照明的过去现在和未来通过数字模拟分析采光技术译.docx

1、照明的过去现在和未来通过数字模拟分析采光技术译照亮过去、现在和未来的自然光线: 通过数字模拟分析采光技术目录表格目录.p6图片列表. P7摘要. P8第一章:介绍.p1引言.p1开题讨论.p2项目目标.p3问题的意义.p4术语.p4假定.p7界定.p7局限性.p8第二章:文献的回顾 p9简介. .p9回顾历史与自然光照明技术.p9古代(公元前3000年-公元550年):埃及、希腊、罗马. p9中世纪800年(公元800年):拜占庭式、罗马式,哥特式,早期基督教. P12文艺复兴时期的新古典主义(1400 - 1700):意大利国、西班牙国、法国、英国.p15早期的美国(1400 - 1800)

2、.p17中国和日本(公元前3000年-公元1800年) . p18照明技术的进步.p19当前的采光实践. p20采光模拟技术. p22历史模拟案例研究.p26小节. p27第三章: 方法和程序 p28结构选型. p28现场考察. p31照明分析. p32小节. p34第四章: 结果 p39万神殿. p40圣彼得大教堂. p40联合教堂. p43朗香教堂. p43北基督教堂. p45普渡大学太阳能十项全能竞赛的房子. p46第五章: 结论和建议 p47参考文献. p48附件. p51附录a. p56附录b. p67摘要2011年8月 普渡大学 VanZee,丽莎M.F.A.照亮过去、现在和未来:

3、通过数字模拟分析采光技术采光一直在整个历史上作为主要光源用于建筑结构。在这项研究中,各种历史建筑在整个历史上进行了日光的影响的分析。运用自然光的优势和劣势,在美学上和物理学上,这极端之间的钟摆覆盖了整个几十年的建筑设计。然而，随着工业上的可持续设计实践的蓬勃发展,采光再次成为一个有价值的光源。这个论文项目的目标是解决过去和现在的结构，和涉及到未来的结构中，如何利用自然光作为一个有效的照明解决方案。通过分析外立面系统、开窗法设计、室内空间和建筑定位、过去和现在的结构，可以帮助提供一个完整的画面，这个画面包括了的成功和不成功的采光的照明的解决方案。分析是通过视觉研究和软件分析来完成，确定室内日光渗

4、透以及过去的采光方法可能是可行性，为当前的建筑和室内空间提供设计参考。第一章:介绍自然光线已经使用在历史上作为主要光源建筑结构。在这项研究中,各种各样的重要历史建筑结构都分析在日光的影响方面,它被定义为自然光线, 结合阳光、大气和地球上反射。随着电的发明，采光有了第二手来源如人工光源，可以创建不管什么外界的结构条件的氛围空间。运用自然光的优势和劣势,在美学上和物理学上,这极端之间的钟摆覆盖了整个几十年的建筑设计。然而，随着工业上的可持续设计实践的蓬勃发展,采光再次成为一个有价值的光源。它是一个对环境影响最小资源,是完全免费的,并且如果能有效地控制建筑居民可以产生最大的影响。可持续性设计被定义为

5、满足现在人的需要，不损害后代人满足其需求的能力,或使用方法,系统和材料,这将不会耗尽资源或伤害自然周期。随着对可持续发展环境的关注正在上升,公众对全球气候变化的关注, 能源消耗,人类的健康和人类的完好生存问题遭到质疑。设计和施工领域正在受到创造优越性能结构的挑战,因为建筑在美国独自负责38的二氧化碳排放,用电量的71, 能源消耗的39,12的用水量, 40非工业化的浪费(2007年USGBC)。减少建筑环境对自然环境的负面影响，聚焦在许多行业和组织者身上,因为有好几个区域内有建筑构建过程,仍然需要不断的改进和探索新的技术。这个区域的重点之一是采光和照明减少能源消耗。决定在设计照明结构可以对居住

6、者的健康和幸福,以及减少能源使用和能量消耗产生影响。因为自然光照明是一个免费资源,最终能够有效地控制,将提供最可持续和节能解决方案。一个潜在的方法去研究自然照明解决方案的有效性是审视历史设计实践,并将这些理念转化为当前项目，从而，利用历史可持续发展实践作为参考。开题讨论（p14）本文的项目的目标是解决过去和现在的结构,与未来的结构，如何有效的利用日光作为一个照明解决方案。分析具体的历史建筑结构和采光的仿真模型当时使用为在未来设计中有效的利用日光提供了一个框架。为本研究选定的结构分析如表1所示。宗教建筑项目的重点,基于他们的历史和建筑的意义。选择了宗教建筑是因为世界各地众多的宗教建筑可以用在多个

