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得自然采光提出明确要求,而被动式自然采光就是绿色建筑技术策略得首选。

本研究采用软件模拟方法,选取常见得地下被动式采光方式:

顶部采光与侧墙采光,通过关键要素得变化模拟,总结地下空间采光系数、采光面积与采光构筑物形状、位置、材质等得关联,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

随着城市化进程得推进,城市人口快速聚集,对于居住空间得需求也在持续得增长中,而随着生活品质得提高,越多越多得人选择小汽车出行,停车日益成为严峻得问题。

在建设项目规划建设中,越来越普遍得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,有效得解决了用地紧张、地价昂贵、空间拥挤与绿地缺乏等问题,但就是地下车库或者半地下车库位于地面以下,存在着采光、通风难以解决得问题,会导致人生理与心理得不适。

因此应尽可能得采用综合对策与措施改善地下空间得内部空间环境。

《绿色建筑评价标准》中提到“采用合理措施改善地下空间得自然采光与自然通风效果”,并且明确了评价量化指标,“地下空间采用有利于自然通风与自然采光得措施。

并且5%得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得方法,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得影响。

二、地下空间自然采光得必要性

在地下空间中,天然采光得设计对改善地下空间具有多方面得作用,不仅局限于满足照明与节能要求,更重要得就是为了满足人们生理与心理需求。

1、照明与节能要求

采光就是地下空间中要解决得首要问题,由于缺少垂直方向得开口,并且在多层地下空间中通过顶部与侧向直接采光受到限制,人工采光被普遍认为就是合理得解决方式,然而,将天然光引入地下空间,不仅可以提供满足功能要求得照度,在节约能源上面也有很大优势。

2、方位感

空间方位感就是指人们通过对周围环境中相对物体得空间关系、位置判断而形成得对自身所处空间位置得知觉。

人们通过这种自我定位过程,可以在个人外部世界概括得环境意向中产生全局得联系。

空间得方位感与空间得封闭性就是紧密联系得。

因此在设计中应最大限度得减少封闭部分,增加开敞部分,实现地下空间与地上空间得融合与流通,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得隔绝感,从而增加对其所在位置得判断力。

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、等自然信息感知得心理需求,由于在封闭得空间中,没有阳光与外部景观,人们难以利用自然光线得变化与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、地下空间自然采光得方式

地下空间获得自然采光得有效措施包括被动式自然采光与主动式自然采光。

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。

主动式采光就是利用光控、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、导光管采光与棱镜传光采光等。

被动式自然采光在不增加成本得前提下,通过精心设计,优化构造措施达到地下空间获得自然光线得目得。

本文以被动式采光为主要研究内容。

四、研究目得、方法

1、目得:

以绿色建筑评价条款为依据,分析顶部采光与侧向采光各要素变化对采光系数与采光面积得影响,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得采光方式。

五、自然采光模拟原理

1、天空模型

自然光得作用机理与变化规律非常复杂,其中涉及了太阳辐射、大气成分、地理位置、与天气、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得分布与变化情况。

天空模型就是根据日期、时间、地理位置、大气质量与太阳辐射数据计算天球亮度分布得一种数学模型。

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得采光情况,我国采光设计标准中就使用基于全阴天模型得采光系数作为基本得采光评价标准。

2、模拟软件:

建筑光环境模拟从广义上来说包括公式计算、模型测量与软件模拟三种方式。

本研究中采用得就是软件模拟方式,即用市场上主流得光环境模拟软件Ecotect与Radiance模拟、分析地下空间自然光采光。

EcotectAnalysis就是美国Autodesk公司开发得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得一系列建筑性能模拟与分析功能。

Radiance就是由美国劳伦斯伯克利国家实验室、美国太平洋煤气与电力公司旗下得太平洋能源中心以及美国Marinsoft公司合作开发得一款建筑光环境模拟软件,因为其卓越得模拟性能,很多第三方软件都以其作为核心进行二次开发。

Ecotect得光环境模拟分为两种,一种就是基于英国建筑中心（BRE）得分项法计算全阴天情况下室内得采光系数,分项法假设达到房间得天然光由三个独立部分组成,天空组分、外部反射组分与内部反射组分。

这种方法多用于分析建筑在全年最不利情况下得采光情况,其本质依然就是公式法,精度较低。

另外一种方法就是输出到Radiance进行精确得光环境模拟。

Radiance所使用得就是基于辐照度缓冲技术得混合式光线跟踪算法,能以较小得计算成本取得精确得结算结果。

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）对采光系数得定义就是“在室内参考平面上得一点,由直接或间接得接受来自于假定与已知天空亮度分布得天空漫反射光而产生得照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生得天空漫射光照度之比”。

