室内设计中的自然光利用原则

建筑结构中窗户的大小和位置，会对室内环境产生一定的影响。建筑师眼中的窗户具有象征功能，同时还得具备其他三种功能：照明、通风和在玻璃制造技术限制下的取景。

窗户既可以向外瞭望，也可以向内窥视。绘画作品中的窗户是通往另一种现实的开口——但现实是固定的。与之不同的是，在早期格窗时代，透过窗户观察是一种形式的窥视。正如艾伦·麦克法兰（Alan Macfarlane）和格里·马丁（Gerry Martin）在The Glass Bathyscaphe：How Glass Changed the World一书中所指出的：住宅开始成为照相机的镜头或西洋景的看点，一个人坐在昏暗的灯光下，向外观察色彩的丰富。或者，如同《荷兰的房间》所述：人们透过窗户向灯火辉煌的房间内张望。荷兰画家约翰内斯·维米尔^[2]（Johannes Vermeer）的作品《拿水罐的少女》成功地捕捉到了通过宽大窗格投射进来的光线（图7-9）。对于画家，窗户起到了表现画面深度或定格被描绘对象的作用，画家在画面中捕捉到了透过富裕的荷兰人住宅中常见的宽大格窗透射进来的光线。莱昂纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）向那些想完善绘画技巧的人推荐使用一小片玻璃：“使用某种装置将自己的头部固定，无法活动，然后在玻璃上作记号，将透过玻璃所看到的内容临摹在纸上。”换句话说，透过玻璃窗向外看使世界带有透视感，在画家理解透视之前，这种现象就一直存在。

图7-9《拿水罐的少女》

1.窗的历史

在英语中，“窗户”一词起源于古冰岛语“vindauga”，意为“风之眼”^[3]。最原始的窗户形式取自稍作改变的门洞形式，窗户与门相比仅仅是另一种引导光线进入室内且在一定程度上抵挡户外恶劣天气的方法。北欧早期建筑窗户的用料十分丰富，从羊皮纸到山羊皮，牛角薄片到亚麻油纸，实际上任何一种半透明的、光线可透过的材料都能用于窗户。这些廉价的材料也十分适合地中海地区的温暖气候，因此这也可以解释为何窗户在北欧得到发展的同时，希腊人为了适应当地炎热气候而发展出带有门廊和柱廊的相对复杂的建筑结构和形式，而摩尔人^[4]和西班牙人则在建筑中央的天井庭院中建造喷泉以使环境凉爽。日本的天气潮湿而炎热，开窗并不十分必要，相比之下日本人更愿意将玻璃工艺上的技巧运用到装饰工艺品上，同时，日本地震频繁，对早期脆弱的玻璃来说是极大的危险，因此纸屏风替代了玻璃窗，它同样能够透光并能挡住潮湿的热空气。

最大规模的玻璃窗最早出现在庞贝古城（Pompeii）^[5]的公共浴室中，据说尺寸达到了112厘米×81厘米，但是玻璃真正大规模地应用在建筑中还是经历了很长一段时间。玻璃应用的规模化不是因为加工工艺的完善和生产成本的降低，而是因为基督教堂的建造。11世纪的教堂记录就已经频频提到彩绘玻璃，特别是圣本笃会^[6]将大量的时间和金钱投入教堂彩绘玻璃窗的建设之中，他们希望用这种富丽堂皇的建筑装饰艺术来赞美和歌颂伟大的上帝。然而10-11世纪教堂建筑中的窗户几乎都没能保存至今，甚至12世纪教堂的窗户如今也十分罕见。当时教堂的窗户是狭小昏暗的，因此这样的窗户成为建筑室内的固有部分，它不鼓励基至阻止人们把视线投向室外。不是所有的教堂建筑设计师都依赖玻璃，在5世纪的意大利拉文纳地区的高卢^[7]，拜占庭时期的建筑设计师创造了一种利用片状雪花石制作的薄形窗户，这种结构的窗户营造出的室内效果光线柔和，但昏暗低沉（图7-10）。

