天花板形式对改善教室侧窗采光效果的研究

王梦蕊

(华南理工大学建筑学院，广东 广州 510641)



天花板形式对改善教室侧窗采光效果的研究

王梦蕊

(华南理工大学建筑学院，广东 广州 510641)

大量研究证实，学校教室采用天然光照明有利于学生的身心健康，但实际调研中发现我国中小学校教室内照度不足、不均匀的现象非常普遍。本文通过对美国近年来新的学校采光设计案例的研究，发现不同的天花形式能够增强教室侧窗的采光效果，创造均匀的教室光环境。介绍并总结了五种较普遍的天花板形式，并基于广州地区的气候条件，运用RADIANCE对不同天花类型的教室单元进行模拟，试图分析天花板形式对侧窗采光效果的影响，为我国今后教室的采光设计提供了新的思路。

天花板；天然采光；教室；学校建筑

引言

大量的研究证实，天然光不仅能够改善室内光环境质量，还有利于人们的身体健康和眼球的发育[1-3]。许多研究学者指出，教育建筑特别是中小学校教室应该采用天然光照明[4-5]。我国《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)中明确规定：“教育建筑的普通教室的采光不应低于采光等级Ⅲ级的采光标准值，侧面采光的采光系数不应低于3.0%，室内天然光照度不应低于450 lx”[6]。但是实际上我国大多数中小学教室照度未能达到这一标准[7]。笔者2015年4月某日对广州某小学进行实际光照测量，发现大部分教室的天然光照度不足。下午3点在不开灯的情况下一楼教室的平均照度甚至不足200 lx。虽然四楼顶层教室的平均照度基本达到了国家规定的450lx，但是自然光照度从窗口到教室中部衰减得极为严重，靠北面窗的桌面最高照度达到3 000多lx,而教室中部却只有200 lx左右，教室内照度非常不均匀(见图1)。不仅如此，由于靠窗边的桌面眩光现象严重，许多学校老师上课时只能拉上窗帘，依靠人工光源采光，这种情况大大降低了青少年接触天然光的机会，长期下去，不仅浪费能源，而且不利于青少年的视力发育和身体健康。笔者在研究大量西方国家学校采光设计的案例后，发现美国一些建筑事务所通过设计教室内不同的天花形式来促进侧窗的采光效果，增加教室内中部的天然光照度。本文介绍了这些中小学校采光设计中常见的天花形式，并尝试总结其特点及适用范围。

图1 广州华阳小学教室照度实测情况Fig.1 The illuminance of Guangzhou HuaYang Elementary School

1 教室主要天花类型及案例

1.1 平顶型天花

平顶型天花是将结构梁藏在天花板内，由于没有结构的阻碍，结合侧窗反光板能将更多光线反射到室内深处(图2)。

图2 平顶型天花简图Fig.2 Flat ceiling drawing

美国BOORA建筑事务所2002年设计完成的达拉斯中学就采用了斜楼板和平顶型天花结合的采光设计手法。达拉斯中学位于美国北部俄勒冈州，是获得美国LEED认证金奖的学校建筑。教室单元采用内廊式的布局方式，为了解决教室室内远窗处的照度不足的问题，设计师在远窗处增加导光管，而教室斜楼板与平顶天花结合的形式，能够很好地将导光管隐藏在天花中。同时侧窗上设置的反光板不仅能够遮挡一部分直射光，还能将折射的光线通过光滑的天花传递到教室的更深处，也使室内光线更加均匀(图3、图4)。

图3 反光板结合导光管的采光设计 (来源《Designing the sustainable school》)Fig.3 Reflector board combined with the light guide tube

图4 教室单元室内实景图Fig.4 The classroom of the Dalles Middle Scool

这种平顶型天花通常与斜楼板和导光管结合，适合于内廊式单边开窗的单层或多层教室，适用范围较广。且由于其对建筑高度要求不高，也可应用于已经建成的老学校的采光设计的更新。但其教室深处需要导光管补充照明，而光线在导光管内有一定的衰减，故可应用的课室层数有限制。

