摘要：本文摘自《东北地区教育建筑天然采光设计机制和优化策略研究》，原文刊登于《建筑师》杂志2024年10月刊，总第231期P116-125。头条版已略去文中所有注释、图片来源、参考文献等信息，正式版本以原文为准。

作者：

刘万里，沈阳建筑大学建筑与规划学院、辽宁省区域建筑学与寒地人居科学重点实验室，副教授， 硕士生导师；

张伶伶，全国工程勘察设计大师，天作建筑科学研究院，教授，博士生导师；

王哲民，沈阳建筑大学建筑与规划学院，辽宁省区域建筑学与寒地人居科学重点实验室，讲师。

本文摘自《东北地区教育建筑天然采光设计机制和优化策略研究》，原文刊登于《建筑师》杂志2024年10月刊，总第231期P116-125。头条版已略去文中所有注释、图片来源、参考文献等信息，正式版本以原文为准。

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引用格式：刘万里，张伶伶，王哲民.东北地区教育建筑天然采光设计机制和优化策略研究[J]. 建筑师，2024（05）：116-125.

本文针对东北地区教育建筑冬季严重眩光和照度不足的双重问题，从探索典型教室空间天然光分布特点入手，分析采光设计机制，通过实地观察监测和静态、动态模拟比较分析，提出了界面柔光、构件导光和腔体补光三种采光优化设计策略，并结合实际工程进行了设计应用和建成后的监测评估，形成了对教育建筑设计实践具有参考借鉴价值的方法探索和理念创新。

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一、问题导向

近年来，来自于医学、心理学方面的大量研究成果表明，良好的天然采光可以有效促进青少年视网膜感光神经细胞发育，不仅能够显著降低近视发生的概率，而且其产生的“非视觉效应”对于青少年生理节律、激素分泌、生长发育、睡眠质量都具有明显的正向调节作用，能够改善学生在校期间的精神状态和学习效率，教育建筑中的采光设计日益受到重视。

尽管多媒体教学技术发展之下教室人工照明的比率在上升，但通过对各类教学活动的调研发现，天然采光仍然占据主导—中小学校课堂教学对过程性板书的依赖，高校教室开放时间中相当大的比例是解决自习需求，都决定了天然采光是更好的选择；而在特教学校中，普遍具有一定光感能力或微弱视觉的盲生，需要借助更加清晰的视觉来感知对方表情和手势的聋哑生，以及对光环境稳定性要求较高的培智学生，都对天然采光有着更高的需求。因此，各类设计规范中的采光设计标准不断细化，指标从采光系数、照度扩展到采光均匀度，并变为强制性条文，呈现了从量到质的全面提升（表1）。

建筑设计实践中，采光设计主要依靠窗地面积比进行估算。这种方法因其操作简单而在效率至上的设计行业长期沿用，通常的结果是使教室外墙大部分被开窗所占据，不仅对建筑形象创作和节能计算产生较大的制约，而且在项目回访和扩展调研中发现，东北地区教育建筑普遍存在教室眩光严重、拉紧窗帘、白天开灯的现象，使建筑师精心推敲面积、形式、比例的大窗不仅没有发挥提升采光性能的作用，反而引发了课堂氛围压抑、照明能耗增长等一系列问题。可见，以窗地比为依据进行采光计算并不能普遍适应我国不同地区真实的天然光环境，采光设计的实施方法与现实情况存在严重脱节。

在本研究领域，南京大学吴蔚教授团队对南京地区教室空间天然采光进行的实测与模拟研究，华南理工大学刘宇波教授团队研究的华南地区天光教室，重庆大学黄海静教授团队研究的西南地区教室侧窗遮光，天津大学赵华博士研究的北方地区教室导光构件等，都是根据各自地区天然光气候特点提出的针对性对策。在东北地区，目前的相关研究较多集中于开窗与节能的关联研究，有待于从掌握采光机制入手探索科学合理的教育建筑采光设计策略。

二、机制研究

1.采光机制探讨

我国现行规范中窗地比估算和采光公式计算的方法都是以不考虑日期和分时变化的全云天天空亮度为基准的，无论纬度与气象条件差异，只要处于同一光气候区就按照一致的天空亮度计算。南方地区纬度较低，常年的太阳光入射角和天空照度值较大，对室内直接照射区域有限，进入侧窗的主要是天空漫射光，与规范中采用的全云天天空效果接近，侧窗面积与室内采光效果具有正向关联；而在东北地区的漫长冬季中，晴天比例较高，太阳光入射角较小，太阳直射光对于室内光环境的影响范围与幅度较大，以全云天天空亮度为基准的计算方法无法反映这种现实情况，也无法解决其产生的眩光问题，因此需要深入观察分析，掌握天然光在教室内的分布变化规律。

