基于全年動(dòng)態(tài)光環(huán)境模擬條件的穿孔金屬表皮參數(shù)對(duì)室內(nèi)天然光環(huán)境效果的影響

劉宇波,劉彬艷,鄧巧明

(華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，廣東 廣州 510640)

引言

穿孔金屬表皮是在金屬表皮的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，經(jīng)穿孔、沖孔、編織、焊接、拉伸等工藝，形成具有孔洞的金屬表皮材料，常與其他表皮組合形成復(fù)合表皮用于各個(gè)類型的建筑之中，如教育建筑、博物館、辦公樓、住宅等，如圖1所示。

圖1 穿孔金屬表皮案例照片F(xiàn)ig.1 Photo of buildings with perforated metal skin

設(shè)計(jì)師常出于形式的考慮對(duì)穿孔金屬表皮孔徑和孔隙率進(jìn)行選擇，忽略了穿孔金屬表皮本身在隔熱和采光方面的潛力，如圖2所示。過(guò)小過(guò)密的孔洞，遮陽(yáng)效果越好，但是室內(nèi)自然光效果勢(shì)必會(huì)不佳；而孔洞過(guò)大，又會(huì)造成直射光進(jìn)入室內(nèi)，遮陽(yáng)效果不佳。本文主要結(jié)合國(guó)際上新的動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)，研究穿孔金屬表皮的設(shè)計(jì)參數(shù)如穿孔率和孔徑的變化對(duì)建筑空間天然采光效果方面的影響(圖3)。

圖2 穿孔金屬表皮在隔熱和采光方面的潛力Fig.2 The potential of the perforated metal skin for heat insulation and lighting

圖3 穿孔金屬表皮構(gòu)造大樣Fig.3 Structural details of perforated metal skin

我國(guó)目前的采光標(biāo)準(zhǔn)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中以采光系數(shù)DF來(lái)制定，但是DF是有很多缺陷的，僅表示全陰天情況下的靜態(tài)采光指標(biāo)，不能反映地域性光氣候特征、立面朝向等[1]。國(guó)外新發(fā)展起來(lái)的動(dòng)態(tài)自然光評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)UDI(有效全自然采光時(shí)間百分比)，是由Nabil和Mardaljevic提出的概念來(lái)取代現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中單一值方法[2]。sDA300/50%用來(lái)表示空間所有照度計(jì)算點(diǎn)中有多少百分比的計(jì)算點(diǎn)在一年中(指空間占有時(shí)間，按一天10 h計(jì)，即1 825 h)可以超過(guò)50%的時(shí)間僅在自然光照射下就達(dá)到300 lx[3]。該指標(biāo)是2007年由北美照明工程學(xué)會(huì)(IESNA)發(fā)起，在美國(guó)多家知名研究機(jī)構(gòu)和高校的研究人員的共同努力下，歷經(jīng)6年的時(shí)間開(kāi)發(fā)而成[4]。研究人員將300 lx作為衡量空間日光充足性的照度閾值，超過(guò)50%的空間能達(dá)到300 lx被認(rèn)為是可以接受的，并且sDA300/50%于2012年已被IESNA作為采光衡量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布[5]。對(duì)不舒適眩光的評(píng)估方法有很多種，如Hopkinson 和 Chauvel 提出的DGI和CIE 推薦使用統(tǒng)一眩光值UGR。本文結(jié)合DF、100

國(guó)內(nèi)已有大量的穿孔金屬表皮建筑建成案例，但是研究穿孔金屬表皮對(duì)室內(nèi)空間天然采光效果影響的較少，對(duì)于穿孔金屬表皮設(shè)計(jì)參數(shù)的研究探索就更少。本文利用動(dòng)態(tài)模擬軟件Daysim[6]，針對(duì)室內(nèi)天然采光效果，對(duì)穿孔金屬表皮的設(shè)計(jì)參數(shù)如穿孔率、孔洞孔徑，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，作出初步的探索，以期對(duì)未來(lái)的穿孔金屬表皮參數(shù)選擇有借鑒意義。

1 設(shè)計(jì)對(duì)象

一般來(lái)說(shuō)教室、辦公室、圖書館被認(rèn)為是最需要采光的空間類型[3]。筆者團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事教育建筑研究，所以選取教室作為設(shè)計(jì)研究對(duì)象。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求以及建筑資料集案例提取總結(jié)出普通教室的標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)單元，模型尺寸如圖4所示，房間內(nèi)各表面反射率及窗玻璃透射率見(jiàn)表1，用于后文的設(shè)計(jì)模擬。

圖4 教室模型單元(國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集(11J934-2)——中小學(xué)校場(chǎng)地與用房)Fig.4 Classroom model (National Architectural Standard Design Atlas (11J934-2)—— Primary and Secondary School Site and Room)

