基于动态采光评价的天津市养老建筑天然采光优化探讨范文

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论文字数:55859 论文编号:sb2021083009525537124 日期:2021-09-06 来源:硕博论文网
本文仅仅针对养老的天然采光进行模拟及多目标优化,但养老建筑中其他的物理空间环境也存在一定问题,在今后的研究中可以考虑将其他的更多的建筑空间物理指标作为优化指标,实现养老建筑的室内多个物理环境的同时最优。期望随着我国老龄化进程的推进,养老建筑在最大程度的缓解社会养老压力的同时,能够保证环境的逐渐提升,为老年人提供更舒适的居住环境。
 
第 1 章  绪论

1.1  研究背景及研究意义
1.1.1  研究背景
(1)人口老龄化问题严峻,养老建筑需求量增加
人口老龄化是指人口生育率和人均寿命延长导致的总人口中因为年轻人口数量减少,年长人口数量增加而导致的老年人口比例相应增长的动态。国际上对于老龄化社会有明确的定义,即:当一个国家或地区60岁以上老年人口占人口总数的10%,或65岁以上老年人口占人口总数的7%。根据第七次人口普查数据显示,我国60周岁以上人口已占总人口数的18.7%,其中65周岁占总人口的比重为13.5%,老龄化程度进一步加深。《老龄蓝皮书—中国老龄产业发展报告》明确提出,我国目前已经步入并进入老龄化社会的加速阶段,报告对未来我国的老龄化进程进行了预测:2030年我国将成为全球老龄化最高的国家,2050年左右,我国65岁以上老年人人口比例将达到35%左右[1]。一系列的数据和现象表明,我国正处于并将长期处于老龄化社会,面临老龄化社会的众多问题。
随着计划生育一代成长逐渐成为社会的主要劳动力,以及目前二胎政策的开放,导致“一子多老,一子多小”的现象在未来将会日益严重,社会主要劳动力的养老压力陡增。与传统的居家养老相比,机构养老在此方面具有明显的优势。针对繁重的老龄化压力和复杂的老龄化问题,国家开始出台一系列的措施面对老龄化问题。在“十二五”规划强调:  建立以居家为基础,社区为依托,机构为支撑的养老服务体系,拓展养老服务领域,实现养老服务从基本生活照料向医疗健康,精神慰藉等方面的延伸[3]。在国家的引导下,各个地方也推出相应的政策与方针。北京市提出“9064”的养老服务模式[4],上海市提出“9073”养老格局[5]以及天津市提出的“973”养老服务体系[6]。一系列的现象和数据显示,面对当前的老龄化现状,养老建筑在解决老龄化问题中将会扮演重要的角色。

表 1-1 2019 年国家统计局人口数据 
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1.2  国内外研究现状
1.2.1  国外研究现状
欧美和日本这些发达国家,在上世纪七十年代就已逐步进入老龄化社会,相较于中国,其他国家因为人口基数和相关政策问题,发达国家的老龄化进程较为缓慢[11]。目前,欧美等发达国家在应对老龄化各方面问题上已经形成了一套较为完整的体系。但因发展阶段等各方面因素的差异,目前在解决我国老龄化问题上,仍需要结合我国的实情进行相应的细致化研究。
在养老建筑的天然采光研究方面,国外的研究较为全面,涉及到生理,心理等因素,且相应的标准值也较为完善,在这一领域日本和美国学者的研究成果较为丰富。Philomna .M等人研究了声光热环境对老年人生理和心理影响,研究发现光环境方面与老年人的生理节律,心血管疾病,睡眠障碍和心理疾病存在一定的联系,直接影响老年人的生理和心理健康[9]。日本学者笹本康太郎研究发现,相较于其他居住空间的物理环境,光环境对老年人的精神健康的影响权重占比最大[7]。日本建筑学会在解决养老建筑的光环境问题方面具有众多成果,对老年人居住空间舒适照度等方面进行了详细的研究,并制定了要求和规范。在光环境标准制定方面,日本学者横田健治针对老年人视觉特征,在1996年提出了老年居住建筑的照度推荐标准值[10]。日本照明工程学会以及美国照明工程学会(IES)均制定了符合本国国情和养老现状的老年居住建筑照度标准,对本文的采光设计标准具有一定的参考价值[11][12]。
动态采光研究方面,随着 Climate-Based-Daylight  Modeling(CBDM)定义的提出,国际学者由传统的静态采光评价转向以地域,气候为基础的动态采光评价。Perez 于 1993 年提出的 Perez 天空模型成为目前动态采光研究的基础,为各建筑的类型的动态采光提供全年典型气候信息[13]。随着研究的深入,国外学者和研究人员发现缺少相应的动态评价指标对建筑的天然采光进行评价,因此逐步提出了采光量(Daylight Autonomy,DA)[14],有效照度(Useful Daylight Illuminance,UDI)[15],年曝光量(Annual Light Exposure)[16][17]等,天然采光眩光率 DGP(Daylighting Glare Probablity)[17]。其中 DA,UDI 已经在目前的各类建筑的动态采光评价中的得到应用,ASE 也已被列为 LEED 的参评指标[19]。
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第 2 章  相关概念及天津市养老建筑调研

