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周書(shū)兵，王永超，葉曉青，劉彬

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

 [摘要]通過(guò)對(duì)典型項(xiàng)目的平面布局分析，總結(jié)了重慶地區(qū)居住建筑中常見(jiàn)的凹槽形式。建立典型臥室模型，分析了不同尺寸和不同形式的凹槽對(duì)臥室采光的影響，得出凹槽中外窗的水平可見(jiàn)天空角度與室內(nèi)采光系數(shù)的關(guān)系，并給出凹槽中的房間自然采光設(shè)計(jì)建議。

 [關(guān)鍵詞]居住建筑；凹槽；自然采光；設(shè)計(jì)參數(shù)

0  引言

 重慶地處中國(guó)西南部，三面環(huán)山，溝壑縱橫，地貌以丘陵、山地為主，坡地面積較大，有“山城”和“霧都”之稱(chēng)。重慶年日照時(shí)數(shù)1  000—1 400 h，日照百分率僅為25%~35%。按照GB 50033-2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（后文簡(jiǎn)稱(chēng)《標(biāo)準(zhǔn)》），重慶位于我國(guó)光氣候分區(qū)的V類(lèi)地區(qū)，光氣候系數(shù)為1.2。《標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)住宅建筑的臥室、起居窒（廳）的自然采光作了強(qiáng)制要求，并給出了方案設(shè)計(jì)時(shí)用于估算采光的房間窗地比限值。對(duì)于重慶地區(qū)，居住建筑的臥室、起居室（廳）的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為2. 4%，相應(yīng)的窗地面積比為1/5。

 由于重慶地區(qū)用地緊張，小區(qū)內(nèi)多見(jiàn)高層，同時(shí)為了節(jié)地，使得高層戶型設(shè)計(jì)十分緊湊，因此高層建筑設(shè)計(jì)中很難避免出現(xiàn)影響采光的凹槽。隨著人們的生活水平提高，對(duì)室內(nèi)自然采光的要求也不斷增加，近年來(lái)多有投訴事件。初步估算，若要完全滿足《標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)各類(lèi)房間的采光要求，約要增加20%~30%的用地。本文通過(guò)對(duì)重慶地區(qū)實(shí)際項(xiàng)目中凹槽類(lèi)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立典型凹槽模型進(jìn)行理論計(jì)算，得出典型凹槽自然采光設(shè)計(jì)參數(shù)，為建筑設(shè)計(jì)提供參考。

1  主要凹槽類(lèi)型及其外窗采光能力指標(biāo)

 依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，采光系數(shù)是基于全陰天模型計(jì)算而得到的，全陰天即天空全部被云層遮蔽的天氣，此時(shí)室外天然光均為天空擴(kuò)散光，其天空亮度分布相對(duì)穩(wěn)定，天頂亮度為地平線附近亮度的3倍。

 基于全陰天模型的特征，建筑朝向?qū)κ覂?nèi)采光的影響可以近似忽略不計(jì)，而采光口的大小則對(duì)采光效果至關(guān)重要。基于此，為方便對(duì)凹槽采光進(jìn)行研究，定義凹槽中外窗的采光能力指標(biāo)——水平可見(jiàn)天空角度B。B表征從窗室外側(cè)中心點(diǎn)計(jì)算的水平可見(jiàn)天空的角度值，無(wú)室外遮擋盧為180°。

常見(jiàn)項(xiàng)目中的凹槽形式多種多樣，布置臥室、起居室的凹槽則相對(duì)較少。對(duì)重慶地區(qū)14個(gè)住宅項(xiàng)目的典型居住建筑標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)得到標(biāo)準(zhǔn)層中凹槽的類(lèi)型大致分為三大類(lèi)，以I型、Ⅱ型和Ⅲ型表示，其基本形式和凹槽中外窗的水平可見(jiàn)天空角度B見(jiàn)圖1所示。從圖1中可以看出，相同凹槽深度時(shí)，I型凹槽內(nèi)的臥室采光條件最好，其次是Ⅱ型，Ⅲ型外窗與凹槽開(kāi)口面呈角度布置，不利于自然采光，采光效果最差。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，位于凹槽內(nèi)的客廳和臥室的數(shù)量及凹槽類(lèi)型如圖2所示。

 分析可知，所統(tǒng)計(jì)的住宅建筑中，臥室多設(shè)計(jì)在Ⅱ型凹槽內(nèi)，數(shù)量為44個(gè)，占臥室總數(shù)的77.2%；而客廳多設(shè)計(jì)在I型凹槽內(nèi)，數(shù)量為37個(gè)，占客廳總數(shù)的62. 7%。Ⅲ型凹槽內(nèi)多為臥室，統(tǒng)計(jì)有7個(gè)，與I型凹槽內(nèi)臥室數(shù)量相當(dāng)。

