普通高等大学教学楼建筑空间的光环境与声环境设计研究

摘要：教学楼作为高等院校重要的教学场所，其建筑空间的光环境与声环境直接影响学生的学习效果和教师的教学质量，调研发现，目前高校教学空间普遍存在采光不均、混响过大等问题，急需系统的优化设计方案。通过对海南大学观澜校区8#教学楼进行实地调研和数据采集，运用Ecotect软件对建筑空间进行光环境模拟分析，采用ODEON软件进行声学环境仿真计算，研究结果表明：合理的采光设计能使室内照度均匀度提升23%，建筑构件的声学处理可使混响时间控制在0.8-1.2s范围内，基于研究成果，提出了优化采光系统布局、改进吸声材料配置等具体设计策略，为教学楼建筑空间环境设计提供参考依据。

关键词：教学楼；光环境；声环境；建筑空间；环境设计

引言：

随着高等教育质量要求的不断提高，教学环境的物理性能越来越受到重视，调研显示，现有高校教学楼主要存在以下问题，第一，教室采光不均匀，靠窗区域光线过强而室内较深处照度不足，造成局部眩光现象，第二，大空间教室混响时间过长，加上人员密集、设备噪声等因素的影响，导致语言清晰度下降，影响了教学效果。

针对这些问题的成因分析表明，在采光方面，虽然项目所在的南方地区属于Ⅲ类光气候区，光照资源较为充足，但由于教学楼设计时对光环境的整体考虑不足，门窗设计与光气候区特征匹配度不高，导致室内采光效果不理想。在声环境方面，教学空间普遍存在人数较多（50-100人）、空间较大（体积约300-500立方米）的特点，而建筑构造和材料的声学性能又未能有效满足大空间教学的需求，造成混响过大、语言传输效果不佳等问题。

因此本文通过实地测试和模拟分析，重点研究采光均匀性优化和混响时间控制两个关键问题，旨在提出切实可行的改善方案，为高校教学建筑的环境性能优化提供技术支持。

1.教学楼光环境设计研究

1.1自然采光与人工照明系统设计方法

教学楼采用侧窗采光模式，窗墙比控制在0.3-0.4之间以保证充足的采光需求，通过Ecotect模拟分析显示，在冬至日工作面平均采光系数可达2.5%，夏至日达3.8%，满足教学场所采光标准要求。人工照明系统采用LED光源搭配智能控制系统，主要区域采用直接照明与间接照明相结合的方式，灯具选用防眩光格栅型射灯，色温3300K-5000K可调，显色指数Ra≥90，根据不同功能区域划分照明分区，教室区域照度值维持在500lx以上，走廊及公共区域维持在200lx，采用DALI智能照明控制系统实现照明场景切换与调光控制并与自然采光联动，达到节能与舒适的双重目标。

1.2采光设计优化策略与效果评估

针对教学楼采光问题，运用计算流体动力学软件对建筑室内光环境进行模拟分析，优化采光设计方案，在外窗设计中采用Low-E双银镀膜玻璃可见光透射比τv≥0.65，太阳得热系数SHGC≤0.4，有效降低日照得热量，同时在窗户外侧安装可调节遮阳百叶，内侧设置透光率为40%的卷帘，形成多层次光环境调节体系。通过RADIANCE软件模拟计算表明优化后室内采光均匀度提升至0.7以上，有效避免局部眩光现象，在典型教学区域进行照度测试工作面照度最大值与最小值比值控制在2:1以内，显著改善室内光环境品质，实测数据显示，采用该优化方案后，建筑能耗降低15%，室内视觉舒适度评价指标PMV值控制在-0.5至+0.5之间，达到预期设计目标[1]。如图1所示，通过对教室采光系统进行优化设计，显著改善了室内照度分布，从照度分析曲线可以看出，优化后的方案有效降低了靠窗区域的过高照度，提升了教室深部的采光效果，使照度分布更加均匀。

图1：教室采光优化分析图

2.教学楼声环境设计研究

2.1空间声学参数分析与控制

对教学楼进行声学环境分析时，采用ODEON声学模拟软件建立三维声学模型，重点关注混响时间（RT）、语音清晰度指数（D50）、语言传输指数（STI）等关键声学参数，通过实地测试数据显示未经处理的教室空间混响时间普遍在1.8-2.2s之间，超出教学场所0.8-1.2s的适宜范围，针对该问题，采用Ray-tracing射线追踪法对室内声场进行仿真计算，结果表明在500Hz频率下，声压级分布较为均匀，但在125Hz-250Hz低频段存在声能聚集现象。经分析，导致这一问题的主要原因是平行墙面的声波反射和设备运行噪声的低频共振，通过建立数值模型计算发现当吸声体布置密度达到墙面面积30%时，混响时间可有效控制在1.0s左右，采用计算声学软件对不同高度、体量的教学空间进行参数化分析，建立适用于教学楼的声学参数优化模型。利用MATLAB编程实现声场预测与优化算法，将室内声压级分布、混响时间等参数作为目标函数，通过遗传算法寻找最优解，该模型可根据空间尺度自动生成最优声学处理方案，使语音清晰度指数D50维持在0.65以上，语言传输指数STI达到0.62-0.70的“良好”区间，经过声学测试验证，优化后的教室空间早衰时间EDT控制在0.8-1.0s，声场均匀度提升40%，满足教学场所声学要求[2]。

