姚渊，田苗，张昕（通讯作者）/YAO Yuan,TIAN Miao,ZHANG Xin (Corresponding Author)

1 研究背景

纸是中国传统建筑中最具有代表性的透光材料，其应用始于唐代。玻璃在我国宫殿中安装的记载最早见于雍正元年（1723 年），至乾隆年间，在宫中得以普及[1]。到20 世纪中叶，玻璃在民居建筑中逐渐取代窗纸[2]。当代虽然仍有民居建筑使用窗纸[3]，但其工艺的传承岌岌可危。与之同时濒临消亡的，是对以窗纸为依托的传统建筑天然光环境的认知。

四合院是北方地区最常见的民居建筑形式之一。选用北京四合院作为研究载体，主要因其地理位置和院落形制的代表性[4]。近年来，在城市更新过程中，传统四合院面临着保护和发展的双重挑战。对于纸窗情境的溯源研究，具有一定的现实意义。

本研究旨在通过测量纸窗的光学参数，建立模拟方法，通过动态模拟，还原北京四合院的天然光环境特征，其研究意义在于：保护传统建筑室内的“光环境真实性”；通过逐时模拟精确刻画室内的光分布情况，指导使用过程中的天然光调节，为视觉舒适度和节律照明的研究提供数据基础；为类窗纸效果的漫透射材料的研发提供参考。

1.1 影响传统四合院光环境的建筑要素

我国合院建筑的光环境主要与以下建筑要素有关：

（1）朝向。以坐北朝南为主，坐南朝北为辅，还有少量坐东朝西和坐西朝东的院落。由于北京冬季气候寒冷，室内需要更多日照，因此无论院落朝向哪个方向，院内轴线均为南北方向，且正房等主要建筑多为坐北朝南，增加冬季得热和天然采光。正房的台明高度、柱高和檐口高度高于其他建筑，为避免影响正房采光，厢房的出檐不能延伸至正房山墙的轴线之内[5]。

（2）比例。四面围合的建筑物能够相互遮挡强烈的直射光，具体比例受季节性的遮阳与采光需求的影响，其中内院平面比例主要与经度相关，而剖面比例与纬度相关（图1）。由于北京冬季太阳高度角较小，因此需要增大建筑之间的距离，将更多的日光引入室内。据统计，北京地区内院南北距离与建筑高度的比例约为10:3，这一比例在吉林、江浙和福建地区分别为5:1、5:3 和6:5[6]。北京地区内院的南北和东西向距离比约为1:1，在北方更偏西的地区，为了减弱厢房受到的西晒影响，内院的东西方向距离缩小[7]，在山西中部和陕西北部分别为2:1 和3:1[6]。

1 我国合院建筑的内院平面比例和剖面比例

（3）檐廊。在夏季可以遮挡强烈的直射光，在冬季由于太阳高度角较低，较浅的檐廊能够使日光更多地照射到室内，改善采光[7]。

（4）开窗。四合院建筑单体大多仅通过隔扇门（明间）和支摘窗（次间）朝向内院采光[5,7]，将经过庭院各表面和绿化调节的光线引入室内。支摘窗分为上下两部分，每部分均有两层，上部外层可以支起，下部外层可以摘下，使用状态可根据季节性需求进行调整。冬季多用高丽纸或玻璃纸糊窗粘牢，在加强保温的同时保持室内的天然光充足。夏季多用纱或冷布糊窗，加强透气性，另有做法是在冷布外加“卷窗”，即可以卷起的幅纸，白天卷起，夜晚落下[8]。

（5）表面。庭院内的地面、柱面和墙面形成了丰富的漫反射面，部分院落设置浅色影壁和照壁，为室内提供充足而柔和的漫反射光，也是改善室内采光的重要因素[7]。

（6）种植。在以居住为主的传统庭院，多于院外大门和院内倒座房处[9]种植高大落叶乔木，院内配以玉兰和西府海棠等[10]小乔木,以及低矮灌木和草本植物[9]。高大乔木在夏季遮挡过强的直射日光，提供阴凉舒适的室外空间，且冬季落叶后不影响室内采光。

