導(dǎo)光管與采光天窗在建筑設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用辨析

鄭 巖 吳 江

(中國建筑技術(shù)集團(tuán),北京 100013)

0 引言

我國能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃中提出要堅(jiān)持“節(jié)約、清潔、安全”的戰(zhàn)略方針，重點(diǎn)實(shí)施節(jié)約優(yōu)先、立足國內(nèi)、綠色低碳和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)四大戰(zhàn)略，加快構(gòu)建清潔、高效、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系[1]?；厮萁陙斫ㄖI(yè)發(fā)展，高度不斷增加，地下空間不斷拓展，加之復(fù)雜形體的不斷出現(xiàn)，照明作為建筑中主要能耗環(huán)節(jié)之一，增量明顯，因而節(jié)能需求也日益迫切。

照明的節(jié)能措施眾多，天然光導(dǎo)光系統(tǒng)是其中與建筑設(shè)計(jì)本身關(guān)系較密切的一種，主要指采用各種光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)改變天然光傳輸方向，進(jìn)而引導(dǎo)天然光對(duì)建筑空間進(jìn)行照明的系統(tǒng)[2]。采光天窗和導(dǎo)光管系統(tǒng)均屬此類，早期采光天窗應(yīng)用較為廣泛，近年來導(dǎo)光管系統(tǒng)逐步普及，多被稱為取代前者的一種技術(shù)措施。誠然相比前者，導(dǎo)光管系統(tǒng)在相同照明效果下優(yōu)點(diǎn)眾多，但二者從采光原理到設(shè)計(jì)手法上均有諸多差異，屬于適用范圍不同而非產(chǎn)品迭代?；诖耍疚膹慕ㄖO(shè)計(jì)自身需求出發(fā)，談一談兩者的異同以及選用原則。

1 系統(tǒng)原理辨析

1.1 導(dǎo)光管系統(tǒng)

導(dǎo)光管系統(tǒng)工作原理是通過采光罩采集自然光線，經(jīng)過導(dǎo)光管傳輸后，由漫射裝置把自然光線照射到室內(nèi)需要的地方，如圖1所示。系統(tǒng)由屋面采光罩、防雨裝置、導(dǎo)光管和室內(nèi)漫射器四部分組成[3]。目前廣泛應(yīng)用于地下室、大進(jìn)深公共建筑等空間。

導(dǎo)光管系統(tǒng)利用自然光，光源穩(wěn)定顯色性好，節(jié)約能源，并隔絕紫外線和紅外線的不利影響。導(dǎo)光管傳輸效率高，材料全反射率達(dá)99.9%，傳輸距離最大可達(dá)20 m，還可以改變光照方向；室內(nèi)照度均勻，無眩光與頻閃。

1.2 采光天窗系統(tǒng)

采光天窗一般指建筑頂面天窗，基于建筑造型需求有各種形狀——小到民居中的老虎窗，大到公共建筑中庭的采光頂。天窗具有采光效率高、體現(xiàn)自然光影變化、與外界景觀互通、以及可設(shè)開啟扇等優(yōu)勢(shì)。近年來采光天窗的技術(shù)更新主要包括智能化控制、密封性能提升、以及玻璃材料的優(yōu)化等。

1.3 對(duì)比分析

1.3.1采光原理

采光天窗是光線的直射，與進(jìn)入建筑內(nèi)部的光線角度、范圍，開口大小，結(jié)構(gòu)和覆土的高度以及太陽高度角有關(guān)，如圖2所示。開窗寬度越大，入射范圍越大；覆土和結(jié)構(gòu)的總厚度越大，入射范圍越小；太陽高度角變化，入射光線也會(huì)隨之變化。對(duì)于導(dǎo)光管系統(tǒng)，光線經(jīng)多次折射由漫射器進(jìn)入室內(nèi)，光線照射角度與漫射器的自身性能有關(guān)，不受覆土及結(jié)構(gòu)高度和太陽高度角變化的影響。

1.3.2構(gòu)造作法

二者預(yù)留洞口的作法基本一致，如圖3所示，頂部與外界交接處需注意保溫與防水處理。此外導(dǎo)光管系統(tǒng)還需在洞壁安裝埋件，以便安裝導(dǎo)光管；室內(nèi)漫射器在安裝時(shí)還需注意與吊頂銜接，整體構(gòu)造作法更為復(fù)雜。采光天窗的尺寸、造型更靈活，洞口可根據(jù)設(shè)計(jì)需要預(yù)留，二次設(shè)計(jì)中可再次分隔并選取開啟扇。而導(dǎo)光管系統(tǒng)開洞尺寸取決于導(dǎo)光管的選擇，直徑在300 mm～2 500 mm區(qū)間[4](含安裝寬度)，開口尺寸小，對(duì)頂面的影響較小。

