1.上海科技馆200122；2.同济大学200092
摘要：自然采光、自然通风技术作为高效节能的技术手段，在众多大型公共建筑中被作为绿色技术采用的首选。但在实际项目中，自然采光与自然通风技术的应用经常与建筑空间及其功能的多样性相矛盾，使得新型技术的能效降低。文章基于上述问题，以上海天文馆项目为例，着眼于讨论自然采光、自然通风技术在绿色博物馆建筑中的实际应用情况。并对比博物馆建筑中不同的功能空间，探究如何因地制宜地利用自然采光与自然通风技术。
关键词：博物馆建筑；绿色设计；自然采光技术；自然通风技术
0.总述
近年来，随着我国城市化进程的加快，经济的迅猛发展，大型博览类建筑如雨后春笋般在华夏大地上涌现。博览类建筑是博物馆建筑与展览建筑的总称，指为研究、教育和欣赏的目的，收藏、保护、传播并展示人类活动和自然环境的见证物，范围包括各类博物馆、纪念馆、美术馆、科技馆、陈列馆等。
其中，大型博物馆作为城市综合实力的象征，其数量与日俱增。在促进了我国经济社会发展的同时，其中也存在能源消耗量大、能源利用率利用率低、能源分配不合理等一系列棘手的问题。
1.博物馆建筑的主要特点
针对博物馆建筑来说，其基本任务是提供展示的空间并保护、储藏展品。由于其功能的特殊性，通常情况下博览类建筑的建筑面积较大、进深大、外窗面积小，省市级博物馆建筑面积可达几万平方米，国家级博物馆可达到数十万平方米。作为城市综合实力的象征，博物馆建筑的数量与日俱增，在促进了文化传承与传播对的同时，也满足了居民在精神层面的需求。但是其中也存在能源消耗量大、能源利用率利用率低、能源分配不合理、展品工艺要求与人员活动需求之间协调不合理等一系列问题。博物馆建筑隶属于博览建筑的一种，所以其特性也存在于博览类建筑中。不论是博物馆建筑，亦或是博览建筑，都应针对以上问题进行优化。
随着建筑工业的发展，新时期的博览建筑必须能够最大程度地节约能源，最大程度减少环境污染，提高人们的生活质量。绿色博览建筑的概念提取自绿色建筑与博览建筑，其概念是在全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境。减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的博览建筑。
从建筑学的角度来讲,建筑的作用是定义室内室外的分界，保护人类免受恶劣天气的影响，例如风雷雨雪等。那么在绿色建筑评价体系中，与使用者自身体验密切相关的便是建筑的自然采光与自然通风。在绿色建筑的发展过程中，人们的目光都放在对绿色技术的追求，而忽略了采光通风技术对于像博览类建筑等特殊类型建筑的适宜性原则。
2.采光设计
在人类上千年的建筑文明中，对于改善建筑采光的探索脚步从未停止。在传统建筑中，对自然采光的设计并不完善，这是因为在设计时存在着多种不可控制因素。自然光线具有很强的方向性，随着太阳角度的变化容易出现光线分布不均的情况，导致传统自然采光策略无法保证光照质量及时长；另外，直射光线会在建筑物内部形成大量热辐射间接增加了空调能耗。所以，建筑的采光优化逐渐成为了建筑节能中一项重要指标。
2.1采光优化措施
目前，人们对建筑采光的优化措施主要分为主动式优化措施与被动式优化措施。
（1）被动式优化措施
指在建筑设计层面上提高自然光利用的措施；
1）优化建筑的平面布局与形体设计，让建筑进深较大的区域也可以得到自然光的照射。例如设置中庭（如图3-7-1所示）、下沉庭院（如图3-7-2所示）、采光井（如图3-7-3所示）及复合天窗（如图3-7-4所示）等。
图8室内反光板
2.2博物馆建筑采光特点
博物馆建筑的功能空间应划分为公共区域、业务区域和行政区域。其中公共区域包括门厅、休息室、陈列展览区、教育区等；业务区域包括藏品库区、藏品技术区、业务与研究用区；行政区域包括行政管理区、安全保卫区及设备附属用房等。
