地下空间对自然光的应用

地下空间对自然光的应用教师：黄明利班级：硕士1407姓名：李越导师：房倩学号：14121052日期：2014年12月27日xjghost微软中国选取日期地下空间对自然光的利用摘要：随着世界人口的增长，人均生存空间越来越小。为此修建地下空间成为解决未来人口交通压力的不二选择。然而，由于地下建筑封闭，幽暗的特性，使得其功能和使用大大受到限制，虽然目前的灯光照明能够解决基本的光线需求，但不能避免的是24小时不间断的电能消耗和给人带来的不自然的光线局促感，如何能够有效的利用自然光来照明地下空间，合理的光线利用和分布，让人能够在地下建筑中体会到轻松畅快是当前地下构筑物不可避免的难题。本文将从目前地下空间采光的困境和新机做论述。关键词：地下空间；自然采光；节能；光导照明ABSTRACT:Daylighting system for illumination is a new green illumination device, which transmits sunlight into buildings by optical fibers,provides sunlight above nine hours a day and createsa healthy lighting environment. In this paper mainly introduce the principle and components of the system and its application in buildings.Key Words: Sunlight,underground space, energy conservation绪论随着现代化建设中城市化步伐的加速，人们对城市地下空间是人类宝贵资源这一概念逐渐形成，并开始致力于城市地下空间的开发。地下空间与地上空间相比具有恒温恒湿、隔热、遮光、气密、隐蔽等特性，人们也逐步认识到地下空间潜藏的巨大开发利用价值，无论是用于货物的仓储和运输还是人的活动和居住，都是未来社会发展的一大方向。然而，经过近些年的实践表明，地下建筑的不足之处是:地下空间是个较为封闭的空间，难以利用太阳光和自然通风条件;阴暗潮湿、空气浑浊，易使人产生闷及不透气的感觉;无外部景观和自然景色;与外界环境隔绝，易使人产生孤独感、压抑感和不安全感等。这些不利的因素限制了人类将地下空间作为永久或长期居住的环境的步伐。现代城市地下空间的设计要求实现人性化设计，即以人为本，从人的具体需要、心理行为特征出发进行设计【5】，归纳起来就是要满足人的生理需要、心理需要、精神需要。(1)生理需要。通过必要的技术手段，满足人们最根本的需要，如采光、通风、除湿，可通过出人口部的设计及配以适当的机械方式来达到。 (2)心理需要。通过和谐的比例和尺度、色彩的处理、空间的易识别性等手段，达到既符合人的认识规律，又符合人的经历体验的心理要求。 (3)精神需要。通过生态(主要是绿化)、自然空间的营造以及对城市文脉和地域特征的传承和体现等手段，达到满足人们精神愉悦的要求。总之，无论是哪一方面的需求，一旦能够解决采光的问题，将地下空间的光线设计成地面建筑的效果。都能大大提高地下环境中人的感受和体验，促进人们走向地下构筑物生活和居住。为解决这一棘手的难题，一直以来，各行业的专家都对地下工程采光做出了孜孜不倦的探索，也在一些实际的地下建筑物中尝试应用，并取得了可喜的效果。1.传统地下建筑照明的局限性照明可以人为地创造良好的光照条件，使人眼既无困难又无损伤、舒适而高效地识别所观察的对象，从事相应的活动，并保证身心健康，提高劳动生产率，提高产品质量，减少各种事故。采用不同形式、不同大小的灯具，利用光照的方向性和层次性等特点还可以渲染建筑的功能，烘托环境的气氛。就比如在我们坐地铁的过程中，隧道两侧是否设置广告牌给旅客的感受是大不相同的。有广告牌的地铁段乘客的感觉比不设广告牌的地段轻松许多。所以地下空间中人们对于光的需求非常显著。与地面建筑相比，地下建筑最大的特点是没有天然采光，主要依赖人工照明措施。因此，地下建筑的照明使用时间长，照度和可靠性要求高，潮湿对灯具及线路影响较大。