1.3.3采光效果

采光天窗進(jìn)入室內(nèi)的光線主要是直射，亮暗界限比較清晰，明暗差異比較大；而導(dǎo)光管系統(tǒng)是漫反射，室內(nèi)接近燈光效果，邊界柔和，照亮范圍更廣。如圖4所示地下車庫中采用采光天窗和導(dǎo)光管系統(tǒng)的效果對(duì)比，導(dǎo)光管系統(tǒng)效果更好。

2 應(yīng)用實(shí)例分析比較

基于以上對(duì)比分析，從空間、效果等設(shè)計(jì)要素出發(fā)，采光天窗主要應(yīng)用在需要通透感或體現(xiàn)光影變化的空間位置；而導(dǎo)光管節(jié)能表現(xiàn)突出，主要優(yōu)勢(shì)在于傳輸距離遠(yuǎn)且方向可調(diào)。以下分別選取常見的三類空間實(shí)例，比較二者在實(shí)際應(yīng)用中的適用性。

2.1 地下車庫中的采光天窗與導(dǎo)光管系統(tǒng)

采光天窗構(gòu)造簡單，初期投入成本低，常用在住宅小區(qū)地下車庫中。如圖4a)所示，采光天窗作為對(duì)已有照明的補(bǔ)充，也成為地下車庫與地面景觀、建筑互通的開口，兼具通風(fēng)功能；其地面開口也需與景觀結(jié)合處理。

導(dǎo)光管系統(tǒng)初期投資大，多在公共建筑中有節(jié)能要求的車庫內(nèi)采用。如圖5所示，寧夏回族自治區(qū)黨委辦公樓導(dǎo)光管系統(tǒng)采用平板采光罩，頂面與廣場(chǎng)兩側(cè)的鋪地平齊。日間車庫內(nèi)通過導(dǎo)光管系統(tǒng)采光，夜間導(dǎo)光管將車庫內(nèi)燈光引導(dǎo)到地面，作為夜景照明。

2.2 高大空間中的導(dǎo)光管系統(tǒng)與采光天窗

體育館、展館、廠房一類高大空間中，日間照明能耗較大，采光天窗會(huì)被其結(jié)構(gòu)層遮擋，而導(dǎo)光管系統(tǒng)可以緩解這一矛盾，同時(shí)還可以避免眩光。如圖6所示，屋頂中間兩圈導(dǎo)光管作為場(chǎng)館內(nèi)日間照明的主要來源，增加其可利用自然光照明的空間比例，節(jié)約能源。

設(shè)計(jì)中需要營造通透的效果，且與室外景色相互呼應(yīng)的時(shí)候，更多是采用采光天窗。如圖7首都機(jī)場(chǎng)T3航站樓中的屋頂?shù)娜切翁齑?，引入陽光的同時(shí)起到引導(dǎo)旅客行進(jìn)方向的作用；天窗本身也成為建筑夜景鳥瞰中的重要細(xì)節(jié)。

2.3 展館中的導(dǎo)光管系統(tǒng)與采光天窗

導(dǎo)光管系統(tǒng)可以應(yīng)用在大型展館中，以其柔和的效果，代替?zhèn)鹘y(tǒng)燈具作為展陳設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)照明，突出展品或建筑造型細(xì)節(jié)等。如圖8中展館陳列區(qū)線型布置漫射器，既柔和又可以節(jié)能。利用其可以改變光線方向和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶匦裕瑢?dǎo)光管系統(tǒng)還可以將光線引入到原本無采光條件的內(nèi)部空間。

玻璃在展館設(shè)計(jì)中歷來是作為弱連接存在的，是建筑中虛的部分。在以形體塑造為主要設(shè)計(jì)原則的博物館、展覽館建筑設(shè)計(jì)中，玻璃是造型和構(gòu)圖的重要元素。除此之外在展陳空間內(nèi)部，采光天窗還可以起到與重點(diǎn)照明燈光一樣的作用：如圖9展廳中天窗設(shè)在展品頂部后側(cè)，起到了強(qiáng)調(diào)與突出展品的作用。

3 總結(jié)

