基于多目标优化分析的学校体育馆天然采光设计理论研究

As the number and the high frequency use of school gymnasiums grow rapidly, school gymnasiums become an important part of the school infrastructure. However, the existing lighting design of school gymnasium lacks of details and has obvious defects, which leads to poor visual comfort and high artificial lighting energy consumption.The 2013 edition of ‘Building Lighting Design Standards’ proposed the indicator requirements of gymnasium lighting, which provide reliable guarantee for improving the quality of the gymnasium lighting. The project, for the purposes of the implementation of new lighting standards and the improvement of lighting quality, will carry out gymnasium natural lighting design theory.The project study extracting stadium building typical space model based of the architectural space information and daylighting information which come from the research of numerous gymnasiums in different cities. The following study is based on the topography of Tianjin, perfect the typical years’ data of DeST software. Meanwhile, using the Perez sky model for dynamic simulation analysis in order to get the changing trend of lighting number and lighting quality for a typical model in the two window opening form of the skylight and side window.On this basis,using multi-objective optimization analysis to obtain the feasible lighting scheme ,corresponding daylighting design index and architectural lighting design index of typical model.The result of the research is of significance to the gymnasium lighting design, the scientific tests to evaluate the lighting quality, and the improvement of gymnasium lighting quality.

学校体育馆是学校重要的基础设施，数量众多，使用频率高。现存学校体育馆采光设计粗放，采光缺陷明显，视觉舒适度差，人工照明能耗过高。2013版《建筑采光设计标准》提出了体育馆采光指标要求，为改善体育馆采光质量提供了可靠的保障。本项目针对具体实现新采光标准要求，提升采光质量，展开体育馆天然采光设计理论研究。项目研究以实地调研国内多个城市学校体育馆的建筑空间信息、采光信息为基础，提取体育馆建筑典型空间模型。展开工作以实测天津光气候数据为基础，完善DeST软件的典型年数据，采用Perez天空模型进行软件模拟分析，获取典型模型在天窗、侧窗两种采光口形式下采光数量与采光质量的变化趋势，并以此为基础，进行多目标优化分析，获取典型模型的采光方案及相应采光设计指标和建筑采光口设计指标。项目研究成果对指导体育馆采光设计、科学检测评估采光质量、提高体育馆采光品质有重要意义。

解决体育馆天然采光的难点问题——“直射光的眩光、不稳定性、不均匀性”，成为天然采光设计理论研究的重要组成部分。经过两次调研，共计测试了5地2类光气候分区29座高校体育馆，采光形式两种：天窗采光为主、单一侧窗采光。.1、分析提取体育馆典型模型。如下：提高校体育馆典型建筑模型空间平面为矩形70m×46m，赛区场地为38m×44m，空间高度18m，屋顶为水平型屋顶，对室内界面材质做了明确界定。.2、天津地区太阳辐射数据观测及修正。从2015年8月15日19点开始，至2017年7月15日17点止进行了天津地区太阳辐射数据观测。主要包括：水平面太阳总辐射、法向直射辐射逐时数据，采集间隔为1小时。测试数据对DeST典型年总辐射月均值运用一元回归订正法模型拟合进行了修正，计算值与实测值最为接近。.3、选取建筑几何模型搭建平台Rhinoceros，光环境模拟平台Radiance，参数化编程平台Grasshopper、Octopus，多平台协作进行光环境模拟计算。选用修正后的DeST典型年数据，针对典型模型在两种天空模型及典型日期、时刻条件下计算了场馆室内场地的照度平均值、采光系数、采光均匀度、不舒适眩光指数四项参数，并分析了四项参数与模型朝向、天窗形式之间关系。.4、简要提出体育馆建筑采光设计导则如下：.1）仅用侧窗采光时，无法满足采光均匀度的要求。且采光口面积为定值时选取高侧窗为宜。体育馆建筑朝向选择60°为宜，仅个别点位存在轻微眩光。.2）天窗采光， SL4和SL6的照度平均值和采光系数最高，但采光均匀度在窗地比为0.5时才达0.6以上。SL4在窗地比为0.1—0.3间，P5点位不舒适眩光指数均在24左右，在窗地比为0.5时，P3点位眩光指数在25以上，有一定程度的眩光发生。SL1在窗地面积比为0.4时，采光均匀度最佳达0.64，无眩光影响，照度平均值和采光系数均满足标准要求。在窗地比为0.1-0.3时，分散条形天窗中，东西向布置的采光均匀度较好；在窗地面积为0.4-0.5时，结果相反。选用时，应根据窗地比选择天窗布置方向。