1.2 斜板型天花

斜板型天花比较常见，天花板形式一般是由靠窗一侧向教室内部倾斜，有利于促进自然光线反射至教室深处(图5)。这种天花形式对较低仰角的太阳光线作用较大，也可配合反光板增加采光效果。除此之外，这种斜板式天花要求外窗的上边缘位置较高以确保光线能够首先照射到天花板再进行扩散。

图5 斜板型天花板简图Fig.5 Sloping ceiling drawing

美国克罗斯顿合作建筑事务所(Croxton Collaborative Architects)2003年设计完成的佛罗里大学工程学院瑞克尔(Rinker Hall)大楼的教室就采用了这种斜板型天花。佛罗里达大学位于佛罗里达州盖恩斯维尔市，属于亚热带湿润气候。瑞克尔大楼与传统教学楼不同的是建筑并不是南北朝向而是东西朝向。原因是设计团队通过计算机建模以及实地建造经验发现在盖恩斯维尔市极端的地理位置(29°，41′N)上，传统南北向的建筑对于低于75°仰角的自然光线接受较少，阳光射入建筑深处的机会较低。瑞克尔大楼采用东西朝向的布局，以及斜板型天花与优化后的百页窗结合的采光设计能够较好地利用低角度太阳光，增加室内光线的进入量，并且几乎没有眩光现象的发生(图6)。设计团队经过大量的研究分析，证明瑞克尔大楼教室的采光设计增加了30%光照量，且低角度光线的增加量达到了48%。此外，在该设计中斜板式天花的最低点位于讲台处，形成的拱腹降低了讲台处的照度，有利于课堂多媒体教学(图7)。

图6 斜板式结合反光百叶的采光设计 (来源：http://www.croxtoncollaborative.com/)Fig.6 Sloping ceiling combined with shuttered windows

图7 瑞克尔大楼教室内剖面图 (来源：http://www.croxtoncollaborative.com/)Fig.7 Classroom section of the Rinker Hall

这种斜板型天花能够有效地利用低角度阳光，增加教室深处的进光量。但由于天花板倾斜角度较大，对教室的层高有一定要求，否则尽头处会过于压抑。同时，由于天花板倾斜方向的暗示性，适用于黑板面对外窗的教室。

1.3 V形天花

V形天花的形状如字母“V”一样，有一个最低点和两条不同方向的折边(图8)。这种天花一般结合侧窗的反光板设置，相对于没有装修的平顶天花来说，这种天花能够将更多光线反射到教室深处。

图8 V形天花简图Fig.8 “V” style ceiling drawing

2002年建成的克拉克马斯高中位于美国俄勒冈州的克拉克马斯，这是美国的第一所LEED中学。这所中学同样是由美国BOORA建筑事务所设计完成的。克拉克马斯高中的教学楼为南北向的内廊式布局，建筑师为了加强双面采光的效果，在走廊的屋顶上设计了长条形的天窗(图9)。同时设置一个贯穿窗户内外的挡光板构件将教学楼南侧的窗户分为高侧窗和观景窗两个部分。如剖面分析图所示(图10)，直射的太阳光通过反光板的反射进入室内，再经过V形天花的反射到达教室的更深处，使室内充满均匀的漫射光(图11)。

这种V形天花结合反光板的采光设计适用范围广泛，但对于建筑层高有一定要求。

图9 克拉克马斯教学楼走廊屋顶天窗 (来源：http//www.boora.com/)Fig.9 Roof monitors on the corridor of the Clackamas High School

图10 克拉克马斯教学楼剖面图(来源：http://www.boora.com)Fig.10 Academic building section of Clackamas High School

图11 克拉克马斯高中教室室内实景图 (来源：http://www.boora.com)Fig.11 Classroom of Clackamas High School

