广深机场天然光环境营造方式的比较研究

A Comparison Study of Construction Methods for a Daylight Environment in Guangzhou and Shenzhen Airports

South Architecture - - 目 次 - / 遇大兴

摘要 天然光环境更有利于人体健康与视觉舒适,这促使机场等大空间建筑对于天然采光设计的重视程度逐渐提高。比较广州新白云机场、深圳宝安机场T3航站楼两个大型机场的采光设计方案及其实际采光效果,文章旨在提出机场等大空间公共建筑采光设计应注意的问题以及设计原则。通过理论分析、现场测量、使用后评价等方法,研究两者在天然采光设计方面的优劣。经调研对比后发现开敞式大空间建筑使用集中式带型天窗不利于在整个室内实现均匀的天然光环境,而使用分散式平天窗更有利于营造均匀的天然光环境。

关键词 机场;候机楼;天然采光;视觉舒适

ABSTRACT The daylight environment is more conducive to the human health and visual comfort, which makes the airport and other large space buildings pay more attention to daylighting design. This paper implements a comparative study of the daylighting design scheme and actual daylight performance of two large airports, namely Guangzhou Baiyun Airport and Shenzhen Baoan Airport T3. The paper aims to identify the problems that should be considered and the design principles for the daylighting design of large-space public buildings such as airports. Using theoretical analysis, field measurement and post-occupancy evaluation, the advantages and disadvantages of the daylighting design of the two buildings are analyzed. After comparing the results, it is found that a centralized belt skylight in an open large-space building is not conducive to achieving a uniform daylight environment in the whole indoor space. In contrast, the use of dispersed flat skylights is beneficial for the creation of a uniform daylight environment.

KEy WORDS airport; terminal building; daylighting; visual comfort

*西部绿色建筑国家重点实验室开放课题资助项目:天然光环境视觉舒适度评价与建筑动态采光模拟研究,项目编号: LSKF201802;亚热带建筑科学国家重点实验室自主课题:天然光环境视觉舒适度评价与建筑动态采光模拟研究,项目编号:2017KB11;华南区光气候下的侧窗采光空间光环境评价,项目编号:2015ZC15。

中图分类号 TU113.6+62文献标识码 A

DOI 10.3969/j.issn.1000-0232.2018.04.022 文章编号 1000-0232(2018)04-0022-04

作者简介 华南理工大学建筑学院、亚热带建筑科学国家重点实验室,讲师;电子邮箱:yudaxing@126.com 引言

机场建筑属于城市中重要的大型公共建筑,本文中所称的广深机场特指广州新白云机场T1航站楼以及深圳宝安机场T3航站楼,两个机场所使用的天然光环境营造方法及其天然采光效果大相径庭,因此选择此两者进行 比较研究,分析不同机场建筑天然光环境营造方式之优劣,以利于总结进而指导机场采光设计。机场建筑对于光环境的要求较高,且通常情况下照明能耗占比亦高。照明节能是机场建筑节能的重要环节,而良好的天然采光设计有助于降低照明能耗,且可以提高使用者的视觉

舒适度,进一步则有助于营造良好的室内光环境[1]。机场的采光设计具有较强的研究意义值得深入探讨。本文的研究目的在于通过比较分析广州新白云机场、深圳宝安机场 T3航站楼两个相同地域内、年均客流量均超过千万人次的大型机场的采光设计手法及其实际采光效果,通过理论分析、现场测量、使用后评价等研究方法,比较两者在光环境设计方面的优劣,进而总结在采光设计时应注意的问题及设计策略。

经现场调查,从使用者的体验而言,天然光环境可视为机场的主要特征之一,明亮的采光效果给人印象深刻。人们普遍认为开敞的室内公共空间应当具有明亮的天然光照效果,并且能与室外有良好的视线沟通。建筑物直接采光由于不存在能量形式的转换,因此是建筑利用太阳能最高效的方式[2],且日间由于良好的天然采光效果而节约的人工照明能耗较为可观。MIT建筑学院教授Reinhart指出,良好的采光设计对于建筑物能耗的降低,不仅局限于人工照明能耗方面,还可以带动整个建筑能耗的降低[3]。尤其在亚热带、热带地区,良好的遮阳可以防止室内过热,一方面可以降低夏季制冷能耗,另一方面主动式节能措施与遮阳装置相结合可以进一步地降低能耗[4]。此外,从吴硕贤院士提出的光景学理论 [5] 的层面上讲,优秀的采光设计方案可以营造自然、富有变化的光景观,有助于人体健康与视觉舒适。然而,在采光设计层面,国内的机场普遍存在采光量不足、眩光限制不到位、采光口样式的视觉特征不理想等问题。针对以上问题,尝试从采光口形式、遮阳措施、设计方案的主观评价等方面进行分析与研究。