1.2 传统四合院改造实践中的光环境设计策略

本研究聚焦于玻璃与窗纸的性能差异，可为四合院改造类建筑实践提供可量化的设计依据。在近年的北京四合院改造实践中，建筑师提出了多种光环境设计策略[11-19]（表1），如沿屋面方向设置点式/带形的平天窗和矩形天窗，改用透明门或增大窗面积，以及山墙开窗等。这些改造实践中所提及的光环境策略，多基于“增加采光”的构想，较少提及减光、改善光分布、半透明/不透明材料应用与量化分析。

表1 近年北京四合院改造中的光环境设计策略（绘制：田苗）

2 研究目的与方法综述

传统院落式建筑光环境研究的目的主要为：（1）历史与理论研究，关注采光性能[20-23]，分析庭院尺寸、比例、形状和建筑层数等几何因素对光环境的影响[24-25]；（2）工程与应用研究，通过光环境数据分析，总结建筑对气候的响应策略，应用于建筑设计[26-28]、城市规划[29]或传统建筑改造[28,30-31]。以上研究多关注整体光环境策略，鲜有关注半透明/不透明材料，未见针对传统窗纸的研究。

传统院落式建筑光环境研究的方法主要为：（1）实测，主要基于照度测量进行研究[20-21,27]；（2）计算机模拟，分为静态模拟和动态模拟。已有研究多采用静态模拟，使用软件如Ecotect[21-22][24-26]、Desktop Radiance[21]、DIVA for Rhino[27,30]、绿建斯维尔[31]和DianaX[29]等，采用的天空模型（如CIE 全阴天空）和评价指标（如采光系数）也是静态的。少量研究采用动态模拟，多使用Daysim 软件[21,28]，采用天光自治（Daylight Autonomy,DA）和有效天然光照度（Useful Daylight Illuminance,UDI）等动态评价指标。

我国现行天然光设计标准为《建筑采光设计标准》（GB 50033-2013）[32]，仍采用静态指标，如天然光照度、采光系数等。为完整再现四合院的室内光环境，固定时间和天气状况的静态模拟无法满足复杂的结果输出要求，基于动态气象参数的模拟方法可以预测典型气象年的逐时天然光数据，着重分析与时间序列相关的数据，基于各类时间跨度对天然光进行评估，得到更为接近真实情况的模拟结果。

3 研究方法

3.1 窗纸材料

本研究采用高丽纸为模拟材料。北京四合院支摘窗的常用透光材料是玻璃或高丽纸[33]，其中窗纸一般贴在窗棂的室内侧[34]。清代《燕京杂记》记载:“人家窗牖，多糊纸以障之。冬日又防寒气内侵，或易以高丽纸。”紫禁城中地位较高的正殿使用更高级的高丽纸[35]。高丽纸如今则作为写字、作画或修复用纸[36]。本研究采用分光光度计加积分球的方式测量纸样在可见光光谱（380～780nm）下的正反面总反射比、漫反射比和正反面总透射比、漫透射比（图2）。

2 高丽纸纸样的光学特性（1.2绘制：姚渊）

将以上数据转换为用于模拟的Radiance 材质，通过1:5 缩尺模型预实验对比两种常用于半透明材料的模拟材质定义BRTDfunc 和Trans，最终确定使用后者完成正式实验中的模拟部分。

3.2 研究模型

四合院研究模型的确定依托于宏观层面的街巷规划，以及微观层面的开间进深和构件比例。院落面宽、进深参考高毅存[37]和张杰[38]等人的研究。通过对北京现存75 座四合院[39]（共计335 个建筑单体）的调研发现，3 开间的正房和厢房最多，建筑进深、高度则与步架、举架和整体比例有关。

用于模拟的研究模型设定两种尺度：小尺度模型面宽20m，进深24m；大尺度模型面宽24.2m，进深27.65m。朝向坐北朝南，为考虑周边建筑的遮挡和反射，在东、西、北3 个方向设置相邻的四合院（图3）。具体尺寸详见表2。

