中庭的天然采光設(shè)計(jì)

中庭的天然采光設(shè)計(jì)

作為一個(gè)緩沖空間，現(xiàn)代建筑的庭院不僅通過為相鄰空間提供與自然環(huán)境交流的機(jī)會(huì)，還通過避免自然帶來的不利因素來避免。其中,中庭最大的貢獻(xiàn)是解決大進(jìn)深空間的天然采光問題,提供使優(yōu)良的光線射入到平面最大進(jìn)深處的可能性,允許進(jìn)深較大的建筑能夠天然采光,本身則成為一個(gè)天然光的收集器和分配器。至于庭院、天井和建筑凹口可以看作中庭的特殊形式。從圖1可以看出,中庭起了—個(gè)“光通道”的作用,將天空直射光線和反射光線、漫反射光線通過窗戶照射到中庭相鄰空間工作面上。中庭的光環(huán)境設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的問題,涉及到中庭頂部的透光性、中庭空間的幾何比例、中庭墻壁和地面的反射率、窗戶位置及尺寸等一系列因素。(1)中庭頂部的透光性中庭頂部光線的透過率直接影響中庭收集到的天然光的數(shù)量,頂部的透過率越高,經(jīng)由中庭到達(dá)中庭底部和相鄰空間的光線越多。夏季進(jìn)入過多的太陽(yáng)光線,可能引起中庭過熱,需要進(jìn)行遮陽(yáng)處理。遮陽(yáng)措施會(huì)降低中庭頂部的透光量,在冬季中庭底部甚至需要人工照明來補(bǔ)充不足的照度水平。解決這一矛盾的辦法就是使用可移動(dòng)的遮陽(yáng)控制中庭頂部的透光量隨季節(jié)的變化而變化。1981年建成的位于科羅拉多州的科羅拉多山地學(xué)院的天窗遮陽(yáng)經(jīng)過精巧的設(shè)計(jì),如圖2所示,夏天遮陽(yáng)板遮蔽強(qiáng)烈的太陽(yáng)光線,冬季將遮陽(yáng)板翻轉(zhuǎn),內(nèi)側(cè)可以反射更多的太陽(yáng)光線進(jìn)入室內(nèi)。通過不同表面的透光材料進(jìn)入中庭的太陽(yáng)光線的性質(zhì)不同。太陽(yáng)光線透過普通玻璃、Low-E玻璃等表面光滑的透光材料,直射到中庭四周墻壁甚至地面上和相鄰空間內(nèi),但有產(chǎn)生眩光的可能,而且中庭水平面的光線分布不均勻;太陽(yáng)光線透過磨砂玻璃、透明膜結(jié)構(gòu)等表面粗糙的透光材料,均勻地漫射到中庭內(nèi)部,避免眩光的產(chǎn)生,但進(jìn)入中庭的光線總量大大減少,中庭垂直面的光線分布不均勻。光滑和粗糙表面的透光材料產(chǎn)生不同的中庭光環(huán)境,進(jìn)而影響相鄰空間的天然采光效果。在實(shí)際工程中,根據(jù)影響中庭光環(huán)境的其他因素,尤其是中庭空間的幾何比例,綜合考慮選擇合適的透光材料。德國(guó)的布勞恩辦公樓的中庭頂部采用充氣的透明膜結(jié)構(gòu),使中庭獲得均勻、充足的天然采光,為相鄰辦公空間提供良好的光環(huán)境。(2)中庭空間的幾何比例從圖3可以看出,隨著中庭高度的增加,到達(dá)相鄰空間直射光線的進(jìn)深迅速減小。因此,為了保證中庭地面和相鄰空間能夠獲得足夠的天然采光,在確定中庭的高寬比值時(shí),僅考慮天空直射光線,而忽略反射光線和漫反射光線的貢獻(xiàn)。英國(guó)劍橋大學(xué)馬丁研究中心研究了大量建筑實(shí)例,認(rèn)為中庭高寬比的最大值是3∶1。中庭高寬比在3∶1數(shù)值范圍以內(nèi),中庭相鄰空間就能得到符合辦公建筑照度要求的足夠的天然光線。(3)中庭墻壁的反射進(jìn)入相鄰空間的天然光線除了直射光線外,另一個(gè)重要組成部分是反射光線和漫反射光線,對(duì)中庭地面和底部相鄰空間的天然采光尤其重要。