唐 铭，柳 敏，张 滨，罗 涛，韩云飞，张 拓

(1.中国国家博物馆，北京 100006；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100033)

引言

中国国家博物馆位于北京天安门广场东侧，总建筑面积约为20万m2，用地面积约为7万m2，建筑高度为42.5 m，地上5层，地下2层。其中西大厅是观众进、出博物馆的重要集散场所，也是重要的公共区域。西大厅除不定期举办开幕式等活动以外，部分墙面和地面区域还用于藏品的展陈。西大厅西侧立面是玻璃幕墙，天然光为西大厅提供采光的同时，天然光直射也可能对展品造成损害。为定量分析西大厅天然光环境现状，更加合理利用天然光，2017年起我们开始了对博物馆天然光环境的研究工作，重点开展了日光直射区域的天然光模拟研究。

本研究采取现场实测与计算机模拟相结合的方法，通过现场调研明确分析对象和光环境需求；通过实测天然光照度和幕墙材料的光热学性能等，获得计算机模拟所需的参数；结合西大厅的光环境需求，利用专业光环境分析软件[1]，建立计算机模型，对太阳直射光对西大厅全年的影响范围和时间进行模拟，最终得到相关数据和结论。

1 太阳直射光的影响分析

1.1 建立模型

西大厅内可以作为藏品展陈使用的区域主要是一层和二层平台的部分墙面，以及沿墙区域，因此，本研究选择主要的几个墙面区域进行太阳直射光的影响分析，分别是南区1～6号墙面、北区图1～6号墙面。图1为南区待分析墙面平面示意图，图2为南区待分析墙面空间示意图，北区与南区建筑结构完全对称。

图2 南区待分析墙面空间分布示意图(北区对称)Fig.2 Spatial sketch map of the wall to be analyzed in the South (symmetrical in the north)

西大厅幕墙朝向为正西，午后直射日光进入西大厅的情况较为常见，而日光一年四季又处于变化当中，为了综合评价直射日光对西大厅特别是展陈立面的影响，本研究对全年直射日光的光影变化进行模拟分析。模拟计算分为两个阶段：①选择一年中的典型日(春秋分、夏至、冬至)，对太阳直射光在西大厅主要墙面上形成的光斑范围和影响时间进行分析；②选择典型日，对透过不同区域幕墙的日影影响范围进行逐时分析。分析时，考虑建筑和构件的遮挡影响。

本次建模计算所用软件为斯维尔sun2014日照分析软件，模型如图3、图4所示。为了定量评估直射日光的影响，就全年日光对各立面的累计影响时间进行分析。这里选择了春分、夏至、秋分、冬至四个典型日，以典型日中以太阳光可以照进西大厅内的起止时间为分析时间段，进行模型计算参数设置(如表1所示)。

1.2 室内日影模拟与计算

对典型日期的室内日影情况进行模拟，可以得到日影的影响区域和变化轨迹。以下选取的是西大厅南区在春分、夏至、秋分、冬至四个典型日某些时刻的日影图(如图5所示)。

表1 计算参数设置Table 1 Setting of calculation parameters

经过模型分析，可以得到各个区域在不同节气的受日光直射的总时长和分布区域。图6所示仅列举出南区1号墙面、北区1号墙面在不同典型日的日光直射累计等时线图。

经计算得出南北两区各墙面在不同典型日太阳直射的时段，分别见表2和表3。

由以上分析可知，南区2号和6号墙受影响较小，分别只在一个季节内有直射阳光照射影响时间比较集中，可以考虑作为展陈使用，但在对应时间内应考虑采取一定的措施。1号墙在春季、秋季上午受日照直射时间较短，且基本在非展览开放时间内，只有冬季上午阳光直射的时间较长，所以1号墙也可以作为展陈使用，但在冬季上午有阳光直射的时间内应考虑采取一定的措施。4、5号墙的可展陈面积最大，但据表1可知4、5号墙在四个季节内有直射阳光的时间都较长，累计时间都在4 h以上，需要考虑展品的安全性。

图3 计算用模型截图(室外视点)Fig.3 screenshots of computational model (outdoor view)

图4 模型透视图Fig.4 Scenograph of model

图5 南区典型日部分时刻日影变化Fig.5 Changes of sunshadows on typical days in southern area

墙面阳光直射时间春分夏至秋分冬至1号墙07:45—09:45—07:05—09:259:50—12:152号墙—16:12—19:12——3号墙—05:20—08:10——4号、5号墙14:59—18:2015:45—19:4114:44—18:0612:09—16:496号墙——16:12—18:40—

表3 北区各主要墙面在不同节气的阳光直射时间统计

北区各墙面整体受直射光影响的程度比南区大。其中1号墙只在夏季早晨有直射阳光，受影响较小；2、3号墙面夏至日和冬至日受直射阳光影响较小，可作为展陈使用。而春季和秋季上下午墙面都有直射光影响，墙面大部分直射阳光照射总时长超过4小时，作为展陈使用的话，需要采取一定的遮挡措施；4、5号墙面在四个季节的下午都有较长时间的直射阳光影响，可以看出除冬季外，其他季节大部分面积内有直射阳光的时长都在4小时以上，受影响较大。6号墙在四个季节的下午都有直射阳光，冬季直射时间很短，在春季、夏季和秋季下午需要考虑采取一定的遮挡措施。