2.东北地区典型教室天然光分布

以东北地区中心城市沈阳的南向标准教室为例，通过气象数据分析和典型教室观察实测发现冬夏差异明显。夏季8：00—16：00时段内，太阳光自天顶方向近似于垂直射下，夏至日正午的太阳光入射角达到71°78′，与南方地区实际差别不大，教室内出现眩光影响的区域仅限于靠近侧窗的少量座位；产生眩光的原因主要是太阳光直射桌面导致亮度过高，人对这种视觉不适感的承受能力较强；夏季室内天然光照度整体较好，采光均匀度和满意度较高。

而在冬季有效采光时段9：00—15：00，太阳光以较小的角度斜射入教室，冬至日正午的太阳光入射角仅为25°26′，远小于南方地区，教室内超过2/3的区域能够接收到太阳光照射（表2）；在上午时段，太阳光自学生身体左后方入射，除部分时段对黑板有一定影响外，不会对学生视觉造成明显不适感，然而在午后13：00—15：00时段，更低的太阳光自学生身体左前方低平直射面部，眩光强烈，影响区域超过教室面积的60%（图1~图3）；同时，冬季天然光照度下降明显，太阳光照射不到的远窗区域和阴天时室内大部分区域均感到照度不足，整体的采光均匀度和满意度显著下降。

图 1：沈阳冬夏季有效采光时段太阳轨迹比较分析

图 2：南、北方自然光高度角比较分析

图 3：沈阳全年天然光照度分布

3.挑战与对策

通过前文分析可知，东北地区教育建筑采光设计亟待攻克的难点是在长达5个月的冬季里天然采光分布严重不均衡，表现为近窗区域眩光问题和远窗区域照度不足问题同时出现，在进一步叠加了冬季大窗散热严重的问题后，如何平衡采光、得热、散热成为我们面临的主要挑战。

天然光带来了照度和热量，传统大窗在获取光热上具备优势，但是光照和得热过于集中，而热量流失也同样集中，需要我们重新审视多年来加大开窗的固有思路，从改变天然光进入室内及其在室内传播的方式入手，思考适合于东北地区地理气候条件、经济承受能力和技术水平的对策。我们从2012年的大连理工大学辽东湾校区设计中开始关注侧窗形态和实际采光效果的差别；在其后参与的《特殊教育学校建筑设计标准》修编工作中负责室内物理环境章节，对教室天然采光进行了大量调研考察和原理分析；伴随研究的不断深入，尝试使用模拟软件对理想化教室模型和实际工程项目采光设计进行分析，并在建成后进行了长期评估监测，不断模拟修正，探索了界面柔光、构件导光和腔体补光三种采光设计策略。

4.模拟方法比较

本项研究需要引入天然采光模拟软件进行定量化研究，以获得对设计策略的精准支撑。在前期研究中，主要使用以Ecotect为代表的静态采光模拟软件。Ecotect采用CIE（国际照明委员会）的全云天天空模型，模拟生成的采光系数、照度、采光均匀度等参数可以和规范中的参数标准直接进行对照比较，实用性强；但其无法精确模拟晴天、多云等真实天空照度，需要利用其另行生成的日均辐射分析图才能反映太阳辐射在室内的影响轨迹，作为研究眩光的辅助参照。

后期研究中开始使用以Daysim为核心，包括Ladybug、Honeybee插件等在内的动态采光模拟软件。Daysim采用比CIE模型更精确的Perez模型，可以模拟全年阴天、晴天和多云天空等各种天空条件下直射光、漫射光及地面反射光对室内天然采光的影响，模拟生成的天然光自主参数（DA）、有效天然光照度（UDI）等参数可以更为真实、精确地反映室内各部位全年天然采光达到指定标准的百分率，特别是UDI可以设定采光舒适的照度区间，对于照度不足和眩光问题均有反馈。静态与动态模拟各有所长，二者的相互比较印证可以帮助研究结果更加客观准确。