7、时期, 基于照明，它的结构趋向神圣的方面或空灵的品质。表1:选择结构分析. 名称年代地理位置图片Pantheon神庙公元137年罗马,意大利圣索菲亚大教堂公元537年伊斯坦布尔,土耳其圣彼得大教堂1546年罗马,意大利联合教堂1906年芝加哥,伊利诺斯州朗香教堂1955年龙尚，法国北基督教堂1963年哥伦布市，印第安纳州普渡大学太阳能十项全能竞赛2011年西拉法叶，印第安纳州项目目标本研究有三个主要目标。第一个目标是分析重要的历史建筑采光潜力,相对于地理位置、建筑朝向、气候、和日照几何学。第二个目标是在每个建筑结构用采光系数指标来衡量确定有多少室内日光穿入。第三个目标是利用采光的方法分析过去的

8、历史建筑会对当前的建筑和室内空间确定切实可行的设计方案。基于第二个目标的指标，过去的历史建筑结构对比目前的标准和措施的数量和质量。问题的意义可持续设计在考虑照明解决方案,主要的目标是充分整合采光和电动力的问题,既能减少能源使用和维护居住者满意的对健康、舒适和性能的满意度(2007年USGBC)。主光源应是自然光线,这需要有能力有效的,灵活和动态的,与和不同气候建筑工地有关的，对自然光线控制。采光的使用并不局限于仅仅是空间的照明, 但也有直接影响住户和建筑能源使用。因此,一个有效的采光解决方案必须满足这些所有区域的需求,除了适应全球范围的气候条件,不同的地理位置,和可用的日光的数量和质量。然而,

9、光的问题不仅仅判断光的数量和质量,如涉及额外的变量(即设计,颜色, 闪耀、眩光、热增益等)。当前的方法来评估日光前设计阶段的建筑项目是广泛的,而不是标准化的也不规范。有效地研究采光方法,计算机仿真模型需要开发过去和现在的结构。本研究旨在分析和报告六个历史建筑采光措施,将这些技术应用到当前和未来的结构。术语（p16）昼光系数：用于表示室内照明的一种方法。由于昼光是随时间变化很大的一个量，所以常用室内一点的照度与该处室外一点在同时的照度之比来表示(室外一点是指受天空的半球及其随附近的建筑物等处来的光，但除去了日光直接照明的部分)。若除去了其中其他物体的反射光的采光系数称为“天光因数”。户外阳光代表

10、100%,内部的任何因素将是一个百分比,即10%是穿透室内的光量。扩散:该词描述分散的光分布。指的是散射或柔和的光。昼夜平分点:当太阳一年在天球赤道穿过两次,这时日夜的长度大致相等, 发生在3月和9月,这是春分或秋分。外观:建筑的外观,特别是主要外立面。开窗法:外观或结构的开口,包括数量,布置和门窗的比例。英尺荧光:物体表面的一个照度单位,从统一的点光源出发的一英尺的每个地方,等于一个流明平方英尺。表2为通用值范围。表2: 一般的室内活动区的IES照度值活动区英尺荧光范围黑暗的公共空间环境2-3-5简单的取向短临时访问5-7.5-1010-15-2020-30-5050-75-100100-1

11、50-200200-300-500500-750-10001000-1500-2000全局照明:全局照明模拟在一个区域漫射光多次反弹,直到完全吸收。照度:光度术语，即一个物体表面或平面的光的数量。照度通常被称为光等级。它是表示为流明每平方英尺(英尺荧光)或每平方米的流明 (照度)。低能电子衍射:在能源与环境设计处于领导地位。流明:一个来自光源的光的数量的计量单位。亮度:一个光度学术语，即一个主光源或一个被照亮的表面反光的效果。它是表示为英尺朗伯(英语单位) 或烛光每平方米(公制单位)。勒克斯: 国际单位制(SI)照度的单位,指的是光的强度。一个勒克斯等于一个每平方米流明。1勒克斯= 0.093