表2 模拟模型的几何参数（绘制：田苗，姚渊）

3 用于模拟的大尺度（左）、小尺度（右）模型轴测图（红框标注为模拟院落）（绘制：田苗）

门窗做法采用最常见的隔扇加支摘窗的形式，隔扇上添加横陂窗来限制隔扇高度。调研发现，北京四合院共有13 种基础窗棂样式，分别是步步锦、方格、灯笼锦、十字海棠、盘长如意、夹杆条、龟背锦、拐子锦、套方、万字、菱形、冰裂纹、井字格，其中步步锦样式使用比例超过50%，因此在模拟模型中采用步步锦样式（图4）。

4 小尺度模型正房门窗做法示意图，图为步步锦样式（绘制：姚渊）

3.3 实测校核方法

在进行完整四合院的动态光环境模拟之前，通过缩尺模型实测校核模拟方法。参照《清式营造则例》的五檩前廊小式建筑制作1:5 缩尺模型，构件和门窗尺寸结合真实四合院实例确定[40-41]（图5），并使用国产高丽纸作为门窗的透光材料。

5 用于实测校核的1:5缩尺模型（摄影：姚渊）

在缩尺模型中，分别布置3×5 个测点测量室内的水平照度和垂直照度（图6），并同时测量对应的太阳辐射，包括水平面总辐射（Global Horizontal Irradiance，GHI）和水平面散射辐射（Diffuse Horizontal Irradiance，DHI）。测量工况选择东南西北4 个方位，测量时间从2019 年11 月16 日至2020 年1 月14 日，保证每个工况至少测得两整天的数据，以减小系统误差。对应地，在DIVA for Rhino 软件中对测量得到有效数据的工况进行模拟，通过与实测照度的对比和误差计算，确定后文动态模拟研究的可行性。

6 实测校核实验中的测点分布（绘制：姚渊）

3.4 模拟方法

动态模拟使用DIVA for Rhino 软件，调用来自Energyplus 的CSWD（Chinese Standard Weather Data）北京典型气象年数据，测点位于正房和东西厢房，逐时计算各测点的照度数据，分析窗纸和玻璃两种材质的差异性。窗纸采用前述定义的trans 材质，玻璃采用DIVA 材质库中透光率80%的glass 材质，其他材质参数参考真实的四合院材质。测点选择考虑四合院建筑中实际的视觉功能、空间感知和生理节律，共计以下5 个指标：

（1）地面照度。作为室内空间的基本使用保障，在地面设置间距为500mm 的水平照度测点阵。

（2）工作面照度。针对办公等基本功能，测点高度为距地面750mm 的工作面，设置间距为500mm 的水平照度测点阵。

（3）后墙面垂直照度。针对公共活动、展览等功能，考察作为主展示面的后墙面垂直照度，设置间距为500mm 的测点阵。

（4）眼部垂直照度。在成年人的眼部高度，即距地面1500mm 高朝向门窗的方向设置距窗1000mm、2000mm、3000mm、4000mm（在大尺度模型的正房）的测点。

（5）日光眩光几率（Daylight Glare Probability，DGP）。在1500mm 高度的房间中点处，计算朝向门窗的日光眩光几率。

4 结果

4.1 实测校核结果

对比实测和模拟结果，整体表现为模拟值高于实测值，但其分布规律基本相同。对模拟照度和实测照度进行回归分析，综合统计结果和误差计算结果，对比选取表现最好的幂函数作为校准函数。计算经过统计校准的模拟值和实测值的相对平均偏差误差（Mean Bias Error，MBE）和相对均方根误差（Root Mean Squard Error，RMSE），并与文献中提出的标准进行对比[42-43]，发现大部分点误差达标（表3 和表4，其中黑色为达标，黄色为部分达标，红色为不达标），所有水平照度均达标，只有南向和西向的个别垂直照度超出误差范围，但数据集整体满足误差要求。该结果证明模拟方法可行。

