天津市養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑采光模擬與分析

邊菁華，李　偉，劉奕杉，曹　磊

（1.天津城建大學(xué)，天津 300384；2.中天建設(shè)集團(tuán)有限公司天津分公司，天津 300070）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)老年人口迅速增加，中國(guó)已經(jīng)步入老年社會(huì)[1].機(jī)構(gòu)養(yǎng)老作為重要的養(yǎng)老方式，近年來(lái)也越來(lái)越為人們所接受[2].經(jīng)過(guò)多年的研究實(shí)踐，我國(guó)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的建筑理論研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有所發(fā)展，但仍有較大發(fā)展空間.養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑室內(nèi)光環(huán)境作為建筑室內(nèi)物理環(huán)境的重要方面，近年來(lái)得到了建筑設(shè)計(jì)者的關(guān)注.老年人由于其生理和心理的需求，對(duì)建筑室內(nèi)采光環(huán)境具有特殊的要求[3].雖然關(guān)于建筑采光的標(biāo)準(zhǔn)不斷完善[4-5]，但由于規(guī)范并未針對(duì)老年人的特殊需求對(duì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑采光作出詳盡規(guī)定，因此在此類建筑設(shè)計(jì)中缺乏有效指導(dǎo).

本文通過(guò)對(duì)天津市養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，掌握了養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑采光現(xiàn)狀和老年人對(duì)采光的需求，并通過(guò)建筑采光計(jì)算機(jī)模擬軟件探索了養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑采光設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，為編制該類建筑的設(shè)計(jì)規(guī)范提供數(shù)據(jù)支撐.

1　天津市養(yǎng)老機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)研

本文對(duì)天津市第一老年公寓、天津市北辰區(qū)愛馨瑞景園老年公寓等7所養(yǎng)老機(jī)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)研，共發(fā)放問(wèn)卷54份，其中有效問(wèn)卷為45份，問(wèn)卷有效率達(dá)到87%.調(diào)研內(nèi)容主要包括養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的建筑信息、居住老人的基本情況和行為習(xí)慣、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)內(nèi)主要空間的建筑采光情況，調(diào)研方法參照相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn).

1.1　養(yǎng)老機(jī)構(gòu)老年人行為模式

養(yǎng)老機(jī)構(gòu)內(nèi)老人根據(jù)活動(dòng)能力分為自理老人、介助老人、介護(hù)老人.不同老人的活動(dòng)能力、活動(dòng)范圍、對(duì)機(jī)構(gòu)內(nèi)空間的利用不同.自理老人身體較為健康，行動(dòng)能力較強(qiáng)，日常生活基本能夠自理；介助老人年齡較大，自身的器官衰退，心理和生理都需要幫助，往往需要助行架和輪椅等設(shè)施的幫助并由專人看護(hù).圖1為調(diào)研過(guò)程中得到的不同活動(dòng)能力的老人日間活動(dòng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和場(chǎng)所的統(tǒng)計(jì)圖.

圖1　不同活動(dòng)能力老人的日間活動(dòng)調(diào)研結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由圖1可見，養(yǎng)老機(jī)構(gòu)老人夜間睡眠時(shí)間較短，大多早上06：30左右都已起床洗漱，進(jìn)行1個(gè)小時(shí)的早間活動(dòng)后開始早餐.自理老人多在餐廳用餐，介助老人由于行動(dòng)能力有限，早間活動(dòng)和早餐多在居室內(nèi)進(jìn)行.上午3個(gè)小時(shí)時(shí)間根據(jù)個(gè)人興趣愛好會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的活動(dòng)，室內(nèi)活動(dòng)主要集中在報(bào)刊室、棋牌室、健身房（或室外健身長(zhǎng)廊）、書畫室等公共空間：有自理能力的老人多會(huì)選擇室外散步、曬太陽(yáng)（尤其是天氣晴好的冬日），此時(shí)間段內(nèi)公共活動(dòng)區(qū)域較為活躍；介助老人則多在室內(nèi)公共空間活動(dòng)，少數(shù)人在醫(yī)護(hù)人員幫助下到室外活動(dòng).由于老年人夜間睡眠時(shí)間減少，下午這個(gè)時(shí)間段的睡眠壓力較大，尤其是在炎熱的夏季，1個(gè)小時(shí)午飯過(guò)后，老人多需通過(guò)午睡補(bǔ)充睡眠.15：00-17：30的近3個(gè)小時(shí)時(shí)間為下午活動(dòng)時(shí)間，活動(dòng)空間多在以上公共空間，也有部分人會(huì)選擇在居室內(nèi)活動(dòng).晚飯后，老人多會(huì)在自己的居室中活動(dòng)，直至睡覺.介護(hù)老人多患有疾病，需躺在床上修養(yǎng)，活動(dòng)范圍更小，因此大部分活動(dòng)均在居室內(nèi)進(jìn)行.