1.3 日光直射照度分析

由以上分析可知，受日光影响最大的是南区4号墙、5号墙、北区4号墙、5号墙，需要做重点分析。影响这些区域的直射阳光主要从14：00开始，由西大厅西侧玻璃幕墙进入。目前西侧玻璃幕墙的部分区域进行了贴膜处理，我们对西侧幕墙未贴膜中空玻璃区域、室外贴膜区域、室内贴膜区域的光热性能参数分别进行了测试，测试结果见表4。

表4 西大厅西侧玻璃幕墙光热性能测试结果

图6 1号墙面在典型日的日光直射累计等时线Fig.6 Daylight isochron of No.1 wall in typical day

图7 北京市典型年光照度全年分布Fig.7 Annual distribution of typical annual illumination in Beijing

可以看到，玻璃幕墙上遮光膜的主要作用是减少了幕墙太阳直射辐射，可见光透射比和太阳光直接透射比降低显著，室外贴膜方式降低更为明显。贴膜后，紫外透射比大为降低，小于1/1000，这对于保护室内展品是有利的。根据北京市的典型年光气候数据和表4的测试数据[2,3]，可以计算出透过西侧幕墙后，影响到这些区域的太阳辐照强度。计算结果显示：在直射日光条件下，透过幕墙的天然光照度典型日的峰值为2 000～6 000 lx。

2 分析与讨论

2.1 天然光环境评价与建议

1)从以上研究结果看，即使是透过幕墙上贴膜区域，日光直射照度峰值也能达到2 000 lx以上，因此在日光直射影响区域内不宜展陈对光敏感的藏品；本研究模拟计算了假设在幕墙部分区域贴双层膜之后的光热性能数据，日光直射照度峰值降至300 lx以下。这里存在一个矛盾：从藏品安全角度，需要降低天然光照度；从建筑采光角度，降低天然光照度后会明显影响大厅空间的采光效果。

2)西大厅在不同季节和不同时段的天然光强度及分布差异大。总体上看，每天12：00之前和17:00以后，天然光对西大厅影响较小，14:00—17:00时段内天然光对西大厅的影响强度和范围最大。既需要引入天然光，又需要解决在特殊时段天然光直射强度过高的状况，后续可以考虑引入光线调节系统，根据外界气象条件变化智能调控进入室内的天然光作为解决方式。

3) 目前西大厅主要采用顶部金卤灯，现场实测其照明所提供的照度贡献值约为100 lx，如何继续优化人工照明控制系统、提高灯具的能效、根据天然采光情况合理补充人工照明，需要进一步的研究和探索。

2.2 博物馆自然光使用的问题

关于博物馆是否应当引入天然光、如何引入天然光的问题一直被讨论，当前博物馆照明研究人员普遍持以下观点：

1)在保证藏品安全的前提下，博物馆可以引入天然光，尤其是公共空间区域和文物保护修复工作室，应该尽量引进天然光[4]。天然光能提高人员的舒适度、能保证修复过程中藏品的色彩还原度。

2)适度引入天然光有助于博物馆节能。

3)引入天然光面临的问题主要有：天然光照度不稳定、不易控制；自然光或对藏品造成伤害；天然光或产生热效应，不利于博物馆室内温湿度稳定。

因此，业界人员普遍支持博物馆引入天然光，天然光能对博物馆带来诸多益处，关键在于如何通过技术手段解决面临的相关难题。

3 总结与展望

1)本研究借助建筑日照分析方法，结合博物馆藏品保护、展示对天然光的特殊要求，以国家博物馆西大厅为例，对其主要墙面和区域进行了日照范围、时长和照射强度等的分析。本研究是建筑物理学与博物馆藏品预防性保护的交叉学科的应用，为基于藏品安全、藏品展示和绿色节能理念的博物馆环境科学的研究提供了新思路[5,6]。

2)在有天然光进入的博物馆空间区域内进行藏品布展时，可参考本研究方法进行天然光环境分析。在位置选择上，尽量避开天然光的长时间直射；在藏品选择上，尽量选择对光不敏感的无机材质藏品，比如石质器、玻璃制品、瓷器、部分金属器等[7]，在保护措施上，可以根据天然光变化情况安装遮光或调光设施，以减少展品的总曝光量。

3)现代博物馆引入天然光时应当综合考虑藏品保护、人员体验、高效节能等因素，如何做到科学地引入天然光值得深入的研究和探索。博物馆建筑设计与天然光合理引入，天然光对展品材质影响的定量评价，天然光、展陈效果和人员感受的关系，天然光对博物馆室内热湿环境的影响，天然光在博物馆的高效利用技术，博物馆建筑的玻璃幕墙材料选择等问题仍是今后博物馆天然光环境研究领域重点探讨的课题。