浅谈建筑的自然光环境设计

《建筑物理环境控制》论文——浅谈建筑的自然光环境设计摘要：本文分析了自然光环境设计的重要性，列举了建筑设计中自然光设计的成功之作，并从可操作性的角度探讨了建筑设计中运用自然光的建筑设计方法和手段。关键词：自然采光；自然光环境；设计;方法1引言光在人的生活中发挥着极为重要的作用。人离不开光，可以说光是地球上所有物种生命的来源之一，也是人类认识外部世界的工具，因此，光是人类生活的有力保障。在现代建筑设计中合理有效的运用自然光，减少能源消耗、降低建筑的运行、维护、管理费用，是现代及未来建筑师在设计时必须要考虑和解决的问题。2建筑自然光环境设计的重要性2.1自然采光有利于节能采用人工光往往要消耗大量能源，这一方面会增加建筑物及其维护的成本，另一方面还会加快资源消耗及加重环境污染因此，我国是一个人口大国，资源相对匮乏。从节能、造价、环保的角度来看，自然光环境设计也是非常必要的。2.2自然采光可以丰富室内光环境从美学的角度来看，天然光能创造出人工照明无法创造的自然环境，更重要的是，室内人员可以享受室外的美景。透过窗户，工作人员可以获得室外天气、时间和周围环境的视觉信息，在紧张的工作之余，舒缓神经，舒畅心情。天然光是自然界中动态变化的光线，它由散射光、反射光和折射光组成，它的强度、方向和频谱随着时间和天气的变化而变化。一个好的天然采光设计应该能够利用这些变化的属性创造一个良好的采光效果，丰富室内光环境。2.3自然采光使人们的身心更健康研究证明，在标准的办公室照度水平下，光波波长短、能量高，能更有效地抑制黑色素。因此，天然光提供了合适的光环境，激发人体的生理周期系统，这样，人体的生理周期与室外的照度水平就变得同步。白天室外照度高，光线好，人就很清醒；晚上照度低，相应地，人就很困乏，所以需要睡眠天然光强度、持续时间的变化都可能会引起身体不适和情绪波动，如季节性情绪失调，都是由于黑色素滞后所引起的白天，在没有天然光的建筑里，从生物学的角度来看，人可能还处在黑夜当中，所以精神状态不佳，工作效率低这一理论的研究者主要有，他们分析比较了从事同类工作的工作人员，在有窗建筑与无窗建筑中的不同表现，得出不同结论当然，天然采光设计要尽量避免对人体的一些负面影响如减少太阳辐射得热，避免眩光，避免与声光设备发生冲突以及保证个人隐私等。2.4自然采光可以提高工作效率尽管天然采光在节约能源和防止环境污染方面具有很大的潜力，但更重要的是它对室内人员的影响。建筑是为人而建的，国外的调查表明，一个工作人员一年的照明用电费用仅和他一个小时的薪金相当因此，天然采光的经济性主要表现在促进生产力、提高工作效率和增加出勤率。当前人们关注的所谓绿色建筑，就包括如何把天然采光与健康建筑和室内环境质量联系起来。工作人员都喜欢办公室的窗户大一些，采光好一些，因为它可以提高生产力，正是由于天然光对人的美学、视觉和光生物学等方面的影响，人对天然光的需求无处不在。3.自然光环境设计的成功之作自然光一直存在于人类的外部环境之中，在漫长的进化过程中，人们对自然光就如同对空气、水等一样形成了认同依赖的关系。建筑师在进行建筑自然光环境设计时,会以建筑实体物质(形体、色彩、质感、肌理等),借助各种手法,来进行光环境的处理，从而至今为止出现了一批以光环境设计的成功而闻名世界的建筑。