表1 教室材料光學(xué)參數(shù)Table 1 Optical parameters of classroom materials

2 研究方法

2.1 參數(shù)化模型建立及模擬分析

本文選擇參數(shù)化建模分析，使用rhino及grasshopper程序，grasshopper可以實(shí)現(xiàn)輸入相應(yīng)參數(shù)直接生成模型。在grasshopper中將穿孔率和孔徑設(shè)置為輸入?yún)?shù)，可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)變化參數(shù)輸出模型。然后將模型導(dǎo)入到eco中，進(jìn)行daysim的采光模擬運(yùn)算；并將結(jié)果導(dǎo)入到統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.2 建模及參數(shù)設(shè)置

為了比較孔隙率和孔徑兩種參數(shù)分別對(duì)室內(nèi)采光效果的影響，在rhino里可以設(shè)置一個(gè)參數(shù)固定不變，等距變換另一參數(shù)，來(lái)建立穿孔金屬表皮模型。Grasshopper結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，以期研究?jī)蓚€(gè)參數(shù)分別對(duì)室內(nèi)光環(huán)境效果的影響。但由于當(dāng)孔徑越小，穿孔率越大時(shí)，模型孔洞過(guò)多會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算復(fù)雜，故運(yùn)算的孔徑范圍選擇為35～78 mm，穿孔率選擇范圍為常見(jiàn)的5%～35%。兩兩組合有55組表皮模型，參數(shù)見(jiàn)表2。并加入與之對(duì)比的模型，采用傳統(tǒng)采光方式開(kāi)窗，窗高2 100 mm，寬2 900 mm，窗間墻1 200 mm，窗臺(tái)900 mm高。金屬穿孔立面與傳統(tǒng)采光方式開(kāi)窗立面對(duì)比如圖6所示。

圖6 金屬穿孔立面與傳統(tǒng)采光方式開(kāi)窗立面對(duì)比圖Fig.6 Metal perforated facade and traditional window facade comparison

表2 55組穿孔金屬表皮孔徑和孔隙率Table 2 The pore size and porosity of 55 groups of perforated metal skin

圖5 Grasshopper結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The Grasshopper structure diagram

將55組模型導(dǎo)入到Daysim進(jìn)行采光模擬。

表3 daysim里參數(shù)設(shè)置Table 3 Parameter settings in the daysim

續(xù)表3

3 模擬結(jié)果與討論

55組穿孔金屬板模型加一組對(duì)比模型，分別按照六個(gè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如表4中柱狀圖所示。同一種顏色表示相同孔隙率，從左到右孔徑由小到大，最后一個(gè)為對(duì)比組。

表4 六種指標(biāo)與孔隙率、孔徑關(guān)系柱狀圖Table 4 Six metrics are related to porosity and pore diameter

3.1 對(duì)比組與穿孔金屬表皮組

由表4可以看出，對(duì)比組的 DF、sDA300/50%、UGR、DGI 值均大于穿孔金屬表皮組。其中 DF 為 6.5%，sDA300/50%為 100%，說(shuō)明在沒(méi)有穿孔金屬表皮時(shí)，普通教室內(nèi)部整體照度值較高，但同時(shí) UGR、DGI 值也較高，分別為 27.2 和 25.3，根據(jù)表5所示，屬于眩光不舒適范圍。且其均勻度值屬于最低，說(shuō)明室內(nèi)照度雖高，但屬于近窗處過(guò)亮而遠(yuǎn)窗處過(guò)暗，造成了均勻度低的問(wèn)題，而且100

表5 常見(jiàn)眩光指數(shù)評(píng)價(jià)范圍Table 5 Evaluation range of the common glare index

3.2 穿孔金屬表皮組之間對(duì)比

如表4所示，六個(gè)指標(biāo)均隨著孔隙率大小的變化而變化。DF、sDA300/50%、UGR、DGI 隨著孔隙率的增大先增大。而有效天然采光 UDI 指標(biāo)隨著孔隙率的增大先增大，到孔隙率為15%時(shí)達(dá)到最大，后隨著孔隙率的增大反而減小。而均勻度則在孔隙率為10%時(shí)達(dá)到最大，在15%時(shí)次之。

而孔徑對(duì)其中四個(gè)指標(biāo)(DF、100

綜上所述，對(duì)比組較穿孔金屬表皮組雖整體值高，但容易造成眩光和照度不均勻的問(wèn)題，影響室內(nèi)視覺(jué)舒適度，所以采用穿孔金屬表皮在一定程度上可以避免眩光。在穿孔金屬板組中，孔隙率對(duì)六個(gè)指標(biāo)的影響較大，孔徑僅對(duì) UGR、DGI 有一定影響。同時(shí)也反映出，動(dòng)態(tài) UDI 結(jié)果與靜態(tài) DF 結(jié)果不同，UDI不僅能反映光照不足的情況，同時(shí)也能反映光照過(guò)量的情況，這也正說(shuō)明 DF 等靜態(tài)采光指標(biāo)不能反映設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的影響，因此有必要采納使用動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)對(duì)穿孔金屬板的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行判斷。

