从“教室采光”到“课桌采光”——基于不良利用时间占比的中小学教室采光标准重评估
/张昕（通讯作者），周昕怡，陈晓东
摘要：本研究基于案例调查与建筑师访谈，梳理近年建筑师对中小学教室采光设计标准的执行情况与探索尝试，并生成研究模型。通过对7个代表城市的11种采光/遮阳策略进行基于动态气象参数模型的精细化模拟，获得182,120,400个模拟数据，依此提出各列课桌的天然光“不良利用时间占比”指标，在近窗课桌过亮与远窗课桌过暗的博弈之间建立平衡，并按地域对各采光/遮阳策略的优劣进行排序，重评估教室采光标准，提出从“教室采光”进化到“课桌采光”的人因设计方向。
关键词：采光标准，中小学教室，动态气象参数模型，课桌采光，不良利用时间占比，人因工程学
国家自然科学基金项目（项目批准号：52078266）
作者单位：清华大学建筑学院
01研究背景
中国学生近视高发的原因核查与预防干预已是包括建筑、照明、眼科等各相关领域亟待开展的工作。根据国家卫健委数据：2018年，全国儿童青少年总体近视率为53.6%，其中小学生为36%，初中生为71.6%，高中生为81%。习近平对此作出重要指示强调：共同呵护好孩子的眼睛，让他们拥有一个光明的未来。
光线不足和光质量差是引起学生近视的一个重要原因[1]。造成教室照度不足的原因包括：
（1）由采光设计缺陷导致的采光不足；
（2）与近窗区过亮、投影教学等有关的拉窗帘模式，造成室内采光或补光不足；
（3）全人工光模式的照明不足。
现行标准以教室为采光设计评价的最小单元。《建筑采光设计标准》（GB 50033-2013）基于保护青少年视力和身心健康的目的，将普通教室的采光标准列为强条，规定侧窗采光的平均采光系数不低于3%和窗地面积比为1:5[1]。“1:5窗地比”被《中小学校教室采光和照明卫生标准》（GB7793-2010）、《中小学校设计规范》（GB50099-2011）等重要标准引用。窗地比标准基于采光系数的相关估算，反映的是天空光照度，未计入日光照度。如在南向使用且不加遮阳措施，将导致近窗课桌眩光严重，触发拉窗帘模式，进而造成远窗区采光不足。
基于动态气象参数模型的模拟方法，已为建筑设计从“教室采光”进化到“课桌采光”提供了技术路径。对于每列课桌：“有效照度”（UDI）照度上限3000lx的界定，可用于控制近窗区眩光；“采光阈占比” （sDA）达到300lx 50% 的时间占比界定，可用于控制远窗区采光不足。综上，本论文的研究问题和研究目的如下：
（1）建筑师如何执行采光设计标准，1:5窗地比与平均采光系数3%是否自洽，重新评估现有标准的有效性。
（2）针对不同气象参数，分析各种设计策略的优劣。提出“不良利用时间占比”指标，并证明其可在近窗区课桌过亮与远窗区课桌过暗的博弈中建立平衡。
（3）在动态采光的背景下，以北京为例，分析不同朝向、遮挡、楼层的教室采光差异性，对建筑设计的潜力和弹性进行展望。
“优先保障由天然光提供全部或尽可能多的推荐照度值” [2]。《北美照明设计手册》对于教育建筑应用天然光的提法，可以代表当下建筑师、教育者、家长对于教室天然光设计的共识。基于近5年代表案例（部分代表案例见表1）的梳理与建筑师访谈，总结如下：
（1）单廊教室最为普遍，存在一个主采光面，并在走廊侧开窗补光。少数双侧走廊教室，两侧采光方式接近，弱化主采光面的概念。
（2）尽管《建筑设计资料集》（第三版）提出“朝向以南向和东南向为主”[3]，实际上南向教室多位于北方地区，并采用多种形式的水平遮阳、混合遮阳。华东地区近期以北向教室较为流行，南向走廊侧开低窗或高窗（出于课堂视线屏蔽的考虑），走廊可视为水平遮阳，部分走廊设置垂直遮阳构件，遮挡早晨与傍晚时段的低角度直射日光。