长期以来，地下建筑的照明设计沿用地面建筑的设计标准，照明效能一直没有得到很好的利用。到目前为止，地下建筑照明效能的研究近乎于空白，缺乏科学合理的照度标准和以人为本的环境模式，再加上设计人员的水平、经验参差不齐，使得照明效能的实现得不到保证，甚至会因为设计和运用不当，产生光污染，如眩光、频闪、显色失真，产生一些人们不需要的热量、红外线和紫外线等【3】。2新的地下建筑采光理念自然光之于人类，就像空气、水一样不可缺少，这在封闭的地下空间环境中尤为重要在地下空间中引人自然光线对改善地下建筑环境具有多方面的作用，可以满足人们感受阳光、感知昼夜交替、阴晴变幻、季节更替等自然信息的心理需求。同时，引人自然采光也可以增加地下建筑空间的开敞感，改善通风效果，并在视觉心理上大大缓解地下空间由于封闭单调而带来的方向不明、与外界环境隔绝等负面影响。将天然光源引人地下建筑空间一直为近年来研究的热点问题，但由于功能需求的不同，地下建筑采用天然采光技术是否合理需进行进一步论证。以马斯洛需求层次为理论基础，下面通过对经济性、实用性、舒适性、节能性四方面需求进行分析研究，论证基于功能需求的地下建筑采用天然采光技术的合理性【11】。2.1经济性降低商业成本 众所周知，大型地下建筑对于照明设计有着较高的要求，大部分商业展示空间的光环境基本依靠人工照明设计进行营造，并不采用天然光源。而创造高质量的商业展示空间，所带来的则是高昂的照明运营费用。相比而言，普遍存在于地下商业街中的普通零售业空间则与大型商业空间有所不同，在满足基本采光要求的同时，零售业主更加关注照明系统运营所带来的经济费用对自身的影响。在此基础上合理采用天然采光技术，可以大大降低零售业者在地下商业街中的商业运行成本，使地下商业街更加具备投资吸引力。2. 2实用性满足基本需求 由于人类无法控制天然光源的变化，所以现有的大部分天然采光仅仅作为人工照明的辅助方式，无法通过天然采光达到某些特殊的照明要求。公共空间由于人们活动的需求，因此采用统一照明设计的公共空间部分对照明质量要求相对较低。因此天然采光正适合于地下公共空间对采光照明的需求。天然采光技术应用于地下建筑具有很大的实际操作意义与发展前景。2. 3舒适性提升空间质量 调研表明，在影响地下空间环境的因素中，对于天然光的需求被受访者列为主要因素。人们普遍认为人工光源无法代替天然光源，且人工光源并无太大变化，使空间显得沉闷枯燥。如果整个地下建筑无天然光源的引入，长期在此工作人员会产生焦躁不安的情绪，也会使进入地下空间的人产生逃离的心理。所以如何能把自然光导入地下是解决好人与地下建筑和谐相处的关键。2. 4节能性创造节能空间我国照明用电在全国电能消耗中约占总用电量的12%左右。因此，在建筑中节约用电具有十分重要的地位。而在地下建筑中，照明能耗更是其总能耗的主要组成部分。天然光资源取之不尽用之不竭，利用清洁环保的天然光既有利于节约能源又起到保护环境的作用。因此在节能减排的形势下，地下空间的照明应充分利用和开发天然光，创造低碳节能的地下空间光环境。综上所述，在地下空间中采用天然采光技术具有若干优势。但在实际工程中，天然采光技术的应用往往会受到地下建筑的形态、规模、造价等诸多因素的影响。因此将天然光源引人地下空间的关键在于根据实际情况合理地运用不同的天然采光方式。3 新型自然光的采光方式常见的地下建筑自然采光方式，主要分为直接式采光与间接式采光两大类。 3.1直接式采光【12】直接式采光是指将自然光直接引入地下的设计方法，主要应用于浅层的地下建筑中。直接式采光通常是在建筑大厅或中庭的顶棚处，设置与地面直接连通的天窗。直接式采光所营造的空间氛围在地下建筑中也是最接近自然的。对于层数少、平面体量相对较大的地下建筑，需要一个开敞空间来改善地下建筑方位感。著名的法国卢浮宫的玻璃金字塔，设计师贝幸铭大胆构思，采用古老的金字塔形式，将透明玻璃金字塔和周围三个小玻璃金字塔作为地下建筑的采光天窗。即使在1h内有15 000名参观者进入自然采光的大厅与回廊中，仍然可以尽情地享受地下宫殿的迷人艺术，毫无不适之感。该设计近乎完美地运用了自然光，创造性地解决了地下建筑的自然采光难题。 