三、界面柔光

东北地区教育建筑主要依靠侧窗采光，探讨合理的侧窗形态和组合方式，形成兼顾保证照度和柔化眩光的建筑界面，是从技术可行性与经济合理性上应该首要探讨的设计对策。通过对东北地区中心城市沈阳的典型教室空间模型（面积70㎡，层高3900mm，窗高2400m，窗台高900m）静态采光模拟分析，显示出在侧窗总面积、侧窗高度一致的情况下，窄窗和窄窗间墙均匀组合形成的“栅格化”界面与传统的大窗形式相比，室内天然光照度略有下降，而采光均匀度则得到提升；在窗宽与窗间墙达到大约2∶1的比例时（C组、D组）达到综合性能较佳状态（表3、表4）。

从原理上分析可知，统一的侧窗总面积实现了相同的窗地比，在理论上的全云天状态下侧窗进光量是一致的；而在真实的晴天状态下，“栅格化”界面上数量较多而尺寸较小的窗洞口犹如放大的“光栅”，结合东北地区包含墙体保温后普遍超过300mm的窗洞深度进一步“切割”，可以避免大面积的直接眩光，阻止下午时段来自于学生左前方的太阳光对面部直接照射，将采光状态实质上还原为天空漫射光，即使是无法完全阻挡的入射光也会被分解成细小的“光斑”，尽量弱化对视觉的影响。

通过模拟分析的数据和图像比较发现，窗的数量越多，近窗区域眩光影响越小，显示这种采光策略对于照度过高和直接眩光问题有了确切的改善，即使平均照度略有下降，仍然可以通过远窗区域增设高侧窗进行采光补偿的方式加以优化。而且，“栅格化”界面也改善了大窗界面下辐射得热和热量散失过于集中的不舒适感，使室内温度更稳定，有利于节能降耗。

在2012年完成的大连理工大学辽东湾校区教学区建筑设计中，我们应用了“栅格化”界面。根据项目整体形象控制，在教学楼立面上采用了700mm宽的窄窗和700mm宽窗间墙的连续组合，形成了均质、理性、典雅的建筑立面形象，在内走廊一侧增设高侧窗后，采光性能得到进一步提升；图书信息中心外围护体系为外层U型玻璃和内层400mm厚轻质复合墙体的双层幕墙系统，内层墙体上采用了700mm宽的窄窗和350mm宽的窗间墙形成组窗，塑造了生动灵活的建筑界面，窄窗配合较深的白色窗洞，使室内获得了明亮而柔和的采光效果。

在设计阶段，运用Ecotect进行了模拟分析，显示教学区、图书信息中心的采光设计满足当时执行的窗地比1/6、采光系数2%的规范要求，且综合比较优于相同侧窗面积的大窗方案（表5、表6、图4）。项目竣工后，在冬、夏及过渡季进行的持续跟踪监测印证了前期模拟的结果，室内实际天然采光照度已能满足新标准采光系数3%的要求，得到了使用者的认可，各类教室大面积拉窗帘的情况很少出现，建筑能耗也达到了相比同类建筑节能性能达到提升10%以上的预设目标（图5~图8）。

图 4：图书信息中心阅览室日光辐射模拟

图 5：教学楼采用“栅格化”立面开窗形式

图 6：教学楼普通教室内入射阳光被窄窗分解

图 7：图书信息中心立面局部

图 8：图书信息中心室内实景

在近几年进行的鞍山师范学院新校区扩建项目中，我们开始尝试静态和动态模拟分析相结合，对“栅格化”界面柔光策略进行更具针对性的优化研究。根据该项目中教学用房的具体分布，形成以300mm为模数的不同宽度窗型组合。

在教室前半部分窗型采用宽度300mm、600mm、900mm的窄窗组合，利用400mm深的窗洞口分割、柔化入射太阳光；后部适当加入1200mm、1800mm、2400mm等宽度较大的窗型，既能保证教室整体开窗面积满足规范要求，又使午后自后部大窗斜射而入的太阳光照射在教室后墙形成反射，在尽量减少对学生产生直接眩光的前提之下提升室内照度和采光均匀度（图9、图10）。运用Ladybug进行模拟分析，显示出了这种设计方案在UDI100-2000的数值上与传统大窗方案较为接近，而在模拟图像上则可看出教室中前部蓝色较深的眩光区域明显更少，采光舒适性更好，表明其更加精准地改善了室内光环境，也塑造出了生动灵活的建筑形象（表7）。