由上述分析可見，老人的日間活動(dòng)主要集中在居室、餐廳、活動(dòng)室、健身房等公共空間，應(yīng)關(guān)注這些區(qū)域的室內(nèi)采光環(huán)境.

1.2　機(jī)構(gòu)內(nèi)建筑光環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)研分析

為了更好地研究機(jī)構(gòu)內(nèi)建筑采光效果，減少測(cè)量誤差，本文以照度計(jì)測(cè)量得到的各主要功能空間照度數(shù)值為依據(jù)，計(jì)算各主要功能空間的采光系數(shù)平均值，并與《采光測(cè)量方法》[6]中的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，來(lái)反應(yīng)機(jī)構(gòu)內(nèi)建筑采光效果.功能房間采光系數(shù)平均值計(jì)算公式為

式中：C為功能房間采光系數(shù)平均值；Ein為功能房間測(cè)量點(diǎn)由直接或間接地接受來(lái)自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而產(chǎn)生的照度，lux；Eiw為功能房間同一時(shí)刻該天空半球在室外無(wú)遮擋水平面上產(chǎn)生的天空漫射光照度值，lux；m為同一功能房間的測(cè)量點(diǎn)數(shù).

表1為所調(diào)研養(yǎng)老機(jī)構(gòu)各功能空間采光系數(shù)計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比情況.其中望園老人院的衛(wèi)生間形式為公共衛(wèi)生間，因此其采光系數(shù)數(shù)據(jù)未在表中列出.由于同一養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的臥室朝向形狀較為相似，其建筑采光系數(shù)差別較小，因此本文對(duì)于調(diào)研得到的同一養(yǎng)老機(jī)構(gòu)多個(gè)臥室的采光系數(shù)數(shù)值取平均數(shù)作為臥室的采光系數(shù)，與規(guī)范數(shù)值進(jìn)行比較.

養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑的餐廳參照GB50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范4.0.10節(jié)中關(guān)于旅館建筑餐廳的采光標(biāo)準(zhǔn).養(yǎng)老機(jī)構(gòu)中一些讀書、繪畫的活動(dòng)空間采光系數(shù)可參照規(guī)范中閱覽室的采光標(biāo)準(zhǔn)，但采光要求應(yīng)相應(yīng)降低，故取為2.0%.規(guī)范中沒(méi)有養(yǎng)老機(jī)構(gòu)中活動(dòng)室的相應(yīng)規(guī)定，由于活動(dòng)室中的活動(dòng)多不需要太高的采光要求，因此參考健身房，將采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為2.0%.

由表1可知，由于各功能空間的采光情況和規(guī)范要求不同，因此滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況也不同.其中臥室、活動(dòng)室、餐廳、健身房的采光系數(shù)較高，遠(yuǎn)超規(guī)范要求，調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)餐廳、活動(dòng)室多開設(shè)大面積玻璃窗，因此具有較好的采光效果；醫(yī)療室采光系數(shù)要求較高，有兩個(gè)機(jī)構(gòu)未能滿足要求；衛(wèi)生間受建筑結(jié)構(gòu)影響較大，臥室與衛(wèi)生間之間采用玻璃分隔的，采光效果較好，采用砌塊墻體的，采光效果較差，甚至全天都需要使用人工照明補(bǔ)充采光，因此調(diào)研中未有老人反應(yīng)采光不夠的問(wèn)題；走廊為單廊的養(yǎng)老院，走廊內(nèi)采光充足，而近半數(shù)的養(yǎng)老院走廊采光系數(shù)較低.

表1　各功能空間采光系數(shù)計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比　%

在主觀調(diào)研部分，養(yǎng)老機(jī)構(gòu)老人對(duì)建筑整體光環(huán)境非常滿意的人數(shù)占22%，選擇較滿意和一般滿意的人較多，占76%.不滿意的主要原因是由于走廊較長(zhǎng)，僅在走廊盡端開有兩扇窗，盡端較亮，走廊中間區(qū)域較暗，易形成眩光，造成老人視覺不適.調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，雖然大部分功能空間整體采光數(shù)量能夠滿足老人活動(dòng)需求，但有些空間由于開窗面積較大等原因，造成了眩光等問(wèn)題，如主要臥室、走廊等空間.

