1、引言

光環境是建筑環境中的一個重要組成部分。良好的光環境不僅能滿足人們生活和工作的功能要求，還能創造出豐富的藝術效果。人眼在長期進化的過程中，適應了天然光，在天然光環境中具有更高的視覺功效。同時，天然光是一種取之不盡、用之不竭的資源，充分利用天然光可節省大量的照明用電，從而減少自然資源的消耗及有害氣體的排放，達到節約能源和保護環境的目的。因此，天然采光是綠色照明的重要內容之一。

窗是最主要的一種采光形式，同時也是人和大自然的交流媒介。建筑師在設計時，往往采用大面積玻璃窗和玻璃幕墻，為室內空間創造出明快的環境氣氛，為室外空間構成富有表現力的建筑立面。在過分注重光的藝術效果的同時，窗引起的晝光不舒適眩光在很大程度上影響了天然光環境的質量。因此，有必要進行科學、準確的計算，為建筑師提供設計依據。

計算機技術的飛速發展，使得利用計算機對天然光進行模擬分析成為可能。為此，本文作者編寫了用于計算晝光眩光的計算機程序，通過輸入設定好的計算條件，程序會給出晝光眩光的計算結果，可供設計人員參考。

2、研究狀況

英、美、法和比利時等國對窗的不舒適眩光進行了比較深入的研究，在計算和評價方法上取得了重大成果。以下從評價原則、計算和評價方法及評價標準幾個方面作簡要介紹。

2．1　評價原則

即使在白天，建筑物室內往往也會使用人工光源照明。因此，在室內晝光眩光的計算中，需要考慮室內常設輔助照明（ＰＳＡＬＩ）的影響。在預測室內不舒適眩光時需要綜合考慮晝光和人工照明兩者的作用。

在評價時，原則如下：
（1）兩種情況下的不舒適眩光程度需要分別計算；
（2）如果兩種情況下的眩光都分別能接受，則兩者疊加的結果也是滿足要求的；
（3）如果兩種情況下的眩光都不能接受，則最終疊加的結果也是不能接受的；
（4）如果其中一種情況下的眩光能夠接受，而另一種情況下的眩光不能接受，則視具體情況而定。

在本文中，不考慮人工照明的眩光影響，即假設人工照明設計已經滿足不舒適眩光的要求，只需要考慮在有室內常設照明的條件下室內的晝光不舒適眩光的計算與評價，而室內照明只是對背景亮度有影響。

2．2　計算和評價方法

各國的學者提出了多種計算和評價晝光不舒適眩光的方法。

20世紀60~70年代，Ｃｏｒｎｅｌｌ大學和英國的Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ對大面積光源的不舒適眩光進行了研究，并對窗的不舒適眩光（Gn）提出了如下的計算公式：

Gn=0.478■（1）
DGI=10log∑Gn（2）
?贅=■■（3）
其中，Ls——光源亮度，單位ｃｄ/ｍ2
Lb——視野內室內各表面的平均亮度，單位ｃｄ/ｍ2
?棕——窗的總立體角，單位球面度（Ｓｒ）
?贅——考慮位置修正窗的立體角，單位球面度（Sr）
P——位置指數
Ｐ．Ｃｈａｕｖｅｌ考慮到窗外景物、地面和天空亮度的不同，對上述公式作了修改：
Gn=0.478■（4）
其中，Ls——通過窗所看到天空、遮擋物和地面的亮度，單位ｃｄ/ｍ2
Lb——觀察者視野內室內各表面的平均亮度，單位ｃｄ/ｍ2
Lw——窗的平均亮度，單位ｃｄ/ｍ2
?棕——窗的總立體角，單位球面度（Sr）
?贅——考慮位置修正窗的立體角，單位球面度

由于上述ＤＧＩ公式存在著一些固有的矛盾，部分學者采用了其他評價方法對晝光眩光進行評價。一些學者引入統一眩光值ＵＧＲ公式進行計算。Ｔｏｓｈｉｅ等人提出了ＰＧＳＶ公式，用于預測人眼對于眩光的感覺；我國學者提出利用無眩光舒適度（Ｅ）對晝光不舒適眩光進行評價。