3.1日本大阪的光之教堂大阪的“光之教堂”（图1）为安藤忠雄教堂设计中的经典。光之教堂的诞生令世人倾图1光之教堂倒、顶礼膜拜。光之教堂的区位不如风、水两教堂来的得天独厚，受到场地和周边建筑风格的影响，建筑的布置是根据原有教堂的位置以及太阳方位来决定的。设计的重点被设计师安藤忠雄转移到了内部，建筑的内部空间被坚实的混凝土墙围合起来为间，建筑内部的墙面上尽可能的减少开口整个设计都限定在对自然要素“光”的表现上。建筑师在礼拜堂正面的混凝土墙壁上留出十字形的切口，经过自然光的穿透及照射，光线从墙体上留出的这个垂直和水平方向交叉的开口渗透进来，从而在建筑内部形成了著名图2光的十字架的“光的十字架”（图2）。十字形分割的墙壁，通过自然光产生了特殊的光影效果，使教堂内的信徒产生了一种接近上帝的奇妙感觉。在抽象洗练和诚实的空间中，信徒们达成了对神性的完全臣服、沉溺于安藤忠雄所创造的有象征意义的神话般的想象与忏悔之中，浑然不觉时间的流逝。3.2柏林的犹太人博物馆博物馆陈列着犹太人档案的展廊沿着像锯齿型的建筑展开下去，而穿过展廊的空空的、混凝土原色的空间没有任何装饰，只是从裂缝似的窗户和天窗透出模糊的光亮。（图3）图3犹太人博物馆内部墙面建筑外墙面以镀锌铁皮构成不规则的形状，带有棱角尖的透光缝，由表及里，所有的线条、面和空间都是破碎而不规则的，人一走进去，便不由自主地被卷入了一个扭曲的时空。（图4）图4犹太人博物馆外部墙面馆内几乎找不到任何水平和垂直的结构，所有通道、墙壁、窗户都带有一定的角度，可以说没有一处是平直的。设计者以此设计作为隐喻表达出犹太人在德国不同寻常的历史和所遭受的苦难。窗，也是狭小的，只能允许一点点的阳光撒进来，使人仿佛身在牢笼里，那似乎更让人沮丧，外面的世界之大，只能通过室内小小的空间，暂时满足幻想。整个建筑象征意味十分突出。3.3阿拉伯研究中心作为一个在巴黎展示阿拉伯文化的窗口，巴黎阿拉伯研究中心的设计一开始就面临着一系列的多元辩证--阿拉伯文化和西方文化、历史和现代、室内性和开放性。内院的四面均以精致细小的雪花石膏板片构成的半透明幕帘围合，表现出阿拉伯艺术细致丰富的审美内质。同样的设计概念在建筑的南立面上取得了更为精妙的艺术与技术的表现。努维尔设计了30000个神奇的光滤器，他们组成了钢和玻璃的立面单元.在光电池的控制下，大小不一的光滤器根据日光的强弱，如同照相机的光圈般收缩和舒张，调节着室内的光线，造成了神秘寂静的氛围，成功地塑造出了一个如诗如梦般的阿拉伯建筑特有的光影空间。行走其间能强烈地感受到空间连续扩张和收缩，让人感到犹如置身于阿拉伯清真寺中，引发了人们对伊斯兰文化的联想。（图5）图5阿拉伯研究中心4建筑设计中自然采光的方法4.1顶部采光顶部采光时,光线自上而下,有利于获得较为充足与均匀的室外光线,光效果自然,这种方式在现代建筑设计和室内设计中经常采用。顶部采光亦存在一些缺点:直射阳光会对某些工作场所产生不利影响,由此产生的辐射热需要采取加强通风的措施解决。4.2侧向采光根据窗的位置,侧向采光可以分为单向采光和双向采光,以及高侧窗采光和低侧窗采光。双向采光能够使室内环境获得较为均匀充足的光线,但限于种种条件,常常无法做到,而单向采光则比较容易实现。采用低侧窗采光时,靠窗附近的区域比较明亮,离窗远的区域则较暗,照度的均匀性较差;采用高侧窗采光有助于使光线射入房间较深的部位,提高照度的均匀性。