城市道路照明對(duì)沿街建筑的光侵害影響研究

蘇曉明 郝占國(guó)

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072;2.天津大學(xué)城市規(guī)劃與建筑設(shè)計(jì)研究總院，天津 300072)

1 引言

隨著城市美化、亮化政策的相繼推出，越來(lái)越多的城市被點(diǎn)亮，越來(lái)越多的沿街住戶、賓館、旅店，受到了來(lái)自于城市照明的干擾，被剝奪了享受“黑暗”權(quán)利。因此，如何評(píng)價(jià)、控制城市道路照明所帶來(lái)的光侵害，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

從20世紀(jì)20年代開始，各國(guó)學(xué)者就開始了對(duì)光污染進(jìn)行研究。英國(guó)的光環(huán)境研究中心 (Lighting Research Center)指出:室外光污染可以分為三類，光溢散 (sky glow or upward light flux)、眩光污染(glare)和光侵害 (light trespass)。其中，光侵害的研究，在20世紀(jì)80年代后期，才開始受到廣泛的關(guān)注。在光侵害的研究過(guò)程中，其研究對(duì)象的選擇常常是“宏觀”的城市夜天空，或是“微觀”的獨(dú)立建筑窗口。沿用現(xiàn)有的成果，還不能夠?qū)ξ覈?guó)現(xiàn)有成規(guī)模的沿街建筑群體受到光侵害的水平進(jìn)行一個(gè)準(zhǔn)確的判斷和橫向的比較。因此，本文試圖通過(guò)對(duì)光侵害進(jìn)行定量化的分析，來(lái)為其提供有力依據(jù)。

2 居住建筑光侵害實(shí)地調(diào)研及模型建立

在2008年7月至2009年11月期間，本課題研究小組對(duì)我國(guó)天津、長(zhǎng)沙、鄭州3個(gè)城市的39個(gè)典型居住區(qū)沿街住宅的夜間光環(huán)境進(jìn)行了大量的實(shí)地調(diào)研。本次調(diào)研中，對(duì)沿街住宅建筑光侵害環(huán)境的測(cè)量和評(píng)價(jià)內(nèi)容主要包括:沿街住宅及其周邊環(huán)境形態(tài)、住宅立面光環(huán)境特征、住宅周邊夜間光環(huán)境特征、沿街住宅光侵害主觀評(píng)價(jià)4個(gè)方面。調(diào)研的數(shù)據(jù)包括實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、主觀評(píng)價(jià)問(wèn)卷以及自由問(wèn)卷三種形式。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到以下兩個(gè)主要結(jié)論:(1)城市道路照明是建筑受到光侵害的主要源頭; (2)居住區(qū)內(nèi)住宅建筑面向道路的窗口，是受到光侵害最嚴(yán)重的區(qū)域。圖1、圖2為我國(guó)沿街建筑受到道路照明干擾的實(shí)景照片。由此可見(jiàn)，道路照明在為城市道路提供基本的功能照明之外，還有很多光線溢散到了住宅的窗口，造成了光侵害。

圖1 沿街居住區(qū)建筑受到光侵害實(shí)例1

圖2 沿街居住區(qū)建筑受到光侵害實(shí)例2

本文在對(duì)光侵害現(xiàn)狀組成因素進(jìn)行提取分析的基礎(chǔ)上，利用排列組合方法，建立了包括燈具、光源、燈具投射角度、燈具高度、燈具間距、燈具到建筑之間距離 (空地)、居住建筑立面、反射率等元素的居住建筑光侵害模型，共計(jì)81個(gè)。其基本模型如圖3所示:該模型中水平面為車行道路和人行道路，其長(zhǎng)度均為兩倍燈間距。沿道路長(zhǎng)度建立了相應(yīng)長(zhǎng)度的建筑立面為模型中的鉛垂面，該建筑立面高10層樓，每層3米。沿建筑立面的長(zhǎng)度方向，以3米為模數(shù)，每隔3米設(shè)置1.5×2.1米采光窗口，模擬真實(shí)環(huán)境中住戶的窗口大小，如圖中的鉛垂面上的小方格。本文選用哈佛大學(xué)開發(fā)、設(shè)計(jì)的光污染模擬軟件 OLIVIA(Obtrusive Light，Intensity and Vertical Illuminate Analysis'program)分別對(duì)81個(gè)模型的光環(huán)境進(jìn)行計(jì)算。該軟件不但可以模擬天空溢散光、道路眩光和侵害光等不同區(qū)域、不同程度的光污染環(huán)境，同時(shí)，它還能夠?qū)Νh(huán)境中的亮度、照度、上射光通量等光環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析。經(jīng)過(guò)該軟件的模擬和計(jì)算得到特定條件下居住建筑窗口照度值、亮度值、地面照度、地面亮度、最小照度、平均照度及其均勻度等相關(guān)參數(shù)3645個(gè)，并得到了大量地面、墻面的光環(huán)境分布曲線。如圖4、圖5所示:圖中顯示的是15號(hào)模型計(jì)算的建筑立面照度曲線圖和路面照度曲線圖。從圖中可以看出，路燈不僅對(duì)路面產(chǎn)生了一定的影響。同時(shí)也對(duì)建筑的立面產(chǎn)生了類似的相應(yīng)的影響，而兩者在數(shù)值上也彼此相關(guān)。