各國的學者對于晝光不舒適眩光的計算和評價的研究還在繼續，由于各人的實驗條件和實驗對象的差異，得到的結果有很大的不同。但就目前來說，Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ提出的晝光眩光指數仍然是用于評價晝光眩光時最為常用的方法。

2．3　評價標準

我國學者對生產車間窗眩光進行了大量的實測和評價，并參考國外有關標準，于1991年11月15日發布并實施了《工業企業采光設計標準》50033－91，其中第四章“采光質量”的4．0．2規定側窗的不舒適眩光應符合表1中的規定。

3　晝光眩光的計算機模擬

根據已有的理論和研究成果，本文作者編寫了用于計算晝光不舒適眩光的計算機程序ＷＧＩ，程序中采用的是Ｐ．Ｃｈａｕｖｅｌ的計算公式。

3．1　ＷＧＩ程序介紹

程序的主要功能是計算不同條件下的晝光眩光指數，以便設計師從限制晝光眩光的角度優化開窗的大小和位置。程序可以計算多個窗戶的眩光效應，同時考慮了窗外景物對窗亮度的影響。

輸入條件包括：

城市地理信息：城市、所在省份、經度、緯度、光氣候區；
房間參數：幾何尺寸、反射比、評價點位置、背景亮度；
窗戶參數：幾何尺寸、窗景比例、透過系數；
可供選擇的天空類型：ＣＩＥ全晴天空和ＣＩＥ全陰天空；
計算時間：用戶可選擇一年中任何一天中的任意時刻。

輸出結果為：

窗戶的詳細信息：如窗戶的面積、透過率、窗的平均亮度和窗外天空的平均亮度以及窗戶的眩光常數等；
晝光眩光指數ＤＧＩ；
無眩光舒適度Ｅ。
用戶還可以將這些詳細的計算結果輸出到一個文本文件中。

3．2　程序應用

3.2.1　小房間模型

為了研究各種因素對晝光眩光的影響，這里建立了一組小房間模型，房間的各參數如下：

房間尺寸：Ｗ＝3．6ｍ，Ｌ＝6ｍ，Ｈ＝3ｍ
窗戶參數：ｈ＝1．5ｍ，ｗ＝1．2ｍ，ｈｓ＝1．2ｍ
觀測點位置：Ｘ＝1．8ｍ，Ｙ＝5ｍ，Ｚ＝1．2ｍ

計算內容：

從窗戶看到50%和100%天空的窗玻璃透過率為86%和44%。房間裝修色為淺色和深色，分別計算春分、夏至、秋分、冬至四個節氣4個房間全天逐時的晝光眩光指數。計算地區為北京地區。

這里利用了Ｄｅｓｋｔｏｐ　Ｒａｄｉａｎｃｅ軟件對平均亮度進行計算。該軟件作為目前流行的計算機輔助設計ＣＡＤ平臺上的外掛模塊使用，可以為用戶提供三維建模和交互功能，并能夠利用輻射度合成圖像系統提供渲染和分析結果。是用于建筑光環境設計與分析，并優化其采光和照明系統的工具軟件。

將各參數輸入到ＷＧＩ程序中，經計算可得到各種情況下的晝光眩光指數，整理后得到下列各圖。

從上述計算結果可以得到如下結論：

（1）太陽位置與窗口朝向一致時眩光感覺最明顯；
（2）提高室內反射比可以降低不舒適眩光的感覺；
（3）減小玻璃透過率可以降低不舒適眩光的感覺；
（4）減小窗戶看到天空的面積可以降低不舒適眩光的感覺。

3.2.2　大房間模型

近年來，玻璃幕墻建筑由于其鮮明的個性和美學特點，倍受設計者的青睞，越來越多地出現在城市中，我國也興建了大量的玻璃幕墻建筑。但是，大面積的玻璃幕墻造成過多直射陽光的射入，室內人員有更多的機會看到亮度很高的天空，這就造成了強烈的晝光眩光，給室內人員的作業帶來了不利影響。這也成為人們投訴玻璃幕墻的焦點之一。通過對某玻璃幕墻建筑室內晝光眩光情況進行現場測試和主觀感受（如圖4所示）本文利用窗的不舒適眩光的計算和評價方法對玻璃幕墻建筑的室內晝光眩光進行了評價，并作了相應修正。

