王雅 张朝虎

中南建筑设计院股份有限公司 湖北 武汉 430071

第八次全国学生体质与健康调研结果显示中小学生视力不良和近视率偏高。大量的研究证明自然光环境的质量是影响视力健康的重要原因。传统的教育建筑采光方式照度不够、照度均匀度低的问题，导致教室自然光环境质量低，因此如何通过优化建筑采光口的设计提高室内光环境质量至关重要。

1 优化建筑采光设计的设计原理

教育建筑多用侧窗采光，部分采用天窗采光。侧窗构造简单，光线方向性好，但是采光具有照度不均匀、近窗处照度高、往里水平照度下降速度快的缺点。天窗普遍比侧窗采光系数高，但适应性低。为了提高室内照度、改善照度均匀度，可以利用光的传播原理，包括反射、散射和扩散原理，采用辅助构件系统等措施。

1.1 光的反射和折射

利用光的反射和折射原理将窗户的上部作为导光区附加导光构件，实现光的偏转将自然光导入到建筑室内深处，常用的导光构件，包括反光板、导光天花系统（Anidolic系统）、导光百叶系统。

（1）反光板（Light Shelf）

反光板是构造最为简单的自然光采光辅助系统，它能有效地提高房间远窗处的照度，主要运用于阴天主导的地区。反光板上表面可以将天空漫射光，反射到室内顶棚，进而反射到室内远窗处，增加教室深处的照度，反光板兼具遮阳作用，有效防止眩光产生。一般情况下侧窗采光，自然光能达到室内的距离不足地面到窗户顶部高度的1.5倍，在窗下安装反光板之后，该距离可扩大至1.5至2倍，若反光板上部表面采用反射比较大的材料，日光入射深度能提高2.5倍。

图1 采用反光板以及倾斜顶棚之后室内照度变化示意图

（2）导光天花系统（Anidolic系统）

由瑞士学者Jean-Louis Scartezzini开发的Anidolic系统，包括光接收装置、光导管和光分散器三个部分，所有装置的内表面都附有90%高镜面反射率的铝箔，能将收集到的阳光反射到导光管进而通过分散器传输到室内，比反光板具有更好的改善室内照明的效果，在层高允许的条件下，anidolic系统是提高建筑室内光环境很好的选择。Anidolic系统在阴天和晴天均有良好的适用性，晴天可以通过导光管的多次反射使其成为漫射光。

图2 anidolic系统 图片来源：http://www.d-lite.org/products/anidolic_integrated_systems.php

（3）导光板（Light Guide）

导光板的主要材质是亚克力，是一种能将线光源转换成生面光源的光线材料，充分利用了光反射和光散射的原理。适用于晴天天气，安装高度和反光板相同。在导光板底面分布着各种疏密、大小不一的圆形或方形的扩散点，当线光源照射到这些散射点时，光会沿各个方向反射，从而使光线变得均匀而柔和。

（4）导光百叶系统

百叶遮阳导光系统分为上下两部分，同时运用了光回复技术和光偏转技术，通过两部分百叶角度的不同来控制阳光，构造较为简单，适用于晴天或太阳辐射较强的地区[1]。光回复技术用于窗户的下部将太阳光沿入射方向反射回去，避免过多的阳光直射和太阳辐射。光的偏转技术用于窗户上部的导光区，运用反射原理将阳光反射到室内。

1.2 光的扩散

扩散材料是指既能让光通过又能有效实现光散射的材料，能将点、线光源转换为面光源，散射角大，能将光扩散到更大范围的光学构件和光学材料，前文所提导光板便属于扩散材料。扩散材料主要适用于天窗采光，是管状天窗重要必备构件。

1.3 光的合理遮挡

眩光是由于视野中的亮度分布或者亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，以致引起不舒适感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象，是影响室内自然光环境质量的重要因素[2]。教室建筑要特别主要采用建筑遮阳手段控制眩光，但该问题不是本文讨论的重点，这里不做展开分析。

2 建筑自然采光的设计手法案例研究

2.1 侧窗采光案例分析

（1）Benjamin Franklin小学

Benjamin Franklin小学由Mahlum建筑师事务所设计，教室布局以内廊式为主，教室布置于内廊两侧。建筑呈正南北布置，南北面大面积玻璃窗和朝南的天窗为室内争取了最大的天然光线。本案例的采光设计充分利用了光的反射原理，廊两侧教室的坡屋顶分离，一高一低，较低一侧屋顶可将光线反射到室内屋顶进而反射到内部空间，一层二层侧窗导光板的使用，使学校教室区域即使在灰暗的冬季白天也能实现完全的日光照明[3]。另外该案例还采用双内墙导光系统，通过墙面间的反射将天窗射进来的光线送达到教室内部区域适用于内廊式布局的教室，具有造价低廉的优势。南立面显著的屋檐出挑和遮阳棚，减少了眩光增加了教室的漫射光。在提高教室深处照度方面效果显著。

