双向建筑中庭天然采光与建筑设计的研究

双向建筑中庭天然采光与建筑设计的研究彭小云华东交通大学土建学院，江西南昌330013摘要通过研究双向建筑中庭的形状、高度、面积及中庭的天窗面积、玻璃材料与中庭天然采光之间的关系，为建筑师设计中庭提供理论依据。关键词中庭天然采光玻璃中图分类号TU22文献标识码A文章编号1008193320110222604RESEARCHONDAYLIGHTINGANDARCHITECTURALDESIGNOFBUILDINGATRIUMHAVINGTWOCURTAINWALLPENGXIAOYUNSCHOOLOFCIVILENGINEERINGANDARCHITECTUREOFEASTCHINAJIAOTONGUNIVERSITY，NANCHANG330013，CHINAABSTRACTLIGHTINGENERGYCONSUMPTIONCANBESAVEDANDLIGHTENVIRONMENTISIMPROVEDBYUSINGDAYLIGHTINGINBUILDINGSSPACETHERELATIONOFDAYLIGHTINGANDARCHITECTURALDESIGNOFATRIUMSHAPE，ATRIUMHEIGHT，ATRIUMAREA，SKYLIGHTAREAOFATRIUM，GLASSSTYLEWASRESEARCHEDTHESERESULTSPROVIDEREFERENCESFORARCHITECTURALDESIGNOFATRIUMBUILDINGSKEYWORDSATRIUMDAYLIGHTINGGLASS表1中庭计算模型TABLE1COMPUTINGMODELSOFATRIA0引言边长/M半径面积/M2中庭由于具有玻璃幕或玻璃顶棚，采取措施，便能够有效地利用天然光，减少中庭照明的电能消耗，并且可以减少照明散发的热量，降低夏季空调的制冷能耗，达到节能的目的。充分利用天然采光技术，增加中庭内和中庭旁边使用房间的照度，有利于节约照明能耗，保护生态环境，减少污染。中庭的天然采光受到建筑本身构造、剖面、采光材料及内部布置，中庭的类型，中庭的采光面积，城市规划，季节变化，时间变化，天空状况的共同影响，这些都直接与中庭的建筑设计有关系。正六边形方形矩形圆形20040060014142200002449510000200001414228284173213464187741240815197798111287138238002828420000400001754815962中庭的形状选择常用的矩形、正方形、正六边形和圆形。中庭的高度分别选择12M，20M，28M，36M，44M。中庭的顶棚玻璃面积分别选择40，60，80，100，假定天窗都在中庭的中间。天窗的玻璃材料分别选择透明玻璃、透明中空玻璃、LOWE9透明玻璃、单片热反射玻璃、透明玻璃9热反射玻璃、夹层玻璃，光学性能见表2。计算方法和计算点的确定，参见GB/T500332001建筑采光设计标准。中庭的天窗假定为平天窗，天气为阴天即与朝向无关，其他的一些参数分别选择为顶棚反射系数P为075玻璃反射系数C见表2墙面反射系数Q为070洞口反射1研究条件的假定本研究仅限于双向中庭即中庭居建筑边缘，两周为房间，有两面墙为玻璃幕墙，顶棚的天窗和两面幕墙进行天然采光。为了研究中庭的天然采光效果与建筑设计的关系，本文选择了一系列的中庭进行计算分析，见表1。收稿日期20090804作者简介彭小云1970，男，江西永新人，副教授，工学博士，主要从事建筑物理环境与建筑节能研究。基金项目江西省教育厅科研课题GJJ08236EMAILPXIAOYUNECJTUJXCN系数为01地面反射系数为066，计算面高D度为09M。双向中庭除了顶棚天窗采光外，还有两侧面玻2272011NO2彭小云双向建筑中庭天然采光与建筑设计的研究表2玻璃材料光学性能90TABLE2OPTICPERFORMANCEOFSOMEGLASS90玻璃类型透明玻璃透明中空玻璃单片热反射玻璃LOWE9透明玻璃透明玻璃9热反射玻璃吸热玻璃厚度/MM光透射光反射遮蔽系数6908099612681150876351504069645190346962822203256886083璃幕墙采光，中庭的天然采光是二者的总和。因此，与建筑设计的关系相对较复杂。形，在双向中庭中占了总采光系数的主导地位。