公共空间中的光环境

§6．1　公共空间中的光环境

在大型公共建筑中，光不仅是为满足人们视觉功能的需要，而且是一个重要的美学因素。光可以形成空间、改变空间或者破坏空间，光直接影响到人对物体大小、形状、质地和色彩的感知。所以，不仅要充分考虑照明的功能要求，还要重视整个室内空间的艺术气氛。公共场所的照明是给人创造舒适的视觉环境，以及具有良好照度的工作环境，并配合室内的艺术设计起到美化空间的作用。

6．1．1　光环境中照明的基本概念

1．照度

人眼对不同波长的电磁波，在不同的辐射量时，有不同的明暗感觉，人眼的这个视觉特性称为视觉度，并以光通量作为基准单位来衡量。

光通量的单位为流明，光源的发光效率的单位为流明／瓦特。

光源在某一方向单位立体角内所发出的光通量称为光源在该方向的发光强度，单位为坎德拉。被光照的某一面上其单位面积内所接收的光通量称为照度，其单位为勒克斯。

2．光色

光色主要取决于光源的色温，并影响室内的气氛。色温低，感觉温暖；色温高，感觉凉爽。一般色温＜3 300K为暖色，3 300K＜色温＜5 300K为中间色，色温＞5 300K为冷色。光源的色温应与照度相适应，即随着照度的增加，色温也应相应提高。否则，在低色温、高照度下，会使人感到酷热；而在高色温，低照度下，会使人感到阴森的气氛。

设计者应联系光、目的物和空间彼此关系，判断其相互影响。光的强度能影响人对色彩的感觉，如红色的帘幕在强光下更鲜明，而弱光将使蓝色和绿色更突出。设计者应有意识地去利用不同色光的灯具，调整使之创造出所希望的照明效果。如点光源的白炽灯与中间色的高亮度荧光灯相配合。

3．亮度

亮度作为一种主观的评价和感觉，和照度的概念不同，亮度是表示由被照面的单位面积所反射出来的光通量，也称为发光亮，因此与被照面的反射率有关。例如在同样的照度下，白纸看起来比黑纸要亮。有许多因素影响亮度的评价，诸如照度、表面特性、视觉、背景、注视的持续时间甚至包括人眼的特性，等等。

4．显色性

当我们讲到物体是红色的，实际上是物体吸收了照在物体上面的白色光，反射了其光谱中红色的部分。最终分析得知，所吸收光的波长和反射能量的强度事实上依赖于被照表面的化学组成。例如我们都知道光滑闪亮的表面，无论什么颜色，都比同一颜色无光泽的表面反射更多的光。

如果光源的颜色发生变化，那么反射的颜色也会变化。最普通的例子是夜间道路照明用的钠灯，其中的黄光使物体形状清晰可辨，却减小了物体颜色的表现范围，于是一个蓝色的物体看起来是黑色的，或白色的物体变成黄色。这里我们的颜色记忆开始发挥作用，让我们能够判断我们所看到的东西好像照明条件很好那样。

颜色显色性这种现象对于照明设计师是极其重要的。不同的物体表面有其自己的色值（物体吸收或反射的颜色光谱范围）。物体也有反射系数值（即无论什么颜色，物体反射的光量）。用绿色的光泽涂料粉刷的墙面色值已知，反射系数很高；同样的墙面刷成无光泽的反射系数就低很多。因此对设计师而言最重要的变量是光色和反射系数。

人工光源的光色显色指数Ra最大值为100，80以上显色性优良；50～79显色性一般；50以下显色性差。

白炽灯Ra＝97；卤钨灯Ra＝95～99；白色荧光灯Ra＝55～85；日光灯Ra＝75～94；高压汞灯Ra＝20～30；高压钠灯Ra＝20～25；氙灯Ra＝90～94。