2　養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑采光環(huán)境現(xiàn)狀模擬

2.1　標(biāo)準(zhǔn)模型建立

2.1.1主要功能空間

為使模型具有更高的代表性，對(duì)所調(diào)研的7所養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的功能空間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到模型必須設(shè)置的空間.統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，臥室（標(biāo)準(zhǔn)間）、醫(yī)療室、餐廳、活動(dòng)室為養(yǎng)老機(jī)構(gòu)基本的功能空間，所調(diào)研的7家養(yǎng)老機(jī)構(gòu)均具有這些功能空間；其他的功能空間受規(guī)模、成本的影響，僅部分機(jī)構(gòu)具有.由于具有居住功能的臥室是養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的核心功能空間，且其形式較為規(guī)整，在保證模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，為盡量簡(jiǎn)化模型，降低建模難度，本文僅建立居室空間的模型，并統(tǒng)計(jì)分析其采光情況.

2.1.2空間的尺寸

由于不同年代建成的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)風(fēng)格、設(shè)計(jì)理念不同，導(dǎo)致建筑內(nèi)部空間的形狀和尺寸也有較大差異.為使得到的建筑模型的尺寸具有代表性，本文通過(guò)對(duì)所調(diào)研的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的建筑尺寸信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選取各養(yǎng)老機(jī)構(gòu)中居室空間尺寸的平均數(shù)作為該功能空間的尺寸.考慮到實(shí)際測(cè)量中的測(cè)量誤差，并結(jié)合實(shí)際建模的需要，對(duì)臥室房間尺寸進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整.統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示.

表2　建筑模型功能空間尺寸

依據(jù)以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并結(jié)合建筑的實(shí)際使用情況，添加樓梯間、公共衛(wèi)生間等空間，繪制建筑模型平面圖及三維模型（見圖2）.

2.2　光環(huán)境現(xiàn)狀模擬

美國(guó)伯克利實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的專業(yè)計(jì)算機(jī)光學(xué)模擬軟件Radianc是目前國(guó)際公認(rèn)的能夠較為精確地模擬室內(nèi)天然采光的光學(xué)模擬軟件[7-8].該軟件使用采樣及反向光線追蹤法，對(duì)光線的處理全面，涉及了直射、鏡面和漫射的非直接3種情況.為了獲得更加精確的計(jì)算結(jié)果，它設(shè)有二次光源處理部位，即采光口.同時(shí)Radiance在渲染功能上可謂十分優(yōu)質(zhì)，它可以在短時(shí)間內(nèi)用蒙特卡落的光線追蹤法得到建筑場(chǎng)景渲染圖.由于以上幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，Radianc在國(guó)內(nèi)外的建筑采光模擬研究中得到了廣泛的應(yīng)用[9].本文主要使用IES中關(guān)于采光分析的模塊Radiance IES和FlucsDL對(duì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑自然采光情況進(jìn)行模擬分析.采光分為自然采光和間接采光，本文著重分析室內(nèi)自然采光，即對(duì)直接或間接射入室內(nèi)的天空漫射光進(jìn)行模擬，因此應(yīng)選取全陰天模式進(jìn)行采光模擬.

圖2　養(yǎng)老機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)模型示意

模擬的邊界參數(shù)根據(jù)實(shí)地調(diào)研和各種關(guān)于建筑材料表面反射率資料設(shè)定[10].調(diào)研中所有養(yǎng)老機(jī)構(gòu)墻面和頂面均為白色粉刷，室內(nèi)地面多為木色紋理飾面，因此本次模擬設(shè)定室內(nèi)墻面及頂棚表面為普通白色粉刷，反射率為0.75；地面為木色紋理地板，反射率為0.36；窗為普通玻璃，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)值，透射率設(shè)定為0.75.根據(jù)建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[4]，采光參考平面取距地面0.75 m.

在Radiance IES中建立模型并賦予模型邊界條件后進(jìn)行運(yùn)算，得到標(biāo)準(zhǔn)模型的建筑采光效果.圖3為養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑標(biāo)準(zhǔn)模型居室平面的模擬等照度曲線圖，由圖3可見各空間的采光情況差別較大，基本規(guī)律都是隨著距采光口距離的增大，照度值逐漸減小.各個(gè)房間在采光口處照度值可達(dá)3 000 lux以上，而走道盡端采光口處的照度最大值為1 100 lux左右，而遠(yuǎn)離窗口位置的照度值低于100 lux.

