中庭的天然采光设计
］１设计研究ＲＥｓＥＡＲｃＨＥｓ
ＩＮＤＥｓＩＧＮ
中庭的天然采光设计
杨倩苗高辉
摘要／通过对决定中庭相邻空间天然采光效果的中庭的
顶部的透光性、空间的几何比例、中庭墙壁的反射，以及窗户位置及尺寸四大因素的探讨，并以菲利普・埃克塞特图书馆、德国克隆贝格的行政办公楼的中庭为例，论证中庭天然采光的设计方法。关键词／中庭天然采光
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作者单位：天津大学建筑学院（天津，３０００７２）收祷日期：２００７—０６一０５
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现代建筑中的中庭作为缓冲空间，在为相邻空间提供与自然环境交流的同时又规避自然带来的不利条件。其中，中庭最大的贡献是解决大进深空间的天然采光问题，提供使优良的光线射人到平面最大进深处的可能性，允许进深较大的建筑能够天然采光，本身则成为一个天然光的收集器和分配器。至于庭院、天井和建筑凹口可以看作中庭的特殊形式。
从图１可以看出，中庭起了一个“光通道”的作用，将天空直射光线和反射光线、漫反射光线通过窗户照射到中庭相邻空间工作面上。中庭的光环境设计是一个复杂的问题，涉及到中庭顶部的透光性、中庭空间的几何比例、中庭墙壁和地面的反射率、窗户位置及尺寸等一系列因素。
（１）中庭顶部的透光性
中庭顶部光线的透过率直接影响中庭收集到的天然光的数量，顶部的透过率越高，经由中庭到达中庭底部和相邻空间的光线越多。夏季进入过多的太阳光线，可能引起中庭过热，需要进行遮阳处理。遮阳措施会降低中庭顶部的透光量，在冬季中庭底部甚至需要人工照明来补充不足的照度水平。解决这一矛盾的办法就是使用可移动的遮阳控制中庭顶部的透光量随季节的变化而变化。１９８１年建成的位于科罗拉多州的科罗拉多山地学院的天窗遮阳经过精巧的设计，如图２所示，夏天遮阳板遮蔽强烈的太阳光线，冬季将遮阳板翻转，内侧可以反射更多的太阳光线进入室内。
通过不同表面的透光材料进入中庭的太阳光线的性质不同。太阳光线透过普通玻璃、Ｌｏｗ—Ｅ玻璃等表面光滑的透光材料，直射到中庭四周墙壁甚至地面上和相邻空间内，但有产生眩光的可能，而且中庭水平面的光线分布不均匀；太阳光线透过磨砂玻璃、透明膜结构等表面粗糙的透光材料，均匀地漫射到中庭内部，避免眩光的
产生，但进入中庭的光线总量大大减少，中
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庭垂直面的光线分布不均匀。光滑和粗糙表面的透光材料产生不同的中庭光环境，进而影响相邻空间的天然采光效果。在实际工程中，根据影响中庭光环境的其他因素，尤其是中庭空间的几何比例，综合考虑选择合适的透光材料。德国的布劳恩办公楼的中庭顶部采用充气的透明膜结构，使中庭获得均匀、充足的天然采光，为相邻办公空间提供良好的光环境。
（２）中庭空间的几何比例
从图３可以看出，随着中庭高度的增加，到达相邻空间直射光线的进深迅速减小。因此，为了保证中庭地面和相邻空间能够获得足够的天然采光，在确定中庭的高宽比值时，仅考虑天空直射光线，而忽略反射光线和漫反射光线的贡献。英国剑桥大学马丁研究中心研究了大量建筑实例，认为中庭高宽比的最大值是３：１。中庭高宽比在３：１数值范围以内，中庭相邻空间就能得到符合办公建筑照度要求的足够的天
然光线。
（３）中庭墙壁的反射
进入相邻空间的天然光线除了直射光线外，另一个重要组成部分是反射光线和漫反射光线，对中庭地面和底部相邻空间的天然采光尤其重要。中庭墙壁经过设计后可以反射、漫反射、重新分配天然光线，具有调节和控制天然光的作用。表面光滑的墙壁容易产生反射眩光，因此中庭墙壁表面应粗糙，漫反射光线使中庭内光环境均匀、柔和。中庭墙壁可以采用素混凝土、浅色粉刷、石膏板、麻面石材、麻面砖等表面粗糙的材料，尽量避免使用大理石、釉面砖等表面光滑的材料。如果需增加特定部位的天然采光量，可通过在中庭墙壁上安装可调节的镜面，向下定向反射天然光线，解决局部天然光线不足的问题。德国国会大厦穹顶核心部分是覆盖着各种角度镜子的锥体（图４），可以向下反射水平天然光线进入议会大厅。穹顶上还设有～个可移动