3.3 模擬數(shù)據(jù)回歸分析

為了更好地知道參數(shù)與各個(gè)指標(biāo)間的關(guān)系，筆者將孔隙率、孔徑、UDI、DF、sDA300/50%、均勻度、UGR、DGI數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SPSS中進(jìn)行分析。結(jié)果驗(yàn)證之前的分析，孔徑對(duì)DF、UDI、sDA300/50%、均勻度的影響可以忽略，孔隙率對(duì)DF、UDI、sDA300/50%、均勻度的影響較大。以下分別對(duì)五個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。

3.3.1 穿孔率、孔徑與DF

由表6可以看出，孔隙率的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)0.996明顯大于孔徑0.006，說(shuō)明在兩個(gè)變量間，孔隙率對(duì)DF的影響大于孔徑。在SPSS中當(dāng)設(shè)置自變量選入方式為逐步法時(shí)，自變量孔徑?jīng)]有達(dá)到入選標(biāo)準(zhǔn)而被剔除，更進(jìn)一步說(shuō)明孔隙率對(duì)DF的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于孔徑，且孔徑對(duì)DF的影響可以忽略。

表6 孔徑、孔隙率與DF相關(guān)度分析Table 6 Correlation analysis of porosity/pore and DF

將自變量孔徑排除后，單獨(dú)對(duì)自變量穿孔率與DF進(jìn)行回歸分析。得出DF與穿孔率間有高度正相關(guān)(r=0.999)，且呈線性關(guān)系，隨著穿孔率越大DF越大。

圖7 孔隙率與DF線性回歸分析圖Fig.7 Porosity and DF linear regression analysis diagram

舉例說(shuō)明，當(dāng)孔徑為77 mm時(shí)，孔隙率以步長(zhǎng)為5%變化，DF會(huì)隨著孔隙率的增大呈線性變化，隨孔隙率的增大而增大。當(dāng)保持孔隙率為5%，孔徑以步長(zhǎng)為10 mm變化，DF與孔徑變化線性關(guān)系不明顯(表7)。

表7 孔徑77 mm、孔隙率5%與DF線性回歸分析Table 7 Pore 77 mm /porosity 5% and DF linear regression analysis diagram

若以此推斷可知，當(dāng)沒(méi)有金屬表皮遮擋時(shí)，室內(nèi)的采光系數(shù)最大。但顯然與筆者試圖研究的穿孔金屬表皮參數(shù)設(shè)置對(duì)室內(nèi)采光效果的影響相背離。

3.3.2 自變量穿孔率、孔徑與因變量UDI

由表8可以看出，穿孔率的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)明顯大于孔徑。

表8 孔徑、孔隙率與UDI相關(guān)度分析Table 8 Correlation analysis of porosity /pore and UDI

單獨(dú)對(duì)自變量穿孔率與UDI進(jìn)行回歸分析。得出UDI與穿孔率間有高擬合曲線關(guān)系，R2為0.862。根據(jù)擬合公式Y(jié)=22.892+591.332-1 394.151x2推測(cè)，當(dāng)穿孔率為21.2%時(shí)，UDI取值達(dá)到最大值。如圖8所示，UDI值在穿孔率為15%時(shí)達(dá)到最大，存在一定誤差。但可以看出，并非隨著孔隙率越大，UDI取值越大，UDI可以反映出較高室內(nèi)照度對(duì)室內(nèi)采光舒適度的影響，比DF更適合作為采光評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖8 穿孔率、孔徑與UDI回歸分析圖Fig.8 Porosity /pore and UDI regression analysis diagram

3.3.3 自變量穿孔率、孔徑與因變量sDA300/50%

單獨(dú)對(duì)自變量穿孔率與sDA300/50%進(jìn)行回歸分析如圖9所示。因IESNA規(guī)定sDA300/50%時(shí)，未給出上限[3]，因此對(duì)其分析結(jié)果與DF近似，隨著穿孔率越大，值越大。但可以通過(guò)50%出現(xiàn)的位置稱為有效采光進(jìn)深。這里有效采光進(jìn)深的定義相比較于某 DF 數(shù)量值(如3%)所在進(jìn)深位置更為合理，因?yàn)?DF 指標(biāo)本身僅反映了較少的采光影響因素[7]。如圖10所示，通過(guò)sDA300/50%來(lái)確定有效采光進(jìn)深發(fā)現(xiàn)，隨著空隙率的增大，有效進(jìn)深逐漸加大，在20%孔隙率時(shí)，有效進(jìn)深已大于教室進(jìn)深的一半(3.85 m)。且當(dāng)穿孔率為35%時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)窗邊過(guò)亮的情況，因此應(yīng)綜合考慮其他相關(guān)指標(biāo)。

