世博會(huì)場(chǎng)館LED媒體界面設(shè)計(jì)手法與發(fā)展趨勢(shì)

吳維聰

(同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，同濟(jì)大學(xué)高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

1 引言

當(dāng)今世界建筑思潮多元化， “媒體建筑”也已成為建筑界的熱門詞匯，利用建筑界面敘述及傳遞信息的方法得到了極大地發(fā)展?；贚ED照明技術(shù)的媒體界面則是依靠照明科技實(shí)現(xiàn)建筑外表皮數(shù)字化、可控可變、可交流、可互動(dòng)的建筑立面形式。它改變“建筑是凝固的音樂(lè)”這一概念，成為最為時(shí)尚的“建筑外衣”。LED元器件小尺寸、多色彩、可調(diào)控的特性為面積更大、更為復(fù)雜的媒體界面設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。媒體信息不再只依靠立面上一塊矩形顯示屏傳遞，整個(gè)建筑表皮都成為新媒介，建筑構(gòu)件也被賦予新的意義。

作為各國(guó)科技實(shí)力展示平臺(tái)，世博會(huì)場(chǎng)館建筑不僅提供展覽空間，自身更是展覽內(nèi)容的重要組成部分。歷來(lái)世博會(huì)建筑不乏里程碑式的建筑出現(xiàn)，其建筑形式也反應(yīng)出當(dāng)時(shí)建筑設(shè)計(jì)理念和技術(shù)水平。本屆中國(guó)2010上海世博會(huì)也已成為“媒體建筑”快速發(fā)展的契機(jī)，園區(qū)內(nèi)諸多場(chǎng)館各展特色，顯示世界前沿藝術(shù)和技術(shù)的魅力。其中結(jié)合LED照明技術(shù)運(yùn)用不同亮度，色彩對(duì)比的光線在建筑界面上創(chuàng)造出動(dòng)態(tài)連貫的媒體圖像的LED照明技術(shù)媒體界面，更在夜晚為世博園創(chuàng)造了不少的視覺(jué)興趣點(diǎn)。這些動(dòng)態(tài)界面不僅改變了我們對(duì)于建筑的理解和感知，同時(shí)也給公眾帶來(lái)了新的交流方式和多層面信息，創(chuàng)造出由光、時(shí)間和感官相互融合的新空間。

2 LED媒體界面建筑化像素形成方式

LED媒體界面的視覺(jué)設(shè)計(jì)要點(diǎn)是像素。像素的尺寸及間距、像素的多少、像素的亮度及色彩等性質(zhì)左右著媒體界面的最終展現(xiàn)效果及觀看者對(duì)于媒體信息的獲取。在世博會(huì)場(chǎng)館的諸多媒體界面中，建筑構(gòu)件作為建筑化像素的載體與LED光源主要以四種組合方式構(gòu)成媒體界面。

2.1 投光方式

投光方式是指將光線直接投射到建筑構(gòu)件表面，通過(guò)光線的漫反射形成媒體界面像素的視覺(jué)形象。由于LED燈具體積小、定向性好等特點(diǎn)，LED燈具適合隱藏于建筑細(xì)部構(gòu)件中。燈具距離建筑立面較近，需要選擇合適配光的燈具，以保證光線能夠較為均勻地投向建筑。不透明或半透明材料是投光照明的主要載體。

(1)正面投光

LED投光燈具一般位于建筑構(gòu)件下方向上投射，遮蔽性好，由此形成的媒體界面，對(duì)于建筑外部的觀者位于視線以上，有效地控制眩光;但對(duì)于建筑室內(nèi)的使用者，仍需格外注意控制眩光。正面投光的方面易形成連續(xù)的媒體界面，圖像效果通常以面狀的像素為基礎(chǔ) (圖1)，通常像素點(diǎn)較大，媒體圖像精度較低，適合遠(yuǎn)距離觀看。

圖1 正面投光示意圖

世博主題館南北立面的雙層幕墻系統(tǒng)，在外層不銹鋼板幕墻開設(shè)方孔。開孔下方，結(jié)合幕墻構(gòu)件安裝了全彩LED線性投光燈，對(duì)內(nèi)層的釉點(diǎn)玻璃幕墻進(jìn)行投射，在南北立面上產(chǎn)生光色漸變及低像素圖形效果 (圖2)。