6．1．2　光源的类型

光源类型可以分为自然光源和人工光源。

白天，自然光的来源是日光；夜间则以反射月亮光的方式获得自然光，还有星光作补充。白天的自然光源由直射地面的阳光和天空光组成。太阳连续发出的辐射能量相当于约6 000K色温的黑色辐射体，但太阳的能量到达地球表面，经过化学元素、水分、尘埃微粒的吸收和扩散。被大气层扩散后的太阳能能产生天光，天光才是作为有效的日光光源，天光和大气层外的直接的阳光是不同的。当太阳高度角较低时，由于太阳光在大气中通过的路程长，太阳光谱分布中的短波成分相对减少更为显著，在朝、暮时，天空呈红色。当大气中的水蒸气和尘雾多，混浊度较大时，天空亮度高而呈白色。

依据光源发光的导电方式，人工光源的灯具主要有：白炽灯、荧光灯、高压放电灯、LED灯等。

一般公共建筑物所用的主要人工光源的灯具是白炽灯和荧光灯，放电灯由于其管理费用较少，近年也有所增加。每一种光源都有优点和缺点，但和早先的火光和烛光相比较，显然是一个很大的进步。

白炽灯的构造由两金属支架之间的一根灯丝，在气体或真空中发热而发光。在白炽灯光源中发生的变化是增加玻璃罩、漫射罩，以及反射板、透镜和滤光镜等进一步控制光。白炽灯的优点：光源小、便宜；具有种类极多的灯罩形式，并配有轻便灯架、顶棚和墙上的安装用具和隐蔽装置；通用性大，彩色品种多；具有定向、散射、漫射等多种形式；能用于加强物体立体感；白炽灯的光色最接近于太阳光色。白炽灯的缺点：其暖色和带黄色光，有时不一定受欢迎。日本最近还设计并制成能吸波长为570～590nm黄色光的玻璃壳白炽灯，使光色比一般的白炽灯白得多；对所需电的总量说来，发出的较低的光通量，产生的热为80%，光仅为20%；寿命相对地较短。

新型节能冷光灯泡，在灯泡玻璃壳面镀有一层银膜，银膜上面又镀一层氧化钛膜，这两层膜结合在一起，可以把红外线反射回去加热钨丝，而只让可见光透过，因而大大节能。使用这种100W的节电冷光灯，只耗用相当于40W普通灯泡的电能。白炽灯用不同的装潢和外罩制成，一些白炽灯采用晶亮光滑的玻璃，另一些白炽灯采用喷砂或酸蚀消光，或用硅石粉沫涂在灯泡内壁，使光更柔和，如图6－1所示。

卤钨灯体积小、寿命长。色彩涂层也运用于卤钨灯，如图6－2所示。卤钨灯的光线中都含有紫外线和红外线，因此受到卤钨灯长期照射的物体都会褪色或变质。最近日本开发了一种可以把红外线阻隔、将紫外线吸收的单端定向卤钨灯，这种灯有一个分光镜，在可见光的前方，将红外线反射阻隔，使物品不受热伤害而变质。

图6－1　白炽灯

图6－2　卤钨灯

荧光灯是一种低压放电灯，灯管内是荧光粉涂层，荧光灯能把紫外线转变为可见光，并有冷白色、暖白色、Deluxe冷白色。Delux暖白色和增强光等。颜色变化是由管内荧光粉涂层控制的。Deluxe暖白色最接近于白炽灯，Delux管放射更多的红色，荧光灯产生均匀的散射光，发光效率为白炽灯的1 000倍，其寿命为白炽灯的10～15倍，因此荧光灯不仅节约电，而且节省更换费用，如图6－3所示。

图6－3　紧凑型荧光灯

氖管灯（霓红灯）多用于商业标志和艺术照明，近年来也用于其他一些建筑。形成霓红灯的色彩变化是由管内的荧粉层和充满管内的各种混合气体，并非所有的管都是氖蒸汽，氩和汞也都可用。霓红灯和所有放电灯一样，必须有镇流器能控制的电压。霓红灯相当费电，但较为耐用。

