭院侧墙采光和通过下沉广场侧墙采光，两种方式的对采光的影响是两者宽度,可以按同一性质考虑。
影响要素有广场/庭院相对采光口侧宽度、侧窗高度、外部墙地反射率。
下沉庭院的宽度会影响光线的入射角度，庭院宽度越小，庭院高宽比越大，受阻的光线越多，采光效率就越低.
侧窗的大小和高度一方面决定了光线进入量,另外一方面影响光线进入的深度，开窗位置越高，光线在纵深方线投射越远。
室外庭院不同的铺地和墙面材料会影响光线的反射率，反射率越强，通过漫反射进入侧窗的光线越多。
3、庭院/广场宽度
庭院的宽度是指庭院的侧墙相对于采光窗的距离，对侧向采光影响结果如下：
庭院宽度3。
9m
庭院宽度7。
8m
庭院宽度11.7m
不同庭院宽度剖面采光比较图
庭院宽度变化分析表
庭院宽度（mm）
侧窗高度（mm）
采光达标面积比例（％）
达标面积（m2）
最大值（%）
平均值（％）
采光达标进深L（mm）
3900
1800
33.84
82.35
16。
66
0。
93
7100
7800
1800
42.76
104.06
20。
39
1。
32
8000
11700
1800
43.92
106。
88
20.89
1。
40
8200
庭院宽度以柱网尺寸一半的距离变化，随着距采光侧墙的越远，采光达标面积越大，但是超过一个柱距以后，再增加宽度，增幅减小。
从采光效率和空间利用角度考虑，庭院宽度不宜大于一个柱网尺寸，可以供给庭院周边地下空间至少8m进深的达标采光距离。
侧向采光时，靠近窗户部位采光系数值很大，但是随距离变化，采光系数下降很快,高采光系数主要集中在距离窗户1m以内,这是侧向采光造成炫光的主要原因。
3、侧窗高度和位置
侧窗开启的面积越大，采光效率越高。
侧向窗户的上沿越靠近顶板，通过窗户的自然光线会到达室内越远的距离。
侧窗高度变化模拟和分析图表如下：
侧窗高度1200mm
侧窗高度1500mm
侧窗高度1800mm
侧窗高度变化分析表
侧窗高度（mm）
采光达标面积比例（％）
达标面积（m2）
最大值（％）
平均值（%）
采光达标进深L（mm）
1200
34.40
83。
72
14.87
1。
06
7900
1500
38。
00
92。
48
19.27
1。
20
8100
1800
42.76
104。
06
20.89
1.40
8200
采光达标面积随着窗户面积的变化均匀变化，且临近窗口的最大值也大致均匀变化，而采光达标进深的变化相对于面积变化来说，变化幅度较小，即在窗户顶部标高不变的前提下，改变采光口大小，对于采光达到的纵深距离影响不大。
采用下沉庭院采光时，窗口高度1。
8m，窗户宽度7m，侧向采光达标的面积可达104m2。
如庭院四周均可利用作为地下室侧窗采光时，则采光面积可达416m2。
4、庭院材料反射率
下沉庭院表面的材质不同，通过表面反射进入室内的光线强度就不同。
庭院地面、墙面可设置的材质介入绿化种植和铺地材料之间,两者的反射率在0.2和0。
75之间.分析图表如下:
庭院地面墙面反射率0.2
庭院地面墙面反射率0。
5
庭院地面墙面反射率0。
75
庭院地面墙面反射率分析表
材质反射率
采光达标面积比例（%）
达标面积（m2）
最大值（％）
平均值（%）
采光达标进深L（mm）
0。
20
31。
92
77.68
17。
00
0.96
6900
0.50
38.64
94.03
19。
51
1.21
7600
0.75
42.76
104.06
20.89
1。
40
8200
庭院墙面地面反射率增加时，采光达标面积、最大值和采光达标进深距离都随着增加。