表3 水平照度模拟与实测的误差值（绘制：姚渊）

表4 垂直照度模拟与实测的误差值（绘制：姚渊）

4.2 模拟结果（以小型四合院为例）

经过模拟分析，大型四合院与小型四合院呈现相近的光环境规律，受篇幅所限，本文仅呈现小型四合院的模拟结果，部分重要区别在第五章总结。

4.2.1 室内照度分布

根据地面、工作面和后墙面计算点的逐时照度模拟结果，统计以下指标：

（1）年均逐时照度（图7）。计算全年各日同一时刻测点的照度平均值。计算全年各日5:30～19:30同一时刻测点的照度均匀度（最小值/平均值）。

7 地面和后墙面年均逐时照度分布

（2）日均逐月照度（图8）。计算各月每日8:00～16:00 测点照度平均值和照度均匀度平均值。

8 地面和后墙面日均逐月照度分布

对以上绘制平面分布为彩度图，色标参考有效天然光照度（UDI）标准：低于100lx 视为不足，需要补充人工照明；高于3000lx 视为过量，会引发眩光问题（色标不再区分）；大于100lx 小于300lx 时，需要人工照明进行补充以完成阅读等高照度要求的视觉任务。

（3）地面照度

地面照度的逐时/逐月规律如表5 所示。

表5 地面照度的逐时/逐月规律（绘制：田苗，姚渊）

整体而言，使用窗纸的室内照度低于使用玻璃的室内照度，窗纸在大部分时段可以满足100lx 的使用要求。使用玻璃的正房室内靠近门窗的地面区域，由于槛墙和隔扇的遮挡而相对较暗；使用窗纸的室内靠近门窗的地面区域相对较亮。使用玻璃时，室内会有多处高于3000lx 的照度区域，正房出现在正午前后和冬季，西厢房出现在上午，东厢房出现在下午。

窗纸材料可提供更好的均匀性，既体现在同一空间的光分布、时段间差异、季节间差异，也体现在同一时刻，正/厢3 间房之间的差异。

（4）工作面照度

与地面照度的规律基本一致，工作面年均逐时照度和日均逐月照度的峰值更高，其中东厢房增加显著。根据《建筑照明设计标准》（GB 50034-2013）[44]，当房间或场所作为居住建筑使用时，一般活动在工作面高度的照明标准值为 100lx，作为办公建筑使用时，照明标准值为 300lx。使用玻璃时，对于月均照度，正房和厢房均达到300lx；对于日均照度，正房在 9:30～15:30 达到300lx，西厢房是6:30～16:30，东厢房是9:30～18:30。使用窗纸时，对于月均照度，正房在4～9 月达到100lx，正房在10～3 月和厢房各月均达到300lx；对于日均照度，正房在10:30-14:30 达到300lx，西厢房是7:30-14:30，东厢房是10:30～17:30。照度均匀度规律与地面基本一致。

使用玻璃时，室内工作面出现多处高于3000lx的区域，除靠近窗户的区域外，厢房在房间深处也出现高照度区域，而使用窗纸的室内较少出现。

（5）后墙面照度

后墙面照度的逐时/逐月规律如表6 所示。

表6 后墙面照度的逐时/逐月规律（绘制：田苗，姚渊）

对于正房的后墙面照度，窗纸高于玻璃。对于厢房，使用窗纸时照度略低但更均匀，使用玻璃时会出现高于3000lx 的区域。

4.2.2 眼部曝光量

根据眼部垂直照度模拟结果，计算年均逐时（图9）和日均逐月（图10）眼部曝光量。日间时段的眼部曝光量与居民的觉醒度、情绪、睡眠质量等非视觉健康密切相关。

9 正房与厢房眼部曝光量年均逐时变化

10 正房与厢房眼部曝光量日均逐月变化

对于正房和厢房的年均逐时眼部曝光量，玻璃高于窗纸，其中西厢房的峰值出现在上午，东厢房的峰值出现在下午。

正房在冬季眼部曝光量较高。厢房使用窗纸时夏季眼部曝光量较高，使用玻璃时近窗点峰值出现在夏季，远窗点峰值出现在春秋季。值得注意的是，正房冬季使用窗纸的眼部曝光量在距窗较远的两个测点要高于使用玻璃的情况。