(2)側(cè)面投光

圖2 世博主題館南立面媒體界面實(shí)景

該方式適合與建筑豎向構(gòu)件結(jié)合，LED投光燈具一般沿構(gòu)件縱向平行放置，直接對(duì)構(gòu)件側(cè)面進(jìn)行投射。圖像效果以線狀像素為基礎(chǔ)，近視點(diǎn)范圍內(nèi)圖像連續(xù)性較弱 (圖3)。

圖3 側(cè)面投光示意圖

中國(guó)船舶館鋼龍骨和世博中心的折線玻璃幕墻均使用了此種照明方式。為了避免燈具對(duì)建筑日間景觀的影響，設(shè)計(jì)師充分地考慮燈具與建筑構(gòu)件結(jié)合的方式。世博中心幕墻部分主要使用雙層鋼化玻璃夾金屬絲網(wǎng)、雙層透明鋼化玻璃和橫豎向深灰色鋁型材。選用線性LED燈具鑲嵌在鋁型材上，對(duì)雙層玻璃間的金屬絲網(wǎng)面進(jìn)行投射，很好地隱藏了燈具 (圖4左)。而中國(guó)船舶館鋼龍骨造型簡(jiǎn)潔，線性白光LED燈具直接通過(guò)金屬件固定在其側(cè)面，燈具外觀顏色與鋼結(jié)構(gòu)相同 (圖4右)。前者照明設(shè)計(jì)師較早地介入項(xiàng)目與幕墻公司配合，完美地隱藏?zé)艟?后者則是在建筑施工后期進(jìn)行彌補(bǔ)，通過(guò)保持燈具表面材料與建筑構(gòu)件的一致，選擇最佳配光曲線的燈具及多次調(diào)整燈具安裝角度，最大程度地減少眩光。

圖4 媒體界面細(xì)部實(shí)景

2.2 透光方式

透光方式是指將燈具隱藏在建筑界面的外層透光材料之后，通過(guò)光線的漫透射和折射形成媒體界面像素的視覺(jué)形象，透光構(gòu)件成為光的承載層。透光材料遮蔽光源，能有效地解決眩光問(wèn)題。常見透光材料有合成樹脂膜材料，ETFE膜，聚酯板材，磨砂玻璃，纖維織物等。

(1)邊緣掠射

LED投光燈具在建筑構(gòu)件邊緣內(nèi)側(cè)以接近于90°的光入射角對(duì)透光材料進(jìn)行投射，形成有著色彩漸變效果的像素點(diǎn) (圖5)。

圖5 邊緣掠射透光示意圖

天下一家館通過(guò)成組的線性LED燈具從內(nèi)部掠射建筑外立面三角形PC板單元，力圖通過(guò)光與影的變化、交互式動(dòng)態(tài)變化以及球體之間的明暗色彩變化，將建筑幻化為5個(gè)“水晶彩球” (圖6左);愛(ài)爾蘭館立面則是在陽(yáng)光板的端部安裝線性LED燈具向上掠射 (圖6中);韓國(guó)企業(yè)聯(lián)合館外立面采用了可循環(huán)利用的合成樹脂膜材料塑造建筑立面水波造型，實(shí)現(xiàn)水波的色彩漸變 (圖6右)。透光方式利用此類高分子有機(jī)材料在光線的穿透和承載方面的優(yōu)勢(shì)及各異性，打造出不同質(zhì)感的媒體界面。

(2)勻光

勻光是指用透光構(gòu)件遮蔽LED發(fā)光面并與其平行，LED光源直接對(duì)構(gòu)件進(jìn)行投射。由于大部分透光材料為光散射材料，光線透過(guò)后會(huì)發(fā)生散射，光線變得更為柔和，不會(huì)形成明顯的光斑，也能將彩色光混合得更為均勻 (圖7)。勻光的方式可將一個(gè)或多個(gè)LED光源進(jìn)行混光，能將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)化為面光源，形成面狀像素。

圖6 建筑場(chǎng)館實(shí)景圖

圖7 勻光示意圖

石油館的表面用縱橫交錯(cuò)的聚碳酸酯“管道”編織而成，背后安裝有一萬(wàn)余顆LED光源，構(gòu)成了一個(gè)巨型媒體界面，充分傳達(dá)數(shù)字信息 (圖8左)。信息通信館展館外立面6000多塊特殊的聚碳酸酯蜂窩狀面板 (圖8中)以及太空家園館外幕墻的通透性織物都對(duì)其后的LED光源進(jìn)行了勻光 (圖8右)。此類建筑界面運(yùn)用透光材料降低了LED媒體顯示的直接視看亮度與對(duì)比度，透光材料的肌理通過(guò)光線的強(qiáng)弱對(duì)比，傳達(dá)建筑實(shí)體造型與媒體虛擬圖像的雙重信息。

