古典园林建筑室内天然光营造特征实证
——基于怡园的采光模拟

李 畅 黄晓蕙 钱 达

古典园林建筑作为园主的具身空间及心灵寄托之所，承载着文人居士的日常行为活动，是中国古代宜居环境的典范①。但园林建筑并非仅为“五间三间，循次而造”②的居住空间，而是“一室半室，按时景为精”③或“近台榭有别致”④的观、游、居综合体。作为道法自然的具体表现，天然光的应用贯穿于造园及赏景的各个方面，通过遮光、透光、反光、折光、聚光和剪影等营造手法⑤，渲染出虚实相生、意境深远的光影环境，是古典园林营造的重要内容⑥。

通过先前聚焦古代殿堂及民居室内光环境的研究发现，天然光营造与承载典型视觉任务的空间功能具有匹配性⑦。在光学模拟的客观测量方法出现之前，受限于天然光环境因时而变的动态性，尽管学界已对古典园林亭、舫、斋等建筑类型及布局进行了大量研究⑧，同时亦有诸多如“澄川翠干，光影汇合于轩户之间，尤与风月为相宜”⑨的光影意趣解读，但对古典园林建筑的天然光营造却鲜有研究；仍缺乏对“古典园林建筑天然采光是否能满足视觉任务需求？其天然光营造具有何种视觉特质？建筑形制、室外环境、季节和晨暮等时空因素对古典园林建筑采光有何影响？”等问题的系统性回应。鉴于此，本文以苏州怡园建筑为例，通过采光分析、功能解析和视觉任务识别的三角互证，深入探讨古典园林建筑室内天然光营造的采光性能、特征及影响因素。

一、 古典园林建筑的采光逻辑

古典园林建筑是地域环境和人文精神的在地同构，其形制总是与具体的环境特征、行为活动和技术模式相适应。从建筑物理学的视角来看，在工业革命人工照明出现之前，古典园林建筑的形制总是与地域性的光气候⑩特征相适应，反映了冬、夏两栖的差异化需求。如苏州地区的园林建筑需要满足夏季遮阳防热和冬季纳阳保温的两栖采光功能，因而需要通过建筑经营，诸如类型选择、方位朝向、环境遮蔽的选择策略，以及开间、进深、屋檐、槅扇、槛栏、帘箔等构造特征的调节策略来实现采光的最优。在造园文献中，诸如“前庭须广，以承日色，留西窗以受斜阳，不必开北牖也”⑪和“长夏宜敞室，尽去窗槛，前梧后竹，不见日色”⑫等采光营造的记述颇多。

从文化人类学的视角来看，主体及其行为活动决定着地域性建成环境的形式与意义。古典园林中园主、内眷、访客等不同的身份，以及读书、清谈、弈棋、抚琴、参禅、倚卧、游观、雅集等不同的园居生活和游园方式，决定了古典园林建筑的形制规模及功能性质⑬。厅、馆、室、轩、榭、斋、阁、廊等建筑类型总是与特定的使用场景相对应，如作为社交空间的厅堂，以及作为私人空间的书斋。这些不同的使用场景同样被赋予了独特的采光特征及意义。仅以视觉感知明暗程度而言，建筑类型与采光特征明确对应的有当正向阳的堂、幽暗的卧寝之室、敞亮的轩、遮阳的廊等⑭。

此外，在自然节律影响下，作为亲近自然的立足点，古典园林建筑还具有行为活动顺应天然光变化而进行流动的时空规律性。如冬日择南向厅室等光照较好的地方进行读写、女红等精细作业，而夏季则退居于廊檐之后的北厅这类幽暗清凉之处品茗消夏，从而形成了有效利用天然光的行为模式。在舒适性和风雅美学的双重追求下，这种承应天然光变化的时空行为调节，逐渐演化为“移床漫向明窗下，图得清光好照书”⑮的古典园林审美范式。