图3 Benjamin Franklin小学西立面图及室内实景图 图片来源：http://www.aiatopten.org/node/152

图4 Benjamin Franklin小学纵剖面及采光示意图片来源：http://www.aiatopten.org/node/152

（2）重庆梁平县新金带小学

重庆梁平县属于第五类光气候区，为中国年日照最少的地区之一。该小学由中美可持续发展中心援建，是全国首个可持续生态示范小学，包括了教室、阅览室、展览馆、办公室、厨房和餐厅等多种功能，其中教室为三层。为实现较好的自然采光和通风，教室采用浅进深的设计。建筑师还利用自然光反射原理设置了一个自然光反射系统，即整个呈倾斜状态的教室天花。斜天花板相比于平天花板，能将反射范围扩大，设计师采用Ecotect软件精确分析了斜吊顶的角度，大程度地均衡了室内的照度。倾斜吊顶在各层的教室中能设置，且安装方便。

图5 教室剖透视示意图图片来源：娄永琪,季详,陈若.生长中的可持续校园——梁平县新金带小学设计

2.2 天窗采光案例分析

天窗采光是天然采光常用的策略，能获得更加充足和均匀的室外光线。天窗在教育建筑中多用于公共空间，如综合楼和图书馆的中庭，直接用于教室采光的多是低层的教学楼，对于多层的教学楼具有局限性。

（1）英国凯斯麦德Kingsmead小学

由怀特联合设计事务所（White Design Associates）设计的Kingsmead小学是一所以生态学准则为基础的独栋单层坡屋顶建筑。在平面布局上，充分考虑了对于自然光线的运用，北侧为教学用房，教室布置于北面能争取到稳定的自然光的同时避免夏季过热。每间教室有两个向南侧倾斜的突起天窗，以及侧高窗对采光进行补充。教室屋顶中间低两侧向外升高使室内屋面内低外高，这种倾斜的棚顶有利于对高侧窗射进来的阳光进行反射。另外，该天窗还可以通过编程，根据当地气候、季节和一天的不同时段，来设定窗户和窗帘的开启顺序、开启时间和开启大小，调节室内的采光、通风和遮阳效果。

图6 Kingsmead小学天窗采光示意

图7 Kingsmead小学外观及天窗实景图图片来源：http://www.china-designer.com/material/vip3/showContent.aspx?id=10996&enter_id=795547

（2）史密斯中学

图8 史密斯中学教室天窗采光分析及建筑实景图图片来源：《Daylight Dividends Case Study》，http://www.lrc.rpi.edu/programs/daylighting/rp_casestudies.asp

由Corley Redfoot Zack.Inc建筑师事务所设计史密斯中学。教室为单层，教室成南北向布局，侧窗采光开窗面积较小，主要采光方式为南向天窗。在史密斯中学，所有教室、体育馆、多媒体中心都开设朝南的垂直天窗，天窗下设置透明挡板，半透明挡板采用防火防紫外线的织物，使光线更加均匀，半透明的挡板对于南向的直射光有很好的控制作用。在侧窗采光设计上还采用和反光板和窗上沿倾斜的墙体，使光线能够更多地射向反光板。

（3）Cottage Lake小学

由Bassetti建筑师事务所设计的Cottage Lake小学，在教室的采光方案上运用了双内墙导光通道，天窗，外窗遮阳板，导光板多种策略来提高室内照度和均匀度。天窗开口与双内墙连通，天窗将光线引入室内，光线通过具有高反射率的双内墙墙壁多次反射最终达到底层教室远窗的内侧，洞口同时为自然通风提供通道，降低了夏季空调的能耗。这种间接的天窗采光方式扩大了天窗采光范围，使其在多层建筑中也能运用。导光板被安装在教室室内窗户的中上部，兼具反射自然光和遮挡太阳直射光降低室内眩光的作用。

图9 Cottage Lake小学双内墙导光系统和导光板光导示意图图片来源：Alan Ford.Designiing the Sustainable School,Images Publishing（《可持续学校设计》），2007:84-89

3 结语

光环境作为一个教室空间的重要元素，对于学生的视力健康至关重要，但在如今快节奏的设计周期下，往往得不到建筑师的重视，本文针对中小学教室自然光环境的问题，提出提高自然光环境质量的解决方案，针对性地集中介绍了国内外在中小学教学建筑自然采光手法，希望通过此文来为教育建筑的设计提供有益的参考。