表3透明玻璃天窗400M2中庭采光系数TABLE3DAYLIGHTFACTOROFATRIUMWITHCLEARGLASS400M2/2中庭高度对天然采光的影响分析图1，2，3为透明玻璃双向方形中庭天然采光系中庭高度/M顶棚采光面积/中庭形状1220283644数随高度变化的情况，随着中庭高度的增加，天然采光系数值呈现不同的增长趋势。当顶棚采光面积为100和80时，随着中庭高度的增加，采光系数逐渐减少，减少速度减缓当顶棚采光面积为60和40时，随着中庭高度的增加，采光系数逐渐增加，增加速度减缓图1这是因为，当顶棚采光面积较小时，侧面的采光占了中庭的主要部分，而侧面采光是随着中庭高度的增加而逐渐增大表3。中庭的面积增大时，随着中庭高度的增加，中庭的采光系数逐渐下降，下降的速度也逐渐减缓图2图3为透明玻璃天窗4种形状中的变化，随着中庭高度的增加，采光系数逐渐减小，但减小的趋势减缓，下降的趋势是矩形方形圆形正六边形。406080100侧面采光406080100侧面采光406080100侧面采光406080100侧面采光1493164223162372709143616401807186951313121563219024005186008791755191512216521800208121049301471164217821868876144316681758194667210701339151516553301706180820102083113415421655176818541088142215641678176474210451214138814354381716181919682014123215801665175018331211133015001595167180196411301241132446517481842193220051330163517061747182313231325142715411598861934104411831238518方形矩形圆形正六边形图2不同中庭面积中庭天然采光系数随中庭高度的变化透明玻璃，80顶棚采光面积FIG2THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDATRIUMHEIGHTOFDIFFERENTPLANAREACLEARGLASS，80GLAZINGAREA12M高时，40和60的顶棚采光面积很小，这主要是天然光线难以到达计算点的区域。图1不同顶棚采光面积中庭天然采光系数随中庭高度的变化透明玻璃，400M2FIG1THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDATRIUMHEIGHTOFDIFFERENTSKYLIGHTAREACLEARGLASS，400M2随着中庭高度的增大，中庭的顶部采光系数逐渐减小，侧面玻璃幕墙的采光系数却逐渐增加。因此，当顶棚采光面积为60和40时，不同的中庭形状呈现不同的增长特点方形和矩形随着中庭高度的增大，采光系数也增大，但圆形和正六边形却随着中庭高度的增大，采光系数减小表3。这主要是圆形和正六边形顶棚的采光效率高于方形和矩3中庭面积对天然采光的影响分析无论什么形状，双向中庭的侧面采光系数都随着中庭面积的增大而减小，中庭高度越高，减小的速度越缓慢表4。如图4所示，随着中庭面积的增大，中庭的天然采光系数逐渐增加，增加的趋势越来228四川建筑科学研究第37卷越缓慢，中庭高度高的比中庭高度低的增加速度要慢，即增长速度是12M20M28M36M44M但不同形状的中庭增长趋势，却是圆形正六边形方形，而矩形却随着面积的增大，采光系数减小图5。这是由于，矩形的侧面采光系数占了中庭总采光系数的主要部分。图3不同形状中庭天然采光系数随中庭高度的变化透明玻璃，400M2，80顶棚采光面积FIG3THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDATRIUMHEIGHTOFDIFFERENTPLANSHAPECLEARGLASS，80GLAZINGAREA，400M2表4透明玻璃天窗不同面积双向中庭侧面采光系数80天窗采光面积TABLE4DAYLIGHTFACTOROFATRIUMVIAGLASSCURTAINWALLCLEARGLASS，80GLAZINGAREAOFSHYLIGHT/图5不同形状中庭天然采光数随中庭面积的变化28M，80，透明玻璃FIG5THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDATRIUMPLANAREAOFDIFFERENTPLANSHAPECLEARGLASS，80GLAZINGAREA，28MINHEIGHT中庭面积/M2中庭高度/M中庭形状1220283644对于玻璃材料，是玻璃透射系数大的比透射系数小的增长得快。