二、怡园建筑室内的天然采光测度

1、测试场概况

怡园位于苏州市姑苏区，现有占地面积约6270平方米。怡园建于晚清（1874～1882），博苏州众园之长而自成一格，目前园内基本保持着晚清时期的风貌格局⑯。怡园在尺度上虽不及拙政园和留园，但堂、轩、榭、馆、舫、廊、亭等类型无一不具。且园主在营造时极为重视天然采光，如“楼窗用两截玻璃、一截书条，既已爽亮，亦不必全用玻璃”⑰和“若嫌备巷太暗，只须于墙上多开花墙，便可放光”⑱等描述常见于其书信之中，因而极具研究价值。

2、建筑选点

本研究基于明代造园著作《园冶》中所列屋宇类型及其空间功能对怡园建筑进行选择，最终堂、轩、馆、舫、廊共计五类建筑被纳入考察范围（图1、表1），以便对不同形制及功能的建筑空间进行比较，探索古典园林天然采光适应性营造方法。虽然怡园有九处形制不同的亭，但因其多面开敞，采光特征趋向于室外，故未计入。

图1：怡园建筑选点分布图

表1: 怡园建筑选点概况（笔者制作）

3、现场实测

现场的光环境实测主要涉及建筑三维参数和采光参数两个方面。前者是对建筑空间的测绘，包括测量建筑的柱间距、檐长、高、采光口长宽高、采光口距地距离等，以及影响其采光的周边环境。后者主要是天然光照度和材质反射比的测试。测试点的设置采用矩形网格法，根据建筑柱网特征分布，避开墙面及柱影干扰。实测时间为植物干扰较少的冬季（2021年12月26日），时间段为光线稳定的10点到14点。根据《采光测量方法：GB∕T 5699-2017》标准⑲，每个测点采用两个分体式照度计（希玛AR823）在距地0.75米处进行测量并求其均值，每隔一小时记录一次测量数据；材质反射比测试时，每类材质各取五处不同测量点并取其平均值。测量过程中，测试者穿着深色衣服，照度计采用三脚架辅助固定，水平仪调整角度。

4、采光模拟

基于测绘数据，在建模软件Rhino中建立怡园选点建筑及其外环境的三维空间模型，载入建筑环境性能分析插件Climate Studio，输入苏州气象参数，并设置材质参数进行天然采光环境模拟。参数基于实地测量结果输入，其中浅灰色地面、粉墙、屋顶灰色瓦面、暗红色木质家具、木质花窗及梁柱和窗户玻璃反射系数分别为0.16、0.58、0.25、0.13、0.06和0.08，植物选自反射库中符合植物类型的反射率。经过反复调试，模拟与实测的误差率为±3.32%，表明模拟结果有效。在此基础上，采用Climate Studio对怡园选点建筑进行全年采光模拟，根据《采光测量方法：GB∕T 5699-2017》标准计算出照度（Illuminance）、采光系数（Daylight Factor）、天然眩光机率（Daylight Glare Probability）、采光均匀度（Uniformity of Daylighting）的值，并以《建筑采光设计标准：GB50033-2013》⑳作为参考依据进行分析（图2）。

图2：天然采光的模拟流程

三、怡园建筑室内天然采光的性能评价

1、照度

照度是入射面上的光通量除以该处面积之商㉑。全年平均照度分析显示，怡园选点建筑室内月平均照度都在200 lx以上，除拜石轩外，其余建筑全年大部分时间照度大于300 lx，达到了现代采光标准的第Ⅳ等级，即已满足住宅建筑的采光要求（图3）。

图3：平均照度分布

2、采光系数

采光系数是天空漫射光所形成的室内平面上某点照度与在室外无遮挡水平面上天空漫射光照度之比㉒。采光系数分析显示，怡园选点建筑室内的平均采光系数均在1%以上，达到现代采光标准的第Ⅴ等级。而作为书房的碧梧栖凤馆和作为琴室的坡仙琴馆平均采光系数分别为4.01%和7.70%，最低采光系数分别为3.07%和3.08%，均已达到精细视觉作业的第Ⅲ等级采光要求（图4）。