（1）公共区域
公共区域中，门厅、休息室等辅助空间对于采光的要求不高，由于此类空间通常是通高的大空间，在设计中较多地引入自然光线，达到节约能源的目的，同时使观众感到舒适愉快。
（2）陈列展览区域
陈列展览区与教育区则是需要按照对应的展出品性质来设计自然采光口，例如放置展板的展览区，在北侧开设采光口合理自然采光，营造的观展氛围可以让观众舒适愉悦又不分散注意力，在使观众对展品获得完美视觉体验的同时，又最大程度地减少了光线对于展品的损伤；需要注意的是展厅内不应有阳光直射，采光口应有减少紫外线辐射、调节和限制天然光照度值、防止眩光的构造措施。但在天文馆与科技馆中的展览空间中，由于更多的展陈品是利用球幕或是灯光营造布展氛围，此类空间虽作为展览空间，但应避免阳光直晒且不宜有自然光线，所以基本不需要自然采光。如果不加区分地引入自然采光这一绿色技术，会削弱某些展览空间的观看效果。
（3）业务区域
业务区域中，藏品库区与藏品技术区对于自然光线的需求也不尽相同，但绝大部分对的藏品区都避免阳光直射，有些藏品是需充足采光，有些藏品则完全避光，例如古字画、兵马俑等。因此，博物馆建筑的藏品区通常设置于建筑北侧以保证享受充足采光的同时避免阳光曝晒；特殊藏品库区及研究用区由于藏品需避光，则设置于地下，如化石修理室内、模型标本室、易燃易爆液体储存室等等。
行政区域中，设备附属用房由于设备原因需避光，则完全不用考虑采光。行政管理区及安全保卫区是博物馆工作人员在绝大部分工作时间所处的区域，有些博物馆在设计过程中由于立面效果等原因牺牲了此区域的自然采光，导致博物馆的员工在工作时间无法享受自然光照射，久而久之身体健康受到影响。因此，任何类型的博物馆建筑都不得以牺牲工作人员的健康为前提来协调立面效果等视觉因素。
2.3天文馆采光优化措施
上海天文馆隶属于科技馆的分类，其空间使用的复杂性很高，天文馆包含了多种使用功能，如展览、观演、科教、会议、餐厅等，这些不同类型的空间对室内环境的要求不同。在空间组织安排时，考虑到各功能空间的特点，有效地利用了自然采光。
上海天文馆的中庭空间是一处螺旋上升的坡道，为了减少中庭的使用能耗，在设计时选用了倒穹顶的玻璃采光天窗，主结构是采用直径400的钢管组成的网壳，上部为点式幕墙体系的采光玻璃顶结构，型材为断热型，玻璃面积不大于2.5m2，采用规格为6+12A+6+1.14pvb+6，其中一层为Low-E玻璃。
图11导光管位置
图12采光模拟结果
由采光模拟结果可知，本项目综合办公区域在顶棚加设导光管设施以后，室内采光系数均能够达到4.0%以上，室内采光效果良好，能够满足《建筑采光设计标准》GB50033-2013的相关要求。
4.通风设计
良好的自然通风不仅可以提高室内舒适性、改善空气质量，又可以减少建筑的使用能耗，是当今绿色建筑设计中最常用的节能措施之一。根据通风产生的原理不同，自然通风可以分为风压通风、热压通风及由两者结合产生的风压、热压混合通风三种形式。在建筑设计中，可灵活运用以上三种通风方式，合理组织自然通风。
4.1通风优化措施
（1）被动式优化措施：即在建筑设计层面上提高自然通风利用的措施；
1）利用建筑形体布局，引导风向，达到自然通风的目的。如建筑朝向夏季主导风向，建筑群宜采用错列式、斜列式平面布置形式以代替行列式、周边式的平面布置形式等。
2）合理组织建筑平面。如将主要使用的房间应布置在夏季迎风面，辅助用房可布置在背风面。还可采取设置导风板、采用绿化或错开式平面组合，引导气流入室。在平面设计时还应注重“穿堂风”的组织。
图15双层通风幕墙
4.2博物馆建筑通风特点
博物馆建筑由于体量庞大，并且各区域的功能性质差别较大，不可能完全采用自然通风技术达到整个场馆的室内热舒适要求，因而应根据各个功能区块的性质采取自然通风与机械通风相结合的方式。而在建筑功能区块的布局时，宜将采用自然通风与机械通风的不同区块分区设置，做到分区设计、分区管理，最大限度的达到节能效益，具体空间的通风技术的采用如下：
