博物館的自然采光攻略

博物館的自然采光攻略隨著近年世界對綠色環(huán)保的提倡，自然采光憑借其可再生資源的明顯優(yōu)勢，再一次成為設計師的寵兒。從建筑技術(shù)角度來看，自然采光有著其獨特的經(jīng)濟和美學價值，正確的自然采光策略可以節(jié)省照明能源，降低空調(diào)負荷，提高舒適性和用戶滿意度。博物館是城市的標志性建筑，也是建筑師可以發(fā)揮最大創(chuàng)作的理想工程項目，但自然采光在博物館設計中經(jīng)常受到質(zhì)疑。由于對展品保護在溫度、照度及UV等方面有嚴格控制，這使得博物館與商業(yè)建筑不同，設計時需要考慮超過自然采光經(jīng)濟價值更多的定性問題。那么，在博物館中只采用人工照明就可以解決所有問題了嗎？答案是否定的，國內(nèi)許多的案例證明人工可調(diào)控照明不僅浪費能源、造成污染，而且無法完全替代自然采光的藝術(shù)價值。本文以研究過往的博物館自然采光經(jīng)驗，分析自然采光在博物館中的潛在優(yōu)勢，提出合適現(xiàn)代博物館設計的自然采光攻略。 自然光分為直射陽光和天空的漫射光，它們都會不同程度地損害展品，特別是直射陽光還使建筑本身變得過熱和產(chǎn)生眩光，必須要嚴格控制?？v觀歷史上的博物館采光設計，建筑師們在這方面進行了長期不斷的研究和摸索。早在17世紀，自然采光就以窗的形式進入博物館的展示空間了。 從建筑的角度定義，傳統(tǒng)的自然采光就是以建筑開洞的形式把自然光引入建筑內(nèi)部，通常分為側(cè)采光和頂部采光，側(cè)采光就是指窗。有些歷史建筑中，窗被設計成特殊或不對稱的布置，以滿足展示采光需要，自然獲得的光線變化把室內(nèi)展品表現(xiàn)得十分漂亮。正如哥本哈根蠕蟲博物館1655年的印刷插圖所示，自然采集的蠕蟲標本當時在自然光里陳列展示。 除了窗這種側(cè)采光方式，最常見的建筑手段還有頂部采光。頂部采光是指任何從視線上方進入室內(nèi)的自然光，包括高側(cè)窗和天窗。在加農(nóng)布魯克斯（CannonBrookes）的《博物館畫廊中的日光》中，他定義了5種頂部采光方式：頂點采光、氣窗采光（也有些觀點認為它屬于側(cè)采光）、間接頂棚采光、圍合頂棚采光和廠房采光(Fig.2)。頂點采光：這種采光的展廳基本形式是由頂棚中心狹長的矩形采光天窗和二邊深拱形的天花頂棚組成的。正如它的名字一樣，日光透過屋頂頂點的天窗照射到中央走道或由二邊的拱頂反射形成展廳上空的緩沖光區(qū)。頂點采光的方式不會產(chǎn)生眩光，但一次性造價高，并且采光率小，所以現(xiàn)代建筑中已較少采用。氣窗采光：也可歸為高側(cè)窗采光，日光通過垂直或稍有傾斜的玻璃窗進入室內(nèi)，并照亮對面的墻體。在歷史建筑改建的博物館中常見這類采光方式。平頂采光：通常是水平玻璃頂加上少許的弧形頂，是頂點采光的后續(xù)形式，但對所用玻璃有技術(shù)要求。這種形式不需要頂點采光的高度，節(jié)約了成本，卻同樣最大限度地利用了自然光。圍合頂棚采光：采光定向到室內(nèi)的墻上而不是地板上，用墻面反射達到采光效果。要使光線過參觀者的視線以上，天窗的傾斜角度較大越好。這種方式看似不錯，但室內(nèi)的中央會有一大塊低平頂，直接影響空間效果。廠房照明：顧名思義，就是類似于大型工業(yè)廠房的采光，目的在于提供高質(zhì)量的大空間照明，同時避免陽光直接照射。這種形式的采光因為它對日光的高利用率，在當代的雕塑藝術(shù)博物館中很收歡迎。 直射光會產(chǎn)生熱輻射，使展品溫度升高，濕度下降，從而導致紙張、紡織品等彈性減弱、變脆，紙張變黃、顏料變色、粉化剝落等。光氧化反應使展品的強度和耐久性降低,字跡、顏料等也會產(chǎn)生褪色現(xiàn)象。