中庭墻壁經(jīng)過設(shè)計(jì)后可以反射、漫反射、重新分配天然光線,具有調(diào)節(jié)和控制天然光的作用。表面光滑的墻壁容易產(chǎn)生反射眩光,因此中庭墻壁表面應(yīng)粗糙,漫反射光線使中庭內(nèi)光環(huán)境均勻、柔和。中庭墻壁可以采用素混凝土、淺色粉刷、石膏板、麻面石材、麻面磚等表面粗糙的材料,盡量避免使用大理石、釉面磚等表面光滑的材料。如果需增加特定部位的天然采光量,可通過在中庭墻壁上安裝可調(diào)節(jié)的鏡面,向下定向反射天然光線,解決局部天然光線不足的問題。德國(guó)國(guó)會(huì)大廈穹頂核心部分是覆蓋著各種角度鏡子的錐體(圖4),可以向下反射水平天然光線進(jìn)入議會(huì)大廳。穹頂上還設(shè)有一個(gè)可移動(dòng)的遮陽(yáng)裝置按照太陽(yáng)運(yùn)行的軌跡轉(zhuǎn)動(dòng),防止夏季過熱和眩光的產(chǎn)生。日本松下公司辦公樓采用等腰梯形剖面的中庭(圖5),為解決中庭下部空間的采光問題,在中庭頂部?jī)蓚?cè)各安裝兩列圓形境面,向下反射天然光線,提高中庭地面的天然光照度。(4)窗戶位置及尺寸對(duì)于依靠中庭墻壁反射光線采光的底層部分,對(duì)面的反射墻就是它的“天空”,若該墻為一從頂?shù)降氐牟ＡЩ蛲耆浅ㄩ_的,則很少一部分光線會(huì)經(jīng)過它的反射而傳到下面各層。相反,若該墻沒有窗戶和開口,則大部分光線經(jīng)墻面反射到中庭底層,就如同光線在光導(dǎo)管中反射的一樣,光線強(qiáng)度減弱極少。理論上,光線應(yīng)該按所需量進(jìn)入每—層相鄰空間,其余經(jīng)墻面反射再向下傳遞。因此,為了使中庭每一層相鄰空間都獲得良好的天然采光,中庭墻壁每一層窗戶的面積應(yīng)該不同,頂層僅需極少的窗,增加反射墻面,往下逐層增加窗戶面積,減少反射墻面,直至底層全部都是窗戶。窗戶在墻壁上的位置影響光線的分布、空間感受、人工照明的位置等許多因素。低窗、中等高度的窗戶、高窗進(jìn)入室內(nèi)的光線分布離窗戶由近而遠(yuǎn),中庭相鄰空間多采用雙側(cè)采光,多選擇低窗、中等高度的窗戶。低窗可以利用地面的反射,使光線進(jìn)入室內(nèi)空間深處,以彌補(bǔ)光線分布不均勻的缺點(diǎn)。因此設(shè)計(jì)時(shí)靠近低窗處的地面應(yīng)為淺色。充分考慮影響中庭光環(huán)境設(shè)計(jì)的以上四個(gè)主要因素,建筑師創(chuàng)造出許多中庭天然采光的杰出作品,其中美國(guó)菲利普·?？巳卮髮W(xué)圖書館中庭、德國(guó)的布勞恩辦公樓中庭和美國(guó)劍橋市的輝瑞中心就是三個(gè)很成功的經(jīng)典案例。在菲利普·埃克塞特圖書館的設(shè)計(jì)中,我們可以看到高密度多層建筑所采用的經(jīng)典的中庭天然光設(shè)計(jì)方法(圖6)。?？巳貓D書館由光影大師路易斯·康設(shè)計(jì),1971年建成,平面為33.8m×33.8m的正方形,建筑面積1144.6m2,內(nèi)部9層,從外部看只有5層。平面中央是一個(gè)寬15.25m,高21.35m的正方形中庭,高寬比為1.4∶1。中庭相鄰的建筑平面像洋蔥一樣分為三個(gè)層次,圖書館大約450個(gè)座位分布在內(nèi)、外兩個(gè)層次內(nèi),書庫(kù)安排在中間層次內(nèi)。