公共区域作为博物馆建筑的主体空间，是各个功能空间中人流量最大的区域，同时，由于其空间类型广、尺度变化丰富，也是通风设计的重难点区域。对于公共区域中的门厅、休息室、教室等空间，则主要应考虑空间内观众及工作人员的热舒适性，在过渡季节（春、秋季）可考虑以自然通风为主，而在非过度季节（冬、夏季）可考虑利用机械通风作为补偿。
对于公共区域中的陈列展览区，藏品文物的保存环境要遵循预防性保护理念，以“稳定、洁净”为设计原则，一些藏品由于特殊材质或年代久远，对于空气的湿度、温度等都有严格的要求，对于这一类有特殊藏品的空间，若只考虑建筑的绿色生态效益而仅采用自然通风，则室内的温度与湿度将难以维持在一定的范围内，不利于展品的存放。因此，陈列展区应优先考虑藏品长久保存，兼顾观众参与舒适性和工作人员工作的需求，采用自然通风与机械通风相结合的方式。对于一些展品对环境要求极高的房间，应采用机械通风，并配备必要的环境质量检测措施和调控措施，有必要时，还应配置有害气体排气措施，且有害气体的排放应符合国家标准。
业务区域中的藏品库区是对环境要求最为苛刻的区域，要严格保证文物保存的室内环境要求，应用空调系统将空气湿度与温度稳定在一定条件下。对于一些恒温恒湿的房间，应设置在地下室或者建筑内区，减少室外气候对于室内环境的影响。用于藏品库区的空调系统还应分区独立设置，有特殊需要的藏品库房的空调系统冷热源可设置备用机组。对使用时间不同的房间、温湿度基数和允许波动范围不同的房间、对空气洁净度要求不同的房间等宜采用独立的空调系统或局部添加恒温空调机组、温湿度调节设备等。
业务研究用区与藏品技术区，以及行政区域中的行政管理及办公区域作为人活动的场所，主要还应以人的热舒适性作为首要考虑的条件，并且还可运用上述自然通风优化技术对自然通风进行优化设计。
4.3天文馆采光优化措施
上海天文馆在通风设计时，根据不同类型的空间对室内环境的要求不同而有针对性地选择通风策略。外围护结构均为幕墙，拟在透明玻璃幕墙部分可以设置开启扇，用来满足自然通风要求。可开启面积占透明幕墙面积的10%，以便室内在过渡季节可使用自然通风和改善室内空气质量。幕墙材料采用亚光型建材，反射率低于0.2，避免造成周边光污染。
天文馆作为展览类建筑，室内均为大空间房间，无较多隔墙做为隔断，室外新风进入室内以后，可以无阻挡运行，加速气体交换。具体开窗位置如图3-8-5所示。
图181.5m高处空气龄分布图
由风速云图和空气龄分布图可知，本项目室内风速多数均在0.2m/s以下，不会对室内人员产生吹风感。但是，由于本项目室内空间较大，外窗可开启面积不能满足新风换气的要求，多数区域空气龄较大，空气不够新鲜。如需保证室内空气的洁净、新鲜，需增大外窗可开启面积，或采用机械通风辅助通风的方式。如在地下室的设备用房中配备单风管定风量一次回风式全空气低速空调机组，设有初效G4、中效F8过滤、盘管、热回收等功能（并设有变频控制），气流组织根据建筑条件设计为下送上回或侧送下回等形式，地板式条缝型送风口布置在沿维护幕墙区域或沿立柱布置远程喷口送至其空间内。
5.结语
博物馆建筑自然通风和自然采光可以有效地降低地建筑能耗，是未来设计发展的方向。博物馆建筑是一类比较特殊的建筑，其种类丰富、功能繁多。不同场地条件、不同功能空间、不同尺度的空间以及不同的展品类型都是博物馆建筑在自然采光、自然通风设计时应考虑的因素，在节能设计时决不能一概而论，仅考虑单一技术要素。应有针对性地考虑不同空间的特性，采取相对应的节能技术，做到分区设计、分区管理，秉承“因地制宜”的理念。
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