圖8 建筑場(chǎng)館實(shí)景圖

2.3 導(dǎo)光方式

導(dǎo)光方式是指利用玻璃、亞克力、PC板材等材料的導(dǎo)光特性進(jìn)行照明。一般情況下，透光材料經(jīng)印刷鍍點(diǎn)處理，使光從側(cè)邊斷面進(jìn)入板材后能夠均勻的從板材上表面射出，從而將點(diǎn)光源或線光源轉(zhuǎn)化為面光源，形成面狀像素 (圖9右);光線從側(cè)邊斷面進(jìn)入板材，由于全反射原理，光線將在板材內(nèi)向前傳播，光從另一側(cè)邊導(dǎo)出，形成點(diǎn)狀或線狀像素 (圖9左)。LED由于體積小、光束角小的特點(diǎn)能與板材結(jié)合成一體，形成構(gòu)件自發(fā)光的效果。

英國(guó)館每根亞克力“觸須”的底端都裝有一個(gè)LED點(diǎn)光源 (圖10);“觸須”端頭植入各式種子，象征著生命的孕育和萌發(fā)。LED光線均勻地照亮整個(gè)“觸須”，光線通過(guò)材料的導(dǎo)光性在亞克力端部形成更亮的光點(diǎn)。眾多的光點(diǎn)還能形成低像素的信息圖像，為進(jìn)一步的媒體界面設(shè)計(jì)拓展了思路。

圖9 導(dǎo)光方式示意圖 (左:光從側(cè)邊導(dǎo)出 右:光由上表面導(dǎo)出)

圖10 英國(guó)館亞克力棒縱剖示意圖

2.4 自發(fā)光方式

自發(fā)光方式是指把LED光源直接作為媒體界面的點(diǎn)狀像素或線狀像素。為了避免燈具影響觀看者的視線，燈具須與建筑構(gòu)件緊密結(jié)合。LED燈具可貼壁安裝，也可將LED光源直接嵌入建筑構(gòu)件，在設(shè)計(jì)中把兩者完全融為一體，比如LED安全玻璃、LED混凝土。自發(fā)光方式應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注重考慮防眩光設(shè)計(jì)。

世博軸的陽(yáng)光谷部分是鋼結(jié)構(gòu)幕墻構(gòu)造，LED星光燈直接安裝于結(jié)構(gòu)骨架的交接處，并用PVC管走線，形成簡(jiǎn)潔輕盈的界面風(fēng)格。通過(guò)LED點(diǎn)陣直接顯示文字、圖形、視頻等信息，成為世博軸的信息媒介 (圖11左)。德國(guó)館內(nèi)長(zhǎng)達(dá)50米的“動(dòng)感隧道”展廊兩側(cè)安裝有9000個(gè)像素點(diǎn)的LED玻璃(圖11右)。該媒體界面是在玻璃之間夾入LED芯片，采用幾乎透明的低壓電路板，由此產(chǎn)生發(fā)光點(diǎn)懸浮在玻璃中的效果。同時(shí)LED光源容易控制，提供變色，閃光等動(dòng)態(tài)效果，能賦予界面更多的變化。

圖11 實(shí)景效果

3 半導(dǎo)體建筑媒體界面發(fā)展趨勢(shì)

在本次世博會(huì)上還出現(xiàn)了多種的展示與體驗(yàn)方式，如平面的二維展示、IMAX巨幕、四維電影體驗(yàn)等。同樣LED媒體界面也在追求二維上的突破，試圖將空間感受帶入其中。設(shè)計(jì)師力圖開拓多元設(shè)計(jì)空間，增強(qiáng)人們視覺(jué)的趣味性、意境的延伸性。

