上海地区建筑玻璃幕墙反射眩光特征研究

郑耿涛

(上海建科环境技术有限公司，上海 200233)

引言

随着城市化的快速发展，大量建筑玻璃幕墙开始使用，城市光污染逐渐引起关注[1]。因建筑缺乏统一规划或大量采用大面积高反射率镀膜玻璃，当玻璃幕墙受到太阳照射时，其镜面反射形成强烈的眩光，对人的身体及工作生活产生有害影响。目前国内外已开展了玻璃幕墙光污染的相关研究：Liu[2]通过比较香港特别行政区和河南安阳建筑的建筑形态，得出玻璃幕墙建筑严重影响行车安全及人群健康。王宁和荣浩磊[3]以北京CBD核心区Z15地块项目为例，探讨城市CBD地区建筑光污染评价方法，李方鸿等[4]通过广州玻璃幕墙建筑在不同季节及时间点的光环境监测，提出玻璃幕墙反射光影响因素，毛鹤群等[5]、杨侦和张明宇[6]、Wong[7]通过不同玻璃幕墙类型及影响因素研究，提出玻璃幕墙反射光有效的防治措施建议。张岱[8]分析光污染现状，提出光污染防治立法研究，许巧云[9]通过对建筑玻璃幕墙的眩光污染影响因素分析，提供评估建筑玻璃幕墙眩光危害测试评估方法。王建平和王璐[10]根据反射光角度和亮度将光污染程度分成5级，展开反射光影响的特征研究。从玻璃幕墙光污染法规来讲，国家层面尚无专门针对玻璃幕墙反射光危害影响的相关法律法规及评估体系，仅对玻璃幕墙设置有一般性规定[11]。而上海市从立法层面要求玻璃幕墙建设新、改扩建项目应进行玻璃幕墙反射光影响评价[12]。

玻璃幕墙光污染相关研究多为个案分析及防治措施的探讨，光污染影响因素也是定性概括，且由于光污染影响的研究评价方法不一致，其相应建议未能有效结合现行法规要求开展。因此，本文基于上海市相关导则中光污染标准为评估基础，对玻璃幕墙反射光的关键影响因素进行定量分析，以上海地区为例阐明玻璃幕墙反射眩光影响的时空变化特征、影响程度和影响范围等规律，为建筑玻璃幕墙设计、建设及光污染防治相关防治措施提供参考。

1 研究方案

1.1 评价标准

光污染对象受影响程度与反射光的亮度值和反射光入射角度有关，也就是入射角度越小，反射光亮度值越大，则影响越严重.根据不同入射角及亮度值将影响程度由轻到重分级为：“可接受”，“轻微影响”和“强影响”[13]。本研究将产生“轻微影响”和“强影响”的反射光定义为眩光影响。

1.2 评价方法

1)亮度计算。反射光亮度取决于太阳光直射法向照度和反射材料(玻璃幕墙)室外可见光反射率。本研究设定四个典型反射率，分别为反射率20%、15%、10%和7%，对反射光影响程度的变化进行计算分析。计算公式[12]即

表1 影响程度分级标准Table 1 Influence degree and classification standard

(1)

(2)

式中：B为亮度；E为全晴气候下太阳光直射法线照度；ρ为反射材料室外可见光反射率；h0为太阳高度角。

2)入射角计算。反射光入射角(也称“眩光角”)是指经玻璃幕墙反射后的太阳光线(简称“反射光线”)与人眼水平视线(受照立面法线)的夹角。入射角A与反射光线高度角B、水平夹角C空间位置如图1所示[3]。C取决于具体受照对象方位，假设受照立面正对着反射光线时，即C=0，则B=A。当玻璃幕墙垂直设置时，反射光线高度角等同于对应时刻太阳入射光线高度角。