2.1  相关概念定义及要点
2.1.1  养老建筑定义
养老建筑又称养老设施,是为老年人提供居住,生活照料,医疗保健,文化娱乐等方面生活需求的建筑通称[34],为老年人提供一个集中型的居住和生活场所,其类型包括养老院,老年日料中心等。养老建筑根据服务对象,内容和功能可以分为“机构型养老”,“居家型养老”和“社区型养老”,本文的研究对象主要是机构型养老建筑,其包括养老院,老年护理院等类型,特点在于可以满足各年龄段及各自理能力等级的老年人长期居住于此,其生活配套设施齐全,是老年人集中型的居住和生活场所。
本文选择机构型养老中的居室空间作为研究对象,居室空间作为老年人使用频率最高的空间,其天然采光质量的好坏,与提高老年人的生活质量密切相关。此外,目前虽有学者对养老建筑居室空间进行天然采光的研究,但多集中于静态采光的研究,本文的动态采光研究对其天然采光优化具有一定的参考弥补和参考。
2.1.2  天然采光评价指标
2.1.2.1  静态天然采光评价指标
国内目前的大多数天然采光标准仍采用静态采光的相关指标进行建筑光环境质量的评价,但因其局限无法满足现实的需求。静态采光指标大概包括采光系数,天然采光照度,天然采光均匀度以及眩光指数等。
(1)采光系数
在现阶段的天然采光评价体系中,采光系数(Daylighting factor)是作为采光评价体系中使用最为广泛的参数,其定义为“室内给定水平面上某一点由全阴天天空漫射光所产生的光照度和同一时间同一地点,在室外无遮挡水平面上由全阴天空漫射光所产生照度的比值”[35],公式为 DF=(E室内/E室外)×100%。尽管现阶段采光系数是使用最为广泛地评价指标,但是其本身也存在缺陷,例如其无法反应建筑物朝向,时间,天气等信息,无法全面的反应真实的建筑天然采光信息。《建筑采光设计标准》中对各类建筑空间的采光系数做了明确的规定。
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2.2  天津市养老建筑现状调研
2.2.1  天津市光气候特征
我国幅员辽阔,由此造成的不仅是气候的上的差异与气候分区,在光气候分区上也存在南北差异明显,有明确的区域划分。根据图 2-1 中国的光气候分区图所示,天津市全域均属于Ⅲ类光气候区。天津市的光气候主要具备以下特征:(1)天津市纬度较高,采光间距比低纬度地区较大,所以在满足采光标准等方面难度更大。(2)冬季的太阳高度角相对于其他季节低,天然采光的入射深度更深,但日照时间短,室内光环境较差。(3)天津市全年正午太阳高度角为 27°~74°,夏至日正午最高为 74°,冬至日正午最低为 27°。