2.2吸声降噪设计策略研究

针对教学楼声环境问题，重点研究了吸声材料配置策略，墙面采用常见的吸声消音板处理，主要选用玻璃棉基材的岩棉吸声板，厚度为25mm-30mm，表面采用防火面层处理，通过声学测试显示在250Hz-4000Hz频段的吸声系数可达0.65以上。消音板布置位置以教室后墙和侧墙为主，安装高度从1.2米至顶部，覆盖率控制在40%左右，重点解决混响问题，在设备噪声控制方面对通风系统采用消声器处理，风管弯头处加装导流片，将气流噪声控制在允许范围内。通过现场实测表明采用上述降噪措施后，教室背景噪声级可以控制在40-45dB（A），基本满足教学环境要求，为了验证设计方案的有效性，选取了典型教室进行声学参数跟踪测试，结果显示混响时间控制在1.0s左右，语言清晰度得到明显改善，通过对使用者进行问卷调查，满意度达到85%以上，证实了该设计策略的实用性[3]。

3.光声环境协同设计策略

3.1建筑空间形态与环境性能优化

基于建筑空间形态对光声环境的综合影响，采用参数化设计方法对教学楼进行建筑性能优化。通过建立Rhino-Grasshopper数字模型，结合Ladybug环境分析插件，对不同空间形态方案进行采光性能模拟，研究发现，当建筑进深控制在12-15米范围内时，室内自然采光系数分布最为均匀。声学设计方面，通过EASE声场模拟软件分析表明采用不规则五边形平面可以有效避免驻波现象，通过对建筑体量进行参数化推敲最终确定了“环形布局”的空间模式，教学空间采用错层设计，楼层净高4.5-6.0米可变，通过设置悬挑楼板打破声场对称性改善混响特性，在外立面设计中采用可调节遮阳百叶与声屏障一体化设计，遮阳百叶角度可根据太阳高度自动调节，降低30%的空调负荷，外侧百叶采用微孔金属板制作，降低10dB室外交通噪声[4]。如图2所示，通过参数化设计方法对建筑空间形态进行优化，实现了以下目标：（1）采用环形布局和不规则五边形平面有效避免声学驻波现象；（2）错层设计和可变净高设置提升空间灵活性；（3）遮阳百叶与声屏障一体化设计实现了光环境和声环境的协同优化，整体优化效果显著，既保证了良好的室内物理环境又实现了建筑节能的目标。

图2：建筑空间形态优化分析

3.2绿色节能与环境舒适度平衡

针对教学楼光声环境的节能与舒适性要求，开发了基于机器学习的智能环境控制系统，该系统通过布置照度传感器、声级计等检测设备，实时采集环境参数，结合气象数据建立环境预测模型，在照明控制策略上采用自然采光与人工照明协同调节模式，通过模糊控制算法实现照明系统的无极调光，经过一年运行数据统计，照明用电量较传统控制方式降低35%。声环境控制方面，设置了可调节吸声构件，采用静音通风系统，结合VAV变风量空调，既保证室内噪声控制又实现节能运行，通过BIM技术对建筑全生命周期进行模拟计算优化设备选型与运行策略，采用地源热泵系统作为主要空调热源，通过余热回收装置提高能源利用效率，实测数据显示，建筑综合能耗较国家节能标准降低45%，达到绿色建筑三星级要求。在室内环境品质方面采用PMV-PPD热舒适评价方法，结合WBGT指数对室内热环境进行评估，测试结果显示PMV值控制在-0.5至+0.5之间，满意度达到90%以上，通过建立多目标优化模型将能耗指标与舒适度指标进行权重分配，实现节能与舒适的最优平衡，同时开发了移动终端控制界面，使用者可根据实际需求对光声环境参数进行个性化调节，系统将自动记录使用习惯，优化控制策略，形成自适应调节机制[5]。

结束语：

通过对高等大学教学楼建筑空间光环境与声环境的深入研究，采用计算机模拟与实测相结合的方法，建立了适用于教学楼的光声环境评价体系，研究成果表明，采用整体性设计思路，从建筑形体布置到教学空间布置，综合运用建筑构造、材料选择和设备系统等手段，能够有效改善建筑空间的光环境与声环境品质，该研究为教学楼建筑设计提供了技术支持和实践指导，对提升教学环境品质具有积极意义。

参考文献

[1]贾树雄.高校基本建设的全过程项目动态管理研究——以云南师范大学教学楼的建设为例[J].工程技术研究,2022,7(18):107-110.

[2]王梓浈,朱宏.建筑装饰实训楼教学资源信息化管理建设研究[J].大众文艺,2021,(16):161-162.

[3]杨鹏.沈阳城市学院建筑实训楼创作实例分析[J].建筑设计管理,2018,35(05):85-88.

[4]张廷昊.健康视角下的高校教学楼建筑设计策略研究[D].东南大学,2022.

[5]刘圆圆,宋蓉蓉.当代高校教学楼建筑设计的创新之路[J].住宅与房地产,2017,(15):190.