建筑學教授邊宇：

自然光為什么對建筑來說至關重要？

1.天然光能夠讓人保持健康的生理和心理，人需要太陽的全光譜輻射；

2.充分合理地使用自然光能夠節約能源、保護環境；

3.自然光的運用是建筑藝術創作的重要手段。

早在古人學會建造房屋時起，他們就掌握了在屋頂或墻壁上開洞收集天然光照明的方法。

古羅馬萬神廟巨大的穹頂上直徑近 9m 的圓洞和我國民居常用的面積不到一尺見方的亮瓦，都顯示了前人采光的智慧。

近代著名的建筑大師，如萊特、勒·柯布西埃、路易斯·康等人的許多作品，更是運用晝光照明和渲染氣氛的杰作。

羅馬萬神廟

哈德良皇帝于公元120年~公元124年在意大利羅馬新建了萬神廟，作為奉祀諸神的神殿。這座顯示了古羅馬人卓越工程技術的建筑物，給人們留下了深刻的印象。

穹頂的圓眼（一直徑為8.2米的采光圓孔）使陽光泄入萬神廟，廟內的地面和墻壁均用色彩鮮明的大理石建成。

金貝爾美術館（路易斯·康）

將天然采光設計和空間造型相結合的經典案例。

天氣對光氣候和照度的影響

在天然采光的房間里，室內的光線會隨著室外天氣的變化而改變，所以要設計好室內采光，保證光需要，就需了解光氣候知識。

什么是光氣候？

光氣候是指由太陽直射光、天空擴散光和地面反射光形成的天然光平均狀況。

太陽直射光：太陽光穿過大氣層時，直接透過射到地面的光。直射光照度大、有方向，在物體背后形成陰影。

天空擴散光：太陽光穿過大氣層時，碰到大氣層中的空氣分子、灰塵、水蒸氣等顆粒，產生多次反射，形成天空擴散光。天空擴散光使天空具有一定的亮度，在地面上形成的照度較小，無方向、不形成陰影。

天然光=直射光+散射光

直射光會隨著太陽高度角增加而增加，散射光在太陽高度角較小時變化快，到太陽高度角較大時變化小。

全云天時只有天空擴散光，而晴天時天然光由太陽直射光和天空擴散光兩部分組成。

通常，采光設計中提到的晝光（天然光）指的是天空光，它是建筑采光的主要光源。

直射日光強度極高，變化很快，為防止眩光或避免房間過熱，工作房間常需要遮蔽日光，所以采光計算中一般不考慮太陽直射光。

不同天氣室外光氣候的變化

地面照度來源于太陽直射光和天空漫射光，其比例隨太陽高度與天氣（天空中的云是否將太陽遮住）而變化，通常天空中云的數量將天氣分為三類：

晴天——云量0~3/10

多云天——云量4/10~7/10

全陰天——云量8/10~1

晴天地面照度主要來自直射日光，隨著太陽高度角的增大，直射日光照度在總照度中占的比例也加大。

全陰天則幾乎完全是天空擴散光照明，多云介于二者之間，太陽時隱時現，照度很不穩定。

決定地面照度的幾個因素有：

① 太陽高度角

② 云狀

③ 地面反射能力

④ 大氣透明度

CIE標準全陰天空（全云天）

我國光氣候概況

我國日照率（太陽出現的時數和可能出現的時數之比）由北、西北往東南方向逐漸減少，四川盆地一帶為最低。云量由北向南逐漸增多，新疆南部最少，華北、東北少，長江中下游較多。云狀，南方低云向北逐漸以高、中云為主。

天然光照度中，南方天空擴散光照度較大，北方和西北以太陽直射光為主。

采光標準及不同場景的應用

采光系數的計算方法

采光標準是評價天然光環境的質量準則，也是進行采光設計的主要依據。

① 采光系數：

天然采光質量不以照度絕對值為標準，而使用采光系數來評價。

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En—室內某一點天然光照度

Ew—室外同一時間無遮擋天空在水平面上產生的照度

② 采光系數標準值：

不同情況的視看目標要求不同的照度，而照度在一定范圍內愈高愈好，照度越高，工作效率越高。但高照度投資大、費用高，故照度的確定需考慮視覺工作的需要，又要顧經濟上的可能性和技術上的合理性。

③ 照度均勻度：

視野內照度分布不均勻，易使得人眼疲勞，視功能下降，影響工作效率。照度均勻度以工作面上的最低照度和平均照度之比表示（或采光系數最低值與平均值之比），不得低于0.7，CIE的建議是0.8。