LED已被全球公认为新一代的环保型高科技光源。LED照明是由超导发光晶体产生超高强度的灯光，LED发出的热量很少，不像白炽灯那样浪费太多热量，不像荧光灯那样因消耗高能量而产生有毒气体，也不像霓虹灯那样要求高电压而容易损坏。LED具有高光效能，比传统霓虹灯节省电能80%以上，工作安全可靠。LED改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。LED光源具有寿命长、光效高、无辐射与低功耗等特点。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80%～90%。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行比较，其结果显示：普通白炽灯的光效为12LM／W，寿命小于2 000h；螺旋节能灯的光效为60LM，寿命小于8 000h；T5三基色荧光灯的光效则为96LM，寿命约为10 000h；而直径为5mm的白光LED的光效为20～28LM／W，寿命大于100 000h。LED光源的优点：LED新型绿色环保光源：LED运用冷光源，眩光小，无辐射，使用中不产生有害物质。LED的工作电压低，采用直流驱动方式，超低功耗（单管0．03～0．06W），电光功率转换接近100%，在相同照明效果下比传统光源节能80%以上。LED的环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，而且废弃物可以回收，没有污染，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。LED为固体冷光源，使用寿命长，LED采用环氧树脂封装，抗震动，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达60 000～100 000h，是传统光源使用寿命的10倍以上。LED性能稳定，可在－30～＋50℃环境下正常工作。LED光源多变换，可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256种颜色，形成不同光色的组合。LED组合的光色变化多，可以实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。与传统光源的发光效果相比较，LED光源是低压微电子产品，成功地融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术和嵌入式控制技术等。传统LED灯中使用的芯片尺寸为0．25mm×0．25mm，而照明用LED的尺寸一般都要在1mm×1mm以上。LED裸片成型的工作台式结构、倒金字塔结构和倒装芯片设计能够改善其发光效率。目前一个典型的高光通量LED器件能够产生几流明到数十流明的光通量，更新的设计可以在一个器件中集成更多的LED，或者在单个组装件中安装多个器件，从而使输出的流明数相当于小型白炽灯，如图6－4所示。

不同类型的光源，具有不同色光和显色性能，对室内的气氛和物体的色彩产生不同的效果和影响，应按不同需要选择。

6．1．3　照明方式

在光环境中如果对光源不加处理，既不能充分发挥光源的效能，也不能满足室内照明环境的需要，有时还能引起眩光的危害。直射光、反射光、漫射光和透射光，在室内照明中具有不同用处。在一个空间内如果有过多的明亮点，不但互相干扰，而且造成能源的浪费。如果漫射光过多，也会由于缺乏对比而造成室内气氛平淡，甚至因其不能加强物体的空间体量而影响人对空间的错误判断。因此，利用不同材料的光学特性，利用材料的透明、不透明、半透明以及不同表面质地制成各种各样的照明设备和照明装置，重新分配照度和亮度，根据不同的需要来改变光的发射方向和性能，是室内照明应该研究的主要问题。例如利用光亮的镀银的反射罩作为定向照明，或用于雕塑、绘画等的聚光灯；利用经过酸蚀刻或喷砂处理成的毛玻璃或塑料灯罩，使光源形成漫射光来增加室内柔和的光线等。照明方式按灯具的散光方式分为：

图6－4　LED射灯

1．间接照明

由于将光源遮蔽而产生间接照明，把90%～100%的光射向顶棚、穹窿或其他表面，从这些表面再反射至室内。若间接照明紧靠顶棚，几乎可以造成无阴影，是最理想的整体照明，如图6－5所示。从顶棚和墙面上端反射下来的间接光，会造成天棚升高的错觉，但单独使用间接光，则会使室内平淡无趣。上射照明是间接照明的另一种形式，筒形的上射灯可以用于多种场合，如在房角地上、沙发的两端、沙发底部和植物背后等处。上射照明还能对准一个雕塑或植物，在墙上或天棚上形成有趣的影子。