12、英尺荧光。(圆屋顶顶点的)圆孔:天花板的圆形入口,在顶部设计最大化穹顶直接和间接的引入阳光。夏至: 太阳离天赤道的距离最远时的两次中的任何一次。北半球夏至是6月21日，太阳在北回归线的顶点；冬至是12月21日,当太阳在南回归线顶点。夏至是一年中最长的一天,冬至是最短的一天。可持续性:可持续性设计被定义为在不损害后代人满足其需求的能力,或使用方法,系统和材料,不会耗尽资源或伤害自然周期的条件下，满足现在的需要。USGBC:美国绿色建筑委员会。假定（p19）这个项目的第一个假定是,所有设计和照明条件不被定义,本研究假定读者熟悉建筑历史史实和室内照明条件。第二个假定为这个项目历史建筑利用日光作为主要

13、光源。第三个假定为这个项目是历史建筑所需的光照量(footcandles)可以和今天一样。另外,在测量单位为在美国标准单位,即使用footcandles 而不是lux(度量标准)。第四个假定是,计算机模型表示为精确的，匹配物理特征,依据有效的信息。规模来自文献和研究,并被认为是正确的。界定这个项目的主要界定是缺乏旅游能力去主要的历史建筑地点。由于时间和资金的限制, 项目过程中的一个国际旅行是不可行, 每个建筑的选定从而减少现场研究。两个国内结构包括在物理分析,而国际结构通过出版物、照片和虚拟表示形式进行分析。日光研究,进行了现场天气模式定界、季节性变化和每天的时间符号。一个能够全面的研究分析在

14、一年时间内结构光影的变化,从而考察许多潜在的天气模式、季节性变化和一天的不同时间的变化。就其本身而言，项目仅限于分析在一系列选定的时间内的所选结构现场，与先前被应用于结构的统计数据，弥补各种各样的影响，这不在研究范围内。硬件计算资源是这个项目的界定。最终的输出的分析和模拟需要大量的时间和计算机内存去完成。过多的渲染和计算时间限制大量的数据进行分析,以及大量的限制因素,将可以输入的进行日光模拟。局限性这个项目的主要的局限性是软件计算和模型的复杂性。在计算分析时主要的时间超过了最初的计划的时间,和有限的数量分析,可以执行。一个典型的渲染在可用的计算机硬件和软件花了大约五天时间, 直到完成才还能察看

15、。因此,任何需要调整或者错误另一个五天的渲染时间修正。为了计算日光分析其在整个建筑容积数据(不仅仅是一个二维切片通过结构在指定高度)花了约两天的时间计算。同样,任何错误或的调整必须花费额外计算时间重新计算。附加信息的缺乏关于软件支持也是一个局限性, 因为作者没有应用于项目分析软件的经验。因此, 当故障排除错误的时候，有额外的时间学习软件,和有限可用的资源。第二章:文献的回顾（p21）简介采光建筑和室内设计领域一直是一个重要的问题,因为通过建造一个建筑它会影响多个领域,包括功能，空间组织,居住者的舒适度(包括视觉的和热量的),结构元素和能源消耗(2006年，Li,Wong等人)。在当今社会,采光

16、被认为是可持续建筑的一个重要方面,尽管很难去评价其质量和数量(2006年，莱因哈特和菲茨)。利用采光可以提供很多益处,主要的一点能够节约是电气照明,从而减少能源消耗。反过来,使用采光可以提高居住者的满意度,因为它提高生产力和健康度。其他好处包括通风能力、紧急出口、和通过使用窗户的可视的救援，连接了居住者和自然。(基本绿色建筑基础：设计) 回顾历史与自然光照明技术为了分析自然光和电灯,研究光资源的发展历史和古代文明运用其方式、控制、产生光是至关重要的。电灯才可以追溯到大约过去的一百年里, 这是一个极短的时间内相比文明的时间表。早期的人们在可视是自然光线下计划他们的活动,和学习建造结构为了最大化自