（3）在方案阶段，建筑师均通过1:5窗地比确定“主采光面”的窗洞口面积，该指标接受施工图审核。标准制定的初衷，3%是考察采光设计是否合理的判断依据，1:5窗地比是简易设计法则；而设计的操作逻辑上，二者关系常被倒置，即默认1:5窗地比可获得近似3%的平均采光系数。
（4）冬至日满窗日照2小时的规范，严格限定了教学楼布局。对于立面得光下限的限定，将导致大量教室日照过量，因此仍需通过设计遮阳措施，保证南侧天然光的合理利用。以由直向建筑设计的、尚未完工的深圳福田区人民小学项目为例，建筑布局首先满足冬至日满窗日照符合规范，并根据遮阳与视野营造的整体构思，设计了倾斜的38%穿孔率的30mm厚外挂混凝土遮阳板。在此基础上进行采光模拟，为实现平均采光系数3%的采光设计标准，需在走廊侧设计较大开窗（图1）。
▲图1：深圳福田区人民小学效果图（图纸提供：直向建筑）
选取5个光气候区的7个代表城市进行模拟研究。兼顾光气候、建筑气候区、地域代表性、城市规模与学校建设量，分别为拉萨（I/严寒）、昆明（II/温和）、北京（III/寒冷）、哈尔滨（IV/严寒）、上海（IV/夏热冬冷）、深圳（IV/夏热冬暖）、重庆（V夏热冬冷）。
教学楼布局依据中学规范，设置为5层，每层3间教室[4]。墙体厚度设定为外墙370mm，内墙240mm。为研究相邻建筑对教室采光情况的影响，采用3栋教学楼南北向排列的无连廊布局，楼间距25m。每栋教学楼选取5间基准教室（一层两端2间，三层中间1间，五层两端2间），各方案性能的比较，采用15间教室均值的综合评估方式。
教室模型取标准中学教室，7800mm（进深）× 9300mm（面宽）× 3400mm（净高），单人课桌尺寸为600mm×400mm。教室平面根据《建筑设计资料集》中的双人座方案进行微调，以满足：黑板宽度为4m，前排边座座椅与黑板远端的水平视角不小于30°；最前排课桌的前沿与前方黑板的水平距离不小于2200mm；最后排课桌的后沿与前方黑板的水平距离不大于9000mm。反射比设置为黑板0.1、室内/外地面0.2、外墙0.5、内墙/天花0.7、课桌/窗框/栏杆0.35（参木质），玻璃透射比0.8。每间教室设置130个计算点，相邻两点的南北距离设定为600mm，东西距离设定为900mm。保障48个照度计算点位于48张课桌面正中央，并均匀分布在教室内。
每间教室设2个3600mm（窗宽）×2000mm（窗高）主采光窗，窗台高900mm。窗户分隔为上（不可开启扇）、下（可开启扇）两部分，窗框宽度为50mm。教室前后门的上部设置高450mm的窗。以主采光面朝南/北的两个符合1:5窗地比且不加遮阳措施的模型为基准策略，通过降低主采光窗高至1500mm，走廊侧设不同高度侧窗，设置混合遮阳、水平遮阳、内导光板、内外导光板等措施，共生成11种方案进行综合策略比较（图2）。
采用DIVA for Rhino进行基于动态气象参数模型的模拟。气象数据源采用CSWD（北京、上海、重庆、拉萨、哈尔滨、昆明）和SWERA（深圳），进行全年8769小时的逐时模拟，为兼顾中、小学的上下学时间，分析数据取每日8:00-16:00。获得各计算点的逐时数据后，提取分析指标，包括各教室的采光系数平均值、DA300lx(天然光照度不足300lx的时间占比)、DA3000lx(天然光照度超过3000lx的时间占比)。
提出各列课桌的天然光“不良利用时间占比”指标，为两类不良利用时间的占比之和，以综合评估天然采光的过量与不足：（1）各列课桌的天然光照度超过3000lx 的时间占比，用于近主采光窗侧课桌的采光过量评估，提取自“有效照度”（UDI）研究中对于照度上限的界定。（2）各列课桌的天然光照度不足DA300lx的时间占比与50%的差距，用于房间深处课桌的采光不足评估，参考自主采光阈（DA）的定义。例如，如果47%的天然采光时间，该列照度达不到300lx，则计作3%的不良利用时间。
