设计空间就是设计光亮。 )))路易斯#康 在我的作品中,光永远是一种把空间戏剧化的重要元素。 )))安藤忠雄 天窗是屋顶上水平或者稍微倾斜的、装有玻璃的采光口。当建筑设计的其它因素决定了建筑的进深很大(如大型公共建筑),用常规的方法不能保证建筑深处的最小采光系数的时候,设置天窗是一个可以极大地改善建筑内部采光状况的方法。 1 天窗形式 随着社会的进步,建筑面积不断增大,用单一的侧窗已不能满足需要,故在某些建筑中出现了天窗这种顶部采光形式。由于使用要求不同,产生了各种不同的天窗形式,主要包括矩形天窗、锯齿形天 窗、平天窗等。 111 矩形天窗 普通矩形天窗是在屋顶上架起一列天窗构成,窗户的方向与屋架互相垂直,称为纵向矩形天窗。如果将屋面板隔跨分别设置在屋架上弦和下弦位置,窗扇立在屋架外侧并紧贴屋架,称为横向矩形天窗,其采光均匀度好,自然通风效果显著。112 锯齿形天窗 锯齿形天窗的特点是屋顶倾斜,可以充分地利用顶棚的反射光,采光效率比距形天窗高15%~20%。当窗口朝北布置时,完全接受北向天空漫射光,照度稳定,直射光不会照入室内,因此减小了室内温湿度的波动及眩光。锯齿形天窗适用于美术馆、超级市场、体育馆及一些特殊车间使用。113 平天窗 平天窗的采光口位于水平面或接近水平面,因此,它比其它类型的天窗采光效率高得多,约为矩形天窗采光效率的2~215倍。平天窗的形式很多,小
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型的采光罩布置灵活、构造简单、防水可靠。平天窗不但采光效率高,而且布置灵活,容易达到均匀的照度。但设计时应注意采取防光污染、防直射阳光和防结露的措施。 除了以上三种天窗外,顶部采光还有一些其他形式: (1)大面积采光顶棚。主要目的是形成一个接近大自然的全气候室内空间,常见于现代建筑的中庭、大型市场、体育馆、博览馆、温室等建筑。透光材料使用玻璃或塑料。 (2)带形或板式天窗。多数是在屋面板上天洞,覆以透光材料构成的。采光口面积较大时则设三角形或锥形钢框架,窗玻璃斜置在钢架上。我国目前常用屋面采光板形式。 (3)采光罩。这是一种用有机玻璃、聚丙烯塑料或玻璃钢整体压铸的采光构件,有圆穹形、扁平穹形、方锥形等。采光罩一般分为固定式和开启式,开启式可以组织自然通风,但是开关比较复杂。采光罩的特点是重量轻,构造简单,防水可靠,布置灵活。 2 设计思考 211 满足采光的数量要求和质量要求 许多公共建筑的采光中庭正是通过在楼板上开洞形成的,将从天窗进入的天然光线引入建筑的/心脏0地带,形成了一个充满活力的核心,减少了大面积的人工环境给人造成的压抑感。中庭底部可以接受的采光量取决于屋顶的透明度、墙面的反射特性和空间尺寸(高宽比)等因素。在大进深建筑中,在交通空间上方设置天窗,将光线遍布整座建筑,是一个被实践证明行之有效的方法。天窗洞口形状是影响室内环境表现形态的重要因素,首先要尽可能明确需要借助于天窗实现的设计目标:是主要解决建筑的采光问题,还是主要创造特殊的视觉效果,形成特定的空间氛围。设计目标不同,采光方案也不同。其次,应该对不同洞口形状的表现潜力有一定的了解,并在此基础上自由组合,发挥创造力。在明确了采光目标之后,我们可以由室内所需的平均采光系数值和地面面积推出所需的天窗窗洞口面积。根据经验,美术馆采用天窗采光的窗地比为1/4即可满足要求。