图4：采光系数

3、天然眩光机率

天然眩光机率是使用者感受到光亮度分布不适宜，或是亮、暗对比极端的机率㉓。基于动态光气候模拟的眩光机率分析显示，怡园选点建筑室内全年各月的眩光机率均低于35%，即使是眩光机率最高的画舫斋，其最高值仅为23.78%。这意味着各选点建筑天然采光的视觉适应性极好，并无可以察觉到的眩光（图5）。

图5：眩光机率分布

4、采光均匀度

采光均匀度是平面上的采光系数最低值与平均值之比㉔。采光均匀度分析显示，锄月轩、拜石轩和碧梧栖凤馆的采光均匀度指数相对较高，分别为0.81、0.75和0.60，而画舫斋和坡仙琴馆的采光均匀度指数相对较低，分别为0.40和0.36（图6）。

图6：采光均匀度

四、基于室内视觉特质划分的怡园建筑类型

采光性能分析显示，怡园建筑的室内天然采光质量在照度、采光系数、采光均匀度等方面存在着明显的异同关系。为了探索建筑类型与采光性能的相关性，根据各选点建筑类型和功能、天然采光质量、视觉光感的映射关系，可将怡园建筑划分为明净、阴翳及明晦三类视觉特质各异的建筑类型，其室内光环境及视觉活动因季节的变化而各具特色。

1、明净型天然采光建筑

明净型天然采光建筑具有光而不耀的特质，主要包括怡园正堂和书斋两类。由面北的藕香榭和面南的锄月轩所构成的鸳鸯厅是怡园的主建筑，具有顾文彬在《过云楼家书》中所描述的“朗畅轩豁”㉕的采光特征（图7、图8）。北厅藕香榭宜夏。夏日太阳照射角度高且阳光强烈，但因室外1.45米宽廊檐的过渡以及东、西向树荫的阻隔而减弱。其夏季平均照度为436 lx，室内光线柔和且无眩光干扰，可满足夏日赏荷、待客坐谈、诗酒雅宴的功能。南厅锄月轩宜冬。其冬季平均照度为385 lx，在选点建筑中照度最高。冬季太阳照射角度偏低，光线更容易传递到室内，加之南面檐廊阻隔了眩光，极适合在此欣赏院内梅花。

图7：建筑室内季节适应性的亮度伪色图

图8：藕香榭和屏门后的锄月轩

碧梧栖凤馆作为读书治学的书斋，具有四季皆宜的高照度采光特征。北向设半窗、南向设罩、东西向开景窗，四面开窗使其春、夏、秋、冬的平均照度分别为406 lx、452 lx、427 lx和340 lx。平均采光系数及最低采光系数分别为4.10%和3.07%，多面开窗又使其均匀度高达0.60；南向檐廊和南院的梧桐、凤尾竹使书斋免于眩光干扰，因而其一年四季均能满足读书、书画等精细视觉作业的需求（图9）。

图9：碧梧栖凤馆

2、阴翳型天然采光建筑

阴翳型天然采光建筑具有幽而不暗的特质，主要涉及特定功能的视觉营造，如拜石轩及坡仙琴馆。拜石轩又名为“岁寒草庐”，四周为1.14米宽的廊檐，且四面开横向半窗。冬季平均照度为245 lx，最小采光系数为1.48%，采光均匀度为0.75。在满足基本采光需求的基础上整体呈现出照度较低、均匀度较高的特征。由于轩内的照度被刻意降低，因而室内视线自然被引导至明亮的轩外——北院的奇石和南院的松竹；而南北敞开的长窗所形成的框景使轩外竹石景色更显鲜明，廊檐的过渡又避免了眩光（图10）。