上述五種博物館設計中常用的頂部采光形式，可以發(fā)現(xiàn)它們都是通過建筑的開洞尺寸和角度控制光照，并利用墻體反射避免直射光對展品的傷害。但是這局限了建筑形式的設計，對于眩光、光強照度、紫外線等有害因素也無法精確控制。 隨著現(xiàn)代建筑的發(fā)展和智能化技術(shù)的進步，節(jié)能輔助設備的種類越來越多，功能也越來越廣。節(jié)能輔助設備的設計原則是阻擋和引進，阻擋紫外線和溫度，引進可利用自然光并使之均勻分散到整個空間。一名設計師，不應該在建筑上簡單地堆砌節(jié)能輔助設備，而應該根據(jù)不同的建筑和地理環(huán)境采用不同的輔助手段，從而把高質(zhì)量的采光作為博物館建筑設計的重要部分。建筑外殼的巧妙設計加上節(jié)能輔助設備的合理運用是博物館設計中控制直射陽光的最重要策略。1．歷史保護建筑+低透光率夾層玻璃 低透光率夾層玻璃既保留了玻璃的透光性，又可以過濾掉對展品有害的紫外線，是博物館自然采光的基本元素。特別有許多的博物館是利用歷史建筑改建的，這些建筑豐富的歷史背景和文化底蘊使其本身就成為一件無價的展品。這類改建的挑戰(zhàn)在于如何最大化地保持建筑本體，又滿足其新的使用功能。在博物館改建設計中，最常見的是建筑側(cè)窗占用了寶貴的立面顯示空間。例如蘇格蘭的圣芒戈博物館為現(xiàn)有歷史建筑物改建，在其主要展覽空間有若干原建筑上的大彩釉玻璃窗。設計師佩吉和帕克建筑事務所（Page&ParkArchitects）和彩釉玻璃專家合作為雙層玻璃窗制作了一種中密度彩色玻璃，并由這種玻璃由內(nèi)遮住原建筑彩釉玻璃。這使外界光到達在畫廊空間時減少約80％強度，又保留了對外部景色觀賞。另外還設計附加了一個過濾層使UV含量降低到可接受的水平，保留了日光的空間感覺。低透光率夾層玻璃把紫外線擋在了室外，避免陽光對展品的損害，同時保護原建筑的獨有風格。除了歷史建筑改建的博物館，低透光率夾層玻璃在新建博物館也是不可缺少的技術(shù)手段之一。2．玻璃幕墻建筑+智能化遮陽系統(tǒng) 在玻璃幕墻林立的城市，智能化遮陽系統(tǒng)的研發(fā)是綠色環(huán)保建筑技術(shù)的必然趨勢。智能化遮陽系統(tǒng)由遮陽百葉(簾)、電機及控制系統(tǒng)組成，根據(jù)自然條件的變化,自動調(diào)整簾片角度或作整體升降,既阻斷輻射熱、減少陽光直射、避免產(chǎn)生眩光,又充分利用自然光,節(jié)約能源。智能化遮陽系統(tǒng)可以隨時調(diào)節(jié)入室的光照，保證室內(nèi)功能需求，同時也保留了符合人體舒適度的日光變化，適合現(xiàn)代建筑地上部分的新建和改建。例如位于在美國洛杉磯的杰.保羅蓋蒂博物館建筑主體的頂部有一個17英尺寬35英尺長的天窗，可提供充足的自然光源，但也帶入了不受歡迎的直射光，這樣一個大面積的天窗必須進行輔助設計(Fig.3)。首先，35%透光率的中性色玻璃被用來減少流明量使照明達到最適合藝術(shù)品的效果。然后，利用玻璃透光特性及外部智能化遮陽百葉的有效結(jié)合提供展示所需的照度和減低太陽輻射。為了規(guī)范日光并保護展品免受陽光直射，博物館的每個天窗都安裝了智能化遮陽百葉，百葉是東西軸向安裝，南北方向開啟。面積超過26000平方英尺的智能化百葉安裝在中性色玻璃外，形成了展廳一把透光的遮陽傘。另外，特制的時間控制器會根據(jù)不同的季節(jié)和時間設置百葉的開啟角度。隨著太陽升起，室外的感應器觀察天空，并統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)。