图7-10　海登大厅中的长画廊

12世纪的教堂结构十分原始，没有很坚固的承重墙，墙体也不厚，窗户的尺寸被放大。窗户形式在哥特式建筑风格出现后发生了转折性的改变，不再像从前一样狭小昏暗。为了渲染宗教的神秘感，建筑形式被尽可能地淡化，室内空间中存在的任何一种物质都变得模糊微弱。哥特式建筑上玻璃的效果是无与伦比的，流畅紧凑的建筑结构为照明留下了大量的余地，但是如果没有玻璃的介入，则无法达到这种效果。哥特式建筑中普遍使用了彩绘玻璃窗，这种形式的窗户源于法国，放射状窗棂和较宽的彩色玻璃片可以适应比以前大得多的窗洞。其他建筑与教堂建筑在窗户运用上有较大区别。在北欧，窗户的形式还是保留原有的形式与规模，功能还是挡风遮雨以及防止盗贼入侵。诺曼底人将窗户开在高墙上，有圆形也有方形，宽度为30～46厘米，长度为122厘米，因此窗户的防御功能比透光功能更加重要，尺寸稍大的窗户必须增加护栏和护窗板。即使是教堂也必须考虑窗户的防御功能，防止非法入侵。意大利威尼斯附近小岛上的托塞罗圣玛丽亚·阿桑塔大教堂的窗户就开得很高，另外还用一块大型石板遮住窗口。玻璃窗形式演变的另一个影响因素是材料的成本，在19世纪薄形平板玻璃的生产工艺出现之前，玻璃的成本很高，而且因受到工艺的限制尺寸相对较小。

15世纪和16世纪的格扇窗对玻璃的尺寸要求不高，能根据格扇的轮廓嵌进小块玻璃即可，这种形式一直沿用，直到玻璃规模化生产之后，才相应地出现了更加丰富的窗户造型，如英国都铎风格的窗户以及直棂风格的窗户。然而传统的玻璃镶嵌式的窗户在伊丽莎白一世时期的大型住宅建筑中仍然十分常见，如英格兰德贝郡的哈登别墅。通常只有规模宏大的建筑才会镶嵌玻璃窗，到16世纪后期，在规模相对较大的农庄和城市住宅中玻璃才变得常见。规模较小的住宅一直等到17世纪末期出现了大面积方形玻璃，才有条件安装玻璃窗。

17世纪以前，窗户是与墙面齐平的，之后开始出现一些外凸的窗户结构形式，从飘窗、凸窗到弓形窗。这些结构形式都根植于中世纪凸窗——拉丁文的oratoriolum，指的是一种小型的祈祷室，是在住宅的楼上为主人和客人聆听楼下举行的家庭祷告而修建的小房间。15世纪和16世纪的建筑商还引进了老虎窗^[8]（dormer window）。荷兰人在17世纪晚期发明的吊窗在短短的30年内就取代了传统的直棂式窗户^[9]。吊窗沿着垂直方向滑动，与竖铰链窗不同，吊窗由安装在横档上两扇可以相互重叠的窗板组成，它们沿着窗框中的凹槽上下滑动，由一组滑轮装置控制。与传统的竖铰链窗相比，吊窗可以加大玻璃窗扇的面积，而不会像竖铰链窗那样遮挡视线。在英格兰，1685年废除南特敕令^[10]后，大量胡格诺教派（Huguenot）的玻璃匠人被驱逐至英国，大型彩绘玻璃窗才得以发展。几乎在同一年，伦敦宴会剧院（Banqueting House）需要重新装配玻璃——随之而来的是玻璃质量的改善和幅面的增加。