图1 反射光角度模型Fig.1 Reflected light angle model

1.3 研究模型

光污染评价实际工作中，通过光污染影响范围判断分析对象是否受反射，然后根据该影响时段的影响程度进一步判断该影响是否符合法规要求。故本文分别对“影响程度”和“影响范围”的一般特征进行研究。

1)“影响程度”研究：亮度值可以根据不同季节、时刻及玻璃材料反射率进行推算，亮度值计算时仅考虑全晴太阳直射光(不考虑天空散射光以及气候影响)。而入射角值取决于幕墙以及受影响对象的方位，根据上述入射角计算方法，入射角以最不利条件考虑(即所有的受照立面都是正对着反射光线情况下(水平夹角C=0))，入射角值就可以简化等同于该时刻的太阳高度角。

2)“影响范围”研究中：论文主要关注反射眩光(“轻微影响”和“强影响”)的影响范围，反射光影响范围又与玻璃幕墙形状、玻璃高度、朝向有关，故建筑模型设置幕墙高度为100 m，建筑平面形状为边长300 m正方形，各立面均为竖直的全玻璃幕墙。

根据以上模型基础，研究上海地区(北纬31°12＇)在不同季节、不同时刻及不同反射率的幕墙反射光影响程度。据此进一步评价玻璃幕墙建筑在不同朝向时，反射眩光的影响范围。

2 结果与讨论

2.1 反射光影响程度研究

太阳反射光亮度值与太阳高度角成正相关关系，太阳初升时高度为0，对应亮度值也为0，至中午12：00高度角和亮度值达到顶峰，下午各时间点的高度角及亮度值与上午成对称关系。同时，太阳反射光亮度值与玻璃幕墙反射率成完全正相关关系。图2～图4分别为典型日冬至日、春秋分和夏至日在不同反射率下反射光的影响程度。

图2 春秋分日时不同反射率反射光的影响程度Fig.2 The degree of influence of reflected light at different reflectivity during equinox

图3 冬至日不同反射率反射光影响程度Fig.3 The degree of influence of reflected light at different reflectivity during winter solstice

图4 夏至日不同反射率反射光影响程度Fig.4 The degree of influence of reflected light at different reflectivity during summer solstice

2.2 不同反射率影响分析

反射率在10%～20%之间时可能出现反射眩光影响(“轻微影响”或“强影响”)；反射率如果控制在7%～10%之间时最大影响为“轻微影响”，可以消除所有“强影响”；反射率如果控制在7%以下，反射光影响均可接受，消除所有的反射眩光(“轻微影响”和“强影响”)。根据现有玻璃幕墙制造技术研究，生产及使用反射率低于7%的玻璃幕墙可行，且低反射率玻璃案例已经在上海等地得到应用，但低反射率玻璃会增加玻璃透射率，从而影响建筑节能及外观。

2.3 反射时长分析

由表2分析，春分日秋分日时产生眩光影响(“轻微影响”或“强影响”)集中在6:34—8:24和15:36—17:26之间，影响时长总和最大为220 min；夏至日眩光影响则集中在5:36—7:28和16:32—18:24之间，影响时长总和最大为224 min；冬至日反射眩光影响集中在7:40—10:16和13:44—16:20之间，影响时长总和最大为312 min。

表2 典型日上午时段不同反射率眩光影响汇总Table 2 Summary of the impact of glare at different reflectivity in the morning

2.4 不同日期影响分析

虽然冬至日照时长要短于春分秋分和夏至，但从眩光影响(“轻微影响”或“强影响”)时长来说，冬至日产生的影响时长要大于春分日和夏至日，各典型日主要的影响时间点为太阳升起后(或者日落前)0.5～2.5 h之间。眩光影响根据入射角和亮度两个因素进行判断，初升(日落)时虽太阳入射角较小，但亮度值较低，故不易造成“眩光影响”。同样接近中午时，虽然太阳反射光亮度值较大，但入射角也较大，同样不易造成“眩光影响”。冬至日虽然日照短，但其入射角在0°～30°的时间较长，故长时间低角度反射光更易引起“眩光影响”。