④ 眩光限制：

眩光可以損害視覺，也能造成視覺上的不舒服感。當側窗位置較低時，對于工作視線處于水平的場所形成不舒服眩光。故標準提出了側窗不舒適眩光評價標準。頂部采光口位置高，常處于視野之外，不易引起眩光，標準未作限制。

不同場景下天然采光的應用

建筑采光的核心是窗的設計，在應用時需要綜合考慮采光、隔熱、隔聲、經濟等要求。

采光要求：充分的照度、無眩光、與外界的視線交流

隔熱、隔聲要求：窗盡量小、特殊玻璃和窗結構

⑴ 窗的實用功能：

引入自然光

控制自然通風

溝通室內外視線

建筑藝術創作的重要環節

⑵ 采光窗的類型：

側窗：單側窗、雙側窗、高側窗

天窗：矩形天窗、鋸齒形天窗、平天窗

側窗

單側窗：最常見的形式，構造簡單，布置方便，造價低，視線溝通好；灌流方向性強，有利于光影造型；有效避免光幕反射和不舒適眩光；晝光照度隨距離增大而迅速降低，距離內墻1m處照度最低，照度分布不均勻。

雙側窗：相對側墻上開窗使照射進深增加一倍

高側窗：多用于倉庫和博覽建筑

凸窗：窗附近照度充足，但頂板影響照射進深

角窗：窗與墻面亮度對比柔和，有特殊照明效果

使用側窗采光時需注意：

窗的位置高低會影響房間進深方向上的采光均勻度；

減少窗面積的方式不同，室內采光量有不同的變化；

陰天時，窗口朝向對室內的采光狀況無影響；

晴天時，不同朝向的房間，室內采光狀況不同；

為了應對側窗采光照度變化劇烈的情況，提高房間深處照度，可采取的措施有：

提高窗的位置，可提高房間深處照度，改善均勻性能；

采用乳白玻璃、玻璃磚等擴散透光材料，或者能將光折射至頂棚的折射玻璃，提高房間深處照度，利于加大房間進深，降低造價。

天窗

矩形天窗：實質上相當于提高位置的成對高側窗，常用于單層工業廠房中。

橫向天窗：橫向矩形天窗是將屋面板隔跨分別設在屋架上弦和下弦位置，窗扇立在屋架外側，緊貼屋架，也成下沉式天窗。橫向采光均勻度好，自然通風效果好，適合熱空間。

鋸齒形天窗：鋸齒形天窗的特點是屋頂傾斜，可以充分利用頂棚的反射光，鋸齒形天窗適合用于紡織車間、美術館。

平天窗：在屋面上直接開洞，鋪上透明材料（例如鋼化玻璃、玻璃鋼、夾絲平板玻璃）。

導光管：傳輸室外自然光的一種系統，可將室外自然光“引入”室內。

窗玻璃

透明玻璃：最常用

有色吸熱玻璃：減少室內的熱量，透光減少

鍍膜玻璃（反射玻璃）：隔熱性能好，單向可視

半透明玻璃：隔絕視線，透光比小

建筑天然采光下——案例介紹

天使山修道院圖書館

The Mount Angel Abbey library

閱覽空間布局：閱覽區布置于靠窗一側及靠天窗一側，書庫布置于空間中部。

靠近天窗的白色傾斜表面有利于自然光的漫反射，從而營造良好的自然光氛圍。

柏林自由大學哲學系圖書館

Free University＇s Philology Library

英國阿伯丁大學圖書館

University of Aberdeen New Library

赫爾辛基當代藝術博物館

金貝爾美術館

在現代建筑藝術創作中，天然采光的方式成為建筑藝術重要的創作方式之一。

而在實際的情況中，建筑天然采光的設計在很大程度上能夠影響一個空間照明質量的好壞，要把握好空間里照明設計的質量，不僅需要研究人造光源的照明設計，更多時候需要進行考慮的是建筑本身的天然采光。

掌控好建筑的天然采光，不僅僅能夠滿足建筑本身照明功能性的需求，而且還能夠滿足照明另一個高層次的要求——裝飾照明。天然光是人最為熟悉的，也是人感受最為舒適的，所以建筑的天然采光是照明設計中至關重要，必不可少的一部分。

邊 宇

華南理工大學建筑學院副教授

亞熱帶建筑科學國家重點實驗室

建筑光學實驗室副主任

云知光照明學院 直播課程講師