4.3导光管法用导光管将太阳集光器收集的光线传送到室内需要采光的地方,如中国建筑科学研究院的无窗厂房和自然采光地下建筑、深圳设计之都、北京奥林匹克森林公园、北京师范大学附属实验中学等项目,就是用此法进行自然采光的。光导管照明系统的结构主要分为三部分:采光部分、导光部分、散光部分。由于光导管照明系统结构简单方便安装,成本较低,实际照明效果很好,因此在国外发展十分迅速,许多跨国公司生产这种产品。4.4光导纤维法光导纤维是一种利用光的全反射特性,把光能闭合在纤维中而产生导光作用的纤维。光纤照明系统可分为点发光系统和线发光系统。光纤照明具有以下显著的特点:①单个光源可形成具备多个发光特性相同的发光点；②光源易更换,也易于维修；③发光器可以放置在非专业人员难以接触的位置,具有防破坏性；④无紫外线、红外线光,可减少对某些物品如文物、纺织品的损坏；⑤发光点小型化,质量轻,易更换和安装；⑥无电磁干扰,可应用在有电磁屏蔽要求的特殊场所内；⑦无电火花和电击危险,可应用于化工、石油、游泳池等有火灾、爆炸性危险或潮湿多水的特殊场所；⑧可自动变换光色；⑨可重复使用,节省投资；⑩柔软易折不易碎,易被加工成各种不同的图案。然而,由于现阶段的制造成本较高,光导纤维多用在有特殊需要的技术中,还未普及使用。4.5采光搁板采光搁板主要是为解决大进深房间内部的采光而设计的。它的入射口起聚光作用,一般由反射板或棱镜组成,设在窗的顶部；与其相连的传输管道截面为矩形或梯形,内表面具有高反射比反射膜,通常设在房间吊顶的内部,尺寸大小可与管线、结构等相配合。实验证明,配合侧窗采光,采光搁板能在一年中大多数时间提供充足均匀的光照。4.6导光板法导光板结构简单,因为它没有集光装置和导光装置,而是在窗的上部安装一组镜面反射装置。阳光射到反射面上经过反射,到达房间内的天花板,利用天花板的漫反射作用,将自然光反射到房间内部。反射高窗可减少直射阳光的进入,充分利用天花板的漫反射作用,使整个房间的照度和均匀度均有所提高。这是较为简单的一种自然采光方式。4.7棱镜窗棱镜窗是把玻璃窗做成棱镜,玻璃的一面是平的,一面带有平行的棱镜,利用棱镜的折射作用改变入射光的方向,使太阳光射到房间深处。同时由于棱镜窗的折射作用,可以在建筑间距较小时,获得更多的阳光。棱镜窗的缺点是人们透过窗户向外看时,影像是模糊或变形的,会给人的心里造成不良的影响。因此棱镜窗在使用时,通常是安装在窗户的顶部,人的正常视线所不能达到的地方。4.8遮阳百叶遮阳百叶可以把太阳直射光折射到围护结构内表面上,增加天然光的透射深度,保证室内人员与外界的视觉沟通以及避免工作区亮度过高；同时,也起到避免太阳直射的遮阳效果,可以遮挡东、南、西三个方向一半以上的太阳辐射。5结语人对自然光有着极强的依赖性，在建筑设计中应该加强对自然光的合理应用，充分运用建筑设计的各种构成因素，平衡建筑内的光环境，使自然光在人们的生活中发挥更加重要的作用。参考文献[1]邵国新、张源.建筑自然采光方式探讨.节能，2010年第6期.[2]寇向光.自然光在公共建筑内环境设计中的应用.太原理工大学,2008.[3]戴立飞.中小型建筑自然采光设计研究.天津大学,2006.[4]张楷.室内自然光环境再创造.天津:天津大学,2005.