图6－5　间接照明

2．半间接照明

半间接照明将60%～90%的光向天棚或墙面上部照射，把天棚作为主要的反射光源，而将10%～40%的光直接照于工作面。从天棚来的反射光，趋向于软化阴影和改善亮度比，由于光线直接向下，照明装置的亮度和天棚亮度接近相等。具有漫射的半间接照明灯具，对阅读和学习更可取，如图6－6所示。

图6－6　半间接照明

3．直接间接照明

直接间接照明装置，对地面和天棚提供近于相同的照度，即均为40%～60%，而周围光线只有很少一点，这样就必然在直接眩光区的亮度是低的。这是一种同时具有内部和外部反射灯泡的装置，如某些台灯和落地灯能产生直接间接光和漫射光，如图6－7所示。

图6－7　直接间接照明

4．漫射照明

漫射照明装置，对所有方向的照明几乎都一样，为了控制眩光，漫射装置圈要大，灯的瓦数要低。

5．半直接照明

在半直接照明灯具装置中，有60%～90%光向下直射到工作面上，而其余10%～40%光则向上照射，由下射照明软化阴影的光的百分比很少，如图6－8所示。

图6－8　半直接照明

6．宽光束的直接照明

宽光束的直接照明具有强烈的明暗对比，并可以造成有趣生动的阴影，由于其光线直射于目的物，若不用反射灯泡，要产生强的眩光。鹅颈灯和导轨式照明属于这一类，如图6－9所示。

7．高集光束的下射直接照明

高集光束的下射直接照明因高度集中的光束而形成光焦点，可以用于突出光的效果和强调重点的作用，这类照明可以提供在墙上或其他垂直面上充足的照度，但应防止过高的亮度比，如图6－10所示。

图6－9　宽光束的直接照明

图6－10　高集光束的下射直接照明

6．1．4　常用空间环境照明设计

吊灯。将灯具进行艺术处理，使之具有各种形式，满足人们对美的要求。最常见的是吊灯，选择吊灯时，应注意不同层高的房间的差别。空间高度较大的厅堂适合吊灯，若房间空间较矮，常采用吸顶灯或暗灯，如图6－11所示。

图6－11　吊灯照明

暗藏灯和吸顶灯。将灯具放在顶棚里称为暗藏灯，如图6－12所示。灯具紧贴在顶棚上称吸顶灯，如图6－13所示。顶棚上作一些线脚和装饰处理，与灯具相互组合，可以形成装饰性很强的照明环境。灯和建筑物天棚的装修相互结合，可以形成和谐美观的统一体。由于暗藏灯的开口位于天棚里，所以天棚较暗。而吸顶灯突出于天棚，有部分光射向天棚，就增加了天棚的亮度，降低灯与天棚的亮度差，有利于调整房间的亮度比。

图6－12　暗藏灯照明

图6－13　吸顶灯照明

壁灯。壁灯是安装在墙上的灯，用来提高部分墙面亮度，主要以本身的亮度和灯具附近表面的亮度，在墙上形成亮斑，以打破大片墙的单调气氛。壁灯对室内照度的增加不起太大作用，故常用在一大片平坦的墙面上或镜子的两侧。用多个简单而风格统一的灯具排列成有规律的图形。灯具本身装饰较为简洁，但由于采用几何图案的布置方式，并与建筑物有机结合，可以取得良好的装饰效果。壁灯强调了几何图形的韵律，获得整体的装饰效果。这种布置安装方便，光线直接射出，光通量损失少，技术合理，经济性强，如图6－14所示。

图6－14　壁灯照明

空间大面积照明艺术处理。这是将光源隐蔽在建筑构件之中，并和建筑构件或家具合成一体的一种照明形式。这种照明形式可分为两大类：一类是透光的发光顶棚、光梁、光带等；另一类是反光的光檐、光龛、反光假梁等。其共同特点是，发光体不再是分散的点光源，而是发光带或发光面，可以在室内获得较高的照度；光线扩散性极好，照度均匀，光线柔和，阴影浅淡；消除了直接眩光，大大减弱了反射眩光。具体的处理手法有以下几点：