在双向中庭中，不同的顶棚采光面积，侧面的采光系数变化是一致的，所以，双向中庭仍然遵循顶棚采光面积越大，采光系数越大的趋势。方形2004006008002004006008002004006008002004006008847094043277495134353336305184724202781220851120930664541102487675366974267263756743433022312601134980900125910889789018267427076794914383871400123211201001137212111124105386880174972854846544114701330127411621469132312261145896861770749573518465矩形4顶棚采光面积对天然采光的影响圆形分析双向中庭顶棚采光面积的增大，中庭的天然采光系数增大。中庭面积大的，随着中庭顶棚采光面积的增大，中庭天然采光系数的增大趋势略大于中庭面积小的图6。正六边形800056179320400454图6不同面积中庭天然采光随顶棚采光面积的变化透明玻璃，28M，方形FIG6THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDSKYLIGHTAREAOFATRIUMOFDIFFERENTPLANAREACLEARGLASS，SQUARE，28MINHEIGHT图4透明玻璃中庭天然采光随面积的变化方形，28M高FIG4THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDPLANAREAOFATRIAWITHCLEARGLASSSQUARE，28MINHEIGHT2292011NO2彭小云双向建筑中庭天然采光与建筑设计的研究形。图5显示，当中庭面积600M2时，方形矩形圆形正六边形当中庭面积600M2时，方形圆形矩形正六边形。图7表明，方形矩形圆形正六边形。即方形采光效率高，而正六边形的采光效率低。从表3中还可看出，侧面采光是方形矩形圆形正六边形。另外，从表3中还得到，当中庭高度28M时，采光系数是方形矩形圆形正六边形当中庭高度为20M、采光面积为40时，采光系数是方形矩形圆形正六边形，采光面积为60100时，采光系数是方形圆形矩形正六边形当中庭高度为12M、采光面积为40和60时，采光系数是方形矩形圆形正六边形，当采光面积为80时，采光系数是方形圆形矩形正六边形当采光系数为100时，则为圆形方形正六边形矩形。由此可知，当中庭高度28M时，侧面采光占据主导地位，所以呈现侧面采光的规律，即方形矩形圆形正六边形，当中庭高度28M时，由于顶棚和侧面采光占据的地位不能稳定，所以呈现出不同的规律。总之，不同平面形状的双向中庭天然采光最佳的为方形，最差的为正六边形12M高，100顶棚采光面积除外圆形和矩形之间没有一种有序的规律可循，具体设计时，应加以计算分析。随着中庭顶棚采光面积的增大，4种形状中庭的天然采光系数增大的趋势是在4060段，正六边形圆形矩形方形60100段，方形正六边形圆形矩形图7。图7不同形状中庭天然采光随采光面积的变化透明玻璃，28M，400M2FIG7THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDSKYLIGHTAREAOFATRIUMOFDIFFERENTPLANSHAPECLEARGLASS，400M2，28MINHEIGHT随着中庭的高度增大，中庭顶棚采光的面积增大时，中庭的天然采光系数增大的趋势反而减缓图8。并且，当中庭采光面积较小40和60时，高的中庭采光效果好当中庭采光面积较大80和100时，低的中庭采光效果好。6玻璃材料对中庭天然采光效率的影响分析由表5看出，不同玻璃材料，中庭的采光效率是透明玻璃透明中空玻璃LOWE透明玻璃单片热反射玻璃透明玻璃单片热反射玻璃夹层玻璃，符合透射系数越大，采光效率越高的规