建筑用光學(xué)問多

王梓

在一個相當(dāng)長的歷史階段，人類利用自然光和火光照明，在建筑中創(chuàng)造了不少有效的采光和照明方法。隨著人類文明的進(jìn)步，建筑的采光也變得更加高效，照明手段更為科學(xué)化。

從古代的木屋瓦房，到如今通體覆蓋玻璃幕墻的摩天大樓，科技的發(fā)展不斷刷新著建筑的高度和顏值。從19世紀(jì)白熾燈的發(fā)明，到現(xiàn)在高能效、高亮度的LED照明技術(shù)，科技的發(fā)展大大豐富了人類的活動范圍。然而，光鮮的背后，也隱藏著它的副作用，光污染就是其中之一。

“鳥巢”與“水立方”的采光高招

坐落在北京的國家體育場“鳥巢”，宛如一個巨型的鳥窩，與周圍的樹木和諧地融為一體。但是你可能不知道，“鳥巢”有著世界上最大的透明頂棚結(jié)構(gòu)，它由884塊半透明的ETFE膜組成，鋪設(shè)面積將近4萬平方米。從體育場里面看，就如同“中國的紙窗”。當(dāng)自然光透過這層膜結(jié)構(gòu)時，會發(fā)生漫反射，使得觀眾席上的采光變得均勻、柔和。漫反射，是投射在粗糙表面上的光向各個方向反射的現(xiàn)象。由于光線的傳播方向被隨機(jī)打亂，空間中的光線分布會變得十分均勻。膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計，既最大限度地做到了自然采光，同時也保證了采光的柔和與舒適，十分巧妙。

國家游泳中心“水立方”與“鳥巢”緊緊相鄰，其方正的外形上布滿了淡藍(lán)色、半透明的氣枕結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)著一種嚴(yán)肅又活潑的美。與“鳥巢”相同，“水立方”也采用了ETFE膜作為氣枕結(jié)構(gòu)的材料，為場館帶來更多的自然光。不同的是，“鳥巢”采用了單層膜結(jié)構(gòu)，而“水立方”外墻上是雙層氣枕膜結(jié)構(gòu)，它的設(shè)計靈感取材于細(xì)胞的排列形式和肥皂泡的天然結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計既使自然光能經(jīng)過足夠的漫反射，令場館內(nèi)的采光更加柔和自然；同時又可以隔絕熱量，讓“水立方”在酷熱的夏天保持涼爽的室內(nèi)環(huán)境。

人工照明的廣泛運用

“水立方”的創(chuàng)意不僅在于氣泡一般的外立面結(jié)構(gòu)，還在于它在夜晚的絢爛色彩。夜幕中的“水立方”如同一座方方正正的水晶宮殿，靜靜地依偎在“鳥巢”旁邊，通體散發(fā)著深沉水藍(lán)的魅力。而成就這美麗的“夜幕麗人”的，正是LED景觀照明工程。LED，又稱發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體二極管。不同半導(dǎo)體材料的LED，可以產(chǎn)生不同顏色的光?！八⒎健钡捻斆婕恿⒚妫还惭b有上百萬根LED發(fā)光二極管，可以顯示超過1 600萬種顏色，這甚至超過了大部分的液晶顯示屏?！八⒎健眽w上的每個“泡泡”里都裝有數(shù)十個LED燈，通過這些燈的顏色變化組合成各種圖案，造就了一個流光溢彩的建筑魔方。

LED作為一種新型光源，有著壽命長、能耗低、亮度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于建筑景觀照明，并已融入我們的日常生活。此外，LED還廣泛用于戶外大屏幕顯示，紐約時代廣場上就有這樣一塊“中國屏”。這塊大屏幕由新華社租用，高約19.5米、寬約12.2米，由一個個LED點陣構(gòu)成，每個LED獨自擔(dān)任一個顯示像素，眾多的LED構(gòu)成了近240平方米的巨形屏幕。它在“世界的十字路口”傳播著來自中國的聲音。

玻璃幕墻抵御強光照射

迪拜塔的魅力不僅在于它的高度，還因它是沙漠中傲視群芳的現(xiàn)代繁華。超過10萬平方米的玻璃幕墻，讓迪拜塔在沙漠的陽光下熠熠生輝。然而，它的玻璃幕墻是如何經(jīng)受住沙漠陽光的重重考驗的？

原來，迪拜塔的玻璃幕墻具有防輻射性。它的玻璃幕墻分成外表面和內(nèi)表面，各涂有特殊的涂層。外表面涂有一層薄薄的金屬，其作用是反射每天太陽直接照射到建筑物表面的光線，如同“防曬乳液”的作用一般。金屬涂層可以抵擋可見光和紫外線的輻射，但擋不住火熱沙漠中沙粒輻射的紅外線。因此，它的玻璃內(nèi)表面有一層薄銀用來阻擋紅外線的熱輻射。在兩層玻璃之間，還有一層空氣層用來隔熱。因此，迪拜塔光鮮的玻璃幕墻，就這樣把沙漠過多的輻射和熱量拒之門外了。

不可不防的光污染

高層建筑的玻璃幕墻外表新奇美觀，既可反射太陽輻射，又有良好的保暖隔熱性能。但是玻璃幕墻的過度使用卻帶來了光污染。有時候，一些強光束甚至直沖云霄，使得夜晚如同白天一樣，這被稱為“人工白晝”。

光污染與其他環(huán)境污染一樣，會對人類產(chǎn)生危害，影響人們正常的工作和生活，甚至容易引發(fā)火災(zāi)。瞬間的強光照射會危害人的眼睛，使人們出現(xiàn)短暫的失明，對人眼角膜、虹膜和視網(wǎng)膜造成傷害。由玻璃幕墻反射的強光以及機(jī)動車前燈產(chǎn)生的眩光，會嚴(yán)重危害司機(jī)和行人的視覺功能，易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。而紫外光的污染則會引發(fā)人們生理上的疾病，嚴(yán)重的甚至?xí)掳?/p>

光污染不僅影響人類，還會破壞生態(tài)環(huán)境。比如，鳥類的遷徙容易被人工光所干擾，它們在夜間靠星星來識別方向，城市的照明光卻常令它們迷失方向。據(jù)統(tǒng)計，每年約有400萬只候鳥因撞上高樓的廣告燈而死去。海龜也容易受到光污染的影響，剛破殼的小海龜會根據(jù)月亮和星星在水中的倒影而游向水中，但由于地面光遠(yuǎn)遠(yuǎn)亮于月亮和星星，剛出生的小海龜會誤把陸地當(dāng)海洋，最終因缺水而喪命。除此之外，光污染還會妨礙天文觀測，造成能源浪費，給人類帶來潛在的威脅。因此，防治光污染需要全社會倡導(dǎo)低碳生活，減少強光的使用，杜絕照明上的過度浪費。