学校体育馆天然采光现状调查研究

姚亚纬，曹 阳 ，王立雄 ，张明宇，于 娟 ，韩国帅

(1.天津大学，建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072； 2.郑州大学建筑学院，河南 郑州 450001)



学校体育馆天然采光现状调查研究

姚亚纬1，曹 阳2，王立雄1，张明宇1，于 娟1，韩国帅1

(1.天津大学，建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072； 2.郑州大学建筑学院，河南 郑州 450001)

针对天津地区学校体育馆建筑，分别测量室外天然光照度、学校体育馆场地尺寸、采光口布置及室内照度、亮度数据，并将测试数据通过计算得到平均照度、采光系数平均值、采光均匀度、不舒适眩光指数等采光指标。将上述指标结合新修订的《建筑采光设计标准》GB 50033—2013中的标准要求，对其采光情况进行评价分析，并结合典型案例研究探索优化提高学校体育馆天然采光质量的可行途径。

学校体育馆；天然采光；设计标准；调查分析

引言

学校体育馆是学校基础设施中不可或缺的重要部分，它不仅是日常教学和体育训练的主要场所，还兼具比赛、公众健身场所的功能。近年来，随着我国国民经济的发展，人们生活水平不断提高，大大增加了体育活动的强度，对体育馆的环境质量有了更高的要求。同时，伴随着“绿色体育建筑”概念的不断深化，节约能源成为体育建筑设计的重要方面。

由于学校体育馆兼具“数量多”、“体量大”、“使用频率高”等特点，人工照明的能耗问题日趋严重。合理利用天然光在降低人工照明能耗的同时，还能为使用者提供良好的室内环境。从视功能实验来看，人眼在天然光下比人工光下具有更高的视觉效应，并感到舒适和有益于身心健康。对于体育馆建筑而言，采用天然光照明更有助于提高体育训练和比赛水平。合理利用天然采光进行照明，一方面可以避免采光质量缺陷，获得良好的使用环境，另一方面也解决了体育建筑照明能耗大的问题。

体育建筑采光设计与评价主要参考《建筑采光设计标准》GB 50033—2013。该标准中新增了对体育馆建筑采光的指标要求。本文结合新标准，调研天津地区学校体育馆采光质量数据，对场馆采光质量进行评价分析，为优化改善学校体育馆天然采光质量提供基础依据。

1 测试方案

1.1 调研目的与对象

目的：调查天津地区学校体育馆的天然采光质量现状。

对象：选取典型体育馆建筑，天津大学体育馆、天津工业大学新体育馆、天津工业大学老体育馆、天津师范大学体育馆(主馆)、天津师范大学体育馆(体操馆)、天津理工大学体育馆、南开大学老体育馆共七个(表1)。

表1 体育馆基本情况Table 1 Gymnasium basic situation

1.2 测试内容及方法

(1)时间：2013年10月—12月，10:00—14:00。

(2)仪器设备(图1)：

①手持亮度计(konnica minolta Ls-100)

测量范围：FAST：0.001至299900cd/m2(0.001至87530fL) SLOW：0.001至49990cd/m2(0.001至14590fL)

②照度计(XYI-III全数字照度计)

动态范围：0.01至10000lx 0.1至100000lx

③测距仪(Leica Disto D5)

(3)内容：①建筑尺寸；②场地及采光口尺寸；③物理测试：室内、室外的水平照度，窗口亮度，墙面亮度。

图1 测试所用仪器Fig.1 Test instruments

(4)方法：根据《采光测量方法》(GB 5600—2008)，制定如下测试方法：

①照度测量方法采用均匀布点法，每个点间距3米～4米，覆盖活动场地区域及场地周围1米；亮度测量方法采用均匀布点法，每面墙上布4至6个点；

②排除人工照明的干扰，在只有天然光条件下进行测量；

③在维持场地采光口常态的情况下进行测试。

2 测量结果统计与分析

2.1 数据处理

根据实地测量数据进一步计算，具体计算方法如下：

式中：Ei——室内水平照度(单位：lx)；E0——室外同一水平面上照度(单位：lx)；Cmin——采光系数最小值(单位：%)；M——纵向布点数；N——横向布点数。