图 2-1  中国光气候分布图 
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第 3 章  天津市典型养老建筑天然采光动态模拟分析 ....................... 27
3.1 Ladybug 和 honeybee 软件介绍 .................................... 27
3.2  运行典型养老建筑全年动态采光模拟 ....................... 29
第 4 章  基于动态采光评价的天津市养老建筑多目标优化研究 .............................. 47
4.1  优化算法理论与软件平台 .................................... 47
4.1.1  多目标算法理论 ...................... 47
4.1.2  多目标优化算法在建筑设计中的应用 .............................. 48
第 5 章  基于动态采光评价的天津市养老建筑设计策略 .......................................... 77
5.1  养老建筑居室空间采光设计标准推荐值 .................................. 77
5.2  建筑平面设计策略 ................................. 78

第 5 章  基于动态采光评价的天津市养老建筑设计策略

5.1  养老建筑居室空间采光设计标准推荐值
确立养老建筑的照度标准,是进行养老建筑天然采光设计的基础。与老年人相关的照度标准和规范在《GB50340-2016  老年人居住建筑设计规范》和《JGJ450-2018  老年人照料设施建筑设计标准》中有不同的规定。前者对老年居住建筑居室空间在进行一般活动是要求为 100lx,进行阅读等活动时要求为 200lx,后者对老年人照料设施进行一般活动是要求为 150lx,进行阅读等活动时要求为300lx。此外对国外养老建筑或老年人居住建筑居室空间照度标准进行总结(如表 5-1),相较于国内标准,国外对照度水平要求较高。主要原因是由于国外老龄化时间较早,在养老建筑的建设和完善方面相比较我国也较早,加之人口基数和相关人口政策问题,我国目前的养老建筑照度标准无法短时间内提升至发达国家水平。
在对天津市养老建筑中的老年人进行主观调研问卷后总结发现,相比较于100lx,200lx 时老年人在进行一般活动时的舒适度评价较高。在 400lx 时进行阅读等精细活动时评价比 200lx 和 300lx 高,在 500lx 和 600lx 时的相较于 400lx 无明显提升。结合国内外现有标准和推荐值,本文建议养老建筑照度标准建议一般活动为 200lx,精细活动要求照度为 400lx,在进行养老建筑居室空间天然采光设计过程中,建议以此为基础。

表 5-1 国内外老年居住建筑室内照明设计标准的比较 
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第 6 章  总结与展望

6.1  总结
随着我国老龄化程度的加深,养老建筑的设计越来越受到重视和完善。当前,养老建筑的各方面的研究正在持续的深入,相关的标准也正在制定。但目前现有的养老建筑在光环境方面仍存在较大的问题,造成此类的问题是多方面的,一方面由于对老年人的视觉特点认识不足,一方面由于相关标注及策略并不完善。
本文通过对天津市养老建筑进行调研,总结出典型建筑空间模型,针对天津市典型养老建筑模型进行动态天然采光模拟,发现典型养老建筑室内存在的自然采光问题,然后基于典型养老建筑模型,决定决策变量的阈值范围,以动态采光评价指标作为优化指标,进行养老建筑多目标空间优化研究,主要得出以下结论:
(1)现行相关标准中,对于养老建筑的照度标准为:一般活动不低于 100lx,阅读等精细活动不低于 200lx,但是在调研过程中现行标准值相较于 200lx 和400lx 这一标准,在舒适评价方面后者评价更高。依据现行标准和国内外研究,制定了主观调研方案,最终提出养老建筑室内老年人进行一般活动不低于 200lx,进行精细活动不低于 400lx 的参考值。
(2)根据对天津市养老建筑的调研,总结出天津市典型养老建筑模型。
(3)与传统的静态采光评价相比,动态采光评价能够更加真实,全面的反馈全年的照度情况,对天然采光的设计有更深的参考价值。
(4)基于动态采光评价指标,对天津市典型模型进行全年 8760 小时的 DA,UDI,ASE 和 DGP 动态采光指标模拟。全年的动态模拟结果显示,天津市典型养老建筑室内天然采光照度分布不均,远窗端照度长时间段不足,近窗端眩光问题较为严重,尤其是冬季时段更为严重。
参考文献(略)
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