1机场建筑天然光环境营造方式

机场建筑属于大跨度开敞空间建筑,使用天窗采光是此类型建筑采光营造方式的共性。天窗可以分为“矩形天窗”、“锯齿形天窗”、“平天窗”三大类[6],绝大多数机场采用的天然光环境营造方案可以归纳为此三类型天窗及其衍生方案。建筑设计的过程是满足功能需求后的形式创作[7、8],天然采光设计是建筑设计的一部分, 应当在建筑设计前期就优先考虑天然光环境的营造[9]。国内外成功的机场采光设计案例不胜枚举,其中无不与建筑设计巧妙地融为了一体。

伦敦希斯罗机场T2航站楼借鉴锯齿形天窗采光原理进行了采光设计(图1)。如图2分析所示,连续布置的北向采光口在充分采光的同时,遮蔽了来自南向太阳直射光,曲线的造型具有一定的韵律美感,同时营造出简约的室内视觉效果,运用并不繁杂的技术手段兼顾了功能与形式。对于屋顶采用单层结构且不使用格栅的航站楼,“锯齿形天窗”及其衍生方案不失为良好的选择且经济性好。

香港赤腊角国际机场航站楼,为解决大跨度单体建筑内的采光问题,将带型平天窗分散布置,并且在平天窗下方一定距离上悬吊具有遮阳作用的构件(图3)。图4为该机场天窗采光分析图,从图中可见此类营造方案在实现有效遮阳的同时使得漫射光可以入射室内,由于带型采光口连续布置,在一定程度上保证室内的照度及其连续性。

以上两个案例同为单层外壳结构,比较其天然光环境营造方式,使用锯齿形天窗的伦敦希斯罗机场在照度均匀度与照度水平上更胜一筹。诚然,具体到某类型采光方案的实际采光效果还需要根据具体的参数变量以及环境等因素进行具体分析,本节仅定性说明其特点。

2广深机场采光设计比较

2.1 采光口分析

广州新白云国际机场是我国最重要的空港交通枢纽,吞吐量位居全国三强,南方地区首位[10]。图 5是新白云机场航站楼内景,巨大跨度的网架结构支撑其单层屋顶结构,通过集中于屋顶中间一条带状采光口进行自然采光,两侧为大面积玻璃幕墙[11]。由于整体为单层壳结构,且采光口为带状平天窗,因此对于太阳直射光所可能形成的眩光缺失有效的限制措施,为了遮蔽太阳直射光入射、避免室内形成强烈的阴影,在该带形天窗上安装了低透光率(Tvis=14.8%)的白色漫透射膜材料。从

图 6白云机场采光分析中,可知集中使用带型天窗且使用漫透射膜材料作为透光材料限制眩光的同时大幅降低了采光效率,且受限于采光口面积,如此大跨度空间内,靠近幕墙区域的范围内与建筑中心区域天然光照度差异明显。课题组对该机场进行了动态采光模拟[12],使用广州市典型年气象数据(TMY2)在动态天空模型下计算,并且选择动态采光指标:自主采光阈(DA)进行采光效果的判定 [13,14],该机场的 SDA 指标(spatial daylight autonomy)不足 19%,即一年中照度超过300 lx 的时间不低于 50%的室内面积不足总室内面积的19%(每日计算时间为 8:00~18:00),由此可知新白云机场航站楼采光量不足。从兼顾采光效果与遮阳的角度出发,平天窗的室内侧使用百叶遮阳方案,参数设计合理的前提下,其采光效果强于在平天窗内侧全覆盖低透光率的漫透射膜材料的效果。

深圳宝安国际机场T3航站楼建筑设计上的显著特征,正是与建筑表皮设计高度结合的采光系统[15],也是该机场给人印象最深之处。图7为宝安机场内景图,晴天空的天况下,视线范围内眩光控制较好,视野内亮度对比不强烈。双层壳结构的优势之一在于可以更加灵活地组织、设计采光系统。各类型天窗中,平天窗的特点是采光效率高、易产生眩光[6],但通过合理技术方案可以兼顾采光效率与遮蔽眩光。对于单层外壳而言在平天窗下安置百叶或格栅是常见的技术手段;此外如图8示意图中所示,由于采用了双层设计,外层与内层的错位安排使得此类采光系统确保漫射光入射室内的同时,遮蔽了一大部分太阳直射光,且由于采光口所占屋顶面积比较大,则营造出较为明亮的天然光环境。限于篇幅,此类

[16]多开孔双层壳的动态采光性能 与动态眩光分析将在课题组进一步的研究中开展量化分析,对于此类型较为新颖的采光设计手法开展量化研究。

经过在该机场内部随机选取的9个测试点,从一年中中间月份即 2017 年 11 月 17~23日开展连续照度测量得知,该机场内部日间(8:00~18:00)天然光照度在超