3.1.1天窗式天然采光系统天窗采光适合于埋深较浅、地面部分为广场或绿地的地下空间。通过在顶棚设置天窗将天然光引人地下空间。此方式采光效率高，使用也较为灵活，并可根据内部功能的需求选择各种形式的天窗，如矩形天窗、锯齿形天窗等。为了打破线形商业空间的枯燥沉闷，大部分地下建筑采用设置中庭节点的方式进行处理，在中庭采用玻璃顶棚引人天然光，也是天窗式天然采光系统的一种变形。但此方式对地下空间热工环境影响较大，容易引起内部空间的热不舒适。3.1.2下沉广场式天然采光系统下沉广场式常常存在于城市中心区的大型地下商业街，使地面一部分下沉一定高度，使广场出现空间形态变化，并且结合地下商业街，形成多层次的复合空间。通过下沉部分的立面侧窗为广场周围的地下空间提供大量的自然光线。此方式受部分地下商业街层高限制，且其引人的天然光影响范围有限。部分地下商业街将此方式进行变形，形成中庭式的地下商业街。3.2 间接式采光 间接式采光是利用一些辅助设备将自然光输送到地下建筑中，常在深一些的地下建筑中采用。常用的方法有镜面反射、光导纤维等几种方式。3.2.1镜面反射采光镜面反射采光是利用平面镜、曲面镜和透镜等，将自然光通过一次或多次反射到地下建筑中，从而解决了地下建筑采光的问题。如美国明尼苏达州立大学的土木采矿工程大楼，这栋建筑95%的部分处于地面以下，为了能将阳光引人其中，设计师采用潜望镜的原理，将自然光传送到地下33.5 m处。3.2.2光导纤维采光光导纤维采光是利用光纤维传到地下建筑的一种采光方式（图3.1）。它充分利用光的全反射原理，光线几乎全部在纤芯里传播，基本上没有任何损耗。清华大学的超低耗楼就使用了一种被称为“向日葵”的光纤维采光技术，在对地下室进行采光时，取得了很好的效果。光导纤维虽然价格较高，但由于其采光效率高，占用空间小，且能灵活弯曲，因此，在一些光环境要求较高的地下 图3.1 光纤导光系统示意图建筑中被广泛采用。结合光导纤维的传递部件，人们组合出两种不同的采光系统，分别为主动式导光管系统和被动式导光管系统。导光管技术是一种新型有效的利用天然采光的照明技术。导光管技术的主要特点是在地下空间的使用中其局限性较小，并可有效地将天然光进行重新分配，不仅达到了节能环保的效果，也可避免直接引人天然光所产生的眩目与热不舒适等问题。针对地下地下空间，导光管技术也可根据不同使用空间的采光需求将天然光合理地分配到各个功能空间内。导光管系统主要由集光器、导光筒和漫射器三部分组成。室外的天然光线透过集光器导人系统内进行重新分配，再经特殊制作的导光管传输至系统底部的漫射装置，把天然光均匀高效地照射到室内。依据采光方式的不同，现有的导光管技术主要分为主动式与被动式两种。3.2.2.1主动式导光管系统此类导光管系统主要依靠定日镜作为主要采光装置。定日镜是一种对阳光进行反射定位的装置，通过对太阳进行跟踪，它可以将阳光精确地反射到某一固定位置，由于这一特性，它在地下空间的天然采光方面得到了很好的应用。用抛物镜和平面镜将定日镜收集的阳光通过光导管送人室内的光路设计，对解决浅埋地下或无窗建筑采光问题是较合适的。定日镜的上方设有反光镜。定日镜像向日葵一样跟着太阳转，但不完全像向日葵那样“正视”阳光，而是将阳光折射给定日镜上方的反光镜子，阳光被搜集过来，反光镜朝下，阳光被“输送”到地下空间。主动式导光管系统对天然光采集效率较高，且地下空间的采光效果也比较好。但相对而言该技术造价较为昂贵，且施工技术与后期的维护检修工作十分复杂，如不能保证后期的检修与维护质量，此类技术的实践与推广仍存在较大的问题。3.2.2.2被动式导光管系统此类导光管系统为现在普遍使用的光导采光系统。其主要工作原理与主动式类似，区别在于其采光装置为聚光罩，聚光罩和光导管本身连接在一起固定不动，聚光罩多由PC或有机玻璃注塑而成，表面有三角形全反射聚光棱。光导管可以实现白天完全或部分利用天然光照明，从而大大节省电能。并且在施工要求与技术难度上都大大低于主动式，后期的维护也相对比较容易，但采光效率较主动式偏低。依靠高技术手段实现的地下空间天然采光在我国仍属于起步阶段，由于造价与施工技术等种种原因，此类技术仍无法大量应用于实际工程中，但在部分试点项目中已取得了较好的成效。