2  凹槽中外窗水平可見(jiàn)天空角度對(duì)采光質(zhì)量的影響

 為了研究外窗水平可見(jiàn)天空角度對(duì)采光質(zhì)量的影響，參考《標(biāo)準(zhǔn)》附錄中的計(jì)算方法，選取一個(gè)典型的參考房間進(jìn)行測(cè)算。建筑底層房間采光質(zhì)量相對(duì)較差，考慮不利工況，計(jì)算房間位于底層。凹槽高度設(shè)置為20 m，以減小凹槽頂部開(kāi)口對(duì)計(jì)算的影響。因室外遮擋對(duì)采光的影響更為復(fù)雜，本次研究?jī)?nèi)容未考慮周邊建筑的遮擋影響。

2.1  典型房間幾何參數(shù)確定

 凹槽中布置的臥室一般較小，通過(guò)對(duì)常規(guī)戶型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定測(cè)算房間開(kāi)間為2.8 m，進(jìn)深為3m，凈高2.8 m。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，重慶地區(qū)臥室、起居室采光估算窗地比應(yīng)為1/5，對(duì)測(cè)算房間取窗寬1.2m，窗高1.4 m，窗臺(tái)高0.9 m，窗地面積比1/5。

2.2  計(jì)算方法與分析工況

 對(duì)上述I型、Ⅱ型和Ⅲ型凹槽，使用專(zhuān)業(yè)的自然采光計(jì)算軟件Daysim（計(jì)算內(nèi)核Radiance）對(duì)各種工況進(jìn)行計(jì)算，研究不同形式凹槽內(nèi)房間自然采光效果。

計(jì)算工況的選取主要是針對(duì)凹槽的尺寸和類(lèi)型的變化，其中側(cè)壁的深度考慮同步變化和不同步變化工況，其中不同步變化時(shí)I型和Ⅱ型固定其中一側(cè)為2m、Ⅲ型固定外窗所在的一側(cè)為3m，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

采光計(jì)算參考面按《標(biāo)準(zhǔn)》取距地面0. 75 m高平面，計(jì)算區(qū)域按GB/T 5699-2008《采光測(cè)量方法》選取距內(nèi)墻1m，側(cè)墻、外墻0.5 m區(qū)域。出于按照最有利的情況考慮，室內(nèi)墻面和頂棚按白色乳膠漆設(shè)置，以此計(jì)算凹槽采光指標(biāo)最低限值。玻璃及內(nèi)飾面材料光學(xué)性能參數(shù)取值具體如表2所示，模擬天空條件為全陰天。外窗考慮斷橋鋁合金中空玻璃窗，窗結(jié)構(gòu)擋光折減系數(shù)取0. 75，玻璃可見(jiàn)光透射比為0. 72，窗玻璃污染折減系數(shù)取0.9，計(jì)算得外窗總透射比為0. 486。

2.3計(jì)算結(jié)果分析

采用SigmaPlot對(duì)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同形式凹槽內(nèi)房間外窗水平可見(jiàn)天空角度對(duì)自然采光系數(shù)平均值的影響見(jiàn)圖3—圖5，對(duì)應(yīng)的擬合關(guān)系及判定系數(shù)分別見(jiàn)式(1)~式(3)。由圖可知，在分析范圍內(nèi)，不同形式凹槽內(nèi)房間外窗水平可見(jiàn)天空角度對(duì)室內(nèi)自然采光系數(shù)平均值的影響均成二項(xiàng)式關(guān)系，且判定系數(shù)均接近1，相關(guān)性顯著，擬合關(guān)系具有較強(qiáng)的規(guī)律性。根據(jù)擬合關(guān)系式，可計(jì)算出室內(nèi)采光系數(shù)平均值達(dá)到2.4 %時(shí)，對(duì)應(yīng)的外窗水平可見(jiàn)天空角度盧值I型為50.5 0，Ⅱ型為81.1。，Ⅲ型為97. 80。

3  凹槽中的房間自然采光設(shè)計(jì)建議

 通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可知，在一定范圍內(nèi)，不同類(lèi)型的凹槽中外窗水平可見(jiàn)天空角度對(duì)室內(nèi)自然采光系數(shù)平均值影響顯著。考慮到實(shí)際項(xiàng)目中，外窗采光還受到窗洞遮擋和反射的影響，綜合考慮操作性，在確定凹槽內(nèi)外窗B限值時(shí)，適當(dāng)加以提升要求。

綜上，建議臥室、起居室（廳）窗地比1/5且采用高透光玻璃時(shí)不同類(lèi)型凹槽內(nèi)的外窗水平可見(jiàn)天空角度口限值要求見(jiàn)表3。

依據(jù)GB 50033-2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，窗地面積比與采光系數(shù)平均值近似呈線性關(guān)系，外窗可見(jiàn)光透射比與采光系數(shù)平均值也呈線性關(guān)系，因此，其他窗地比工況和其他透射比外窗水平可見(jiàn)天空角度B可按窗地比和玻璃透射比變化比例進(jìn)行修正，修正后的外窗水平可見(jiàn)天空角度用B’表示，見(jiàn)式(4)。