图 9：午后太阳光在教室中的分布示意

图 10：鞍山师范学院新建教学楼建筑立面局部

界面柔光策略的核心思想是通过改变界面特征使天然光以“柔和”的方式进入室内。“栅格化”改变的是界面的肌理形态，使光线被切割分解，这种处理也使我们突破了教育建筑必然是大面积横窗的思维定势，在建筑创作层面保持了更多种可能性。改变界面的材质属性是另一种柔光策略，“智能玻璃”等新型材料可以电控调节透明度，控制侧窗的进光量，使用者能够根据天气情况对眩光或照度不足的问题加以应对。目前影响“智能玻璃”广泛使用的因素在于成本偏高，应用于外窗的耐久性有待提升，但其光热调节便捷，而且无需改变原有窗洞形态，因此在既有建筑改造中的应用前景也非常广阔。

四、构件导光

在侧窗洞口中设置水平方向的导光构件，是一种应用广泛的天然采光调节手段，不同地区的构件设计特点迥异。南方地区以减少太阳辐射热量进入室内为主要目的，一般将构件设在室外窗洞口上方进行遮光，东北地区则应将构件设置在室内，使太阳辐射的光与热先进入室内再进行导控。通过对沈阳地区典型教室空间模型的静态、动态采光模拟分析，显示出导光构件位于侧窗中上部约2/3窗高位置，构件截面形态为宽度介于1050~1200mm范围、向内弧形，构件材质具有20%~30%透光性能时，利于将尽量多的入射光经过导光板和天花板反射而进入远窗区域，达到改善近窗区域眩光、提升远窗区域照度、满足规范照度和采光均匀度的综合性能较佳状态（表8）。此外，智能控制的导光百叶具有更有针对性的导光效果，但目前因其初期投入和维护成本较高而导致推广效果不尽如人意。

在2012年完成的辽宁省实验中学辽滨分校设计中，我们结合建筑形象构思和模拟分析，在高2550mm、宽3150mm的教室侧窗中上部设置了水平方向导光构件。导光构件距地高度为2600mm，构件截面宽度为室外300mm、室内500mm，构件上方有600mm的高侧窗。由于当时技术所限，导光构件最终采用钢筋混凝土浇筑，外刷具有较高反射比的灰白色外墙涂料，实际截面宽度有所缩短，而截面高度达到了250mm。

根据设计阶段的模拟分析和建成后使用效果来看，截面较厚且不透光的混凝土导光构件使室内天然光照度有一定程度下降，但尚满足规范要求，采光均匀度则有一定提升，显示导光构件对于远窗区域的照度提升产生了积极作用；后期采用动态模拟分析的结果也验证了这一结论（图11、图12，表9）。整体而言，水平方向导光构件要考虑对使用者的影响而不能过低、过宽，近窗区域的眩光不能完全避免；受限于构件材料性能和安装技术，目前的推广度仍然不高，但随着研究的深化，在未来的应用前景，特别是在既有建筑改造中的应用潜力巨大。

图 11：辽宁省实验中学辽滨分校教学楼导光构件作用分析示意图

图 12：辽宁省实验中学辽滨分校教学楼实景

2023年，在沈阳农业大学东北种质资源创新利用研究中心项目中，以“栅格化”界面的柔光分析为启发，我们探讨了竖向导光构件的运用。种质资源创新利用研究中心基于“谷仓”的设计概念，采用竖向导光格栅形成了整体感更强的“栅格化”立面；同时，本项目内部以实验室为主，在采光需求较高的同时需要控制室内温度波动，因此将格栅设置于玻璃外侧。根据设计过程中的模拟分析，采用平面截面为面宽200mm、进深400mm的格栅，在侧窗总面积一致且满足窗地比的前提下，格栅净距处于400mm、600mm时的室内天然光照度、UDI100-2000数据明显优于净距800mm、1000mm、1200mm及常规大窗的情况，而采光均匀度也达到了0.5以上，显示天然采光各项综合性能达到了最优状态（图13、图14，表10、表11），也为我们在导光构件的研究上提供了重要拓展思路。

图 13：研究中心南向导光构件比较

图 14：“谷仓”意象的建筑立面形象

五、腔体补光

对于东北地区教育建筑中普遍存在的远窗区域照度不足的问题，最直接的解决办法就是增加采光补偿，即通过采光导管、高侧窗等方式为教室内最暗区域提升照度，改善采光均匀度。采光导管一般是利用高反射的导光管道或光导纤维自屋顶引光进入室内，导光效果好，无需额外能源消耗；在东北地区应用不多的原因固然是与成本、技术、观念相关，也是由于冬季积雪容易覆盖或冻结屋顶上的引光端，导致装置失效。