圖9 穿孔率與sDA300/50%線性回歸分析圖Fig.9 Porosity and sDA300/50% regression analysis diagram

圖10 穿孔率與有效進(jìn)深Fig.10 Porosity and effective depth

3.2.4 自變量穿孔率、孔徑與因變量均勻度

由于模擬的教室采用的是側(cè)面采光，因此會(huì)存在照度均勻度較差的情況。根據(jù)德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)和英國(guó)CIBSE指南，一般照明方案產(chǎn)生的均勻性應(yīng)優(yōu)于0.6或0.8。從圖11自變量穿孔率與均勻度進(jìn)行回歸分析，得出均勻度與穿孔率間有中強(qiáng)相關(guān)(r2=0.452)。在穿孔率為10%時(shí)，均勻度最大為0.7左右。當(dāng)穿孔率大于10%時(shí)，隨著穿孔率越大，均勻度越大，因?yàn)槊髁恋墓饩€集中在窗戶附近，均勻度越低，室內(nèi)的照度對(duì)比度越大，視覺(jué)舒適度越低，照度均勻度較差時(shí)，人的瞳孔會(huì)不斷變換大小，易產(chǎn)生疲勞感，引起視覺(jué)功能下降，從而影響工作和學(xué)習(xí)[8]。

圖11 穿孔率與均勻度回歸分析Fig.11 Porosity and uniform regression analysis diagram

3.3.5 自變量穿孔率、孔徑與因變量 UGR、DGI

由圖12可以看出，UGR 與穿孔率呈高擬合曲線關(guān)系。據(jù)表5可知，UGR=22 時(shí)，剛剛不舒適，所以當(dāng)穿孔率≤20%時(shí)，UGR≤22。而 DGI 與孔徑呈高擬合曲線關(guān)系，當(dāng) DGI=22時(shí)，屬于可接受，此時(shí)孔徑為40～50 mm之間。綜合來(lái)看，當(dāng)穿孔率≤20%，孔徑為40～50 mm之間時(shí)，室內(nèi)受眩光的影響較小。

圖12 穿孔率與UGR回歸分析及孔徑與DGI回歸分析Fig.12 Porosity and UGR regression analysis diagram &Pore and UGR regression analysis diagram

4 結(jié)論

文章通過(guò)以上對(duì)模擬數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，在教室外立面運(yùn)用穿孔金屬表皮有利于避免眩光，增大室內(nèi)照度均勻度，提高視覺(jué)舒適度。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)金屬表皮的穿孔率是影響室內(nèi)采光效果的主要因素。DF及sDA300/50%均隨著孔隙率的增大而增大，在 20%孔隙率時(shí)，有效進(jìn)深已大于教室進(jìn)深的一半(3.985 m)。UDI 與孔隙率存在曲線關(guān)系，到達(dá)最大值 時(shí)，會(huì)隨著孔隙率的增大而減小。這與我們判斷的孔隙率的增大會(huì)帶來(lái)室內(nèi)靠窗局部過(guò)亮，反而 UDI 會(huì)減小的情況是吻合的。同時(shí)在此種模擬條件下，當(dāng)孔隙率達(dá)到 15%時(shí)，室內(nèi)采光效果 UDI 最佳。均勻度與孔隙率也存在曲線關(guān)系，在穿孔率為10%時(shí)，均勻度最大為0.7 左右。穿孔率為15%時(shí)，均勻度在0.5～0.6之間?？讖酱笮?duì)眩光舒適度有一定影響，孔徑為40～50 mm 之間時(shí)，室內(nèi)受眩光的影響較小。

由此可見(jiàn)，在評(píng)價(jià)建筑的天然光環(huán)境時(shí)，使用動(dòng)態(tài)的光環(huán)境指標(biāo)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的評(píng)價(jià) DF 有其必要性。通過(guò)對(duì)比六個(gè)指標(biāo)可以綜合判斷，穿孔率在 15%～20%時(shí)，孔徑為40～50 mm之間時(shí)，此種條件下室內(nèi)天然采光效果較好。本文采用的模型是標(biāo)準(zhǔn)教室室內(nèi)單元，實(shí)際情況中可能會(huì)存在差異，目前分析得出的結(jié)論可以作為當(dāng)前案例的天然光環(huán)境設(shè)計(jì)或者改善的參考。在實(shí)際情況中，若模型參數(shù)變化，可能會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果。