图10：拜石轩

相对于拜石轩外向视觉的采光营造，坡仙琴馆的采光营造则是出于强化声景的考虑。坡仙琴馆作为古琴收藏及弹奏的琴馆，虽无廊檐，但同样四面开窗。全年平均照度为309 lx，平均采光系数为7.70%，采光均匀度为0.36。照度和采光系数既能满足古琴演奏的需求，又不过于明亮（图11）。应是出于控制照度以弱化视觉并强化听觉的考虑，亦能避免过多光照对主人所藏古琴的损伤。一如坡仙琴馆楹联“素壁有琴藏太古，虚窗留月坐清霄”所描述的黯淡清微。

图11：坡仙琴馆

3、明晦型天然采光建筑

明晦型天然采光建筑具有明晦不定的特质，主要涉及水平或垂直空间复杂的建筑类型，如游廊及画舫斋。怡园游廊借鉴沧浪亭，锁绿轩至南雪亭段为复廊，其余皆为单廊，全长约600米。由于游廊由西至东蜿蜒于全园，受各处朝向及遮挡影响，其天然光照度因时空变化而明晦各异，从254 lx至6000 lx以上不等，可根据光照变化选择游廊路线。如复廊东侧上午照度强于西侧，下午则反之。再如锄月轩至四时潇洒亭的游廊无论冬、夏都存在光随步异的照度变化，尤以冬季为甚（图12）。

图12：游廊因时而变的照度伪色图

画舫斋为怡园西北处三面临水的船形建筑。舫分前、中、后三段及二层松籁阁。舱首为开敞平台，前舱为敞亭，中舱为下承栏板上筑长窗的轩。后舱为两层楼阁，下层为带八角景窗的粉墙，上层四周均为短窗。全年平均照度分别为舱首14954 lx、前舱6504 lx、中舱452 lx、后舱底层75 lx和顶层469 lx。由前舱至后舱顶层，天然采光由明至暗，再由暗至明，加上松荫的遮挡以及潭水的光线反射，画舫斋的天然光极为多变（图13至图15）。画舫斋也有其采光所要因应的视觉任务，如：高精度的垂钓、远望，中精度的品茗、闲谈，低精度的听松、幽思等，同样极为丰富。

图13：画舫斋

图14：影响天然采光的建筑形制平面图

图15：有、无环境遮蔽的建筑室内照度伪色图比较

五、怡园建筑天然光营造的影响因素

整体而言，怡园选点建筑内的天然采光对文人雅集、看书读画、抚琴听音、对景参禅、四时观游等不同类型的视觉任务具有光照适应性，呈现出光而不耀、幽而不暗、明晦不定的天然采光氛围。它与古典园林的形制营造、环境遮映和时节因应的调节作用有着密切的关系。

1、形制归因

对怡园选点建筑堂、轩、馆、舫、廊采光性能的比较显示，开窗位置、面积和类型对建筑天然采光性能具有重要影响（图14、图15）。由于所有选点建筑都采用侧面采光模式，因而大都通过多面开窗以提高采光均匀度，使室内光线柔和。就照度效果而言，更多的开窗面积与南向开窗的照度值最高，如锄月轩。在类型方面，槅扇长窗、半窗及景窗最为常用，室外光线经过窗上雕饰镂刻的阻挡及多次反射，既使光线更加柔和，亦使透过窗棂投射于室内的光影更具意趣，如坡仙琴馆（图11）；此外，宽深的廊檐是调节大尺度建筑室内外照度差、减少直射阳光、避免眩光的重要方式，如拜石轩的廊檐（图14、图15）。实质上，开窗与出檐的形制营造旨在采光和取景的平衡，正如《园冶》中“轩楹高爽，窗户虚邻；纳千顷之汪洋，收四时之烂漫”㉖的意象描述。