18世纪，吊窗占统治地位，这主要是因为乔治王（1714—1830年）风格和帕拉第奥式^[11]风格崇尚的是秩序与整齐。19世纪初，建筑师威廉·钱伯爵士^[12]（William Chambers）对此作了总结：“窗户最需要考虑的是尺寸，这要根据当地的气候和房间的面积来决定。帕拉第奥发现窗户的宽度不能超过房间宽度的1/4，也不能小于房间宽度的1/5；而窗户的高度应该是其宽度的13/6倍。”也就是说，如果要遵循大师的理论，窗户设计的灵活性将十分有限。1774年，伦敦的建筑法规对普通住宅的形式和传统乔治风格的建筑都加以规范与标准化，其中要求窗框不得突出建筑墙面，此举将人们关注的焦点从突出的窗框转移到了玻璃窗的比例上，随着时代的进步，玻璃窗的比例也不断增加。除此之外，还有其他的元素也发生了巨变，那就是人与自然的关系。直到18世纪，景观房还一直为大部分人所唾弃。当时人们认为，住宅应该是避难所，它是将人类与自然环境分隔的地方，因此，窗户也应该是纯功能化的，而绝不是冥思、凝视与欣赏自然美景的位置。18世纪纪中叶，飘窗再次出现在建筑形式中，这并不是简单的建筑风格的怀旧潮流，而是为了满足那些刚富裕起来的地主阶层在豪华的客厅里欣赏优美风景的需求。

18世纪之后窗户的发展较为缓慢。尽管人们相信加速发展窗户的形式需要更先进的科学技术和全新的审美形式，但是19世纪的建筑师们似乎更加关注建筑的风格与形式，而对新材料、新技术没有兴趣。唯一的例外是约翰·帕科斯顿（Joseph Paxton）设计的水晶宫^[13]，这幢预制安装玻璃和钢铁结构建筑是第一个透明的、墙上没开窗的建筑，而其中所蕴含的理念却一直到60年后才为人所理解，特别是当大部分工业建筑放弃了传统的窗户的时候。

位于德国阿尔弗德的法格斯鞋楦厂是由年轻的建筑师沃尔特·格罗皮乌斯（Walter Gropius）于1911年设计完成的，建筑没有窗户，也可以说整个建筑立面都是窗户，玻璃幕墙和玻璃转角使它成为当时风格最前卫的建筑（图7-11）。早期现代主义风格的建筑被打破，传统窗户模式的建筑逐渐被取代，其中包括查尔斯·雷尼·麦金托什（Charles Rennie Mackintosh）设计的格拉斯哥艺术学院（Glasgow School of Art，1897—1909年）（图7-12），它融合了苏格兰民间风格、英国的复兴哥特式风格和巴洛克风格，创造了全新的建筑风格。

图7-11　法格斯鞋楦厂

图7-12　格拉斯哥艺术学院

不到20年，与传统模式完全不同的窗户开始备受年轻的荷兰建筑师盖里特·里特维尔德（Gerrit Rietveld）的青睐与推崇。他于1925年在荷兰乌特勒市设计的施罗德住宅（又名乌德勒支住宅）是现代建筑的主要里程碑，窗户被简化成平面的，它与建筑中的其他元素一样，必须满足里特维尔德试图创造抽象的设计作品的野心。该建筑的抽象风格与同时期的皮特·蒙德里安（Piet Mondrian）的一件建筑设计作品十分相似，但前者的结构更具灵活性，同时，里特维尔德在建筑设计中引进了一种新的理念，就是通过移动隔断变换室内空间，以及利用窗户合适的打开角度来消融建筑的死角、改变空间的排列。德维拉公寓是建筑师皮埃尔·查鲁耶（Pierre Chareau）和伯纳德·比沃特（Bernard Bijvoet）为一位著名的妇科专家设计的巴黎住宅。这座公寓为建筑设计开创了新的可能性，它几乎全部由玻璃材料组成，彻底摆脱了以往建筑对窗户的需求。但与随后建造的玻璃建筑相比，德维拉公寓解决了私密性的问题。由于一楼是外科诊室，两位建筑师率先在建筑中使用了玻璃砖，它能最大限度地吸收光线，同时又能阻挡向内的视线——这是该建筑设计的精华所在。虽然该建筑一直被人们描述为没有窗户的房子，但事实上，它有窗户。伦佐·皮亚诺（Renzo Piano）设计的东京赫尔墨斯百货公司大楼也采用了这种设计手法，既可以保证建筑的私密性，又可以为室内提供柔和的光线。