“课桌采光”评估
11个分析模型的全年不良利用时间平均值，通过Python和Excel进行数据处理，呈现于表2。绿色为各地排名前五的策略，数字越小意味着性能越优。根据各列课桌的天然光不良利用时间占比指标，总结如下。
对于北侧主采光面，1:5窗地比可作为华东、华南地区的参考设计指标，可满足15间代表教室的平均采光系数高于3%，但应设置走廊侧遮阳。
（1）北向代表方案——2号方案，2000mm窗高（1:5窗地比），南侧450mm高侧窗的策略，在拉萨、北京、哈尔滨为排名前三的策略，但与严寒、寒冷地区的日照需求矛盾；在重庆为最差策略，列平均仅42.7%的时间超过300lx。
（2）北向代表方案——6号方案，2000mm窗高（1:5窗地比），南侧1350mm低侧窗的策略，如在华东、华南地区使用，1800mm走廊且不设遮阳的策略表现不佳，应在走廊南向表面设置遮阳措施，与调查案例采用的措施吻合。
对于南侧主采光面，内外导光板的性能最优，混合遮阳、水平遮阳、内导光板的性能接近。排序较优策略的平均采光系数低于2%，其对应的窗地比在1:6至1:7之间。北京、哈尔滨的遮阳效力减弱，与太阳高度角较低有关，应减小开窗并设置遮阳措施。重庆地区因天然光资源不足，南向较为适宜，但应综合得热与节能进行评估。
（1）南向代表方案——1号方案，1500mm窗高（1:6.7窗地比），即设置内外导光板的策略，在7个代表城市均为最优策略，主要体现在控制南向进光，并合理利用日照，即近窗遮阳并将光线导向房间深处，而此方案的平均采光系数仅为1.68%。如仍按1:5窗地比设置南向开窗，并设置同型号内外导光板，即7号方案，在除重庆以外的6个城市，至少6.3%的时间，列平均照度超过3000lx。
（2）南向代表方案——4号方案，1500mm窗高（1:6.7窗地比），即设置内导光板的策略，可视作9号方案的室内改造，对于北京、深圳，降低了5%以上的超3000lx时间占比，可视作一种有效的改造措施。
（3）南向代表方案——11号方案，2000mm窗高（1:5窗地比），即无遮阳措施的策略。除重庆外，在其它6个代表城市均为最差策略，至少13.7%的时间，列平均照度超过3000lx。
（以北京为例）
教室间的采光不均由朝向、楼层位置、形体自遮挡造成。可参考主采光窗外表面的年日均垂直照度，评估每间教室可利用的天然光资源总量。以北京为例，每组布局方案共45间教室，通过模拟得到6组布局方案（南/北向的无连廊、东侧连廊、西侧连廊）下270间教室的主采光窗外表面的年日均垂直照度（单位lx，图3），可知：
▲图3：教室间采光差异与日照时数分析模型（绘制：周昕怡）
（1）南向可利用的天然光资源远高于北向，以无连廊布局为例，南向（绿线）约为北向（灰线）的2.80倍，平均采光系数适用于北向稳定的天然光环境，因此南向必须采取必要的遮阳措施，以控制天然光过量的问题。
（2）东西侧的连廊导致教室间的采光不均，以中间楼（横坐标16-30）为例，北向的均匀度（平均值/最大值）由0.92（无廊）下降到0.83（东廊）/0.79 （西廊），受影响最大教室下降为原来的70%（东廊）/61%（西廊）；南向的均匀度（平均值/最大值）由0.93（无廊）下降到0.83（东廊）/0.81（西廊），受影响最大教室下降为原来的64%（东廊）/57%（西廊）。
（3）根据平均采光系数3%的采光标准基准线，推算出年日均窗口垂直照度（8:00-16:00）为7509lx，年日均室内平均照度（8:00-16:00）为644lx。基准线以下的北向教室，可相应增加走廊侧开窗；基准线以上的南向教室，可相应减小窗口面积，并设置遮阳措施。
