（聊城市规划建筑设计院有限公司，山东，聊城，252000）
【摘 要】随着城市化进程的日渐加快，大量的城市人口涌入到城市中，使得高层建筑日渐受到人们的青睐。高层建筑虽然有效的缓解了城市土地资源有限的问题，但是也带来了高能耗问题。在建筑能耗中照明又是能耗消耗最大的一项，因此通过合理设计高层建筑，使其能够实现自然采光，能够有效降低能源消耗。
【关键词】高层建筑；自然采光；优化设计
近年来随着社会和城市的发展、用地的紧缺，高层建筑大量涌现、迅速扩张。但是高层建筑巨大的体量以及平均进深较大，产生的能耗也大、建筑平面进深较大的区域人工照明需求高、建筑立面各朝向受光不均匀，以及高层建筑外立面多采用玻璃幕墙但缺乏遮阳措施，使在室内的窗边附近区域有眩光现象等一系列问题，尤其是在高层办公建筑中这些问题更加突出。自然光绿色环保且有益于健康，充分利用自然光照明，既能减少照明所耗电能，又能改善建筑空间的生态环境，符合当今可持续发展的建筑设计自然光绿色环保且有益于健康，充分利用自然光照明，既能减少照明所耗电能，又能改善建筑空间的生态环境，符合当今可持续发展的建筑设理念及社会节能环保的发展趋势。
一、高层办公建筑自然采光研究
在我国，《民用建筑设计通则》（GB 50352—2005）、《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045-95）中规定，10层及10层以上的住宅建筑和高度超过24m的公共建筑和综合性建筑称为高层建筑。高层建筑自然采光研究，除了同建筑单体自身有很大关系外与建筑所处的地理位置也有密切联系，由于我国幅员辽阔，各地光气侯条件差别很大，所以仅采用单一的标准来衡量评价全国范围内的自然采光质量是不合理的，所以在我国共划分了五个光气侯区分别讨论。同时，由于各类视觉工作的工作精度要求不同，视觉工作也被分为五级讨论。
二、高层建筑自然采光优化设计目标和要点
（一）建筑形体优化设计
为了最大程度地利用自然光，解决高层建筑立面每个朝向所受的热辐射量差别较大、受光不均匀的问题，同时，考虑利用自然光将房屋、生活工作环境以及公共空间建造成更加健康舒适的可持续建筑环境，设计采用仿生设计手法，对建筑形体进行了扭转。设计方案以北方地区为例。建筑形体设计构思源自向日葵。因向日葵从发芽到花盘盛开之前这一段时间，其叶子和花盘在白天追随太阳阳光从东转向西。由此设计了高层建筑的结构随着太阳的轨迹扭转，这样可使建筑立面上获得更多的日照，太阳辐射过渡更为均匀，更合理地利用日光。
（二）透光天花板及阳光层设计
在建筑进深较大的空间，因光线不足导致日间人工光的大量使用。此外，由于太阳光的入射角较大，以及门窗洞口的尺寸限制，使得光线到达的进深不足，导致室内照度的不足与不均。照度在窗边较大，而经过地面和天花板微弱的漫反射后，往往衰减得十分迅速。为了解决高层建筑进深过大导致内部空间昏暗、照度不足的问题，在本设计中提出了透光天花板及阳光层的概念，即在原始高层建筑的每个楼层之间加入阳光层。阳光层由上中下 3 层组成，其上层为上一楼层的楼板底面，下层是下一楼层的天花板，中间为供光线反射的空气间层。上层材质采用抛光金属，下层天花板材质采用透光树脂，以便阳光柔和地透入。
（三）建筑立面遮阳与反光措施设计
目前，高层建筑外立面大多采用玻璃幕墙但缺乏遮阳措施，在室内的窗边附近区域，阳光直射照度过强，造成眩光现象。为了解决这一问题，在建筑立面设计上加入了铝制挡板来遮挡阳光。与一般建筑所用挡板不同的是，本设计方案中的挡板是由一个外部的遮光板和一个内部的反光板组成。遮光板和反光板带有一定角度和宽度。遮光板解决了窗边光线过曝引起的眩光现象，反光板可将光线反射引入阳光层，进而通过阳光层中抛光金属层的反射，透过透光天花板，最终将阳光引入建筑深部。