但由于其采光方式较为灵活，并可根据不同的照明需要与经济合理地选择不同的采光、导光、漫射的装置进行组合。随着此类技术的成熟与完善，依靠高技术手段为地下建筑引入天然光将会成为天然采光方式选择的主要趋势。4 直接式采光的应用由于直接式采光技术的成熟，使得其理念在许多地下建筑物中被大量采用并根据采光口在地下空间中所处位置的不同概括为为末端光线引导、中心光线引导、带状光线引导三种方式。如图4.1所示：图4.1 直接式采光三种方式4.1末端光线引导末端光线引导的方式多用于线型布局的地下建筑中.这种布局的地下空间方向感较强，但由于空间封闭，缺少人们熟悉的地面参照物，使用者很难确定自己所处的具体位置。传统的设计手法是通过在主要出入口的门厅、通道的交叉点以及道路的尽端处等人流序列的轴线上空间适当放大，设置结点空间组织一些供人流集散和休息的功能，使空问的组织产生变化，以减轻由通道过长而引起的单调感等问题。但由于处于相对封闭的内部空间中，缺少与外界信息的交流，使用者大多不愿意过多停留。因此，达不到设置结点空间的预期效果。如果在设计中结合中庭、下沉广场等人流聚集处设置的结点空问，在其上部或侧向设置采光口引人自然光线，就可以完全改变地下空间封闭内向的空间特点，有效地改善了结点空间的内部环境，达到了与外部城市环境信息交流的目的。特别是在规模较大的地下建筑也可以采取连续设置采光日的方式，创造一系列的过渡空间，通过光线的变换加强人们在地下街的方向感和空间定位。以珠海市莲花路地下商业街为例，珠海市莲花路商业旅游步行街位于珠海市中心城南，是珠海市最具城市气氛与城市特征的地区在实现老城区有机更新的过程中，为保持莲花路商业街区的历史场所感的连贯性与城市空间形态的完整性，规划建设了一条约1000m长的地下商业街，地下商业街呈连续的线性布局，在步行街交通转换和过渡处没置了5处结点空间，并考虑到自然光的引人、其中结点一是在两条轴线的交汇点设计了大型的下沉式广场，采用侧向采光的手法引人自然光。在另外一处设置了采光中庭，以玻璃材质围护，从顶部将自然光引人地下，将室内外空间联系起来，为人们提供良好空问方位感同时，也创造出丰富的景观和空间感受，有效的强化了商业街的识别性和场所感4.2中心光线引导中心光线引导的方式。多用于面状布局的地下建筑中。相对于线性布局的地下建筑来说，面状的布局方向感较差，使用者置身其中，很容易迷失方向。可以通过在面状布局的地下建筑中部设置规模较大的采光中庭或下沉广场，使其成为地下空间布局的核心。由于采光口的规模较大，能够有效地引入自然光线，沟通地上地下城市环境具有明确的导向作用，有助于使用者准确定位。以上海人民广场地下迪美购物中心为例，由于场地条件的限制，采取的是面状的平面布局形式，设计者在内部空间方向感的设计上独具匠心，在地下一层主要通道的交点处设置了一个玻璃顶的采光中庭以引入自然光线和外界的自然景观。身处其中，阳光从项部天窗倾泻而下，沿着在中庭中设置的旋转楼梯，洒在中庭的柱廊几，灵动而富有生气。透过尺顶的天窗，人们可以看到人民广场的标志性建筑，完全没有置身于封闭的地下空间的感觉。同样，西安钟鼓楼广场的地下商业街中，中庭的光线在很远处就能引导人的目光，并且很有安全感，中庭成为积聚人流的核心。4.3带状光线引导 在大型的地下建筑综合体中.可以通过扩大地下空间的点状中庭成为连续的带状中庭的方式，通过带状中庭连结城市地面建筑，通过带状中庭顶部的玻璃或膜结构使地下建筑向城市开敞，与地面环境和地面建筑结合。较前两种方式而言，带状中庭能够更加有效地引人自然光，并与地面环境融合，增加了地下建筑的方向感和可识别性。使带状中庭成为联系地上地下区域核心的“城市中庭”，带来人们更加丰富的空间体验。以上海轨道交通10号线四川北路站地区城市设计构想为例，方案设计先是以入口广场作为城市中庭的聚集点，再以玻璃采光顶的城市带状中庭引导人们步人地下商业街，利用带状中庭有效地整合了地下步行系统、地下街、地铁动线和地面商业建筑，使城市上下部空间有机联系，既解决了地下空间的采光.增加了地面感，又使而状布局的地下商业空间具有明确的方向感。