从营造景观的角度出发,庭院的地面或者墙面做绿化处理更加合适，因此庭院的立面和地面的处理要在景观效果和采光效率之间均衡。
5、结论
侧向采光受庭院宽度的影响很大,庭院的宽度为7.8m时，采光的效率最高，再增加庭院宽度，虽然可以使采光效率进一步提高，但增加幅度较小。
当窗口设定高度1。
8m,窗户宽度7m,顶板下梁高度1.2m，顶板上覆土或者灌木遮挡高度0.6m，庭院宽度7。
8m时,每个侧窗达标采光面积为104m2。
侧窗的开口面积对采光效率有一定的影响，提高窗口上沿标高，对于增加采光的进深更加有利。
侧窗采光临近窗口位置，采光系数很高，容易产生炫光。
庭院地面和墙面的材质对采光效率有影响,应均衡采光效率和景观效果，以确定墙地面的材质。
九、结论
地下室采光涉及建筑设计中的很多专业,如建筑、结构、排水、通风以及景观专业，采光的方式和位置是各专业协调的结果。
通过以上对自然采光的模拟分析，提出在设计过程中的建议,当实际工程的参数不同于本研究的前提条件时，应该针对实际情况对地下室采光进行模拟计算后优化设计。
1、顶部采光建议
A、采光井大小、形状、数量、高度、位置、反射率、有无顶盖配置建议
采光井尽量布置在车行道上柱网网格的中央位置，适宜的尺寸为正方形,大小为2m＊2m，每个采光井可以使地下室达标面积为52m2.在方案设计时，可以按此预估采光井的数量。
采光井伸出顶板适宜的高度是1.2m，要注意采光井周边植物对采光的遮挡影响，可以采用采光井周边布置低矮灌木减低影响。
采光井周边覆土高度降低，形成低地来降低采光井的高度,以提高采光效率。
通过提高采光井内壁的反射率，以及不设置顶盖来增加采光效率.不设置顶盖时要考虑排水和安全防护。
B、采光井和通风井结合布置建议
地下空间的自然通风，是通过设置通风竖井，在风压和热压的作用下使空气运动。
采用自然通风可以减少设置机械通风的成本。
通过在采光井顶部四周设置格栅或者不设置顶盖，达到采光和通风相结合的目的，同时也减少了地面以上开设过多的洞口而导致对景观的影响。
采光井和通风井结合
C、采光井和室外疏散楼梯结合布置建议
地下停车空间一般规模较大，需要在室外设置疏散楼梯，可以将室外疏散楼梯设置成玻璃间，同时适当的扩大楼梯间，即可以达到疏散和地下室采光相结合的目的。
采光井和疏散楼梯结合
D、采光井和景观结合
采光井出地面部分，应该考虑自身的造型,最好的结合是既发挥采光通风作用，同时也可作为一个景观小品.当难以实现时，应该注意位置尽量隐蔽,或者通过植物布置，将采光井包围,但要注意的是，植物不应该对采光造成遮挡。
采光井和景观结合
2、侧窗采光建议
A、下沉广场/庭院的合理尺寸,室外墙面地面反射率
下沉式庭院,以牺牲部分停车空间为代价换取采光和景观，庭院可以利用高差，营造良好的景观空间氛围，同时侧面可提供自然采光。
一石二鸟的效果值得在设计中尝试采用.
从采光效果考虑，庭院的尺寸宜以一个开间为限，继续扩大开间对于采光的意义不大。
当采用7。
8m开间庭院时，侧向1。
8*7m的窗口可以提供104m2，深度为8m的有效采光。
庭院内地面做法、墙面做法会影响地下空间的采光,采用反射率高的材质时，地下采光效率会提高，当采用植被或者水体覆盖庭院表面时，采光效率将降低.但相对而言,对庭院采取绿化措施,对于景观的效益要大于采用铺地材质对于地下空间采光的效益。
下沉庭院景观和采光结合
B、侧窗的大小和位置
侧窗的大小和位置,对于采光效率有一定的影响，其中更为关键的是窗口的顶部标高，标高越高，光线进入室内的距离越远，
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