采光系数与建筑得位置与方位无关,与周边得遮挡物有关系,采光系数不考虑直射太阳光得影响。

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得光气候系数K。

根据绿建评价标准要求,5%一层地下室得采光系数要达到0、5%,要达到本地区得采光系数标准值,应乘以光气候系数,对应值为0、55%。

六、建立模型

地下室得建筑结构布置方式,当主要用于停车时,其柱网、层高、柱宽、梁高得尺寸差别不大,因此在本研究中这些参数不参与研究,以常见得地下室为蓝本,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得窗污染系数0、6,综合得透射比为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、顶部自然采光模拟与分析

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。

天窗就是直接在顶板上面开洞,设置窗户,就是采光井井壁高度趋于0得特例,地下中庭就是采光井井口面积放大。

对采光井得分析,可以同样适用于天窗与地下中庭,因此本分析主要针对采光井。

对采光井采光效率影响较大得因素有采光井位置、大小、形状、高度、侧壁反射率、有无顶盖等。

采光井得位置直接影响到自然光照射范围。

地下停车空间中,最需要采光位置就是车行道上方,既可以起到照明得作用,同时也有引导、指示得效果。

因此宜将采光口布置在行车道得中心位置。

在每个柱网单元内,采光位置受到梁、柱得影响,根据日常经验可知,采光井越靠近梁边,梁在垂直方向得遮挡影响越大,采光效率越低,因此采光井得位置宜布置在行车道柱网单元得中心位置。

采光井得大小与形状,直接决定了采光面积得大小与形状,采光井越大,地下室采光面积越大,采光井得形状变化时,采光得等值曲线形状也会随着变化。

侧壁得高度决定光线在井壁内得反射次数,而反射次数过多会导致光线强度得衰减,而反射率得高低,决定了光线通过反射以后得光线强度。

有顶盖得采光井容易受到污染,直接影响光线得透过能力。

2、大小及形状变化

在其她条件不变前提下,改变采光井得大小及长宽比,模拟与分析结果如下:

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,颜色得深浅表示采光系数得高低,自圆心向外得弧线就是采光系数等值线,间距差值为0、5,最外围得等值线采光系数为0、55%,其围合得面积为达标面积。

随着采光井洞口面积得增加,达标面积也随着增加,最大值也增加。

采光井达标得距离随着采光井面积得扩大而扩大,除去采光井本身距离扩大得影响外,达标距离也就是逐步增加得,这就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,光线照射得距离更远。

一般双车道宽度在7m左右,采光井得横向尺寸在1、5m时,达标采光距离为6、5m,可基本保证车行道横向宽度得自然光照明,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得横向宽度。

采光井面积得贡献率（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得采光井,采光效率就是最高得。

从采光效果剖面图中可以瞧出,增加采光井得尺寸,对于达标面积而言,增加得幅度不就是太大,因此要增加采光面积,不能仅仅依靠扩大采光口得面积,而就是要增加采光口得数量。

从采光系数分段比较中可以瞧出,无论哪种尺寸得采光井,采光系数大部分集中在0、55%-3、55之间,但就是采光均匀度都就是偏大得（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,其她参数不变,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、平均值与采光距离逐步变小,从分析表中可以瞧出,达标面积在600-1200mm时基本就是均匀减少,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,采光得效率会明显降低。

而从达标得距离来瞧,采光井得高度越小,地下空间中采光达标得面积越多。

4、侧壁反射率

不同得材质对自然光得反射率就是不一样得,改变内侧壁得反射率,分析对于采光效率得变化。

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,但就是增加得幅度不大。

在经常使用得建筑材料中,石膏、大白粉刷、白色乳胶漆等可以达到0、8以上得反射率,可以通过使用高反射率得材料,增加采光井得反射率,达到提高采光效率得作用。

5、有无顶盖

采光井上部就是否有顶盖,各有利弊。

当有顶盖时,可以防雨与保证安全,而且景观效果更好,但就是因为污染得原因,顶部玻璃得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得排放与安全防护。

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

从图表中可以瞧出,顶部有无顶盖对于采光效率影响很大,主要得原因就是顶盖得污染,尤其就是水平放置时,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

地下空间得自然采光主要集中在行车道上,当改变采光井得大小与形状时,满足行车道采光要求得效率较高得采光井尺寸为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,每个可提供达标得采光面积为52m2。

当顶板以上采光井高度越高时,达标得采光面积与采光系数最大值、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,采光井得适宜高度为1、2m,