3.1 建筑構(gòu)件像素化:從平面到空間

上述世博會(huì)場(chǎng)館建筑界面的方形、圓形、蜂窩形、管狀等造型各異的建筑構(gòu)件單元成為光的載體，與單個(gè)LED燈具或成組LED燈具相結(jié)合形成點(diǎn)狀、線狀或面狀的平面像素，構(gòu)成了不同分辨率的圖像效果。場(chǎng)館中作為像素載體的建筑構(gòu)件被處理成大小錯(cuò)落的狀態(tài)或斜向縱深的感覺(jué)。盡管這些建筑構(gòu)件的肌理豐富了建筑的表情，媒體界面的視覺(jué)效果仍然是由平面像素提供的二維圖像。本次世博會(huì)一些設(shè)計(jì)師試圖突破平面像素的界限，將光源、構(gòu)件、空間融為一體，形成空間像素 (圖12)?？臻g像素可以增強(qiáng)建筑造型的立體感和層次感，并強(qiáng)調(diào)白天的光影效果。

圖12 平面像素的拓展

丹麥館長(zhǎng)達(dá)50米、高12米的建筑立面鑲嵌著超過(guò)3500個(gè)大小深度不一的孔洞。每個(gè)孔洞曲面采用透光膜材料，單顆可獨(dú)立控制的全彩LED點(diǎn)光源安裝在其后，照亮整個(gè)曲線光承載層。光承載層結(jié)合室內(nèi)的光環(huán)境及曲面圍合的空間一起構(gòu)成了一個(gè)空間像素點(diǎn) (圖13)。通過(guò)鏤空的孔洞，丹麥館呈現(xiàn)出一個(gè)低像素的媒體界面 (圖14)。這種處理巧妙地運(yùn)用空間像素延展了建筑室內(nèi)空間，并以空間的體積感促進(jìn)媒體界面的視覺(jué)沖擊力，讓人們感受到像素點(diǎn)的空間存在。

圖13 丹麥館空間像素示意圖

圖14 丹麥館媒體界面實(shí)景圖

3.2 多層化發(fā)展

突破建筑媒體界面二維化的另外一種方式是嘗試通過(guò)增加承載光的構(gòu)件層次，打破傳統(tǒng)單一的顯示方式，實(shí)現(xiàn)豐富多樣的圖像媒體界面 (圖15)。

進(jìn)入世博文化中心西入口，觀眾可以看到大型媒體界面—— “東方之夢(mèng)”。該媒體界面構(gòu)造系統(tǒng)是由均質(zhì)LED基層、塑料薄膜光介質(zhì)層以及磨砂玻璃圖像承載層構(gòu)成。LED基層是由間距為40 mm×40 mm的LED發(fā)光點(diǎn)陣構(gòu)成，塑料薄膜光介質(zhì)層是由白色半透明塑料薄膜與黑色塑料薄膜共同鋪置，黑白相間的紋理則可根據(jù)表達(dá)的藝術(shù)效果而定;磨砂玻璃圖像承載層是普通玻璃經(jīng)過(guò)磨砂處理。LED屏幕變幻的動(dòng)畫以及塑料袋自身形成的圖案，兩者有機(jī)結(jié)合，并經(jīng)過(guò)磨砂玻璃使得影像產(chǎn)生朦朧美，宛如中國(guó)傳統(tǒng)的水墨畫。南入口大廳的媒體界面“綻放”的LED基層與玻璃承載面與上述相同，而光介質(zhì)層使用馬口鐵刻模壓制。馬口鐵本身不透光，刻制后拉伸花紋中心，使其凸出0～5 cm形成縫隙，光從背面透過(guò)縫隙射出，最終在磨砂玻璃上呈現(xiàn)出綻放的玫瑰花圖案 (圖16)。

多層化媒體界面避免圖像形式的單調(diào)乏味，以及近距離時(shí)顯示屏產(chǎn)生的眩光問(wèn)題，效果多變又可滿足不同尺度的空間應(yīng)用，適用于各類室內(nèi)外公共場(chǎng)合。

圖15 媒體界面多層化發(fā)展

圖16 世博文化中心南北入口大廳媒體界面局部圖

3.3 多維度拓展

新興媒體界面的應(yīng)用不僅帶給人們?nèi)碌囊曈X(jué)感受，在視覺(jué)樣式的擴(kuò)展和應(yīng)用方面也為人們提供了無(wú)止境的可能性。半導(dǎo)體媒體界面的設(shè)計(jì)由二維平面延伸到三維空間。二維的媒體界面只傳送一個(gè)平面的信息，而三維的界面?zhèn)魉偷氖敲襟w內(nèi)容的多層次信息。