圖3 光侵害模型

圖4 15號(hào)模型地面照度曲線圖

圖5 15號(hào)模型建筑立面照度曲線圖

3 居住建筑光侵害單因子影響分析

第一、光侵害與建筑立面平均照度的關(guān)系

根據(jù)已獲得的光侵害模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，排除模型中其他影響因素，對(duì)窗口照度與光侵害度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，如圖6所示。從圖中可以看到:當(dāng)建筑立面平均照度小于2lx時(shí)，建筑立面的光侵害度幾乎為0，而當(dāng)立面平均照度在2～5lx之間時(shí)，光侵害度隨著照度的提高不斷增加，到5lx及以上，光侵害度幾乎為100%。這說(shuō)明，控制建筑立面的平均照度，能夠有效的控制沿街的光侵害度。

圖6 光侵害度與建筑立面照度關(guān)系圖

第二、光侵害與燈桿高度的關(guān)系

沿道路的建筑立面受到光侵害，主要是由道路照明引起的。當(dāng)不考慮道路照明中其他因素時(shí)，對(duì)道路照明燈桿高度與沿街建筑光侵害度的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析，其結(jié)果如圖7所示。圖中的數(shù)據(jù)來(lái)自于81個(gè)沿街建筑光侵害模型。模型模擬建筑受到光侵害結(jié)果與其相對(duì)應(yīng)的燈桿高度 (6米、9米和12米)存在一定的關(guān)系:6米燈桿所對(duì)應(yīng)的光侵害度在50%～80%之間，且分布較均勻。6米高燈桿對(duì)應(yīng)的光侵害度值沒(méi)有超過(guò)100%的。這說(shuō)明，6米左右的燈桿高度會(huì)對(duì)建筑立面產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的、對(duì)應(yīng)關(guān)系較強(qiáng)的光侵害度。9米燈桿對(duì)應(yīng)的光侵害度值在50%～100%中分布，且在50%、100%兩個(gè)數(shù)值附近較為集中。說(shuō)明9米高度的燈桿對(duì)建筑立面的影響會(huì)跟據(jù)環(huán)境的不同 (主要是建筑與光源之間的距離，以及燈具的角度的影響)，而呈現(xiàn)出較低的光侵害度和較高的光侵害度兩類極端情況。而12米燈桿所對(duì)應(yīng)的光侵害度主要集中在100%處。證明，較高的燈桿極易在環(huán)境中產(chǎn)生較大的光侵害。

圖7 光侵害度與燈桿高度關(guān)系圖

再橫向?qū)Ρ雀黝悷魲U與光侵害度之間的關(guān)系，可見(jiàn)，從6米到12米的燈桿隨著高度的增長(zhǎng)帶來(lái)的光侵害度的不斷提高。

當(dāng)在模型中增加建筑立面平均照度因素時(shí)，燈桿高度與光侵害度及平均照度的關(guān)系如圖8所示。圖中圓圈的大小表示建筑立面的平均照度值的大小。所以可以看出:

①無(wú)論是燈桿高度的增高，還是建筑立面光侵害度的增強(qiáng)，都將意味著建筑立面平均照度值的增加。

圖8 光侵害度與燈桿高度、建筑立面照度水平關(guān)系圖

②6米高燈桿所對(duì)應(yīng)的光侵害度與立面照度值同時(shí)增加。即隨著光侵害度的增加，立面平均照度值提升緩慢。當(dāng)光侵害度從60%提升到90%時(shí)，對(duì)應(yīng)的立面平均照度變化較小。因此，可以證明，當(dāng)燈桿較低時(shí)，雖然建筑的光侵害度較高 (60%～90%)，但建筑立面照度水平較低。