17、然光线的有效性( 2005年，永采科技)。古代(公元前3000年-公元550年):埃及、希腊、罗马（p21）古代,时间随着文字的发展流下印记,包括从埃及、希腊和罗马的设计,这些设计以许多西方未来的发展为基础 (2002年，哈伍德等)。埃及的气候是炎热的,所以结构抑制光和热。建筑包含很少的门窗,这些门窗一般是较高和矩形形状。窗户安置在高墙上,高的圆珠屹立在多柱式建筑的大厅的中间，让光线从天窗窗户穿透的中心结构,如图1所示。图1:帕特农神庙建筑的大厅内楼梯通常被允许光线进入的塔内的细缝点亮。此时的人工照明由托盘和威克斯石油和由扭曲的植物与动物脂肪制成的火把组成(2002年，哈伍德等)。希腊建筑利用

18、有高天花板和圆柱的大型室内空间, 允许光渗入。光轴(或采光井)旨在穿透多个楼板(2008年，阿伯克龙比)。在克诺索斯宫殿就是这样一个结构,包含打开房间和露台,一个圆形的球场,一个提供自然光的采光井。三个部分可用看到如图2所示。图2:在克诺索斯宫殿在皮洛斯，迈锡尼（希腊南部古城）宫殿,一个正厅内(或大房间)有一个炉上面中央凸起部分的的屋顶结构,也提供通风和间接光进入从上面。希腊庙宇通常大型的神或女神雕像感到荣幸,这些雕像面朝东方和可以被早晨的太阳照亮。其他利用自然光线的技术,很明显在万神殿和宙斯神庙,倒映池被放置在雕像的前面。这样被认为光线从池中反映到雕像上。希腊建筑结构往往是围绕一个中心院子,

19、这个院子是提供休息的空间。外部的房间通常是没有窗户的,只有一扇打开的门会允许光线进入。然而,阳光在希腊是如此的明亮,以至这个单一开放空间为日常生活工作提供了足够的光(2008年，阿伯克龙比)。在罗马，万神殿是最著名的罗马寺庙之一。一个圆孔,一个圆形开放的天花板,顶部的圆顶结构允许自然光线进入,并为寺庙提供的主要光源。宗教建筑开口通常的目的是在高的结构内强调神圣的特点和直接的聚焦在上面。万神殿作为一种建筑设计整体照明不是被圆孔照亮, 在以后的结构没有发光效应像圣索菲亚大教堂,像彼得威尔金斯提到的一样(2001年，威尔金斯)。相反,从圆孔进入室内的光线集中成为一束光,这是最有效的强烈的阳光,如图3

20、和图4所示。图3:万神殿图4:万神殿的阳光 人工照明在这个时候包括火把、蜡烛,灯具提供最小限度的光(2002年，哈伍德等)。然而,其他内部像罗马澡堂是宽敞的窗户允许大量的自然光线, 鞭辟入里的地方比希腊人的空间光线更加强烈(2008年，阿伯克龙比)。罗马家庭可能包含几个外部窗口,但许多由中部的中庭照亮,中庭利用房顶采光井的形式(屋顶中央打开)如图5所示。尽管许多房间还没有窗户,最终那些有窗户使用窗口玻璃,是罗马人的发明。图5:罗马房顶采光井中世纪800年(公元800年):拜占庭式、罗马式,哥特式,早期基督教早期基督教建筑首先占领了黑暗,地下墓穴。当宗教成熟,教堂建筑兴盛,狭窄的过道里,光线从顶

21、部的窗户穿透出来(2008年，阿伯克龙比)。其他早期的基督教堂使用一个集中的方式,穹顶中心柱被天窗照亮。马赛克拼花构建在教堂的玻璃,不均匀增强的光反射和和赋予建筑结构闪光点,神圣的感觉(2002年，哈伍德等)。圣索菲娅是这个时期最伟大的拜占庭教堂。四十窗口填满了穹顶,允许光线进入,窗户被放置在的鼓穹顶上,穹顶似乎漂浮在开放空间,如图6所示。中央空间非常明亮,空间依次变得黑暗和模糊。这个时期的窗户往往很多,由玻璃或汉白玉组成(2002年，哈伍德等)。图6:圣索菲娅大教堂在这个时间内人工照明是非常重要的,尽可能多的教堂服务在早上和晚上。蜡烛和油灯提供光线,添加了内部材质纹理和马赛克拼花一个忽隐忽现