窗的不舒适眩光计算如下：

DGI=10 log ∑Gn

p=exp[35.2-0.31889α-1.22e-2α/9)10-3β+ (21+0.26667α-0.002963α2)10-5β2]

式中：Gn——眩光常数;Ls——窗亮度，即通过窗所看到的天空、遮挡物和地面的加权平均亮度(单位：cd/m2)；

Lb——背景亮度，即观察者视野内各表面的平均亮度(单位：cd/m2)；ω——窗对计算点形成的立体角(单位：sr)；

Ω——考虑窗位置修正的立体角(单位：sr)；

p——古斯位置指数；

α——窗对角线与窗垂直方向的夹角；

β——观察者眼睛与窗中心点的连线与视线方向的夹角(见图2)。

图2 窗的不舒适眩光计算的各角度示意图Fig.2 Schematic plot for discomfort glare index calculation of windows

2.2 数据对比分析

2.2.1 国家标准

依据《建筑采光设计标准》GB 50033—2013中对体育建筑的规定：侧面采光的采光系数标准值为2.0%、室内天然光照度标准值300lx，顶部天窗采光的采光系数标准值1.0%、室内天然光照度标准值150lx，体育馆的采光等级为Ⅳ级，对应窗的不舒适眩光指数(DGI)为27。对于采光均匀度，标准中仅针对顶部天窗采光规定标准值为0.7；侧面采光由于照度变化太大，标准中不做规定。故本文中不考虑侧面采光的均匀度参数。

2.2.2 数据对比

综合调研所得到的各场馆数据，分别从平均照度、采光系数平均值、采光均匀度、窗的不舒适眩光指数(DGI)四个方面进行对比。

(1)室内平均照度

各场馆室内平均照度对比如图3所示。其中，除天津工业大学新体育馆室内平均照度(48.53lx)不能满足设计标准，其他六个体育场馆的室内平均照度均高于设计标准值。

图3 室内平均照度对比Fig.3 Average interior illuminance comparison

(2)采光系数平均值

图4为各场馆采光系数平均值对比情况。其中，满足设计标准值的场馆有天津大学体育馆(2.3650%)、天津工业大学老体育馆(1.2585%)、天津师范大学体育馆(体操馆)(5.7275%)、天津理工大学体育馆(5.0503%)。在不满足采光系数标准值的场馆中，天津工业大学新体育馆的采光系数平均值为0.1577%，远低于设计标准值，场馆室内采光严重不足。

图4 采光系数平均值对比Fig.4 Average daylight factor comparison

(3)采光均匀度

以天窗采光为主的体育场馆为天津大学体育馆、天津工业大学新体育馆、天津工业大学老体育馆、天津师范大学体育馆(主馆)，采光均匀度对比情况如图5所示。除天津工业大学新体育馆(0.7561)满足设计标准规定，其余场馆均不满足采光均匀度标准值。其中，天津工业大学老体育馆采光均匀度为0.1762，远低于标准值0.7，采光均匀度很差。

图5 采光均匀度对比Fig.5 Uniformity of daylighting comparison

(4)窗的不舒适眩光指数(DGI)

以侧窗为主的体育馆的DGI对比情况如图6所示。天津理工大学体育馆主要采光口DGI指数为24.78，低于标准规定的最高值27，符合设计标准要求；天津师范大学体育馆(体操馆)和南开大学老体育馆主要采光口DGI指数分别为32.81和33.40，高于最高值27，不满足设计标准。

图6 主要采光口窗的不舒适眩光指数对比Fig.6 Discomfort glare index comparison in main lighting windows

2.2.3 综合场馆评价分析

综合体育馆采光测试及计算得出的数据见表2。

由表2数据可以发现，采光口形式以天窗为主的场馆大部分不满足采光均匀度标准值和采光系数标准值。而以侧窗为主的场馆大多不满足不舒适眩光指数标准值。同时，根据测试人员的现场感受，大部分场馆光环境不能满足体育锻炼的需求。这是由于在原采光设计标准中没有单独针对体育馆采光质量的指标规定，导致现存体育馆在设计时缺乏对采光的考虑，甚至缺乏采光设计。