（以北京为例）
“冬至日满窗日照不小于2小时”的标准，被《中小学校设计规范》（GB50099-2011）[4]、上海市工程建设规范《普通中小学校建设标准》（DG/TJ08-12-2004 J10355-2004）[5]等多个校园建筑标准采用。日照时数规定多见于住宅建筑。对于办公、学校等以阅读、书写为主要视觉任务的空间，限定照度超过某阈值的面积、时间占比是国际上更为通用的评价方法，如“年日照时数” （annual sunlight exposure, ASE），指房间中某一点一年中所接收到的太阳光直射光照度超过1000lx的累计时间。如ASE1000lx,250h指房间中某一点一年中所接受到的太阳光直射照度超过1000lx的累计时间为250小时。该指标用于评估由直射日光造成的视觉不舒适问题，如LEED 规定不超过工作平面面积的10%达到ASE1000lx,250h。
满窗日照指标关注的是最不利教室，即学校建筑的天然采光下限，但是，最不利教室的下限值达标，也意味着大量教室的曝光过量。选取上述模型中的日照遮挡最不利情况，即南向西廊模型（以北京为例）。由Ecotect、DIVA模拟分别获得4个教室的冬至日满窗日照时数和平均采光系数，未达标教室依次为16号（0.77小时/1.74%）、19号（1.52小时/1.97%）、17号（1.77小时/2.18%）。以冬至日满窗日照仅0.77小时的16号教室为例，其年日均窗口垂直照度（8:00-16:00）仍高出北向基准照度59%，意味着通过季节性的遮阳导光，即将过量日光转化为可接受的照度范围，并增加走廊侧补光，仍具有实现合理采光的可能性。由于直射阳光并不是教室能直接利用的光线，基于上述分析，有必要对于冬至日满窗日照标准的合理性展开更深入的研究。
相比于窗帘、人工照明等被动式的干预手段，立面系统与走廊系统对于改善教室采光，具有极大的设计潜力，可保障教室空间设计的整体性与视觉环境的舒适性。
关于立面系统，从遮阳形式上，除内外导光板性能最优外，内遮阳、水平遮阳、混合遮阳的效果接近，除北京和重庆外，其他5个城市的性能接近，意味着立面创作上的较大自由度。
关于走廊系统，如能通过设计手段解决好课堂视线干扰，将是极为有效的教室采光的空间调节手段，北侧走廊具有较大的设计自由度，南侧走廊应因地制宜地做好遮阳设计，也具有丰富的形式可能性。
关于设计策略，整齐划一的设计策略无法实现全校的教室得光均匀，建筑师将有更大空间，设计渐变式的、因教室位置而异（宜）的采光遮阳策略。
从“教室采光”到“课桌采光”，从粗放的平均采光系数指标到精细的各列课桌的天然光“不良时间利用占比”指标，其本质是时间与空间层面细分的动态采光评估，即面向人因采光设计的飞跃。建筑师应充分整合采光设计的新策略与空间干预的新手段，不局限于僵化的数值引导，一如既往地在教室采光设计理念与实践探索中，发挥引领作用。（致谢：感谢建筑师董功、张佳晶、臧峰在本文研究过程中提供的宝贵意见。）
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[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50099-2011 中小学校设计规范[S]//中华人民共和国国家标准. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.
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