勒·柯布西耶提倡横向长窗，也反映了现代建筑技术发展为建筑结构所带来的更多可能性：他在1924年出版的著作《走向新建筑》中所阐述的“新建筑的五项原则”，其中一项就是钢筋混凝土结构。与18世纪出现的上下推拉的窗户一样，它们都避免了过重的窗框，也提供了全新的取景形式。当然这种设计影响的不仅仅是取景框：勒·柯布西耶设计的萨沃伊住宅（Villa Savoie，1925—1930年），位于伯希（Poissy），模糊了建筑内部和外部的视觉、功能的区别。建筑设计的出发点就是打破这种界限，各种形式的窗户（包括没有镶嵌玻璃的窗洞）、贯穿整个建筑高度的大型落地窗以及狭小的观景窗，都充满了对新生活的憧憬。对建筑设计师来说，这座建筑既意味着与传统风格的决裂，也标志着一种精确的、逻辑性强的、理性化的建筑风格的诞生。勒·柯布西耶认为窗户的发展史与建筑是重合的，建筑立面上有规律的孔洞是结构体系的反映。当结构体系改变时，如钢筋混凝土出现的时候，建筑的立面形式必然随之发生变化。当然，勒·柯布西耶的观点不可避免地会遭到某些人的反对。有资料记载，他曾与同事奥古斯特·佩罗特（Auguste Perret）对窗户形式产生分歧：佩罗特推崇垂直窗（法式落地长窗），而柯布西耶则比较提倡“横向长窗”。然而他们争论的深层含义并不是简单地判断两种窗户孰好孰坏，因为佩罗特认为柯布西耶所要消灭的不是法式长窗的形式，而是一种深深植根于法兰西文化的传统。

1965年柯布西耶去世时，很多建筑以整面的玻璃幕墙来替代窗户，使柯布西耶渴望拥有“如此亲密的风景，以至于产生置身于花园之中的错觉”的愿望得以实现。菲利普·约翰逊（Philip Johnson）为他自己在康涅狄格州新迦南（New Canaan）设计建造的住宅被认为是大型平板玻璃在现代住宅中完美应用的典范（图7-13）。甚至连弗兰克·劳埃德·赖特都对此感到迷惑：“我是应该脱帽致敬呢？还是不屑一顾呢？”这位建筑大师说道，“我都分不清是在室内还是室外。”

钢结构使建筑能够迅速提升高度，也更经济。钢结构建筑的外观明显不同，随着自重不断变轻，建筑的造型更加自由，窗户也已不再是墙面开洞。如果说密斯·凡德罗设计的完全是玻璃和钢结构的法恩斯沃斯住宅（图7-14）是绝无仅有的个性化建筑作品，那么他的另一个作品——芝加哥的湖滨大道公寓楼（1948—1951年）（图7-15）则是国际上争相仿效的建筑作品。这些建筑是最早的钢结构玻璃幕墙建筑，其窗户清楚地显示了耐火混凝土下隐藏的建筑钢结构。

图7-13　菲利普·约翰逊设计的玻璃住宅

图7-14　法恩斯沃斯住宅

图7-15　湖滨大道公寓楼

作为一种结构，玻璃幕墙有效地满足了现代商业办公建筑的需求，建筑成本大大下降，而建筑高度不断提升。同时空调的出现，彻底改变了窗户在建筑中扮演的角色。20世纪80年代办公建筑大量兴起，又对窗户产生了新的影响。一是为了改进窗户的隔热能力，设计产生了双层玻璃窗框结构；二是为降低建筑成本，而对窗户采取标准化设计。许多建筑由标准化建筑预制件拼装而成，其中也包括玻璃窗，这也就限制了窗户造型的个性化设计。