測試條件

氣象條件：晴
測試時間：2005年4月28日下午16：50－17：10
測試儀器和設備：ＢＭ－3手持式亮度計、照度計、刻度尺（最小單位為ｍｍ）、數碼相機一臺
測試人數：兩名

測試的內容和步驟：

（1）亮度的測量

測試共選擇了三個觀測點，這三個觀測點均選在房間的中線上，距離窗戶所對墻面的距離分別為1ｍ、2ｍ、3ｍ，高度為1．2ｍ。在每個觀測點，測量各窗戶及窗框、人眼可看到的頂棚、墻面和地面的亮度。

（2）人眼的主觀感覺

在每個測點，由觀測者主觀評價晝光眩光情況。

（3）房間幾何參數的測量

測定房間的各個幾何參數以及窗戶的幾何參數。

（4）測定房間內各表面反射比

這里采用了照度計測漫反射表面的反射系數。選擇不受直接光影響的被測表面位置，將照度計的接收器緊貼被測表面的某一位置，測其入射照度ER，然后將接收器的感光面對準同一被測表面原來的位置，逐漸平移離開，待照度值穩定后，讀取反射照度Ef。按下式求出反射系數：ρ=Ef/ER　

說明：由于天空亮度分布會隨著時間的推移而不斷改變，因此測試必須在很短的時間內完成，且選擇盡量少的測點。我們選擇各個窗戶的中心點為測試點，將測試值作為該窗戶的平均亮度；選擇窗框的中心點為測試點，將測試值作為該條窗框的平均亮度。墻面測試共選擇了三個測試點，墻面的平均亮度為三個測試值的平均值；頂棚選擇了三個測試點，前兩個測試點為吊頂白色面板的亮度值，第三個測試點為燈具格柵表面的亮度值；地面上對較亮區域和陰影區域各選擇了兩個或三個測試點進行了測試。

背景亮度Lb的確定

背景亮度Lb由墻面平均亮度、頂棚平均亮度和地面平均亮度根據面積加權平均得到。墻面平均亮度為各測試值的算術平均值；頂棚平均亮度則由吊頂白色面板的平均亮度和燈具格柵表面的平均亮度通過面積加權平均得到；地面的平均亮度根據地面上亮度較高區域的平均亮度和陰影區域的平均亮度根據各自所占比例加權平均得到。燈具占吊頂面積的9%，風口占4．5%，其余部分占86．5%。地面上陰影所占比例為11．97%。

窗戶高度修正

由于房間的層高為2．6ｍ，因此上層窗戶會被部分遮擋，在觀測點實際能看到的窗戶高度應＜1．9ｍ。

由相似三角形計算得到在測試點1、2、3能看到上層窗戶的實際高度分別為1．6103ｍ，1．65422ｍ，1．732ｍ。

將實驗數據整理后輸入到ＷＧＩ程序中，經計算得到的計算結果如下：

計算方法1：
將所有窗戶作為一個整體進行計算。根據公式：
Gn=0.478■中，Ls和Lw為所有窗戶的平均值，Ω為所有窗戶的累加值。
計算方法2：
根據公式G■=0.478■,分別計算每個窗戶對總的眩光常數的貢獻，但將所有窗戶的平均亮度作為Lw進行計算。
計算方法3：
根據公式■=0.478■■將所有窗戶的眩光常數分別計算再累加。

人的主觀感覺

從人的主觀感覺來看，在觀測點1、2、3，人眼的主觀感覺為不舒適或者難以忍受，且三個觀測點眩光的不舒適程度依次測點1＜測點2＜測點3，在測點3時眩光已經無法忍受。測試中并沒有對太陽直射光進行遮擋，人眼的不舒適感覺有很大程度上來自于太陽直射光。