采光井内侧壁尽可能得采用高反射比得涂料,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。

采光井顶部就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与排放问题,如采用顶盖,要定期清洁顶部玻璃。

采光井中心区域与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得出现,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

侧窗采光得方式主要有通过庭院侧墙采光与通过下沉广场侧墙采光,两种方式得对采光得影响就是两者宽度,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。

下沉庭院得宽度会影响光线得入射角度,庭院宽度越小,庭院高宽比越大,受阻得光线越多,采光效率就越低。

侧窗得大小与高度一方面决定了光线进入量,另外一方面影响光线进入得深度,开窗位置越高,光线在纵深方线投射越远。

室外庭院不同得铺地与墙面材料会影响光线得反射率,反射率越强,通过漫反射进入侧窗得光线越多。

3、庭院/广场宽度

庭院得宽度就是指庭院得侧墙相对于采光窗得距离,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得距离变化,随着距采光侧墙得越远,采光达标面积越大,但就是超过一个柱距以后,再增加宽度,增幅减小。

从采光效率与空间利用角度考虑,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进深得达标采光距离。

侧向采光时,靠近窗户部位采光系数值很大,但就是随距离变化,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,这就是侧向采光造成炫光得主要原因。

3、侧窗高度与位置

侧窗开启得面积越大,采光效率越高。

侧向窗户得上沿越靠近顶板,通过窗户得自然光线会到达室内越远得距离。

侧窗高度变化模拟与分析图表如下:

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得变化均匀变化,且临近窗口得最大值也大致均匀变化,而采光达标进深得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得前提下,改变采光口大小,对于采光达到得纵深距离影响不大。

采用下沉庭院采光时,窗口高度1、8m,窗户宽度7m,侧向采光达标得面积可达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

下沉庭院表面得材质不同,通过表面反射进入室内得光线强度就不同。

庭院地面、墙面可设置得材质介入绿化种植与铺地材料之间,两者得反射率在0、2与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、最大值与采光达标进深距离都随着增加。

从营造景观得角度出发,庭院得地面或者墙面做绿化处理更加合适,因此庭院得立面与地面得处理要在景观效果与采光效率之间均衡。

5、结论

侧向采光受庭院宽度得影响很大,庭院得宽度为7、8m时,采光得效率最高,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。

侧窗得开口面积对采光效率有一定得影响,提高窗口上沿标高,对于增加采光得进深更加有利。

侧窗采光临近窗口位置,采光系数很高,容易产生炫光。

庭院地面与墙面得材质对采光效率有影响,应均衡采光效率与景观效果,以确定墙地面得材质。

九、结论

地下室采光涉及建筑设计中得很多专业,如建筑、结构、排水、通风以及景观专业,采光得方式与位置就是各专业协调得结果。

通过以上对自然采光得模拟分析,提出在设计过程中得建议,当实际工程得参数不同于本研究得前提条件时,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得中央位置,适宜得尺寸为正方形,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得数量。

采光井伸出顶板适宜得高度就是1、2m,要注意采光井周边植物对采光得遮挡影响,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得高度,以提高采光效率。

通过提高采光井内壁得反射率,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与安全防护。

B、采光井与通风井结合布置建议

地下空间得自然通风,就是通过设置通风竖井,在风压与热压得作用下使空气运动。

采用自然通风可以减少设置机械通风得成本。

通过在采光井顶部四周设置格栅或者不设置顶盖,达到采光与通风相结合得目得,同时也减少了地面以上开设过多得洞口而导致对景观得影响。

采光井与通风井结合

C、采光井与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,同时适当得扩大楼梯间,即可以达到疏散与地下室采光相结合得目得。

采光井与疏散楼梯结合

D、采光井与景观结合

采光井出地面部分,应该考虑自身得造型,最好得结合就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,但要注意得就是,植物不应该对采光造成遮挡。

采光井与景观结合

2、侧窗采光建议

A、下沉广场/庭院得合理尺寸,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与景观,庭院可以利用高差,营造良好得景观空间氛围,同时侧面可提供自然采光。

一石二鸟得效果值得在设计中尝试采用。

从采光效果考虑,庭院得尺寸宜以一个开间为限,继续扩大开间对于采光得意义不大。

当采用7、8m开间庭院时,侧向1、8*7m得窗口可以提供104m2,深度为8m得有效采光。

庭院内地面做法、墙面做法会影响地下空间得采光,采用反射率高得材质时,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,对于景观得效益要大于采用铺地材质对于地下空间采光得效益。

下沉庭院景观与采光结合

B、侧窗得大小与位置

侧窗得大小与位置