在初步估算了天窗窗洞尺寸之后,为了更好地预测建筑建成后的采光效果,还可以做大尺寸的模型进行试验。设计者可以直观地看到建筑采光的景象,把握对进入室内的光线数量和分布特点。也 可以应用计算机进行建筑采光的科学模拟再现。112 利用天窗采光条件是房间的屋顶要全部或者部分直接面向天空,建筑整体采用退台式造型可以让多层建筑中更多的房间满足这一条件,获得来自顶部的光线。退台式造型经过适当的变形还可以产生令人耳目一新的建筑形象。在多层建筑中,从天窗入射的光线往往被楼板阻隔而无法到达房间深处。这时,利用楼空的楼板让光线到达房间深处,还能形成富有特色的室内空间。在利用天窗解决大进深建筑采光问题时,在不能保证所有房间都直接对外采光的情况下,为了最大程度地满足各房间的采光要求,可以将小房间布置在高大的直接对外采光的房间周围,让小房间通过大房间间接采光。在这种情况中,大房间往往需要借助天窗提高室内深处的照度。当然,为了达到理想的采光效果,一般还需要其他方法的配合,如尽可能提高房间内表面有反射率,内墙的窗户尽可能开得大一些。另外,侧窗采光是建筑中运用最多的天然采光方法,不受建筑层数的限制,在每一层都能得到相似的采光效果。将侧窗采光与天窗采光两种手法有机地结合在一起,设计者可以获得更大的表现空间,但不加考虑地扩大采光口面积,盲目地追求提高室内照度,往往会减弱光在塑造特殊空间氛围时所具有的表现力。为了更好地表达设计意图,设计者必须认真研究最有利于展现墙体特殊的造型、材质、肌理的采光方式,合理地设置天窗。在某些场合中,适当的垂直照明比水平面的照明更为重要,例如在交通区、休息区和大多数公共建筑中,人的容貌是否清晰自然,更能影响人们对这类建筑采光水平的评价。在展览类建筑中,平面型的美术作品大都悬挂在竖直的墙板上,墙面上的照度高于室内水平的平均照度,不但能自然地把参观者的注意力吸引到展览墙面上,而且有利于避免眩光现象,而雕塑类的展品更需要借助阳光展现最完美的立体造型。因此,在天窗采光设计中,应该注意调整阳光的谢入方向,控制光线的垂直照度与水平照度的比例。 作为建筑采光的手段之一,天窗除了它的艺术性之外,对于提高室内光环境质量也有着重要的作用。天窗的设计要保证室内具有适当的照度、舒适的亮度、正确的投光方向和完美的立体感,并且避免眩光干扰。为了得到均匀的照度,开天窗时宜保持一定的间隔。在确定天窗位置时,要注意避免形成反射眩光,并使整个墙面的照度均匀,可从控制窗口到墙面各点的立体角大致相等来实现。避免顶部采光可能出现的眩光可依具体情况采取不同的技术措施。安装在空间上方较高处的天窗,光线在到达室内地板之前就已经成为漫射光了,极大地避免了直接照射的眩光。任何一面墙壁,特别是朝北的墙壁,都可以为天窗充当漫射反射板。光亮的墙壁会使空
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间显得宽敞和明亮。北墙的反光,可以平衡从南窗射进来的光线,并且消除投射在墙脚下的太阳光影。可以在天窗下设置挡板控制直接眩光和减弱光幕反射,或者将窗口断面设计成斜倾以改善空间天然光分布和减弱眩光。遮光百叶的使用特点是其角度可调节,因此可以灵活地根据天气情况和使用要求调整房间内部的采光系数。为了满足采光系数、采光均匀度的要求,应充分考虑透光材料的可见光透射比和改变光线的传播路径等性能。在现代建筑中,玻璃由于良好的光学性能、较大的机械强度、易于加工和抗老化等优点,成为在天窗中应用最多的一种透光材料。