22、特征的内部特征(2008年，阿伯克龙比和惠顿)。罗马式设计运动复兴在石雕塑元素,和门窗通常是圆形的和一样大的建设是被允许的(2002年，哈伍德等)。在这个时期末期彩色玻璃开始出现之后,并将成为一个重要的照明美学，但只有在交叉拱或中殿肋状拱顶使用。其他窗口开口透露的厚结构建筑,通常深开口。图7:达勒姆大教堂逐渐的，罗马式发展成哥特式风格,建筑框架允许大的开窗,最终营造了大教堂的神圣的光线和神秘体验 ( 2002年，哈伍德等)。随着建筑结构通过新的施工技术变得越来越高，就好像教堂到达天堂和自然光线的来自天上加强了这一神圣概念。尖拱券代替了圆拱窗,彩色玻璃有了窗饰和圣经场景的改善。光不仅用于照明,还

23、通过彩色玻璃讲述宗教的故事。大玫瑰窗装饰外墙或教堂的十字型翼部面前,另外窗口纹饰增多,包括三叶饰，四叶饰或五瓣饰设计。窗户通常由两个垂直的玻璃板组成。光与影在大型垂直广阔的大教堂，彩色玻璃华丽的装饰配合窗户的大小，能够不断变化体验，如图8所示。然而,教堂内部仍相当黑暗因为丰富的彩色玻璃过滤看了光线,最终的设计转移到包括更多灰色或白色玻璃的窗口,允许更多的光进入(2002年，哈伍德)。火光和火把继续提供大多数人造光,还有几个蜡烛或灯具。图8:沙特尔大教堂文艺复兴时期的新古典主义(1400 - 1700):意大利、西班牙、法国、英国随着文艺复兴运动在欧洲各地的兴起,各种设计的变化改变了自然采光。在

24、意大利,窗户和门是拱形或矩形,许多建筑结构把庭院列入在在地面计划内,允许更多的光进入和更开敞。然而,一些地理位置,就像罗马和佛罗伦萨,不提倡大面积开窗，因为明亮的太阳,提倡的庭院和柱廊取而代之(2008年，阿伯克龙比和和惠顿)。许多建筑物夜里和白天仍保持相当黑暗的,百叶窗和遮阳篷阻止来自太阳的光和热。蜡烛和火光成为大多数国家的夜间照明的主要来源。图9,罗马的圣彼得大教堂是意大利文艺复兴时期最著名的建筑之一。它是建立在一个大规模古典式柱形之上。该建筑始建于1506年,但没有完成,直到将近一百二十年之后, 通过巴洛克式的运动圣彼得大教堂摆脱了早期文艺复兴时期的束缚(2008年，阿伯克龙比和惠顿)。

25、图9:圣彼得大教堂因为不同的建筑师参与和建设的时间跨度, 圣彼得大教堂在一个结构中体现许多时间期间采光技术。圣彼得大教堂内一个允许光线进入的丰富多彩的窗户,经常出现的一束日光给空间增加了一种空灵感。日光反射通过大规模的内部反射 ,和覆盖表面镀金材料反射。西班牙建筑设计时考虑到炎热的天气,很多窗户小或铁格栅覆盖它们。因为气候条件和充足的光和热,建筑试图减少光在室内空间的渗透。这些技术在摩尔人的建筑,和后来的美国西南部还可以看到。法国建筑包含的大窗户,达到最大室内的采光效果,同时运用老虎窗 (窗户设置垂直成一个从斜面屋顶突出的三角形)。法国教堂的窗户在这个时候包括大面积,圆顶,窗饰和染色玻璃(20

26、02年，哈伍德等)。英国文艺复兴时期利用大型矩形窗户,凸窗口和凸肚窗也同样使用。在这个时期,玻璃是昂贵的，所以许多建筑物使用布或帆布覆盖在窗户的开口处。这促使其他建筑使用被编织在一起的有菱形图案玻璃窗格,而一些玻璃被画上花纹或染色。在英国抑制寒冷的主要动机是遮挡窗户,然而由于有限的阳光所以窗户大，如图10所示。图10: 哈德威克大厅早期的美国(1400 - 1800)(P29)美国早期的设计是由气候和环境条件决定, 也有一些来自欧洲的影响。在早期美国的这个时期,美国人也都集中在建设他们像诗歌里敬拜的地方住宅环境,因为没有许多具有重要历史意义的地标。窗户的窗框的风格,窗玻璃由木材或在一个对角线模式中含钢条分隔,见图1