③9米高燈桿所對(duì)應(yīng)的建筑立面照度，隨著光侵害度的增加增幅較大。建筑光侵害度從70%到90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的建筑立面照度也有明顯提高。這說(shuō)明，當(dāng)燈桿高度為中等高度時(shí) (9米左右)，建筑光侵害度提高，將伴隨著建筑立面平均照度的提高。

④12米高燈桿所對(duì)應(yīng)的建筑立面照度值，在光侵害度為100%時(shí)有顯著提高。這說(shuō)明，當(dāng)燈桿較高，建筑光侵害度較高時(shí) (100%)，建筑立面處于一個(gè)高照度的水平。

第三、光侵害與燈具仰角的關(guān)系

沿街住宅立面光侵害度與沿街燈具仰角有密切的關(guān)系。當(dāng)排除其他影響因素時(shí)，只考慮燈具仰角對(duì)光侵害度產(chǎn)生的影響，可得到關(guān)系圖9。圖中各點(diǎn)標(biāo)注的是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁捎玫臒艟叩难鼋?(以垂直向下為0度)，橫坐標(biāo)為燈具仰角，縱坐標(biāo)為光侵害度。圖中顯示:

①當(dāng)燈具的仰角從0°～10度增加時(shí)，光侵害度逐漸減小。即圖中顯示的曲線低谷部分。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行分析可知，產(chǎn)生這個(gè)結(jié)果的主要原因，是燈光的投射方向從垂直向下逐漸向道路中心線靠近時(shí)，遠(yuǎn)離道路中心線的建筑立面得到的光線越來(lái)越少，由此產(chǎn)生的光侵害度也比較小，并逐漸降低。

圖9 光侵害度與燈具仰角關(guān)系圖

②當(dāng)燈具的仰角在10～20度之間變化時(shí)，建筑立面受到的光侵害度變化并不明顯。此時(shí)，燈具投出的光線主要落在了道路上，只有少部分光線直接照射到建筑的立面上，建筑立面此時(shí)也只接收了路面照明產(chǎn)生的少量反射光線。

③當(dāng)燈具的仰角大于20度時(shí)，建筑立面受到的光侵害度隨著燈具仰角的增大而逐漸增大?；境删€性變化。產(chǎn)生這樣結(jié)果的主要原因，是建筑立面受到道路對(duì)側(cè)燈光的照射，其程度隨著燈具仰角的加大而逐漸加大。

4 居住建筑光侵害度公式計(jì)算

在特定的道路環(huán)境模式下，對(duì)光侵害單一的影響因子進(jìn)行分析，有利于尋找影響光侵害的不利因素。而在對(duì)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)和比較分析的過(guò)程中，由于現(xiàn)象的影響因素之間會(huì)產(chǎn)生相互作用，所以只有充分考慮各影響因素的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的作用之后，才能夠準(zhǔn)確的對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行評(píng)價(jià)。如:根據(jù)道路照明的相關(guān)規(guī)定，道路光侵害環(huán)境中，道路燈桿的高度與燈桿之間的間距有一定的制約關(guān)系。同時(shí)，兩者的變化使得建筑立面照度也產(chǎn)生變化;而根據(jù)城市規(guī)劃中的相關(guān)規(guī)定，不同的道路寬度又對(duì)道路與建筑之間的距離產(chǎn)生影響。因此，有必要對(duì)光侵害度評(píng)價(jià)的相關(guān)因子進(jìn)行回歸分析，尋找各個(gè)因素對(duì)光侵害度的綜合作用效果。

在對(duì)光侵害度的影響因子進(jìn)行回歸分析時(shí)，設(shè)定建筑立面受到的光侵害度為T。依據(jù)北美照明工程學(xué)會(huì)規(guī)定的單窗口受到光侵害時(shí)照度值為3lx，本文將建筑立面受到的光侵害度T設(shè)為，相應(yīng)建筑立面上照度超過(guò)3lx窗口總數(shù)除以建筑立面窗口總數(shù)，單位為%。利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)該指標(biāo)的相關(guān)因子:光源光效、燈具到建筑的距離、燈具間距離等利用剔除法進(jìn)行回歸計(jì)算，得到光侵害度相關(guān)系數(shù)表，如表1所示。