玻璃的种类主要有浮法玻璃、钢化玻璃、半钢化玻璃、夹层玻璃、中空玻璃、热反射镀膜玻璃、低辐射镀膜玻璃等。常被用于天窗中的透光材料还有玻璃钢制品、有机玻璃(塑料)采光罩、聚碳酸酯采光板等。有一类透光材料可以通过折射来改变入射光线的方向,使光线透射到房间深处或指定的地方。属于这类材料的有棱镜玻璃和塑料制品、定向透光玻璃砖等。总之,以上材料各具特点,满足了不同的建筑设计要求。 212 发挥天窗的建筑艺术作用 天窗的发展也带动了建筑内部空间的发展。由于有了从天窗引入的光线,庞大建筑的内部空间能够被人们充分地感知,经过不断的雕琢和推敲,形成适应不同地域、不同功能、具有不同艺术特点的室内空间。明亮的光线与鲜艳的色彩以及特殊设计的建筑构件结合,往往能形成装饰风格强烈的图案或造型。利用天窗满足建筑采光和通风要求的手段必须与利用天窗形成特定的建筑空间艺术效果这一目标统一起来,天窗的剖面设计不再仅仅是简单引入光线的过程,而是借助于天窗展现天然光线的特质、形成丰富的空间明暗层次以及创造独特视觉形象的过程。天窗开口本身与周围构件之间的亮度差别,往往使之成为视觉焦点。空间主要界面的平均亮度,还会形成人们对房间明亮程度的总印象,影响人们在室内空间中的心理感受。因此,把握空间各个界面的亮度分布不但是满足使用功能的需要,也是形成独特空间感受的有效途径。在天光的集中照射下,天窗优美的形态和细部可以得到充分的展示。天窗的各个组成构件不再仅仅被用来调节进入室内的光线,它们的形式、材料、色彩等对整个空间氛围的塑造都将发挥重要的作用。以天窗作为基本出发点设计顶棚,产生富有特色的空间顶界面,更有利于个性空间的形成。透光材料自身的观感与整个建筑的艺术效果是息息相关的。透明的、半透明的,无色的、彩色的,表面平滑的、有凹凸变化的各种各样的 透光材料具有不同的外观,巧加组合利用往往可以 产生特殊的装饰效果。为了获得特殊的艺术效果,应充分利用透光材料本身的美感以及改变光线的传播路径等性能。另外,遮阳装置在满足一般使用功能要求的基础上,其作为非承重构件,具有很大的造型自由,将这一特性充分地发掘出来,可以让它由从属的地位一跃成为空间主体。利用非承重构件轻盈、优美、自由的形态,构成美妙奇异的空间。天窗洞口形状不但影响到采光数量和强度,而且不同的形状会产生不同的室内光分布和光影,为形成特定的室内光环境和建筑空间氛围提供一个可供充分发挥的创作空间。同时,天窗洞口往往由于自身亮度高于周围屋面亮度而自然地成为视觉焦点。具有装饰性和象征性。天窗的洞口形状可以是最基本的平面几何图形,如方形、圆形、椭圆形、三角形等,也可以是由基本的几何图形组合而成的,还可以是不规则的甚至是三维的图形。最后的选择通常由希望获得的空间效果决定。准确把握各种天窗的形式特征并充分表现,可以产生满足不同设计需要且富有艺术表现力的建筑造型:竖直天窗会引起屋面板之间的高差和坡度变化,将这个特点充分表现出来,可以产生高低起伏的蝶形屋顶,构成活泼的建筑造型。分散布置的点式天窗可以分割巨大的建筑体量,通过强调点式天窗各自的独立性,并将其在建筑形体上表现出来,可以将建筑体量化大为小,形成片断式的建筑意象。弧形天窗的轮廓富有弹性和变化,将其在建筑造型上表现出来,可以打破呆板的平屋顶的轮廓线,与周围的环境相融合。