的遮阳装置按照太阳运行的轨迹转动，防止夏季过热和眩光的产生。日本松下公司办公楼采用等腰梯形剖面的中庭（图５），为解决中庭下部空间的采光问题，在中庭顶部两侧各安装两列圆形境面，向下反射天然光线，提高中庭地面的天然光照度。
（４）窗户位置及尺寸
对于依靠中庭墙壁反射光线采光的底层部分，对面的反射墙就是它的“天空”，若该墙为一从顶到地的玻璃或完全是敞开的，则很少一部分光线会经过它的反射而传到下面各层。相反，若该墙没有窗户和开口，则大部分光线经墙面反射到中庭底层，就如同光线在光导管中反射的一样，光线强度减弱极少。理论上，光线应该按所需量进入每～层相邻空间，其余经墙面反射再向下传递。因此，为了使中庭每一层相邻空间都获得良好的天然采光，中庭墙壁每一层窗户的面积应该不同，顶层仅需极少的窗，增加反射墙面，往下逐层增加窗户面积，减少反射墙面，直至底层全部都是窗户。
窗户在墙壁上的位置影响光线的分布、空间感受、人工照明的位置等许多因素。低窗、中等高度的窗户、高窗进入室内的光线分布离窗户由近而远，中庭相邻空间多采
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方数据用双侧采光，多选择低窗、中等高度的窗梁、墙壁的漫反射，为中庭和内圈的阅览空间创造一种均匀、柔和的采光效果。中庭墙壁被设计成四个巨大的圆形孔洞，以获得尽可能多的中庭漫射光线，但书库的天然采光照度不能满足查阅图书时的要求，需充分考虑影响中庭光环境设计的以上设置必要的人工照明。
四个主要因素，建筑师创造出许多中庭天相对于菲利普・埃克塞特图书馆传统的中庭天然采光设计手法，德国的布劳恩办公楼的中庭采用的是现代的设计元素、灵活的设计思路。布劳恩办公楼位于法兰克福附近克隆贝格（Ｋｒｏｎｂｅｒｇ），２０００年竣在菲利普－埃克塞特图书馆的设计中，工，Ｕ形建筑平面，地上三层，地下一层，中庭位于平面中间，建筑面积大约５７００ｍｚ。中庭高宽比接近１：ｌ，顶部采用三层充气的透明膜结构，均匀地将天然光线漫射到中庭的每一个角落。为最大限度接收、利用ｍ２，内部９层，从外部看来自中庭的漫射光线，中庭墙壁全部采用双层中空玻璃墙面，为相邻办公空间提供充足的天然光线；相邻办公空间使用３６０ｍｍ厚的大跨度预应力混凝土板，减少进深中间的一排柱子，采用开放式大空间办公模式，充分利用获得的天然光线。中庭透明膜结构完美地解决了布劳恩办公楼的天然采光问题，但是同时带来夏季过热问题。通过中庭组织自然通风，有效地降低夏
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户。低窗可以利用地面的反射，使光线进入室内空间深处，以弥补光线分布不均匀的缺点。因此设计时靠近低窗处的地面应为
浅色。
然采光的杰出作品，其中美国菲利普・埃克塞特大学图书馆中庭、德国的布劳恩办公楼中庭和美国剑桥市的辉瑞中心就是三个很成功的经典案例。
我们可以看到高密度多层建筑所采用的经典的中庭天然光设计方法（图６）。埃克塞特图书馆由光影大师路易斯・康设计，１９７１年建成，平面为３３．８ｍ×３３．８ｍ的正方形，建筑面积１１４４．６只有５层。平面中央是一个宽１５．２５ｍ，高２１．３５ｍ的正方形中庭，高宽比为１．４：１。中庭相邻的建筑平面像洋葱一样分为三个层次，图书馆大约４５０个座位分布在内、外两个层次内，书库安排在中间层次内。图书馆外墙侧窗引入天然光线，为外圈阅览空间提供充足的采光；顶部侧窗引入天空直射光线和漫射光线，经素混凝土十字交叉