3.1 應(yīng)用特點(diǎn)歸納

導(dǎo)光管系統(tǒng)與采光天窗同屬天然光導(dǎo)光系統(tǒng)，是基于采光需求不同分異的技術(shù)措施。在某些情況下，導(dǎo)光管系統(tǒng)取代了采光天窗，解決需要采光但可開洞面積小，需要均勻采光效果，或覆土較深不利于采用天窗等一系列問題。而采光天窗在通透感，結(jié)構(gòu)輕薄、通風(fēng)功能等方面的特點(diǎn)，則是導(dǎo)光管系統(tǒng)不能取代的。二者在應(yīng)用中各有所長，適用空間也略有區(qū)別(見表1)。

表1 采光天窗及導(dǎo)光管系統(tǒng)適用特點(diǎn)對(duì)比分析

二者相比，采光天窗在建筑設(shè)計(jì)中介入地更早，往往作為設(shè)計(jì)內(nèi)容的一部分出現(xiàn)在造型設(shè)計(jì)階段；而導(dǎo)光管的介入相對(duì)后置，是解決能耗增加的一種節(jié)能方案，這也是二者在參與設(shè)計(jì)過程時(shí)的最大區(qū)別。

3.2 設(shè)計(jì)導(dǎo)向策略

天然光采光系統(tǒng)的應(yīng)用是與空間需求和設(shè)計(jì)概念相匹配的。

基于前文分析，采光天窗的應(yīng)用在設(shè)計(jì)階段就要予以考慮，要兼顧與整體空間造型上的虛實(shí)結(jié)合，以及通風(fēng)采光需要。而導(dǎo)光管在體現(xiàn)節(jié)能貢獻(xiàn)的同時(shí)，解決頂面環(huán)境緊湊、結(jié)構(gòu)高大或覆土較深等帶來的問題，且滿足光源均勻的功能需求(見表2)。

表2 采光天窗及導(dǎo)光管系統(tǒng)選用要求

3.3 專業(yè)協(xié)作與評(píng)價(jià)

為達(dá)到更優(yōu)的節(jié)能目標(biāo)，在具體設(shè)計(jì)過程中要與電氣專業(yè)密切配合，結(jié)合計(jì)算分析使自然采光與人工照明方相互補(bǔ)充。同時(shí)基于節(jié)能考慮，自然光采光系統(tǒng)也不是孤立存在的，與人工照明系統(tǒng)、調(diào)光控制系統(tǒng)等的復(fù)合設(shè)計(jì)與智能控制可以達(dá)到更好的節(jié)能效果，同時(shí)保證室內(nèi)的光環(huán)境更加舒適。

對(duì)于自然光采光系統(tǒng)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)如規(guī)模和效果上的量化要求，在國內(nèi)國際綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中都有體現(xiàn)。如《北京市綠色建筑一星級(jí)施工圖審查要點(diǎn)》，條款8.2.7改善室內(nèi)天然采光效果中關(guān)于合理控制眩光、增加地下空間自然光采光面積等要求，條款11.2.9“建筑頂層全部采用導(dǎo)光管”作為被動(dòng)節(jié)能措施參與創(chuàng)新評(píng)分[4]。LEED評(píng)價(jià)體系中的環(huán)境質(zhì)量、創(chuàng)新部分對(duì)于可作為得分點(diǎn)的新技術(shù)定義和采用自然光照明比例都有具體要求[5]。

4 結(jié)語

導(dǎo)光管系統(tǒng)更偏向于節(jié)能為導(dǎo)向的細(xì)部設(shè)計(jì)，采光天窗更多與空間開敞性能相關(guān)，但兩者都不僅是博眼球的噱頭或是拿來主義的強(qiáng)塞，而是基于建筑設(shè)計(jì)的一種適應(yīng)性技術(shù)措施。作為建筑師，首先要基于使用功能和設(shè)計(jì)概念的需求進(jìn)行分析，選擇相應(yīng)的技術(shù)手段以實(shí)現(xiàn)之。當(dāng)然，節(jié)能與創(chuàng)新，也是我們?cè)O(shè)計(jì)工作中重要的一環(huán)，在實(shí)際項(xiàng)目中的謹(jǐn)慎使用和細(xì)致設(shè)計(jì)尤為重要：我們應(yīng)力求使其成為建筑中融合而又新穎的部分，而非可有可無的點(diǎn)綴。正如節(jié)能設(shè)計(jì)在建筑設(shè)計(jì)中所扮演的角色一樣，使各種節(jié)能措施切實(shí)而恰如其分的應(yīng)用其中，為整個(gè)建筑、以致整個(gè)社會(huì)的能源節(jié)約與健康發(fā)展貢獻(xiàn)力所能及的力量。