百葉開啟到一個預設角度，停留1-2個小時允許日光在空間中有些許變化，但永遠不會允許陽光直射進入展廳。設計小組用實體模型多次進行采光實驗，最終找到了平衡點，使自然光成為整年營運的主要光源。3．地下室展示空間+光導照明系統(tǒng) 現(xiàn)在這項技術(shù)被應用于光導照明系統(tǒng)（也稱為Sunpipe），其系統(tǒng)原理是通過采光罩高效采集自然光線導入系統(tǒng)內(nèi)重新分配，再經(jīng)過特殊制作的導光管傳輸和強化后由系統(tǒng)底部的漫射裝置把自然光均勻高效的照射到室內(nèi)，特別適合建筑的地下層。它的特點是照明效果好，屋面開孔面積小，無污染。在眾多的案例中，最成功的例子當屬加拿大國立美術(shù)館，它的設計師也是光導天窗的發(fā)明者。加拿大國立美術(shù)館坐落于加拿大渥太華，是加拿大的標志性建筑物之一。同樣，自然采光也被設計團隊列為首要任務。讓自然采光進入地下室空間的想法三個組件催生了一種獨特的天窗設計光導天窗(Fig.4)。這種寬度僅限于六英尺的天窗熱量損失很小，窗玻璃由三個組件組成，除了金屬框架，半透明的漫射夾層和透明隔熱玻璃形成一件低輻射外衣，在寒冷的冬天有效減少熱量損失。寬度為六英尺的管井從屋頂?shù)降讓友由?5英尺，利用井壁的鏡像作用把光引入底層室內(nèi)。作為當時的新技術(shù)研究，設計人員做了若干1：20的模型進行實驗，最終還做了一個1：1的實體模型來驗證其可行性。此外，展廳上部每個天窗的內(nèi)部都裝有布質(zhì)卷軸電動窗簾，窗臺下裝有感應器，可隨時調(diào)節(jié)窗簾軸以維持展廳內(nèi)部所需的照明水平?；⌒蔚奶旎ò鍓νㄟ^反射均勻照度，15分鐘延遲天窗控制程序增加光影變化，整個展廳的照明被演繹得無懈可擊。1988年開業(yè)時，加拿大國家美術(shù)館成功展示了由中庭、天井、和光導天窗組合的舒適迷人的環(huán)境。4．地上無窗建筑+縫隙式光導反射系統(tǒng)縫隙式光導反射系統(tǒng)和光導照明系統(tǒng)一樣有外部的采光裝置把自然光導入室內(nèi)，但是進入室內(nèi)后是通過特殊反射裝置把光反射到天花頂面，再漫射到室內(nèi)。這種輔助系統(tǒng)可以用于氣候、地理或其它原因限制開洞的建筑地上部分。縫隙式光導反射系統(tǒng)也有著照明效果好且無污染的優(yōu)點，無論是晴天或者是陰雨天，完全利用自然光為室內(nèi)提供充分的白晝照明，并且不需要配電裝置和傳導路線，能夠有效地節(jié)約資源。典型的例子是位于德克薩斯州的坎貝爾藝術(shù)博物館。由于炎熱的夏天，坎貝爾藝術(shù)博物館長筒狀的建筑只可以留有少量的外窗，以減少外部熱量的侵入。為了利用自然光，建筑師在建筑頂部開了一道縫隙式天窗，天窗的入射口有一凸弧形截面的采光裝置，既允許自然光進入又濾去紫外線。在天窗內(nèi)部裝有一套反射板，把入射光反射到拱頂，再由拱頂漫射到室內(nèi)空間。這套系統(tǒng)作為天窗最重要的元素，設計者實驗過眾多的材料后，選擇了弧形鋁框丙烯酸樹脂，后又改為聚碳酸酯制品。厚厚的混凝土外殼是一層恒久的絕熱屏障，把室內(nèi)從外部的高溫中隔開，同時也是和縫隙式天窗形成了一道獨特的景觀。坎貝爾藝術(shù)博物館設計者對自然環(huán)境和資源的深刻理解，創(chuàng)造出了獨有的光反射器系統(tǒng)，可以說是目前德克薩斯州建筑界的一個里程碑。從以上的自然采光攻略來看，幾乎所有成功博物館的最初意向都不是單純地把節(jié)能作為核心，博物館建筑設計的原動力是建筑的形式和高質(zhì)量的采光。當然，現(xiàn)在的節(jié)能輔助技術(shù)日新月異，可以彌補傳統(tǒng)自然采光不能達到的效果，把自然采光技術(shù)推上了一個新