表1 光侵害度相關(guān)系數(shù)表

從表中能夠看到，進(jìn)行回歸分析的第一次計(jì)算時(shí)，只引入了與光侵害度相關(guān)性最大的光源光通量指標(biāo)。兩者的相關(guān)性為0.646。當(dāng)引入該指標(biāo)后，建立了第一個(gè)光侵害回歸模型。在這個(gè)數(shù)學(xué)模型中，選用了光源光通量和常數(shù)項(xiàng)兩個(gè)參數(shù)對(duì)光侵害度進(jìn)行描述。對(duì)該模型進(jìn)行t檢驗(yàn)，得到的檢驗(yàn)結(jié)果的概率為0.395。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，該值只有小于0.05時(shí)，方程才能夠成立。因此說(shuō)明，在實(shí)際情況中，光源光通量并不能夠直接指示建筑受到光侵害度的大小。如上所述，分別對(duì)模型進(jìn)行了第二次，第三次回歸分析。其中，第二次回歸關(guān)系式雖然成立，但是，模型的判定系數(shù)和相關(guān)系數(shù)都不如第四個(gè)模型高，因此放棄。

最終，當(dāng)引入光源光通量、道路邊緣到建筑的距離、燈桿高度、同側(cè)燈桿的安裝距離四個(gè)相關(guān)參數(shù)時(shí)，模型同時(shí)通過(guò)了t檢驗(yàn)和判定系數(shù)的檢驗(yàn)，并建立了沿街建筑受到光侵害程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)——光侵害度的回歸方程式Y(jié)=β0+β1x1+β2x2+β3x3+β3x3(其中β為常數(shù))。代入表1中給出的相關(guān)系數(shù):常數(shù)項(xiàng)為32.285;光源光通量的系數(shù)為0.002;光源到建筑距離的系數(shù)－1.935;燈桿高度系數(shù)2.719;同側(cè)燈桿安裝距離系數(shù)－0.62，可得到光侵害度方程如下:

T=32.285+0.002L－1.935S+2.719H－0.616D

其中:T——沿街住宅光侵害度;

L——燈具總光通量;

S——光源到建筑距離;

H——燈桿高度;

D——同側(cè)燈桿安裝距離。從公式中可以看到，沿街住宅建筑受到的光侵害度與光源光通量、燈桿高度成正相關(guān)，而與同側(cè)燈桿安裝距離，光源到建筑距離成負(fù)相關(guān)。所以，在光源一定的情況下，為減少道路照明對(duì)建筑產(chǎn)生的光侵害，可以通過(guò)降低燈具的高度、增加同側(cè)燈桿間距等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。而變化程度的確定，則應(yīng)通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)光侵害度進(jìn)行定義和量化研究，提出了城市道路與周邊建筑的環(huán)境模式?jīng)Q定沿街建筑受到光侵害的程度的大小這一結(jié)論，并根據(jù)道路模型中的相關(guān)因子分析，指出了城市道路與建筑之間的距離、城市道路照明因素與建筑受到的光侵害度之間的密切關(guān)系。這為城市載體下的光污染研究開拓了新的思路，為城市道路系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了必要的支持。

依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行的城市道路沿街建筑受到光侵害度的回歸計(jì)算，為準(zhǔn)確、定量化的評(píng)價(jià)光侵害這一軟環(huán)境提供了重要的手段，同時(shí)希望該研究思路和分析方法能夠應(yīng)用到光環(huán)境甚至城市環(huán)境研究領(lǐng)域的更多方面。

［2］詹慶旋.光·建筑·域市——呼喚建筑師關(guān)注光環(huán)境設(shè)計(jì)［J］.世界建筑，2000，(06).P18～21.

［3］Marc Gillet，P.Rombauts，Precise Evaluation of Upward Flux from Outdoor Lighting Installations，Lighting Pollution Symposium，March 2002.

［4］JA Brons，Outdoor site-lighting performance:A comprehensive and quantitative framework forassessing lightpollution，Lighting Research and Technology September 2008.

［5］Ian Lewin，Ph.D.，F(xiàn)IES，L.C.，Light Trespass and Light Pollution，Paper to the IESNA Street and Area Lighting conference Minneapolis， Minnesota， USA September 2000，P9.

［6］JGJ/T163—2008.城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范.