带形天窗与落地的长条形侧窗连为一体,形成一个新的体块,将其穿插在不同的实体之间,构成实体之间的缝隙,可以把建筑的几何形勾勒得轮廓分明。在屋顶和墙体的交接处设置带形天窗。由墙体顶部渲泄下来的光在墙面渐渐扩散开来,随着墙体的凹凸曲折,产生或明或暗的光影,凸现出独特的墙体造型和空间轮廓。材料的色泽、质地在自然光线的照耀下得到真实的展示,光线展现材料在不同时间、不同季节的特色,这是人工照明所无法比拟的,除了直接在建筑顶界面上加设采光带、采光罩、采光板等较简单设置天窗的方法外,天窗与屋顶结构构件相互配合,往往能产生令人耳目一新的建筑形式和富有感染力的室内空间。然而,在实际考虑天窗洞口形状的过程中,通常要综合考虑结构、空调等相关构件或设施所形成的制约条件,在制约中寻找发挥的空间。采光、造型和空间等设计一体化应是设计者追求的目标。总之,我们不能仅仅知道几种简单的天窗类型,而应理解掌握天窗各个组成构件在引入光线、分布光线上的
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作用以及发挥作用的机理,在此基础上才能将它们自由组合、变形,创造出既符合功能要求,又有利于整体空间氛围的新式天窗。 213 充分利用现有结构的形式特点 利用现有结构的形式特点在顶界面上设置采光口的方法包括利用桁架等结构的结构层厚度、利用线形结构杆件之间的间隙和利用顶界面结构单元之间的缝隙设置采光口等。具体来说,利用桁架上弦与下弦之间的高差设置天窗,可以避免设置专门的天窗架,同时在室内形成丰富的层高变化,但由此产生的屋架杆件部分外露或每隔一屋架间距屋面断开,会使建筑结构刚度较差,屋面防水复杂,需要设计者在深入设计的时候进行特殊处理。在顶界面结构层的端部设置采光口的方法往往还与立面处理上暴露结构的设计方法并用,打破了结构层藏在其中的传统做法,有助于采光,同时使得建筑造型不落俗套。利用桁架线形杆件之间空隙和几何形式,设置特殊形式的天窗,还可以形成富有特色的室内空间。比如,在某酒店建筑中,下承式桁架和隆起的三角形天窗借助张拉的帆布成形,构成了一条贯穿大厅的沐浴在阳光中的/绿色峡谷0,加之由桁架和帆布构成的下凹的斜曲面,营造出一个轻松宜人的就餐环境。利用交叉梁之间的空隙,有选择地设置天窗,还可以在空间顶界面 形成具有某种意味的图案,产生重点照明。 122 在屋顶的结构构件具有明显特点的建筑中,为了突显结构,使之成为表现的重点,可以将天窗嵌在结构构件之间的空隙里,拉大天窗的安装框架和结构构件的尺度差别,将结构构件特殊的形态和轮廓勾勒得更加鲜明。大跨度的屋顶结构与位于屋顶中心和四周的天窗结合,突出屋顶结构的中心和边界,有利于产生中心感极强的宏大空间,同时可以避免产生压迫感。不同的结构支承方式具有不同的艺术表现力。由于采光天棚往往是建筑空间中的视觉焦点,所以,采光天棚的结构形式对建筑整体的空间效果往往具有极大的影响,应该谨慎选择,包括对支承结构细部进行反复推敲,保证建筑的整体和细部协调统一。当天窗自身的形态是表现的主体时,结构设计应尽可能地满足天窗设计的要求,同时结构构件的形式应起到加强整体表现力的作用。比如,巴黎卢浮宫金字塔的结构体系为了显得轻盈,尽量不阻挡视线,特别设计了三向度立体化的张力结构系统,以不锈钢的细索织出绵密的网状结构,数条细索交在一个结点,结点再接上一根支杆,支撑起玻璃面的柜架,形成环环相扣的结构关系。