走廊一侧高侧窗补光是一种更为简单而实用的方式，具体补光效果的差异则主要在于走廊的照度情况。在不断提升的城市密度和节能要求之下，东北地区教育建筑的空间组织越来越多采用双侧布房的内廊形式，以便实现功能集约的建设需求和形体规整的节能要求，使建筑进深逐渐变大，内廊中的采光、通风、空间感受都受到不利影响。基于此，我们探索了腔体补光策略，通过在建筑内部设置小尺度的采光井或较大尺度的中庭、天井等不同形式的腔体空间，引导天然光进入建筑内部，提升走廊空间照度和通风效率，实现对室内环境的多维导控。

在大连理工大学辽东湾校区教学区的设计中，面对寒地滨海区域的冬季低温和寒风侵袭，建筑单体设计追求功能复合和形态规整，在保证南向教室开窗面积的同时，尽量减少北向辅助功能空间的开窗，获得了具有典型寒地建筑特征的厚重形象。为改善封闭式内廊的光环境与风环境，在内廊北侧设置了规律性的微型腔体“光井”和变化出现的小尺度开放腔体中庭。

“光井”平面长宽均为1200mm，贯通一至四层，在屋面之上设置1500mm高、可电动控制开合的玻璃体块用来导光和拔风，井道内部喷涂高反射比的白色涂料，在朝向走廊一侧为玻璃砖，自屋顶引入的天然光经过反射后能对下层走廊照度带来明显提升（图15~图19）。小尺度中庭的位置灵活，一般为两层或三层通高，上下错落，处于顶层的小中庭在屋面上设置天窗，处于中间层的小中庭在北向外墙上设置外凸玻璃阳台，在保证北向立面封闭厚实的前提下给走廊增加了采光补偿，也丰富了寒地建筑内部空间的活跃性和休息活动方式的多样性。经过了设计前期的模拟分析和建成后的跟踪监测，显示出腔体补光这种“针灸式”优化策略的有效性和灵活性（图20~图22）。

在近期我们正在进行的鞍山师范学院多媒体教学楼改造设计中，也在尝试运用腔体补光策略，为老旧教学楼低楼层、大进深的教室和北向的公共活动空间增加采光补偿（图23）。

图 15：“光井”在教学楼内位置示意

图 16：“光井”导光与通风补偿示意

图 17：教学楼无“光井”模拟示意

图 18：教学楼设置“光井”模拟示意

图 19：教学楼“光井”实景

图 20：教学楼北向封闭厚重的建筑立面

图 21：教学楼北向立面的玻璃阳台

图 22：教学楼内部小型中庭

图 23：鞍山师范学院多媒体教学楼改造设计中的腔体 植入

六、结语

三种设计策略的核心理念不同，解决问题的着力点也有很大差异。整体来看，界面柔光策略主要改变外窗形态和界面肌理，运用常规技术，成本上仅增加少量的砌筑人工成本，在改善眩光和提升保温性能方面效果确切，也能解放建筑形象设计，适于新建项目；构件导光策略需要考虑构件生产和安装环节的可行性，存在一定的成本与技术门槛，在改善采光均匀度和远窗区域照度方面表现更佳，节能效果则有限，适于新建和改建项目，如果未来能够实现智能电控则将获得更好的导光效果；腔体补光策略是辅助型做法，技术体系并不复杂，初期建设成本可能是三者中最多的，但其带来提升远窗区域照度、改善室内通风、间接提升节能性能等一系列长期综合收益，值得进一步深入研究。

本项研究是从实际工程中发现矛盾，并引发对于东北地区教育建筑采光设计面临的核心问题和深层原因的探究，进而伴随采光机制研究，探索在多重因素限制下的采光设计策略，最终作用于工程实践。在研究方法上，结合了实地观察监测、软件模拟分析和工程实证检验，而非单纯的模拟计算；在研究目的上，更加注重的是在定量对比分析之下对设计实践进行“定性”化的方向引导，而并非提供完全精准的唯一“答案”；在研究立足点上，是基于建筑师视角的设计策略探讨，而非纯粹研究者立场的数据分析。我们认为采光设计不再是以往粗放式计算的技术分项，已经逐渐成为影响教育建筑从整体创作理念到空间形态设计创新的重要因素，在软件模拟分析尚未在实际工程设计过程中大规模使用的情况下，这样的研究仍然具备重要的现实意义。

来源：中国建筑出版一点号