設(shè)計(jì)師嘗試將平面像素疊加 (圖17左)，如匈牙利館內(nèi)外界面均由一根根高低不同、直徑約10厘米左右木棍組成，室內(nèi)有600根可動(dòng)的3.5米高木棍錯(cuò)落有致地密布整個(gè)展館。這些木棍呈四方形木套筒式，木棍底端內(nèi)嵌全彩LED燈具，木棍可以隨著音樂(lè)的旋律上下移動(dòng)，木棍底端LED像素點(diǎn)隨之形成一個(gè)三維可變的、相互滲透的媒體界面，創(chuàng)造出豐富的空間層次變化 (圖18左)。英國(guó)館的室內(nèi)LED界面由點(diǎn)狀像素堆砌起異形的不同維度的建筑界面 (圖18右)。

此外，近年來(lái)一些建筑師及照明設(shè)計(jì)師也致力開發(fā)一種自動(dòng)立體顯示媒體界面，把平面像素多次疊加，企圖復(fù)現(xiàn)景物的真實(shí)空間關(guān)系，而三維圖像的生成也不再依賴類似3D眼鏡等裝置 (圖17右)。媒體界面的構(gòu)圖關(guān)系從二維走向三維，媒體界面的構(gòu)成要素也從“像素”走向“體素①體素或立體像素 (voxel)，是體積像素 (volume pixel)的簡(jiǎn)稱。概念上類似二維空間的最小單位——像素，像素用在二維電腦圖像的影像資料上。體積像素一如其名，是數(shù)位資料于三維空間分割上的最小單位，應(yīng)用于三維成像、科學(xué)資料與醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域。有些真正的三維顯示器運(yùn)用體素來(lái)描述它們的分辨率，舉例來(lái)說(shuō):可以顯示512×512×512體素的顯示器?！?。于是建筑界面的設(shè)計(jì)有了質(zhì)的轉(zhuǎn)變，建筑界面形態(tài)得到新的發(fā)展。

圖17 平面像素多維度的拓展

圖18 室內(nèi)半導(dǎo)體媒體界面

浦西片區(qū)的上海企業(yè)聯(lián)合館的外圍立面材料采用聚碳酸酯透明塑料管。并在每一根豎管中按照0.25 m的間距嵌入LED點(diǎn)光源，每根塑料管相距0.5m，形成了一個(gè)超過(guò)20萬(wàn)像素的63 m×45 m×19 m LED三維建筑媒體界面。場(chǎng)館外整個(gè)建筑物的圖像顯示隨著參觀者的互動(dòng)產(chǎn)生變化 (圖19)。上海企業(yè)聯(lián)合館結(jié)束了建筑媒體二維界面時(shí)代，一個(gè)新的半導(dǎo)體媒體界面正在形成趨勢(shì)。

圖19 上海企業(yè)聯(lián)合館三維媒體界面實(shí)景圖

4 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代社會(huì)多媒體信息技術(shù)的沖擊下，本屆世博會(huì)充分利用LED光源優(yōu)勢(shì)，結(jié)合場(chǎng)館界面建筑材料與構(gòu)造方式的不同特性，構(gòu)筑了多樣化的媒體界面。中國(guó)2010上海世博會(huì)LED建筑媒體界面延伸了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域并且在設(shè)計(jì)上突破了空間限制。LED建筑媒體界面在視覺(jué)功效、經(jīng)濟(jì)性以及呈現(xiàn)效果方面都還有較大的提升空間，激勵(lì)著設(shè)計(jì)師不斷提出建筑媒體界面設(shè)計(jì)新思路及解決方案。

［1］郝洛西，林怡，胡國(guó)劍，楊秀，吳維聰.世博文化中心照明設(shè)計(jì).照明設(shè)計(jì)，2010/05/06:38～41

［2］錢關(guān)榮，鄧潘麗.世博中心照明設(shè)計(jì).照明設(shè)計(jì)，2010/05/06:42～44

［3］林怡，鄒子敬.世博主題館夜景照明設(shè)計(jì).照明設(shè)計(jì)，2010/05/06:46～49

［4］李勛棟，郝洛西.建筑外立面LED照明建筑化應(yīng)用研究.照明工程學(xué)報(bào)，2009/03:6～11

［5］中國(guó)照明電器協(xié)會(huì)，上海市照明學(xué)會(huì).2010上海世博會(huì)照明應(yīng)用論壇論文集

［6］Matthias Hank Haeusler.Media Facades.2009

［7］MatthiasHank Haeusler. Chromatophoric Architecture(Architecture Positioning).2010