表2 综合统计表Table 2 Comprehensive table statistics

注：括号内为不满足标准规定的参数。

3 案例分析与模拟优化

以天津师范大学体育馆(主馆)(以下简称师大主馆)为例，对其现状进行分析，并使用Ecotect软件对其进行模拟优化。该馆的采光问题为虽满足室内平均照度的情况下，却不能满足采光系数和均匀度要求，该案例一定程度上代表了现存体育馆建筑的采光问题(见图7)。

3.1 场馆介绍

师大主馆位于天津师范大学新校区内，建筑周边没有建筑物遮挡。该馆的主要采光口为东西向的带形天窗，另外在东、西两侧各有一排高侧窗作为辅助采光口(西侧高窗处于常年关闭状态)。

该场馆的测试时间为2013年12月11日，天气晴。图8是根据调研数据使用SIGMAPLOT绘制的室内水平照度伪色图。根据计算所得，该馆满足室内平均照度标准值，但不满足采光系数标准值和采光均匀度标准值。结合场馆的采光口布置和照度分布伪色图进行分析，该馆东西向的水平天窗为馆内提供了足够的水平照度，但同时造成馆内南部区域照度值较北部高，使场馆的采光均匀度较差，采光口布置不合理。

图8 天津师范大学主馆室内水平照度伪色图(单位：lx)Fig.8 Tianjin Normal University gymnasium (Main Hall) horizontal interior illuminance (unit:lx)

3.2 模拟优化

3.2.1 原始模型模拟分析(图9、图10)

模拟基于CIE全云天空模型，加载天津地区的气象数据，模拟时间为12月21日(冬至日)中午12点。玻璃材料的可见光透过率为0.737，为一般清洁程度(折减系数为0.9)。

图9 模型示意Fig.9 Model

图10 屋顶平面俯视图、东立面图(右上)、西立面图(右下)Fig.10 The top surface, east facade (top right), west facade (lower right)

由所建立的三维场馆模型，使用Ecotect对其室内进行光环境模拟。模拟结果如下：采光系数平均值：4.71%，采光均匀度：0.541，照度平均值：235.39lx。由模拟结果可知，该馆的采光均匀度较差，且照度平均值不达标。根据图11显示，场馆北侧照度值偏低，与实测的照度伪色图相符。

图11 模拟伪色图Fig.11 Simulate pseudo color image

3.2.2 采光口调整优化

改善室内采光质量有两种途径：增加采光口面积和改变采光口位置。下面分别采用这两种方式调整模型，优化室内光环境。

(1)增加天窗的面积：如图12所示，建筑屋顶北侧加设天窗，长50m，宽4m，与原天窗距离2.8m。模拟结果如下：采光系数平均值：6.10%，采光均匀度：0.585，照度平均值：304.89lx。通过优化，该馆的照度平均值达到标准值规定，但采光均匀度仍不满足标准值0.7的要求。伪色图见图13。

图12 增加天窗示意图Fig.12 Increase the skylight

图13 模拟伪色图Fig.13 Simulate pseudo color image

(2)改变采光口位置：将图示(见图14)天窗向北侧平移2米，同时在不改变原有侧窗的数量和尺寸的前提下，将东西两侧的高侧窗重新排列(如图14)。模拟结果如下：采光系数平均值：6.24%，采光均匀度：0.716，照度平均值：311.76lx。通过改变采光口位置，大大提高了该馆的采光均匀度，满足设计标准中的平均照度和采光均匀度要求。伪色图见图15。

图14 屋顶平面、东立面(右上)、西立面(右下) 采光口改变示意Fig.14 The top surface, east facade (top right), west facade (lower right)

图15 模拟伪色图Fig.15 Simulate pseudo color image

3.2.3 小结

对现有场馆从建筑体型上进行改造，优化其采光质量比较困难，只有通过调整场馆的采光口的位置以及增减采光口面积来达到优化场馆采光质量的目的，但调整后的采光口有可能不满足建筑的美学设计。因此，在建筑设计时应进行采光设计的考虑，通过合理设计采光口的大小和布置方式，避免采光问题。

