重庆居住建筑凹槽自然采光设计参数研究

周书兵，王永超，叶晓青，刘彬

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

 [摘要]通过对典型项目的平面布局分析，总结了重庆地区居住建筑中常见的凹槽形式。建立典型卧室模型，分析了不同尺寸和不同形式的凹槽对卧室采光的影响，得出凹槽中外窗的水平可见天空角度与室内采光系数的关系，并给出凹槽中的房间自然采光设计建议。

 [关键词]居住建筑；凹槽；自然采光；设计参数

0  引言

 重庆地处中国西南部，三面环山，沟壑纵横，地貌以丘陵、山地为主，坡地面积较大，有“山城”和“雾都”之称。重庆年日照时数1  000—1 400 h，日照百分率仅为25%~35%。按照GB 50033-2013《建筑采光设计标准》（后文简称《标准》），重庆位于我国光气候分区的V类地区，光气候系数为1.2。《标准》中对住宅建筑的卧室、起居窒（厅）的自然采光作了强制要求，并给出了方案设计时用于估算采光的房间窗地比限值。对于重庆地区，居住建筑的卧室、起居室（厅）的采光系数标准值为2. 4%，相应的窗地面积比为1/5。

 由于重庆地区用地紧张，小区内多见高层，同时为了节地，使得高层户型设计十分紧凑，因此高层建筑设计中很难避免出现影响采光的凹槽。随着人们的生活水平提高，对室内自然采光的要求也不断增加，近年来多有投诉事件。初步估算，若要完全满足《标准》对各类房间的采光要求，约要增加20%~30%的用地。本文通过对重庆地区实际项目中凹槽类型进行统计分析，建立典型凹槽模型进行理论计算，得出典型凹槽自然采光设计参数，为建筑设计提供参考。

1  主要凹槽类型及其外窗采光能力指标

 依据《标准》规定，采光系数是基于全阴天模型计算而得到的，全阴天即天空全部被云层遮蔽的天气，此时室外天然光均为天空扩散光，其天空亮度分布相对稳定，天顶亮度为地平线附近亮度的3倍。

 基于全阴天模型的特征，建筑朝向对室内采光的影响可以近似忽略不计，而采光口的大小则对采光效果至关重要。基于此，为方便对凹槽采光进行研究，定义凹槽中外窗的采光能力指标——水平可见天空角度B。B表征从窗室外侧中心点计算的水平可见天空的角度值，无室外遮挡卢为180°。

常见项目中的凹槽形式多种多样，布置卧室、起居室的凹槽则相对较少。对重庆地区14个住宅项目的典型居住建筑标准层进行分析，统计得到标准层中凹槽的类型大致分为三大类，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见天空角度B见图1所示。从图1中可以看出，相同凹槽深度时，I型凹槽内的卧室采光条件最好，其次是Ⅱ型，Ⅲ型外窗与凹槽开口面呈角度布置，不利于自然采光，采光效果最差。

通过统计分析，位于凹槽内的客厅和卧室的数量及凹槽类型如图2所示。

 分析可知，所统计的住宅建筑中，卧室多设计在Ⅱ型凹槽内，数量为44个，占卧室总数的77.2%；而客厅多设计在I型凹槽内，数量为37个，占客厅总数的62. 7%。Ⅲ型凹槽内多为卧室，统计有7个，与I型凹槽内卧室数量相当。

2  凹槽中外窗水平可见天空角度对采光质量的影响

 为了研究外窗水平可见天空角度对采光质量的影响，参考《标准》附录中的计算方法，选取一个典型的参考房间进行测算。建筑底层房间采光质量相对较差，考虑不利工况，计算房间位于底层。凹槽高度设置为20 m，以减小凹槽顶部开口对计算的影响。因室外遮挡对采光的影响更为复杂，本次研究内容未考虑周边建筑的遮挡影响。

2.1  典型房间几何参数确定

 凹槽中布置的卧室一般较小，通过对常规户型进行统计，确定测算房间开间为2.8 m，进深为3m，净高2.8 m。根据《标准》规定，重庆地区卧室、起居室采光估算窗地比应为1/5，对测算房间取窗宽1.2m，窗高1.4 m，窗台高0.9 m，窗地面积比1/5。

2.2  计算方法与分析工况

 对上述I型、Ⅱ型和Ⅲ型凹槽，使用专业的自然采光计算软件Daysim（计算内核Radiance）对各种工况进行计算，研究不同形式凹槽内房间自然采光效果。

计算工况的选取主要是针对凹槽的尺寸和类型的变化，其中侧壁的深度考虑同步变化和不同步变化工况，其中不同步变化时I型和Ⅱ型固定其中一侧为2m、Ⅲ型固定外窗所在的一侧为3m，相关参数见表1所示。

采光计算参考面按《标准》取距地面0. 75 m高平面，计算区域按GB/T 5699-2008《采光测量方法》选取距内墙1m，侧墙、外墙0.5 m区域。出于按照最有利的情况考虑，室内墙面和顶棚按白色乳胶漆设置，以此计算凹槽采光指标最低限值。玻璃及内饰面材料光学性能参数取值具体如表2所示，模拟天空条件为全阴天。外窗考虑断桥铝合金中空玻璃窗，窗结构挡光折减系数取0. 75，玻璃可见光透射比为0. 72，窗玻璃污染折减系数取0.9，计算得外窗总透射比为0. 486。