1.4 倒V形天花

倒V形天花板如同倒写的“V”字母，有一个最高点和两个不同方向的折边，可以节省高度空间(图12)。结合反光板使用同样可以达到将光线引入室内深处的作用。

美国BOORA事务所2008年设计建成的斯坦福大学的环境和能源(Y2B2)大楼中就运用了这种倒V形天花与反光板结合的采光方式。斯坦福大学位于美国加利福尼亚州，该地区为亚热带地中海气候，冬暖夏凉，全年阳光充足。为了加强教室的双面采光效果，设计师在教室单元间增加中庭空间,且教室的南面面向中庭的部分做退台处理，能够更加有效地利用自然光。这样做不仅增加了各楼层阳光的进入量，也有利于将光线反射到低楼层。教室北面设置反光板不仅能兼做遮阳板阻挡夏季大部分的直射光线，还能在冬季将更多的阳光反射到室内(图13)。倒V形天花和反光板的结合为斯坦福Y2B2大楼教室带来了均匀充足的自然光。

这种倒V形天花结合反光板的采光设计适合于双侧采光的单层或多层教室，并且其对建筑高度要求较低。由于天花板特殊的倒V形，低角度的阳光易被反射到空间中部，降低了两侧窗与教室中部的照度差。

图12 倒V形天花简图Fig.12 Inverted “V” styleceiling drawing

图13 Y2B2大楼剖面分析图(来源：http://www.boora.com)Fig.13 Y2B2 building sectional drawing

1.5 复合型天花

复合型天花是多种天花结合在一起的天花板形式，同样是装修后期加入，不影响建筑的原本结构形式(图14)。复合型天花板能够一定程度上弥补单一天花类型的不足。

图14 复合型天花简图Fig.14 Compound ceiling drawing

美国RB+B建筑事务所2012年设计完成的奥罗拉山中学位于美国科罗拉多州丹佛市。当地气候为大陆性半干旱气候，冬冷夏热，全年阳光充足。奥罗拉山中学教学楼为南北向内廊式布局，为了解决教室室内远窗处照度不足的问题，设计师采用了一种复合型天花板：天花近窗处为斜板式天花，远窗处类似于倒V形天花。这种天花板结合了两种天花形式的优点，有利于将引入的阳光反射到教室深处，能够平衡远窗处与近窗处的照度差(图15)。

这种复合型天花一定程度上解决了斜板式天花对室内层高要求较高的问题，但同时也增加了建造的难度。

图15 奥罗拉山中学教室实景图 (来源：http://www.rbbarchitects.com)Fig.15 Classroom of the Aurora Hills Middle School

2 不同天花形式的模拟研究

由于上述国外案例分别位于美国不同的气候区，为了验证天花在我国岭南地区的亚热带湿热气候下对增强侧窗采光的实际效果，笔者尝试对其中的几种天花形式进行计算机模拟。

首先，选用岭南地区常见的没有设计天花的双侧窗采光教室单元为原型对照模型(图16、图17)：窗地比为2.7/10，墙面及顶棚为墙面抹灰，侧窗为普通单层玻璃，并在教室南面侧窗增加反光板，反光板为铝制金属材质。同时在梁架下附加天花结构，在保证净高的情况下，分别形成V形天花、斜板型天花、倒V天花以及平顶天花四个衍生教室单元模型(图18～图21)。假设采用RADIANCE分别模拟广州全阴天、春分日晴天、夏至日晴天、冬至日晴天(均为早上十点)各模型的采光情况。模拟计算中，运用控制变量法，保证各个计算模型设定环境以及建筑参数相同。

图16 原型教室平面图Fig.16 Prototype classroom plan

图17 无天花的原型教室剖面图Fig.17 Prototype classroom section without ceiling

图18 V形天花教室剖面图Fig.18 “V” style ceiling section

图19 斜板型天花教室剖面图Fig.19 Sloping ceiling section

由各教室单元在全阴天、春分日、夏至日、秋分日的平面照度彩线图(图22)我们可以看出，增加天花的教室室内光线照度均有所提升。此外，笔者还在各个模型室内从南到北设置九个数据采集点(图23)来分析室内的照度变化。各教室单元在全阴天、春分日、夏至日、秋分日以及冬至日的照度折线图如表1所示。