4.2.3 天然光眩光几率

眩光分析用天然光眩光几率DGP 评估潜在的视觉不适感（图11），以不满意度百分比表示，并用以下范围显示在图像上：DGP<35%——不可感知的眩光（绿色）；35%≤DGP ＜40%——可感知的眩光（黄色）；40%≤DGP ＜45%——产生干扰的眩光（橙色）；DGP ≥45%，不可忍受的眩光（红色）。

11 正房与厢房的天然光眩光几率（DGP）（7-11绘制：田苗，姚渊）

与玻璃相比，窗纸降低了东西厢房的眩光几率：西厢房使用窗纸时，在春、夏、秋三季的上午有不可忍受的眩光，夏季略强，使用玻璃时全年上午均有不可忍受的眩光；冬季较强，东厢房与西厢房类似，眩光出现在下午，使用玻璃时不可忍受眩光的时间更长。正房使用窗纸时，在冬季正午有少量可感知的眩光和极少量产生干扰的眩光，使用玻璃时无眩光。

5 结论与展望

（1）影响四合院天然光分布的首要因素是朝向。无论采用何种透光材料，天然光数据特征与朝向的关系可概括为：正房、西厢房和东厢房的峰值分别出现在正午、上午和下午，正房平均照度的峰值、眼部曝光量和眩光时长均最低，西厢房居中，东厢房最高，正房房间深处及后墙面照度一般低于厢房；对于季节性规律，正房在夏季的平均照度远低于冬季，较好地实现了夏季遮阳和冬季获得日照，而厢房在春、夏、秋三季的平均照度高于冬季。

（2）影响四合院天然光分布的重要因素是透光材料、有无前廊和檐口高度，均与遮阳效力相关。与玻璃窗相比，纸窗令地面和工作面的照度更低，提高了照度均匀度，降低了随时间的波动性，降低了近窗部位的眼部曝光量，降低了无前廊厢房的天然光眩光几率。前廊、较低的檐口高度均能有效遮阳，降低室内的天然光照度。由于小尺度模型的檐口高度低且厢房无前廊，大尺度模型的檐口高度高且厢房有前廊，二者天然光数据差异的原因即体现于此。

（3）对于四合院改造的实践意义在于提出透光材料应用的更多可能性。

窗纸材料的光学性能量化后，可作为古建修复、改造为博物馆等特定项目中透光材料的研发依据。对比透明材料与漫透射材料对光环境的影响，二者各有优劣，在保护和设计实践中，可灵活组合，扬长避短。例如，依据天然光数据结果，正房宜采用玻璃窗，厢房宜采用纸窗。正房的高照度时段在冬季，纸窗的遮阳作用不利于冬季得热，并增加了冬季中午的眩光几率；相比纸窗，玻璃窗既在11～2月保障了正房的冬季得热，又在3～10 月更好地实现了天光自治（更接近300～500lx 区间）。厢房的高照度时段在春、夏、秋三季，能更好发挥纸窗的遮阳和光线扩散作用，明显提升室内均匀度，降低不利时段的作业面照度，并明显降低天然光眩光几率。

（4）研究不足与展望

a）模拟研究尚无法计入高大乔木的影响。高大乔木在夏季对于阳光的遮挡贡献是不可忽视的，但目前在天然光模拟领域尚未提出有效的对于植物的简化模拟方法，因此研究模型中未设置植物。对于保留高大乔木的院落，冬季模拟结果更接近实际情况，夏季模拟结果高于实际情况。

b）模拟采用的动态气象参数是北京的典型气象年数据，研究结果不能直接应用于其他光气候特征不同的地理位置。

c）模拟仅针对关窗的基本工况，而支摘窗的上部外层可以支起，下部外层可摘下或更换。窗纸的耐久性和保温性能虽存在不足，但其漫透射性能已经可由耐久的现代透光材料替代，窗的材料选型、材料组合、启闭控制，为优化四合院的室内光、热环境，提供了大量可能性，有待更深入研究。

d）窗纸隔绝了视野，窗口可视作亮度、色温可变得具有节律特征的室内漫射光源，其与玻璃窗的性能比较，除模拟数据外，应进行长期的生理数据跟踪和心理评价实验，以确定窗纸对视觉舒适度和非视觉健康的影响。□