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三、研究试验论证
（一）建筑形体最佳扭转角度论证
采用Ecotect软件对建筑模型扭转角度进行仿真模拟。模拟前将 Ecotect 主要参数设定如下：分析网格为高质量MESH 网格；天空模型为CIE全云天；室外临界照度6500lx。设计将面南背北朝向的建筑在 XY 平面上以中心为旋转轴，按顺时针方向扭转，每次扭转角度为45°，这样共制成了6个计算机仿真模型用于分析。通过应用 Ecotect 分析软件仿真模拟计算，得出模型立面日均的太阳辐射量。
（二）阳光层中天花板材料选用分析论证
对设计方案中阳光层下层的天花板材料选用，从变形能力、透光率、透光效果等方面综合考虑，对准备选用的几种透光天花板材料，即透光亚克力板、磨砂玻璃、透光树脂进行了实地调研分析，得出亚克力板延性较好，但透出光线较为生硬，装饰性较差；磨砂玻璃光线最为柔和，装饰性较好，但易碎；透光树脂延性较高，光线柔和，装饰性强，而且透出的光线与人工光类似。因而确定采用透光树脂作为天花板材料。这样当太阳光间接地透过天花板射入室内时，透光树脂使阳光更为柔和，使人们即使在进度深的高层中心也能享受到柔和的日光。这既避免了日间使用大量的人工光，从而使建筑能耗大大缩小，同时又由于遮阳挡板的存在，使人们再也不用担心窗边的高温和强光了。
（三）遮光板、反光板角度和宽度论证
对设计方案中遮光板和反光板的角度及宽度的确定，是根据太阳的高度角进行观察和计算的。因太阳随着时间变化高度角也发生变化，所以将时间分段，用 Ecotect 软件模拟了太阳一年四季的入射光线路径，并选用太阳在一年中入射角最低的冬至日的光线作为分析数据，来计算遮光板、反光板的角度和宽度。
通过软件模拟分析了各时间段分段时刻的角度和宽度，以确保挡板在全年都可发挥作用。遮光板、反光板的角度和宽度随建筑的层高不同而不同。本设计方案设定建筑层高为3.6m，阳光层层高0.9 m。
（四）建筑平面照度对比论证
采用 Ecotect 软件模拟了本设计方案中建筑立面加上挡板前、后每层建筑平面的照度(模拟前将 Ecotect主要参数设定如下：工作面高度取 0.8m；分析网格120×80；天空模型为CIE全云天；室外临界照度6500lx)，并将模拟的实验数据进行分析对比，可以得知加上挡板后的建筑室内照度有明显提升，且照度均匀，既避免了窗边光线过曝的现象，又创造出了柔和的室内自然光照。
（五）论证结果分析
未经过扭转之前的建筑，在每个立面上受到的辐射量相差较大，经过扭转之后，立面的界限趋于模糊，辐射量也呈现出渐变的形式。这使得建筑立面的受光更为均匀，同时使室内各个朝向的房间均能得到良好的自然采光。通过对各模型进行比较，最终确定了受到热辐射量更为均匀、照射面积更多的 180°作为最佳的扭转角度。舒适的视觉环境要求采光均匀、亮度对比小、无眩光。通过 Ecotect 软件仿真模拟分析，明确了本设计中建筑立面加入的铝制挡板中，各时间分段点遮光板、反光板的角度和宽度，这样使光线进入阳光层的进深最大，反光板反射的光线也不会射入上层室内，室内照度明显提升、更加均匀，也避免了眩光现象。
参考文献：
[1]郑凯竞.超高层城市综合体绿色建筑技术与设计研究[D].中国建筑设计研究院,2014
[2]张文亮.建筑立面采光口的参数化设计研究[D].北京建筑大学,2013
[3]李建超.建筑设计中的自然光运用策略研究[D].南京工业大学,2013
论文作者:王远航
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年2月供稿
论文发表时间:2016/5/25
标签：建筑论文; 遮光板论文; 光线论文; 照度论文; 高层建筑论文; 阳光论文; 采光论文; 《工程建设标准化》2016年2月供稿论文;