2、环境归因

室内外环境的遮映是怡园建筑室内采光的重要调节因素。天然采光环境模拟显示，怡园选点建筑室外的树荫、假山及游廊等环境遮蔽因素对室内光照影响显著（图15）。例如，无环境遮蔽的建筑室内全年平均照度远高于有环境遮蔽的建筑室内，藕香榭、锄月轩、碧梧栖凤馆、拜石轩、坡仙琴馆和画舫斋分 别 高 出 26.30%、25.87%、13.01%、55.34%、73.60%和79.52%。由此可见，若无环境遮蔽，怡园内各选点建筑的室内采光将极为明朗而失之含蓄，尤其是拜石轩和坡仙琴馆这类建筑亦将失去幽而不暗的阴翳之美。此外，为弥补室内建筑天花、地面和大量木质家具反射率较低所导致的采光不足，有时亦借助类似“蟹眼天井”的室外环境营造来增加室内光线，如碧梧栖凤馆南向桐荫虚掩的天井粉墙反光对馆内照度、均匀度的有效补充，使其具有四季皆宜的合理光照（图9）。

3、时节归因

“南檐纳日冬天暖，北户迎风夏月凉”㉗。时节因应是怡园选点建筑采光性能得以保证的重要影响因素。由于屋宇结构、营造技术和材料等因素的限制，在一些体量较大的传统园林建筑中，侧面天然采光并不能满足全天候、多功能的视觉任务需求，因而采用季节因应和功能拆分的策略将其室内活动分而化之。如顾文彬在《过云楼家书》所述：“凡园屋有高爽旷畅之处，必要有深邃幽密之处。一宜于春夏秋，一宜冬，缺一不可”㉘。具体于怡园之中，藕香榭宜夏、锄月轩和拜石轩宜冬，而东、西两面复廊则朝暮各宜，这些不同的天然采光模式既是顺应时节的低成本营造，亦是四时应借的造园意趣之所在。在采借日光之外，因应夜色的月光环境营造亦常见于造园之中，并伴之因应时令的赏月行为，如坡仙琴馆“虚窗留月坐清霄”的听琴及锄月轩“风月新收”的雅致。

六、结论

基于采光模拟分析发现，以怡园为例的古典园林建筑天然光营造具有因应时空的功能适应性特征。研究显示：1、在天然采光性能方面，古典园林建筑侧面的天然采光整体上满足了观、游、居的各项视觉任务需求，基本达到了与现代采光标准规范相近的水平。研究印证了先前的一些研究结论，如现代采光的照度需求高于古代㉙，传统厅堂的室内光环境整体趋暗㉚；2、在天然光营造的视觉特质方面，基于天然光视觉特质划分的建筑类型有明净型、阴翳型及明晦型三类，采光、取景的侧重因视觉行为而异。研究发现，特定的视觉任务与天然光营造具有季节性对应关系，从另一个角度证实了古典园林建筑因应四季的游憩功能设置；3、在天然采光性能的影响因素方面，研究发现了建筑形制、室内外环境遮映，以及季节和朝暮变幻对建筑天然采光性能的调节作用，但其数理关系尚需通过更多的选点样本来进一步验证。此外，研究亦证实了软件模拟方法在古典园林建筑天然采光研究中的有效性。采光模拟弥补了现场实测采光难以遍历所有时空的技术缺陷；虚拟调控的优势还在于精准比较采光性能的时空差异，如有、无树荫遮蔽的室内天然采光性能差异，又或是冬、夏的照度差值等。

注释：

① 杨鸿勋：《江南园林论》，北京：中国建筑工业出版社，2011年，第98-100页。

② [明]计成著，陈植注释：《园冶注释》，北京：中国建筑工业出版社，1988年，第24页。

③ 同注②。

④ 同注②。

⑤ 黄海静、邱鞠：《园林空间中光景的营造方式——以巴蜀园林为例》，《中国园林》，2019年第3期，第130-135页。

⑥ 华海镜、金荷仙、陈海萍：《园林中的虚景》，《中国园林》，2003年第11期，第61-62页。

⑦ 韩俊、王爱英、王奇琼：《京津地区中国古代佛教建筑天然光环境调查研究》，《照明工程学报》，2018年第1期，第87-91页。闵天怡、张彤：《回应气候的建筑“开启”范式研究——以太湖流域乡土建筑营造体系为例》，《新建筑》，2021年第5期，第4-10页。屈行甫、李瑞君：《现代乡村聚落景观山水意境的重构策略探究》，《艺术设计研究》，2022年第1期，第69-75页。