2.3计算结果分析

采用SigmaPlot对计算结果数据进行分析，不同形式凹槽内房间外窗水平可见天空角度对自然采光系数平均值的影响见图3—图5，对应的拟合关系及判定系数分别见式(1)~式(3)。由图可知，在分析范围内，不同形式凹槽内房间外窗水平可见天空角度对室内自然采光系数平均值的影响均成二项式关系，且判定系数均接近1，相关性显著，拟合关系具有较强的规律性。根据拟合关系式，可计算出室内采光系数平均值达到2.4 %时，对应的外窗水平可见天空角度卢值I型为50.5 0，Ⅱ型为81.1。，Ⅲ型为97. 80。

3  凹槽中的房间自然采光设计建议

 通过统计分析可知，在一定范围内，不同类型的凹槽中外窗水平可见天空角度对室内自然采光系数平均值影响显著。考虑到实际项目中，外窗采光还受到窗洞遮挡和反射的影响，综合考虑操作性，在确定凹槽内外窗B限值时，适当加以提升要求。

综上，建议卧室、起居室（厅）窗地比1/5且采用高透光玻璃时不同类型凹槽内的外窗水平可见天空角度口限值要求见表3。

依据GB 50033-2013《建筑采光设计标准》，窗地面积比与采光系数平均值近似呈线性关系，外窗可见光透射比与采光系数平均值也呈线性关系，因此，其他窗地比工况和其他透射比外窗水平可见天空角度B可按窗地比和玻璃透射比变化比例进行修正，修正后的外窗水平可见天空角度用B’表示，见式(4)。

式中：A。为窗洞口面积，m2；A。为地面面积，m2；r为外窗可见光透射比。

4  实际项目测算

根据以上分析的方法，以重庆地区典型的14栋楼进行评价，评价结果见表4所示。其中每栋楼的每一类房间按凹槽类型仅列出了最不利的情况，统计了最不利情况的卧室或客厅的采光系数达标率。表4中还列出了每栋楼标准层所有卧室或客厅的采光系数达标率。表4中N、Nd分别为统计得到的各栋楼最不利凹槽内的房间个数和采光达标房间个数；“最不利达标率”为统计得到的各楼栋标准层最不利凹槽内的房间采光达标率；“总达标率”为统计得到的各栋楼标准层所有同类型房间采光达标率。

 对表4中不同类型凹槽内的最不利房间采光质量进行统计，I类凹槽中房间采光系数达标率为90.7%．Ⅱ类凹槽中房间采光系数达标率为15. 6%，Ⅲ类凹槽中房间采光系数达标率为100 %。所统计14栋建筑中，58. 3%的建筑所有客厅都能满足采光要求，28. 6%的建筑所有卧室都能满足采光要求。位于较深凹槽内的房间无法满足采光要求。

 从表4可以看出，所统计项目中，I类凹槽中房间采光系数达标率为90.7%，Ⅱ类凹槽中房间采光系数达标率为15. 6%，Ⅲ类凹槽中房间采光系数达标率为100%。所统计项目中，58. 3%的项目客厅都能满足采光要求，28.6 %的项目卧室都能满足采光要求，其他项目卧室合格率在70%左右；位于较深凹槽内的房间无法满足采光要求。

5  结论与展望

 本文通过对重庆地区实际住宅项目的平面布局分析及对典型凹槽内房间采光效果的计算分析，得到了以下结论：

 1)重庆地区典型住宅平面中凹槽类型大致分成三类。相同凹槽深度时，I型凹槽内的卧室采光条件最好，其次是Ⅱ型，Ⅲ型最差；

 2)研究对象中，位于Ⅱ型凹槽内的卧室数量占比为77. 2%，客厅占比为33. 9%；位于I型凹槽内的客厅数量占比为62.7 %；

 3)考虑外窗自身影响和操作性，建议卧室、起居室（厅）窗地比1/5且采用高透光玻璃时不同类型凹槽内的外窗水平可见天空角度口限值要求I型为51。，Ⅱ型为82 0，Ⅲ型为98。。房间窗地比和外窗可见光透射比与计算条件不符时可进行折算；

 4)按本文提出的评价方法以实际项目进行评价，I类凹槽中房间采光系数达标率为90.7 %，Ⅱ类凹槽中房间采光系数达标率为15. 6%，Ⅲ类凹槽中房间采光系数达标率为100%。所统计建筑中，58.3 %的建筑所有客厅都能满足采光要求，28. 6%的建筑所有卧室都能满足采光要求，其他建筑卧室达标率在70%左右。

 本文给出的方法仅考虑了外窗的水平可见天空角度来简化分析，以便于工程快速判断室内采光的效果，本文提出的限值仅适用于重庆地区控制凹槽内卧室和起居室的采光能力下限。在后续研究中，将结合项目实际运营效果进行分析。