2.5 反射光影响范围研究

玻璃幕墙反射光影响范围与玻璃幕墙方位相关，因此，本研究模拟玻璃幕墙建筑(四个立面均为玻璃幕墙，各立面玻璃幕墙高为100 m，宽度为300 m，玻璃幕墙反射率为15%)在不同日期及不同朝向时的反射眩光影响范围(“轻微影响”和“强影响”)。建筑正向分布时(四个立面朝向为正东、南、西、北)影响范围见图5，建筑物逆时针旋转15°、30°、45°和60°时的影响范围见图6。

图5 建筑正向分布时(四个立面朝向为正东南西北)影响范围Fig.5 The range of influence when the four facades are facing east,west,south,and north

图6 建筑物逆时针旋转15°、30°、45°和60°时的影响范围Fig.6 The range of influence when the building is rotated to 15°、30°、45°和60°

1)从影响范围来说，各朝向的玻璃幕墙轻微影响面积略大于“强影响”，这是因为在同条件下“轻微影响”的反射光高度角是小于“强影响”高度角，则“轻微影响”反射的距离较远。

2)从产生影响立面说，当建筑正向分布时(四个立面朝向为正东南西北)，东立面和西立面在各日期均会产生眩光影响。北立面在春秋分和冬至日时不会产生眩光影响，南立面在夏至日不会产生眩光影响。主要原因是北立面玻璃幕墙在春、秋、冬时由于太阳方位角关系，不会产生反射；南立面虽然在夏时会产生反射，但是由于入射角度较大，不构成“轻微影响”或“强影响”。当旋转玻璃幕墙建筑时，各朝向的玻璃幕墙或多或少都会产生一定影响。

3)建筑四个立面为正向分布时(各立面)，以及建筑旋转45°时，同一个日期内上午和下午的影响范围呈轴对称，对称轴为过建筑中心点的经度线，这是由于太阳光方位角上午和下午时间点也是对称关系造成的。

4)建筑正向分布时反射眩光影响范围集中在东西两侧，建筑物旋转15°和30°时反射眩光影响范围集中在西南和东北方向，而建筑物旋转45°后反射眩光影响位置集中到南侧和北侧。建筑物旋转60°时反射眩光影响范围集中在西北侧和东南侧。旋转30°和旋转60°的反射光影响范围呈对称关系，同理建筑物旋转75°后也和旋转15°的反射光影响范围呈对称关系。

3 结论

本文通过模拟玻璃幕墙建筑建立了三维空间模型，对影响玻璃幕墙光反射的各因素进行了定量分析。得出结果如下。

1)冬至日反射眩光影响时长(“轻微影响”或“强影响”)要明显高于春秋分和夏至日。春秋分时最大时长为220 min，夏至日最大时长为224 min，冬至日最大时长为312 min。

2)反射率小于7%时，反射光影响均可接受，消除所有的眩光影响( “轻微影响”和“强影响”)。反射率如果控制在7%～10%之间时最大影响为“轻微影响”，玻璃幕墙反射率大于10%时，可能出现“轻微影响”和“强影响”。

3)当建筑正向分布时(四个立面朝向为正东南西北)，春分秋分和冬至反射眩光影响范围集中在东、西和南，夏至影响范围影响集中在东、西和北。且各日期“轻微影响”范围要大于“强影响”。

4)建筑正向分布时反射眩光影响集中在东侧和西侧；建筑物旋转15°和30°时，反射眩光影响范围集中在西南侧和西北侧；当建筑物旋转45°反射眩光影响范围集中在南侧和北侧。

上述结论表明，在玻璃幕墙建筑进行规设计时，就应该结合当地一年四季的太阳运行规律，综合考虑反射率和朝向等因素对反射光的影响，以求在建筑设计阶段有效控制玻璃幕墙反射眩光的影响。