對比三種計算方法得到的結果，方法1得到的結果偏小，與人的實際主觀感覺不符，方法2和方法3計算得到的結果與實際情況比較接近。大型窗或者玻璃幕墻玻璃表面的亮度變化范圍很大，按照以往計算窗眩光的辦法對整個窗取平均亮度進行計算，不能反映極端的情形，造成計算結果與實際情況會有很大的偏差，因此對于大型窗或者玻璃幕墻造成的晝光眩光的計算，必須對窗進行分割，分別計算每個窗的眩光常數再累加計算晝光眩光指數ＤＧＩ。分割的原則為亮度差異大小，亮度差異小于一定數值的部分作為一個計算區域，從這一區域的眩光指數的計算中取該區域的平均亮度。

4、結論

室內晝光眩光的存在，影響人們正常的視覺作業和視覺舒適度，因此，有必要采取一定的措施對室內晝光眩光加以限制。影響晝光眩光的因素是多方面的，如窗的亮度、窗的大小和形狀、背景亮度等，這些因素往往同時在起作用。一般的采光設計中可以采取以下一些措施減弱晝光眩光：

（1）工作位置的安排要使工作人員不會直接看見天空；
（2）窗臺做成斜面，窗周圍的窗臺、窗套、窗框和窗欞的細部設淺色表面，減緩對比；
（3）使用透過率低的玻璃材料降低天空亮度；
（4）用合適的格柵、百葉、挑檐、雨棚等減小高天空亮度區；
（5）高反射率的頂棚，并利用室外反射提高頂棚亮度，減小對比；
（6）用人工照明照亮窗周圍的墻面，以減小對比，減弱眩光；

相比較于傳統的分析方法和實驗手段，利用計算機進行天然光分析具有以下優點：首先，使用者可以模擬任意時間、地點和相應的天空情況，不受自然條件和儀器設備的限制；其次，室內外環境、室內裝修、家具布置等相關參數都可以輕松置換；最后，使用計算機模擬可以將實測數據輸入系統，建立通用數據庫隨時調用，方便設計人員使用。

參考文獻

1、Ｃｈａｕｖｅｌ　Ｐ．Ｇｌａｒｅ　ｆｒｏｍ　ｗｉｎｄｏｗｓ，　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｖｉｅｗｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ，　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　14（1），　31－46，　（1982）

2、Ｒ．Ｇ．　Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ．　Ｇｌａｒｅ　ｆｒｏｍ　ｄａｙｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｉｎ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，　Ａｐｐｌ．　Ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ　34，　206－215，　（1972）

3、Ｉｎｏｕｅ　Ｙ　ａｎｄ　Ｉｔｏｈ　Ｋ．　　Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｄｉｓｃｏｍｆｏｒｔ　ｇｌａｒｅ，　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇ．　Ｔｒａｎｓ．　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔ．　Ｉｎｓｔ．　Ｊａｐａｎ　398　9－19　（1989）

4 、Ｋ　Ｆｉｓｅｋｉｓ．　　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｓｃｏｍｆｏｒｔ　ｇｌａｒｅ　ｆｒｏｍ　ｗｉｎｄｏｗｓ，　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ　Ｒｅｓ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　35，4　（2003）　

5、Ｔｏｓｈｉｅ　Ｉｗａｔａ，　Ｍｉｗａｋｏ　Ｔｏｋｕｒａ．　　Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ　ｇｌａｒｅ　ｓｅｎｓａｔｉｏｎ　ｖｏｔｅ（ＰＧＳＶ）　ａｓ　ａ　ｇｌａｒｅ　ｉｎｄｅｘ　ｆｏｒ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ：　Ｔｏｗａｒｄｓ　ａ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｉｓｃｏｍｆｏｒｔ　ｇｌａｒｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ　Ｒｅｓ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　Ｖｏｌ．30　Ｎｏ．2　（1998）

6、肖輝乾.林若慈.張志勇．窗亮度和不舒適眩光的研究，1982

7、中華人民共和國國家標準．《工業企業采光設計標準》50033－91

8、詹慶旋．《建筑光環境》 北京：清華大學出版社，1994