图20 倒V形天花教室剖面图Fig.20 Inverted “V” style ceiling section

图21 平顶型天花教室剖面图Fig.21 Flat ceiling section

图22 各教室单元在全阴天、春分日、夏至日、秋分日的平面照度彩线图

Fig.22 The illuminance diagrams in the cloudy day，Vernal Equinox、Summer solstice，Autumnal equinox

通过上述的计算机模拟，笔者发现在上述条件下，增设这几种天花后的教室内的照度均比原型提

高了200 lx左右，在不同的气候条件下每种天花形式各有其优点。但是值得注意的是，影响室内采光效果的因素比较多，不同气候区、采光口的位置、大小以及教室尺寸等都会对最后的采光效果产生影响。天花板形式对整体采光效果不能够起到决定性因素，但其对于帮助自然光在室内扩散，增加自然光照度及均匀度仍有一定的作用，特别是若与侧窗反光板结合能够起到较好的效果。

3 结语

我国目前学校建筑普遍没有对天花进行额外的设计，结构梁板通常直接裸露，平行设置的横梁使天花表面形成一个个“深井”，不能对自然光线产生引导作用，甚至会阻碍一部分光线的折射，不利于自然光在室内扩散。且由于结构梁直接暴露，室内也不甚美观。而上述案例在学校建筑设计中，为教室增设不同类型的天花，与侧窗和反光板结合以增强采光效果。计算机模拟证实无论是上述哪一种天花形式，相较于没有增设天花的普通教室，自然光照度均有一定提高。这为我们未来的设计实践提供了新的思路：针对不同的教室单元布局，如内廊式教室、外廊式教室，以及单侧与双侧采光教室，若选用合适的天花类型能够增强侧窗的采光效果，提高自然光照度和均匀度。但值得注意的是，天花对于照度的影响还比较有限，在我们进行建筑设计时，需要考虑建筑的整体采光设计，创造良好的室内光环境。

[1] HESCHONG L,WRITW LR, OKURA S. Daylighting impacts on human performance in school[J]. Journal of Illuminating Engineering Society,2002,31(2):101-117.

[2] FIGUEIRO MG, REA MS. Lack of short-wavelength light during the school days delays dim light melatonin onset (DLMO) in middle school students[J].NeuroEndocrinology Letters,2010, 31 (1): 92-96.

[3] FRENCH AN, ASHBY RS, MORGAN IG, et al. Time outdoors and the prevention of myopia[J].Exp Eye Res, 2013,114:58-68.

[4] PETER Boyce, CLAUDIA Hunter, OWEN Howlett. The Benefits of Daylight through Windows[R].New York:Renselaer Polytechnic Institute Troy,2003.

[5] LESLIE Russel, SMITH Aaron, RADETSKY Leora, et al. Patterns to Daylight Schools for People and Sustainability.Lighting Research Center,2010.

[6] 建筑采光设计标准:GB/T 50033—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[7] 2010年全国学生体质与健康调研结果[J].中国卫生学校,2011(9):I0001.

Research on the Forms of Ceilings for Enhancing Daylighting of Side Windows of Classrooms

WANG Mengrui

(SchoolofArchitecture,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

Large numbers of studies illustrated that daylighting is conducive to adolescents’ health. But the illumination in many classrooms is insufficient and uneven in China. The paper introduces some researches on newly daylighting design casesof the USA in the recent years, as well as the cases of that different forms of ceilings can enhance the intensity of illumination and create a good lighting environment for classrooms.The paper summarizes five common forms of ceilings, and simulates different types of ceiling by RADIANCE.The paper tries to find out the influence of ceiling for the daylighting classrooms. The research offers a new direction for our daylighting design of classrooms.

ceilings; daylighting; classroom; school buildings

国家自然科学基金(51478186)

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.019