在这些限制条件下，窗户不断地变化发展。对于让·努维尔（Jean Nouvel）和伊东丰雄这些建筑师来说，窗户和建筑立面一样都要被推倒和打破，这样才能消除建筑的实体感和静态感。而美国设计师里克·乔伊（Rick Joy）和温德尔·伯涅特（Wendell Burnette）设计的建筑作品都处于风景优美的场景中，窗户仍然是柯布西耶风格中调节室内与室外关系的媒介。伦敦、柏林和维也纳这样的历史名城，窗户设计所面临的挑战有所不同，保护历史遗迹的强烈要求为建筑师带来了一定的困难，他们只能遵循既定的规划，然而，这并没有扼杀设计创新，甚至还起到了催化作用。人们不通过打开窗户来调节空气——不可否认这曾经是窗户最重要的功能——窗户并没有像一些评论家所担心的那样消失，被单调的玻璃幕墙吞噬。这些原本简单的开洞成为了强有力的建筑内涵的表现方式，以及现代建筑设计师交流如何运用光线的最纯粹的形式。

2.窗的大小和位置

窗的开设取决于室内空间的属性（开放还是封闭），如住宅空间要求窗的尺寸小一些，可以保证一定的私密性，而商业空间则要求窗的尺寸大一点，保证室内开敞、明亮。一般的窗开设在侧面，但有些空间，在条件允许的情况下，可以设在顶上，如酒店的某些休息区、中庭等，可以充分利用顶上的自然光，扩大空间的范围。

（1）侧窗。

侧窗是一种构造简单且不受建筑层数限制的采光装置。当窗间墙比较大时，窗间墙附近的照度会比较低，提高侧窗的位置可以提高远处的照度。侧窗的采光有较强的方向性，易使物体产生阴影，空间中物体的布置要考虑这一因素。侧面光可以很好地表现物体的体积、质感，如果整个场景比较杂乱，那么侧光产生的影子只会让画面乱上添乱，因为侧面光往往明暗反差过大，缺少光线的过渡，人无法分清画面中具体的组成元素。而对于较简单的单个物体，侧光往往会让画面非常富于表现力，为画面增加强烈的艺术感。如在头像绘画中，往往3/4侧面头像最能体现结构素描的特点，这个角度是能够较强体现头像体积感和空间感的角度，体面关系非常明确，结构也比较直观。如果要提高空间的整体照度，除了将窗子开大外（窗子的大小往往受建筑外观整体设计的限制）（图7-16），还可以分析和观察太阳光的变化情况，用反射光的方式提高空间的照度。在光线进入的部位用反射能力较强的材料或色彩，例如，墙的顶面或侧面用白色或浅色，这样可以使空间有较多的反射光，尽量消除光线死角（图7-17）。

（2）天窗。

如果空间进深大，单靠侧窗难以满足光的照度，同时又具备开设天窗的条件，可以采用天窗采光，即在屋顶开设采光口（图7-18）。工业建筑的车间和一些大型的民用建筑空间都采用天窗采光的方式。开设天窗的方式较多，且各具特点，可以根据空间的功能要求和环境的具体情况来选择采用何种方式。常用的天窗有矩形、M形、锯齿形、横向下沉式、横向非下沉式、天井式、平天窗以及日光斗等。

图7-16　开大窗，提升空间亮度

图7-17　墙侧面用白色或浅色，提升空间亮度

（3）采用辅助设施。

采用辅助设施可以解决两个问题：一是提高室内的照度；二是防止眩光。眩光是由光的直射造成的，阻挡光的直接进入就可以改变光的性质，使直射光变为散射光，因此，我们可以在窗外装置遮阳隔片（类似百叶窗）（图7-19）；还可以在窗外设置雨棚，或者在合适的位置设置反射板，都能起到调整光源的作用。另外，也可以安装棱镜玻璃或磨砂玻璃等来使直射光变成散射光。

图7-18　天窗

图7-19　百叶窗