圖書館外墻側(cè)窗引入天然光線,為外圈閱覽空間提供充足的采光;頂部側(cè)窗引入天空直射光線和漫射光線,經(jīng)素混凝土十字交叉梁、墻壁的漫反射,為中庭和內(nèi)圈的閱覽空間創(chuàng)造一種均勻、柔和的采光效果。中庭墻壁被設(shè)計(jì)成四個(gè)巨大的圓形孔洞,以獲得盡可能多的中庭漫射光線,但書庫(kù)的天然采光照度不能滿足查閱圖書時(shí)的要求,需設(shè)置必要的人工照明。相對(duì)于菲利普·?？巳貓D書館傳統(tǒng)的中庭天然采光設(shè)計(jì)手法,德國(guó)的布勞恩辦公樓的中庭采用的是現(xiàn)代的設(shè)計(jì)元素、靈活的設(shè)計(jì)思路。布勞恩辦公樓位于法蘭克福附近克隆貝格(Kronberg),2000年竣工,U形建筑平面,地上三層,地下一層,中庭位于平面中間,建筑面積大約5700m2。中庭高寬比接近1∶1,頂部采用三層充氣的透明膜結(jié)構(gòu),均勻地將天然光線漫射到中庭的每一個(gè)角落。為最大限度接收、利用來自中庭的漫射光線,中庭墻壁全部采用雙層中空玻璃墻面,為相鄰辦公空間提供充足的天然光線;相鄰辦公空間使用360mm厚的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土板,減少進(jìn)深中間的一排柱子,采用開放式大空間辦公模式,充分利用獲得的天然光線。中庭透明膜結(jié)構(gòu)完美地解決了布勞恩辦公樓的天然采光問題,但是同時(shí)帶來夏季過熱問題。通過中庭組織自然通風(fēng),有效地降低夏季中庭內(nèi)部溫度。室外空氣通過地下室下部夾層空間的冷卻,清涼的空氣經(jīng)由中庭水池池壁四周的進(jìn)氣口進(jìn)入中庭,逐漸上升,從中庭頂部排出,帶走大量的天然光熱量。中庭透明膜結(jié)構(gòu)屋頂可自動(dòng)開啟,兩側(cè)設(shè)有可調(diào)節(jié)通風(fēng)百葉孔,頂部通過智能控制實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng):晴好天氣時(shí),膜結(jié)構(gòu)開啟,通風(fēng)孔自動(dòng)關(guān)閉;風(fēng)雨天氣時(shí),膜結(jié)構(gòu)關(guān)閉,通風(fēng)孔自動(dòng)開啟。位于美國(guó)馬薩諸塞州劍橋市的輝瑞中心(GenzymeCenter),由德國(guó)建筑師Behnisch設(shè)計(jì),12層,建筑面積32515m2,2003年竣工。建筑平面近似矩形,中央設(shè)有中庭,其高寬比遠(yuǎn)大于3∶1的比例,但Behnisch通過一系列的設(shè)計(jì)和技術(shù)方法,在中庭內(nèi)營(yíng)造出令人激動(dòng)的“光瀑布”,不但滿足中庭底部天然光照度要求,而且為相鄰辦公空間提供足夠的天然光線(圖8)。首先,建筑屋頂北側(cè)的七臺(tái)循跡太陽(yáng)光反光鏡,追蹤反射太陽(yáng)光經(jīng)由屋頂南側(cè)固定的鏡面的反射,以固定角度向下進(jìn)入中庭。吊裝在中庭頂部的16組768塊反光金屬板,根據(jù)固定角度的不同,升降其自身高度,將進(jìn)入中庭的光線反射到中庭底部和相鄰的辦公空間。然后,中庭內(nèi)南側(cè)的墻面被設(shè)計(jì)成“光墻”,表面金屬質(zhì)感的垂直百葉由電腦控制,根據(jù)入射天然光角度和天空狀況,自動(dòng)調(diào)節(jié)上下位置,反射光線到北側(cè)辦公空間和中庭底部。另外,中庭頂部Low-E玻璃下的可調(diào)節(jié)角度的棱鏡百葉,將漫射太陽(yáng)光線引入中庭,而將直射太陽(yáng)