（1）发光天棚。发光天棚是为获得稳定的照明条件，模仿天然采光的效果而设计的。在玻璃吊顶至天窗之间的夹层里装灯，便构成发光天棚。其构造方法有两种：一是把灯具直接安装在平整的楼板下表面，再用钢框架做成吊天棚的骨架，铺上某种扩散透光材料；二是使用反光罩，使光线更集中地投到发光天棚的透光面上。发光天棚的效率高低取决于透光材料的透光系数和灯具结构。可以采取下列措施提高其效率：加反光罩，使光通量全部投射到透光面上；设备层内表面保持高的反光系数，同时还要避免设备管道挡光；降低设备的层高，使灯靠近透光面。发光表面的亮度应均匀。为了不超过人眼觉察出的不均匀亮度比限（1∶1．4），设计时应使灯的间距和灯具至天棚表面的距离之比保持在一定的范围内，如图6－15所示。

（2）光梁和光带。将发光天棚的宽度缩小为带状发光面，就成为光梁或光带。光带的发光表面与天棚表面平齐，光梁则凸出于天棚表面，如图6－16所示。光梁和光带的光学特性与发光天棚相似。光带的轴线最好与外墙平行布置，并且使第一排光带尽量靠近窗户，这样可以使灯光照明和天然光线方向一致，如图6－17所示。光带的间距应不超过发光表面到工作面距离的1．3倍，以保持照度均匀。发光面的亮度均匀度，是由灯距与灯至玻璃表面的高度之比值来确定的。光带的缺点是发光面和天棚的亮度相差大。为改善这种状况，把发光面降低，使之突出于天棚，这样就形成光梁。光梁有部分直射光射到天棚上，降低了天棚和灯具之间的亮度对比。发光带的面积小、灯具密，因此表面亮度容易均匀。为提高采光效率。可以采取缩小光带断面高度，将断面做成平滑曲线，反射面保持高的反光系数等措施。

图6－15　发光天棚

图6－16　光梁

图6－17　光带

（3）格片式发光天棚。为了解决发光天棚、光带、光梁起眩光的矛盾，常采用格片式发光天棚。格片式发光天棚的构造原理为：格片是用金属薄板或塑料板组成的网状结构，其遮光角常做成格片上方的光源，把一部分光直射到工作面上，另一部分则经过格片反射或反射兼透射后进入室内，这样即使格片表面涂黑，室内仍有一定照度。格片天棚除了具有亮度较低、可控制表面亮度的优点外，还具有以下优点：很容易通过调节格片与水平面的倾角，得到指向性的照度分布；直立格片比平放的发光天棚积尘机会少；外观比透光材料做成的发光天棚生动；亮度对比小。这也是格片天棚照明形式在现代建筑中极为流行的原因。格片天棚表面亮度的均匀性也是由格片天棚上表面照度的均匀性决定的。格片天棚随灯泡的间距和格片天棚距离格片的高度而变。采用裸灯具时，若格片用不透明材料做成，则小于或等于格片的遮光角，格片多采用工厂预制，现场拼装的办法，所以使用方便。随着生产技术的发展，室内照度也日益提高，照明系统将散发出更多的热能，这给房间的空调、防火等带来新的问题。因此，要求建筑师对这些问题作综合考虑。这就希望格片式发光天棚是一个具有多功能的照明形式，把建筑装修、照明、通风、声学、防火等功能都综合在整体结构中。这样的体系不仅满足环境舒适、美观的需要，而且构件最少，节省建造时间，同时也能降低造价和运转费用，如图6－18所示。