采光天棚中常见的结构类型有拱结构、平面桁架、传导平面桁架、曲桁架、空间桁架、梁结构、交叉梁结构、墙板结构等,各种结构又可进一步细分、组合、变形、从而产生 丰富多彩的结构支承方式。不同的支承结构会赋予人们不同的空间感受,例如混凝土井字梁通常给予人们的是水平向的空间体验,而网架等轻巧纤细的结构往往会让人觉得空间豁然开朗,突出空间朝向天空的垂直性。支承结构的表面处理也是需要建筑师仔细考虑的一个问题。不同的色彩、质感、肌理,具有不同的感情色彩和装饰效果,需要设计者根据设计目标进行选择。随着建筑技术的发展,人门对建筑结构的把握和改造能力将越来越强。可以相信,只要我们不断加深对结构体系的认识,充分发挥想象力,就有可能创造出新颖的、富有表现力的、同时又满足使用要求的天窗形式。214 优化建筑节能设计 通过天然采光来减少人工照明能耗的建筑常遇到的问题是在晴朗的天气里,建筑内部过热,空调负担加重。所以,在天窗设计的过程中,要保持天窗采光和集热作用的平衡。倾斜角度较陡的天窗可在冬季引入较多的光线,并可减少夏季过多的光线。在某些建筑中,例如博物馆、美术馆,进入室内的光线会损害展品,所以必须考虑利用透光材料特殊的吸收和反射性能去消除天然光线中的有害成分。可以通过控制天窗开口尺寸以及在调整阶段设置遮阳层措施调节室内小气候和光环境,达到节能和创造一个适宜的室内光环境的目的。但是,出于建筑外观或营造室内艺术氛围的需要,窗口的面积通常不能过小,需要设计者尽可能多地掌握调光的方法。此外,不同尺度的遮阳构件还可以组合形成生动丰富的光影效果。幕布遮阳可以隔绝太阳能和防止眩光,简单易行,同时方便根据实际效果进行调整,也可以在校大的天窗上安装反射玻璃,在玻璃上涂上波浪纹或者装上光电池来遮挡过于强烈的太阳光。常用的节能型玻璃有中空玻璃、热反射镀膜玻璃、低辐射(Low-E)镀膜玻璃、吸热玻璃和光致变色玻璃等。假如窗户的隔热层不但在关闭的位置上起作用,而且在打开的位置上也有用途的话,其利用率将大大提高。如隔热板在打开时,可以充当反光板,将光线反射入室内。角度可以调节的百叶也可以在白天充当遮阳装置,在夜晚完全闭合后成为隔热层。无论是设置遮阳装置还是设置隔热层,具体的方法都有很多种。在方案设计最初阶段要作出选择,如该装置是大块的硬质板还是灵活可变的由薄膜或小的硬质的百叶构成的遮盖物,该装置是位于窗户的外面、里面还是内外玻璃之间等。在某些情况下,建筑中的遮阳和隔热功能可以由同一个装置来承担。 利用天窗不但能引入天然光线,减少人工照明
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消耗的能源,而且有助于实现建筑的自然能风,减少建筑中机械通风、制冷所消耗的能源。在确定一座建筑物朝向的过程中,当主要的日照方向与主导风向不同时,类似的捕风器也可以起调节的作用,即房间朝向根据主要的日照方向确定,借助捕风器解决房间的通风问题。用天窗协助自然通风往往是利用烟囱效应。当外界有风和室外的温度低于室内的温度时,水平的穿堂风可以起到好的降温作用。然而,在无风时或有障碍物阻挡的情况下,利用烟囱效应通风,可以起到降低室温的作用。在利用烟囱效应通风的建筑内,热空气逐渐上升,从屋顶的开口排出,取而代之的冷空气从房间较低的开口进入。热空气移动的速度与上下开口的距离、尺寸和室内外的温差有关。两个开口之间的高差较大,通风效果越好,位于建筑屋顶的天窗往往远离了冷空气的入口,所以可以作为热空气的出口,协助室内通风。