式中：A。為窗洞口面積，m2；A。為地面面積，m2；r為外窗可見(jiàn)光透射比。

4  實(shí)際項(xiàng)目測(cè)算

根據(jù)以上分析的方法，以重慶地區(qū)典型的14棟樓進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4所示。其中每棟樓的每一類(lèi)房間按凹槽類(lèi)型僅列出了最不利的情況，統(tǒng)計(jì)了最不利情況的臥室或客廳的采光系數(shù)達(dá)標(biāo)率。表4中還列出了每棟樓標(biāo)準(zhǔn)層所有臥室或客廳的采光系數(shù)達(dá)標(biāo)率。表4中N、Nd分別為統(tǒng)計(jì)得到的各棟樓最不利凹槽內(nèi)的房間個(gè)數(shù)和采光達(dá)標(biāo)房間個(gè)數(shù)；“最不利達(dá)標(biāo)率”為統(tǒng)計(jì)得到的各樓棟標(biāo)準(zhǔn)層最不利凹槽內(nèi)的房間采光達(dá)標(biāo)率；“總達(dá)標(biāo)率”為統(tǒng)計(jì)得到的各棟樓標(biāo)準(zhǔn)層所有同類(lèi)型房間采光達(dá)標(biāo)率。

 對(duì)表4中不同類(lèi)型凹槽內(nèi)的最不利房間采光質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，I類(lèi)凹槽中房間采光系數(shù)達(dá)標(biāo)率為90.7%．Ⅱ類(lèi)凹槽中房間采光系數(shù)達(dá)標(biāo)率為15. 6%，Ⅲ類(lèi)凹槽中房間采光系數(shù)達(dá)標(biāo)率為100 %。所統(tǒng)計(jì)14棟建筑中，58. 3%的建筑所有客廳都能滿足采光要求，28. 6%的建筑所有臥室都能滿足采光要求。位于較深凹槽內(nèi)的房間無(wú)法滿足采光要求。

 從表4可以看出，所統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目中，I類(lèi)凹槽中房間采光系數(shù)達(dá)標(biāo)率為90.7%，Ⅱ類(lèi)凹槽中房間采光系數(shù)達(dá)標(biāo)率為15. 6%，Ⅲ類(lèi)凹槽中房間采光系數(shù)達(dá)標(biāo)率為100%。所統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目中，58. 3%的項(xiàng)目客廳都能滿足采光要求，28.6 %的項(xiàng)目臥室都能滿足采光要求，其他項(xiàng)目臥室合格率在70%左右；位于較深凹槽內(nèi)的房間無(wú)法滿足采光要求。

5  結(jié)論與展望

 本文通過(guò)對(duì)重慶地區(qū)實(shí)際住宅項(xiàng)目的平面布局分析及對(duì)典型凹槽內(nèi)房間采光效果的計(jì)算分析，得到了以下結(jié)論：

 1)重慶地區(qū)典型住宅平面中凹槽類(lèi)型大致分成三類(lèi)。相同凹槽深度時(shí)，I型凹槽內(nèi)的臥室采光條件最好，其次是Ⅱ型，Ⅲ型最差；

 2)研究對(duì)象中，位于Ⅱ型凹槽內(nèi)的臥室數(shù)量占比為77. 2%，客廳占比為33. 9%；位于I型凹槽內(nèi)的客廳數(shù)量占比為62.7 %；

 3)考慮外窗自身影響和操作性，建議臥室、起居室（廳）窗地比1/5且采用高透光玻璃時(shí)不同類(lèi)型凹槽內(nèi)的外窗水平可見(jiàn)天空角度口限值要求I型為51。，Ⅱ型為82 0，Ⅲ型為98。。房間窗地比和外窗可見(jiàn)光透射比與計(jì)算條件不符時(shí)可進(jìn)行折算；

 4)按本文提出的評(píng)價(jià)方法以實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)，I類(lèi)凹槽中房間采光系數(shù)達(dá)標(biāo)率為90.7 %，Ⅱ類(lèi)凹槽中房間采光系數(shù)達(dá)標(biāo)率為15. 6%，Ⅲ類(lèi)凹槽中房間采光系數(shù)達(dá)標(biāo)率為100%。所統(tǒng)計(jì)建筑中，58.3 %的建筑所有客廳都能滿足采光要求，28. 6%的建筑所有臥室都能滿足采光要求，其他建筑臥室達(dá)標(biāo)率在70%左右。

 本文給出的方法僅考慮了外窗的水平可見(jiàn)天空角度來(lái)簡(jiǎn)化分析，以便于工程快速判斷室內(nèi)采光的效果，本文提出的限值僅適用于重慶地區(qū)控制凹槽內(nèi)臥室和起居室的采光能力下限。在后續(xù)研究中，將結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)營(yíng)效果進(jìn)行分析。