[17]

过 93%的测试时段内高于国标 对于机场建筑照度值的要求。

2.2 通过问卷进行使用后评价

为了进一步掌握使用者对于机场天然光环境的反馈意见,课题组使用了问卷调查收集相关信息,问卷的设计如表1中所示,并同时在广州新白云机场以及深圳宝安国际机场进行了调研。仅选择同时去过新白云机场以及宝安机场的旅客进行调查,如果旅客仅去过其中一个机场则不作为本次调研的有效对象。

问卷中设计了如下几个主要问题: 其一、旅客的个人信息;。其二,将新白云机场、宝安机场的天然光环境分为了“优”、“良”、“中”、“差”4个级别让受测人员进行评价;

其三,让受测人员根据印象,选取天然光环境最为明亮、视觉舒适度更高的机场;

其四,在以上两个机场中,选择天然光环境最令人满意的;

最后,请指出新白云机场/宝安机场采光设计中的问题。

本次问卷调查在两个机场内共收集到178 份有效问卷,其中常旅客94位(年乘坐航班6次以上)。根据以上问卷调查得知,17%的受访者认为新白云机场采光情况“优秀”,认为“良好”的占24%,27% 的受访者认为新白云机场的天然光环境为“一般”,32%的问卷勾选了“较差”。56%的问卷中指出的新白云机场问题主要集中于较暗。

37%的受访人员认为宝安机场天然光环境为“优秀”, 21%认为其为“良好”,认为“一般”的占25%,其余17%认为“较差”。超过41%的问卷指出的宝安机场问题主要在于开窗样式,过于密集与复杂。

有效问卷中81%认同宝安机场T3航站楼天然光环境更为明亮,58%的问卷认为相较于广州新白云机场的眩光更少,约69%的问卷认为宝安机场天然光环境更令其满意。

根据以上分析与问卷调查可知,广州新白云机场T1的主要问题集中在室内天然光照度偏低,整体印象局部偏暗,经分析造成该问题的主要原因在于候机楼屋顶开窗面积小且集中,为了避免眩光进一步在天窗下安装了半透光膜材料这使得天窗系统采光效率进一步降低。相关问题值得在机场建筑采光设计时,应引起足够重视,以便于推敲更为合理的采光设计方案。

总体上宝安机场T3航站楼的采光设计,相比较而言更令使用者满意,其主要优点在于采光充足的同时限制了不舒适性眩光,即室内天然光环境整体明亮,视觉舒

适度高,但开窗过于密集也使得众多旅客视觉感受不适,有“密集恐惧症”之嫌,且此类天窗做法较为复杂,对于设计(参数化设计)、分析、优化均提出了较高的要求,尤其双层多开孔结构系统涉及的参数多,为了得到较为优化的参数组合,则有必要通过研究结合动态采光提出择优方法。更为优化的做法应当是基于此类采光设计理念,进一步简化开窗手法,优化设计参数,在形式与功能之间选择最优搭配。

结论:采光设计策略综上所述,本文总结出机场的采光设计策略如下: (1)对于屋顶采用单层结构且不使用格栅的航站楼, “锯齿形天窗”及其衍生方案不失为良好的选择,且经济性突出。

(2)采光口分散布局,更有利于营造均匀的光环境,从采光设计的灵活性以及限制眩光等功能性需求出发,机场等大型开敞空间使用双层外壳结构,结合矩阵式布置的平天窗有利于营造更为优良的天然光环境。

(3)机场的天窗下采用低透光率漫透射膜材料具有限制眩光的效果、有利于室内光环境柔和稳定,但该做法限制眩光的同时,也大幅降低了采光效率,建议控制其使用范围,仅建议在局部小面积使用。

(4)大空间公共建筑的采光设计应以功能性为主,在满足功能要求的前提下,无需过分强调屋顶“第五立面”图案效果[18],应选择构造简单的开窗形式、避免过于密集的阵列形式,则更有利于生成优化的采光设计。

通过上述机场案例的调研、实测和分析,收集并总结了机场建筑在应用天然光方面的普遍做法,以及存在 的问题,提出了具有实际意义的解决方案。希望透过本文能够启发相关设计人员形成大跨度公共建筑的天然采光设计策略。

图、表来源

文中图片和表格为作者拍摄和绘制。

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图 1伦敦希斯罗机场T2航站楼天窗图 2伦敦希斯罗机场天窗采光分析图 3香港国际机场航站楼天窗 图 4香港国际机场天窗采光分析 图 5广州新白云机场航站楼天窗

图6广州新白云机场航站楼采光分析 图 7深圳宝安机场天窗图8深圳机场双层蜂窝表皮采光分析

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