外界的风吹过屋顶,会在某些区域(下风向处、凹入处)形成负压区,将天窗置于这类区域中,可以进一步增强天窗的通风的效果。比如,在英国BRE办公大楼中,设计者精心设计了一系列远远高出屋顶、类似于烟囱的通风道来协助建筑的自然通风,而热空气移动的速度与上下开口之间的距离有关。在建筑的顶层,由于冷空气的入口和热空气的出口之间的距离较小,通风效果较差。为此,设计者专门设计了位于下风向的竖直天窗协助通风,利用外界风吹过屋顶形成的吸力增强天窗的通风效果。 3 实例 对于不同类型的建筑来说,由于功能不同,人们对采光设计的要求存在着很大的差异,设计者应该深入研究不同类型建筑的用光特点,灵活设计。下面举几个设计实例进行分析: (1)美国建筑师路易#康在美国德州设计的金贝尔美术馆,就是既要隔绝烈日的辐射,又要将柔和的光线引入室内,使参观者在欣赏美术作品时不受眩光的干扰。于是他采用了弧形面有无数小洞的铝板作为光线反射漫射板,使来自拱顶天窗的光线柔和地洒进室内,为建筑的展览功能提供了适宜的天然采光,同时营造出一种特殊的视觉效果。 (2)在贝聿铭设计的伊弗森美术馆中,混凝土墙面经过了精心的设计,混凝土中掺入了当地花岗岩的碎石骨料,同时墙体表面经过锤凿形成斜向的凹凸纹理。从建筑外观上划分几何形体的天窗位于墙体和屋顶交接处,一方面在室内体现了建筑整体的构成逻辑,另一方面,由天窗入射的光线也凸现了墙体的靓丽,在呈现墙面粗犷质地的同时,让地方色彩 得以流露。 (3)在Zamora的远古艺术博物馆中,设计者对简单的锯齿形天窗进行了改造,延长的倾斜天窗壁不但能更有效的防止直射阳光先照到展示墙上,而且整齐排列的天窗壁在光线中呈现出的明暗相间的变化丰富了整个建筑空间。 (4)在北京大学理科楼群中,设计者在走廊一侧间隔布置了学生的休息空间,同时有意识地在休息空间上方设置了天窗。从建成后的实际效果来看,从天窗进入的阳光照亮了这些小小的角落,让其变成了走廊里的趣味中心,富有吸引力。与此相似的,理科楼群中位于走廊端头或者交通转换处的天窗也起到了很好的指引作用,为原本单一的交通带来了光影变化,丰富了使用者的心理感受。 (5)建筑大师勒#柯布西耶设计的廊香教堂,对自然光线的控制被公认为达到了一个奇妙的境界。彩色玻璃和厚厚的墙上开的许多不规则的洞口,透入的光线神秘而神圣,散射进来的光线产生令人光眩的效果,尽管通常眩光是应该尽量避免的,但是在这里,光具有另外一层的意思,是圣光。 (6)在博塔设计的圣彼得小教堂中,方和圆两个主题相互穿插嵌套,来自天窗的天然光线发挥了衔接调和的作用。整个教堂的外墙是封闭的,光线只能通过沿立方体顶部外圈布置的天窗射入,设计者利用水平延伸的井格子梁营造出安祥的空间氛围,又利用周边的光线解决了方形屋顶和弧形墙面的交接问题,避免了生硬的碰撞,使严谨的几何构成原则与室内空间的塑造紧密联系在一起。同时,天然光线沿着墙体倾泻而下,将美丽的红砖和墙体细腻的质感展现在人们面前。 4 结语 天窗在建筑艺术上一直拥有独特而重要的地位,它改变了通常的空间围合状态,使顶部围合产生了通透的效果,成为视觉焦点。同时,天窗设计又是一个技术上比较复杂的课题,不但涉及到各种光学知识和节能技术,而且与建筑的结构、构造和材料技术也是密切相关的。随着建筑结构技术的发展,天窗形式不断变化,天窗在建筑艺术上的作用也不断地被人们认识和利用,成为实现不同艺术目标的有效工具。