圖3　標(biāo)準(zhǔn)模型居室采光模擬結(jié)果

采光系數(shù)和照度值能夠較好地反映室內(nèi)采光數(shù)量情況，照度均勻度則是采光質(zhì)量的重要方面，數(shù)值過(guò)大或過(guò)小均不能滿足使用的要求.通過(guò)以上3個(gè)參數(shù)即能很好地評(píng)價(jià)室內(nèi)采光情況.表3為模擬結(jié)果的具體數(shù)值.由表3可見，南向臥室各房間平均采光系數(shù)達(dá)到3.3%，平均照度為408.7 lux，遠(yuǎn)超規(guī)范規(guī)定的2%和300 lux；南向起居室由于窗地比更大，開窗面積也大，因此其平均采光系數(shù)達(dá)到3.5%，平均照度值430.9 lux，同樣超過(guò)規(guī)范要求；走廊區(qū)域雖然其平均采光系數(shù)和平均照度能夠滿足要求，但由于其空間較長(zhǎng)，其照度均勻度只有0.01，遠(yuǎn)小于其他功能空間，在窗口位置易形成眩光等問(wèn)題.

表3　標(biāo)準(zhǔn)模型居室模擬數(shù)值結(jié)果

以其中一間南向房間為例，對(duì)其室內(nèi)采光情況進(jìn)行詳細(xì)分析，如圖4所示.

圖4　南向房間采光環(huán)境模擬結(jié)果

由圖4可見，南向臥室房間整體照度較大，靠近采光口位置形成一個(gè)區(qū)域的光斑，中心區(qū)域照度值≥1 000 lux，在側(cè)墻靠近窗的位置也有兩處位置照度明顯較高，照度值≥480 lux，而采光口處的墻體照度值則在60 lux左右，形成較大反差，極易形成眩光.

3　養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑采光優(yōu)化設(shè)計(jì)模擬

由現(xiàn)狀模擬結(jié)果可知，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)模型的建筑采光數(shù)量較為充足，而采光質(zhì)量較差.由于建筑采光與外窗的形式密切相關(guān)，為減少變量，在探索過(guò)程中保持原有窗戶面積不變，在此基礎(chǔ)上改變外窗的其他參數(shù)，對(duì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑采光效果進(jìn)行優(yōu)化.將不同優(yōu)化方案的三維模型和采光模擬結(jié)果列于圖5.

由圖5可見，不同優(yōu)化策略的優(yōu)化效果并不相同.為進(jìn)一步比較，將優(yōu)化前后采光效果具體數(shù)值列于表4.

圖5　不同優(yōu)化策略采光模擬結(jié)果

表4　不同優(yōu)化策略采光效果對(duì)比

由表4可見，加設(shè)陽(yáng)臺(tái)后，雖然室內(nèi)采光均勻度提高，但其室內(nèi)采光系數(shù)和照度值急劇下降，無(wú)法滿足使用功能的要求.在保持外窗面積不變的情況下，將外窗改為雙窗，采光數(shù)量略有下降，均勻度增大.在此基礎(chǔ)上通過(guò)加設(shè)高窗、加導(dǎo)光板的措施進(jìn)一步提高室內(nèi)的采光均勻度，減低室內(nèi)照度.由表4中數(shù)據(jù)可見，當(dāng)加設(shè)0.5 m朝內(nèi)的導(dǎo)光板后，臥室內(nèi)采光系數(shù)為2.5%，與《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求數(shù)值最為接近，照度均勻度為0.13也滿足要求.

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)天津市典型養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的實(shí)地調(diào)研，了解了天津市養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑采光現(xiàn)狀和老年人的實(shí)際使用需求，建立了養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑的標(biāo)準(zhǔn)模型，結(jié)合模擬結(jié)果，掌握了養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑室內(nèi)采光現(xiàn)狀的主要問(wèn)題：養(yǎng)老機(jī)構(gòu)居室內(nèi)采光數(shù)量充足，且遠(yuǎn)超規(guī)范規(guī)定數(shù)值要求，但照度均勻度較?。火B(yǎng)老機(jī)構(gòu)走廊內(nèi)照度數(shù)值能夠滿足規(guī)范要求，但照度均勻度極低，無(wú)法滿足使用功能.

針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)改變外窗的形式，對(duì)室內(nèi)采光設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并使用軟件模擬改進(jìn)后的室內(nèi)采光效果：在外窗外加設(shè)陽(yáng)臺(tái)并不能夠改善室內(nèi)采光環(huán)境，相反會(huì)大幅降低室內(nèi)采光數(shù)量；在外窗面積不變的情況下，將外窗改為雙窗，加設(shè)高窗和導(dǎo)光板都能在保證室內(nèi)采光系數(shù)的情況下，提高采光質(zhì)量.在以上基礎(chǔ)上，加設(shè)朝內(nèi)的0.5 m的導(dǎo)光板后，室內(nèi)采光系數(shù)最接近規(guī)范規(guī)定數(shù)值，且能達(dá)到較高的照度均勻度，為老年人提供較好的室內(nèi)光環(huán)境.