4 结论

建筑采光设计，尤其是对于使用要求相对严苛的体育馆来说是一个综合的过程，需要结合建筑设计、使用功能和使用时间段的需求综合考虑。传统的建筑设计过程在此方面考虑较少。本文结合实测情况与模拟优化对现有体育馆的采光进行了分析和评价，借此希望引起体育馆建筑设计对自然采光利用的考虑。本文仅针对个案利用模拟软件对天津地区体育馆建筑采光情况进行分析，且只考虑采用CIE标准全云天这一种天空模型，在实际采光研究和设计应用中是远远不够的。进一步研究应针对地域性的光气候特征，结合体育建筑的建筑造型、使用需求开展深入研究，以推动建筑采光研究和适应实际工程的需要。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50033—2013建筑设计采光标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2] 国家标准化管理委员会.GB 5699—2008采光测量方法[S].北京：中国标准出版社，2009.

[3] 王爱英，李卓. 雍和宫法轮殿天然光环境解析[J].照明工程学报，2008,19(3):22-25.

[4] 李雯雯，王爱英，连志强. 天津火车站候车厅天然采光研究[J].照明工程学报，2011,22(5):74-78.

[5] Chang Sung Kim, Seung Jin Chung. Daylighting simulation as an architectural design process in museums installed with top lights[J]. Building and Environment, 2010,46 (1)：210-222.

中国科协八届七次全国委员会会议在北京召开

2015年1月8日，中国科协第八届全国委员会第七次会议在北京召开。中共中央政治局委员、国家副主席李源潮出席会议并与中国科协全委会委员座谈。会议传达了中央书记处对科协工作的重要指示精神，审议并通过了中国科协常委会工作报告，选举尚勇同志为中国科协第八届全国委员会常务委员会委员、第八届全国委员会副主席(主持常务工作)。全国政协副主席、中国科协主席韩启德主持开幕式并作工作报告。中国科协党组书记、常务副主席、书记处第一书记尚勇主持闭幕式并作总结讲话。

在大会座谈会上，有4位学会代表和1位地方科协代表发言。李源潮在座谈时指出：希望中国科协深入学习领会习近平总书记系列重要讲话精神，坚持中国特色社会主义群团组织的发展方向，引领广大科技工作者在促进科技创新上发挥更大作用。

座谈中，大家围绕学会有序承接政府转移职能、创新驱动助力工程、科技人才培养、海外人才引进等作了发言。李源潮说，希望中国科协引导广大科技工作者积极创新创业创优，进军经济建设主战场、进军科技创新前沿，为推动经济社会持续健康发展作贡献。

中国科协第八届全国委员会委员，部分在京中国科协荣誉委员及中国科协机关、直属单位负责人和全国学会、省级科协有关负责人500余人出席、列席会议。中国照明学会理事长徐淮出席，副秘书长高飞列席会议。

Investigation and Study on Daylighting Situation of the School Gymnasium

Yao Yawei1, CaoYang2, Wang Lixiong1, Zhang Mingyu1,Yu Juan1, Han Guoshuai1

(1.TianjinUniversity,TianjinKeyLaboratoryofArchitecturalPhysicsandEnvironmentalTechnology,Tianjin300072,China;2.SchoolofArchitecture,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

In this paper, the research object is the school gymnasium in Tianjin region. Through a series of in-depth researches which present the necessary parameters, we can get average interior illuminance, average daylight factor, uniformity of daylighting and discomfort glare index through calculation by the measured data. Then, combined with the daylight quantity and quality indicators which are mentioned in the newly revisedStandardforDaylightingDesignofBuildings(GB 50033—2013), we analyze the lighting quality in school sports buildings in Tianjin, combined with typical case study to explore the feasible way of optimization quality of the school gymnasium natural lighting.

school gymnasium; daylighting; design standard; evaluation and analysis

张明宇，E-mail:zmy0526@163.com

TU113

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.003