图6－18　格片式发光天棚

（4）反光照明设施。反光照明是将光源隐藏在灯槽内，利用顶棚或其他表面做成反光表面的一种照明方式。反光照明具有间接型灯具的特点，又是大面积光源，光的扩散性极好，可以使室内完全消除阴影和眩光。由于光源的面积大，只要布置方法正确，就可以取得预期的效果。光效率比单个间接型灯具高一些。反光顶棚的构造及位置处理原则：设计反光照明设施时，必须注意灯槽的位置及其断面的选择，反光面应具有很高的光反射比。因此设计时应注意以下因素：灯槽至反光面的高度不能太小，应与反光面的宽成一定比例；光源在灯槽内的位置，保证站在房间另一端的人看不见光源；光源到墙面的距离不能太小，如荧光灯管，应不小于10～15cm，荧光灯管最好首尾相接。注意维修、清扫问题，以免积尘或清扫不便而影响光效率。

6．1．5　空间光环境设计概念

空间光环境设计，包括天然采光和人工照明两种。

1．天然采光

不仅因为天然光线的照度和光谱性质对人的视觉和健康有利，而且由于天然光线和室外自然景色联系在一起，天然光线还可以提供人们所关心的气候状态，提供三维形体的空间定时、定向和其他动态变化的信息，因此，天然光线对创造室内环境气氛十分重要。

天然采光所产生光和影本身就是一种特殊性质的艺术，当阳光透过树梢向地面洒下一片光斑，疏疏密密随风变幻，这种艺术魅力是难以用语言表达的。又如月光下的粉墙竹影和风雨中摇曳着的吊灯的影子，都表现出天然光的美。自然界中的光影由太阳光、月光所形成，而内部空间的光影艺术就要靠设计师来创造。我们应该利用各种照明装置，在恰当的部位，以生动的光影效果来丰富室内的空间，既可以表现以光为主，也可以表现以影为主，还可以光影同时表现。

天然光的采光设计，就是利用日光的直射、反射和透射等性质，通过各种采光口设计，给人以良好的视觉和舒适的光环境。

不同窗形有不同的作用，给人以不同的感受。水平窗可以使人舒展、开阔；垂直窗可以取得条屏挂幅式构图景观和大面积实墙；落地窗可以取得同室外环境的紧密联系感；高窗台可以减少眩光，取得良好的安定感和私密性；透过天窗可以看到天光的云影，并提供时光信息，使人有置身于大自然的感觉。而各种漏窗、花格窗，由于光影的交织，似透非透，虚实对比，使自然光投射到粉墙上，而产生变化多端、生动活泼的景色。各种洞口、柱廊、隔断、矮墙以及建筑构部件，同窗户一样，也可以使天然光在室内产生各种形式多样、变幻莫测的阴影，丰富多彩的视觉形象。

大多数室内环境都是利用光的透射特性，使天然光透过窗玻璃照亮室内空间的，因此窗玻璃就成了滤光器。人们利用各种玻璃的特性，又在室内造成不同感受的采光效果，无色的白玻璃给人以真实感，磨砂白玻璃使人产生朦胧感，玻璃砖给人以安定感，彩色玻璃给人以变幻神秘感。各种折射、反射的镜面玻璃又会给人们带来丰富多彩的感觉。阳光透过半圆形天窗，在走廊尽端墙上形成一道弧形光影，构成一幅美丽的图画。太阳光谱具有固定的光色，而人工照明却具有冷光、暖光、弱光、强光、各种混合光的效果，可以根据环境意境而选用。如果说色彩具有性格的倾向和感情的联想，那么人工照明却可以使色彩产生变化和运动。人工照明对室内光环境创造，环境氛围的渲染起到非常重要的作用，如图6－19所示。

2．人工照明

人工照明设计就是利用各种人造光源的特性，通过灯具造型设计和分布设计，造成特定的人工光环境。由于光源的革新、装饰材料的进步，人工照明已不只是满足室内一般照明，工作照明的需要，而进一步向环境照明、艺术照明发展。人工照明在大型公共建筑室内环境中，已成为不可缺少的环境设计要素。利用灯光指示方向，利用灯光造景，利用灯光营造空间氛围等，都是人工照明工作的体现。

图6－19　玻璃砖采光