⑧ 曹晔、董璁：《10—14世纪四柱亭榭之结构探析》，《风景园林》，2018年第6期，第113-117页。孙鹄：《苏州园林中的舫和榭》，《古建园林技术》，2011年第2期，第54页。孙敬琦、阴帅可：《从“精舍”的源与流辨析文人园林中建筑静修空间的特质及表达》，《中国园林》，2014年第8期，第63-66页。黄晓、戈祎迎、周宏俊：《明代园林建筑布局的奇正平衡——以〈园冶〉与止园为例》，《新建筑》，2020年第1期，第19-24页。鲍梦涵、孙乔昀、赵鸣：《唐代后期江南郡斋园林选址类型及风貌研究》，《中国园林》，2021年第3期，第136-140页。周景崇、吕红霞：《舟行视角：〈扬州画舫录〉中的造园设计与行游轨迹》，《艺术设计研究》，2021年第6期，第48-54页。

⑨ 邵忠、李瑾：《苏州历代名园记》，北京：中国林业出版社，2004年，第36页。

⑩ 光气候（Daylight climate）是由太阳直射光、天空漫射光和地面反射光形成的天然光状况。中国建筑科学研究院：《建筑采光设计标准:GB50033-2013》，北京：中国建筑工业出版社，2012年，第2页。

⑪ [明]文震亨：《长物志》，南京：江苏凤凰出版社，1988年，第18页。

⑫ 同注⑪，第341页。

⑬ 同注①，第38页。

⑭ 同注②，第245-268页。

⑮ [明]刘基：《刘基集·卷十三》，杭州：浙江古籍出版社，1999年，第36页。

⑯ 同注①，第385页。

⑰ [清]顾文彬：《过云楼家书（点校本）》，上海：文汇出版社，2016年，第402页。

⑱ 同注⑰，第352页。

⑲ 中国建筑科学研究院：《采光测量方法:GB/T 5699-2017》，北京：中国建筑工业出版社，2017年，第13页。

⑳ 中国建筑科学研究院：《建筑采光设计标准:GB50033-2013》，北京：中国建筑工业出版社，2012年，第24页。

㉑ 照度单位为lx，在现代设计中，住宅建筑侧面天然采光主要涉及两级标准：Ⅴ(＞150 lx)；Ⅳ(＞300 且 ＜450 lx)。参阅注⑳，第3页。

㉒ 在现代设计中，住宅建筑中侧面天然采光的采光系数主要涉及三级标准：Ⅴ(＞1)；Ⅳ(＞2且＜3)；Ⅲ(＞3且＜4)。参阅注⑳，第6页。

㉓ Suk J. Schiler, “Investigation of Evalglare software, daylight glare probability and high dynamic range imaging for daylight glare analysis,”Lighting Research & Technology, vol.45, no. 4 (April 2013), pp. 450-463.

㉔ 在现代设计中，侧面天然光采光均匀度无明确规定：Ⅴ(＞150 lx)；Ⅳ(＞300 且＜450 lx)，第3页。

㉕ 同注⑰，第496页。

㉖ 同注②，第124页。

㉗ [唐]白居易著，丁如明、聂世美校点：《白居易全集》，上海：上海古籍出版社，1999年，第536页。

㉘ 同注⑰，第485页。

㉙ 张昕：《暗感知：多暗算暗——论照度标准的不适用性》，《世界建筑》，2015年第7期，第40-43页。

㉚ 吴蔚、石延安：《苏州古典园林四面厅建筑天然采光研究》，《照明工程学报》，2017年第4期，第55-60页。