相对而言，规模较小的采光口，如地下建筑的次要出入口或内部设置的小型采光天井，对外部场地环境要求较简单，采光口对城市外部环境的影响也较小，设计时可以将采光口与地面点状绿化或景观小品自然地融入周围环境与城市结构之中。对于下沉广场或采光中庭等规模较大的采光口形式，设计时要充分考虑采光口与周围环境之间的协调关系。特别是在建筑密集的地区，要注重与周围建筑空间环境的有序整合，使其成为连结地下、地面以及整体外部环境协调统一的空间核心。5 利用光导纤维的导光系统在地下空间的应用在地下空间中引人自然光，并结合空问的过渡及景象的设计，使光线形成良好的导向作用，是解决地下空间中定位定向困难的一条比较积极的设计途径。而光导纤维的利用不仅可以大大提高自然光的利用率，使得导入地下空间的光线能够达到一定的强度，满足人们需求，而且其使用条件广泛，不需要太多电子系统的辅助，能够保证安全高效的工作。所以导光管的使用是解决地下空间采集并利用自然光的新技术。由于光纤采光照明系统实现了白天完全或部分利用太阳光，提高了室内环境品质，并大大节省电能，目前在地下室、商场、写字楼、住宅、医院、博物馆等建筑中应用，并在不断地推广中。国内外光导纤维导光系统的应用情况主要有以下五个方面：5.1 为建筑物内部、北侧、地下空间、中庭等太阳光无法到达的场所提供太阳光近年来，随着建筑物逐渐向地下延伸以及无窗化格局的增多，人们不仅要追求高效率的技术方案，也越来越注重创造更加人性化的空间。光纤采光照明系统可以完全改变这些空间以往必须依赖人工照明的方式。系统传送的光与外界自然的太阳光有同样的变化规律，使人能真实感受到早、中、傍晚的光色变化，有助于创造不改变人类本来的生活节奏的环境。5.2 改善办公室、密闭居室的光环境处于地下空间的工作人员，大量的活动空间缺乏日光照射，时刻需要电灯照明，而人工光源无论是光色还是频率都很难达到人眼的舒适程度。长期下去眼睛就非常容易疲倦，进而引起种种不适。利用光纤采光照明系统能很好的解决这个问题，系统导入的太阳光，对人体健康及视力最为有益，不仅能够提升空间的光环境质量，而且还能够提高工作和学习的效率。由于系统排除了大部分紫外线，所以无须担心家具、装饰品等的褪色、受损。5.3 进行室内日光浴长期处于地下空间的人们对于阳光的需求是不可或缺的，人们通过光纤导光系统可以在地下空间中定期感受阳光沐浴的生活，不仅利于心理的放松，也有利于身体健康。5.4 室内种植植物，创造出绿色的建筑空间通过把太阳光导入室内，使在建筑内部种植植物成为可能，植物的引入，对生活和工作在其中的人身心健康都有很大的益处。5.5 特殊的环境与场所的照明 系统本身只传输光，不带电，适合于潮湿环境、水下和易燃易爆等危险场合的照明。6 总结在地下空间中引人自然光，不仅让身处其中的人们更多的与自然亲近，更是从能源、健康等角度，实现可持续性建筑的一种重要方式。“设计空间就是设计光亮”.打破传统地下建筑封闭内向的空间形态，使地下建筑内部空间向城市开敞，引人自然光线并利用自然光线引导人们辨别方向是地下空间方向感确立的一种重要的手段，它将为城市地下空间的发展带来新的生机与活力。然而由于技术设计的限制，目前在地下空间中很难完全依靠天然采光，即使最大限度地利用天然光也并不能完全满足其使用要求，在夜晚与阴天时仍需要借助人工方式来辅助照明。尤其在部分功能复杂体量庞大且限制性较大的地下构筑物中，人工照明系统仍然会作为建筑内部照明的主要方式。但在大部分地下商业街中均可采用人工照明与天然采光相结合的方式。如能在地下空间中合理地引人各种不同的天然采光方式，既能在经济效益与绿色环保等方面起到积极的作用，也能创造出更加实用舒适的地下商业空间。如何能够更好的将自然光照耀地下空间是我们未来工作的一大重点，它不仅能够大量减少地下商业街，公路隧道，地下停车场等的电能消耗，推动绿色照明技术的发展。同时也会把地下空间的开发利用推上一个新的高度，人们走入地下生活的梦想也会更好更快的实现。相信一束自然光能够照亮人们地下世界的梦想。参考文献1陈巍. 地下空间自然采光景观形态设计研究D.大连理工大学,2011.2刘启春. 地下商业建筑公共空间光环境设计研究D.昆明理工大学,2013.3边宇,马源. 地下空间采光设计的量化研究J. 节能技术,200