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季中庭内部温度。室外空气通过地下室下Ｂｅｈｎｉｓｃｈ设计，１２层，建筑面积３２５１５ｍ２，部夹层空间的冷却，清凉的空气经由中庭２００３年竣工。建筑平面近似矩形，中央设水池池壁四周的进气口进入中庭，逐渐上有中庭，其高宽比远大于３：１的比例，但升，从中庭顶部排出，带走大量的天然光热Ｂｅｈｎｉｓｃｈ通过一系列的设计和技术方法，量。中庭透明膜结构屋顶可自动开启，两侧在中庭内营造出令人激动的“光瀑布”，不设有可调节通风百叶孔，顶部通过智能控但满足中庭底部天然光照度要求，而且为制实现自然通风：晴好天气时，膜结构开相邻办公空间提供足够的天然光线（图８）。启，通风孔自动关闭；风雨天气时，膜结构首先，建筑屋顶北侧的七台循迹太阳光反关闭，通风孔自动开启。
光镜，追踪反射太阳光经由屋顶南侧固定位于美国马萨诸塞州剑桥市的辉瑞中的镜面的反射，以固定角度向下进入中庭。心（Ｇｅｎｚｙｍｅ
Ｃｅｎｔｅｒ），由德国建筑师
吊装在中庭顶部的１６组７６８块反光金属板，
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根据固定角度的不同，升降其自身高度，将进入中庭的光线反射到中庭底部和相邻的办公空间。然后，中庭内南侧的墙面被设计成“光墙”，表面金属质感的垂直百叶由电脑控制，根据入射天然光角度和天空状况，自动调节上下位置，反射光线到北侧办公空间和中庭底部。另外，中庭顶部Ｌｏｗ—Ｅ玻璃下的可调节角度的棱镜百叶，将漫射太阳光线引入中庭，而将直射太阳光线反射出去，避免中庭夏季过热。
在进行中庭天然采光设计时，应该结合建筑平面、剖面设计，综合考虑影响中庭采光效果的四大因素，即：中庭顶部的透光性、中庭空间的几何比例、中庭墙壁的反射、窗户位置及尺寸，灵活运用各种设计手法，将天然光引入建筑内部，改善人们的视觉效果，提高工作效率，增强空间的显色性，节约人工照明能耗，减少环境污染，追求可持续的建筑光环境设计。一
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图片来源图１
根据《Ｅｎｅｒｇｙ
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１ｎ
Ａｒｃｈｌｔｅｃｔｕｒｅ势Ｐ６９绘制
图２《建筑师技术设计指南》Ｐ５４１图３
根据《Ｅｎｅｒｇｙ
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Ｅｎｖｌｒｏｎｍｅｎｔ
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Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ》Ｐ６３绘制
图４ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｏｓｔｅｒａｎｄｐａｒｔｎｅｒｓ．ｃｏｍ／图５《Ｓｕｓｔａｌｎａｂｌｅ
Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｉｎ
Ｊａｐａｎ》Ｐ１２０，
Ｐ１２６
图６一ｌ根据Ⅸ静谧与光明》Ｐ１０５绘制图６—２
ｈｔｔｐ：／／ｐｒｏｊｅｃｔ．ｚｈｕｌｏｎｇ．ｃｏｍ／ｐｒｏｊ／
ｄｅｔａｉｌｌ４１２８．ｈｔｍ
图７《Ｉｎｄｅｔａｉｌ：ｂｕｌｌｄｉｒ培ｓｋｌｒｌＳ：ｃｏｎｃｅｐｔｓ，ｌａｙｅｒｓ，ｍａｔｅｒｉａｌｓ洚ｐ１５３，Ｐ１５６，Ｐ１５８，Ｐ１５８图８—１《Ｇｅｎｚｙｍｅ
Ｃｅｎｔｅｒｉｎ
Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ》Ｐ６４８
图８—２
ｗｗｗ．ａｒＤｌｕｓ．ｃｏｍ／ｂｒｏｃｈ／ａｒｔｉｃｌｅｓ／
ａｒａｐｒ０４／ａｒａｐｒ０４ｂｅｈｎｉｓｃｈ．ｐｄｆ
中庭的天然采光设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
杨倩苗， 高辉， Yang Qianmiao， Gao Hui天津大学建筑学院,天津,300072建筑学报
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