建筑立面照明設(shè)計(jì)參數(shù)的量化研究

李 農(nóng)，李 頂，李 飛

(北京工業(yè)大學(xué)城市照明規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，北京 100124)

建筑立面照明設(shè)計(jì)參數(shù)的量化研究

李 農(nóng)，李 頂，李 飛

(北京工業(yè)大學(xué)城市照明規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，北京 100124)

建筑立面動態(tài)景觀照明的照明亮度、光色和動態(tài)變化速度為照明設(shè)計(jì)的三個(gè)最重要物理參數(shù)。本文通過實(shí)驗(yàn)的方法找出了不同實(shí)驗(yàn)亮度、光色與占空頻率的 “好評率”，并利用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)對其進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，從而得到了不同亮度與光色組合情況下實(shí)驗(yàn)最佳占空頻率和占空頻率可接受范圍，此外,還利用數(shù)學(xué)的插值計(jì)算法得出各亮度等級與波長組合下所對應(yīng)的最佳占空頻率，并推測出不同亮度情況下，最佳占空頻率隨波長的變化呈不對稱的“燕翅型”分布，照明亮度、光色和動態(tài)變化速度三者之間的量化研究結(jié)果，為動態(tài)照明的設(shè)計(jì)提供了客觀的理論支持，具有重大的參考與指導(dǎo)意義。

動態(tài)照明；亮度；光色；動態(tài)變化速度；參數(shù)量化

引言

建筑立面照明是城市夜景照明的重要組成部分，眾所周知，其景觀照明效果與光照的亮度與色彩密切相關(guān)，特別是隨著LED光源的出現(xiàn)，動態(tài)景觀照明的案例呈暴發(fā)式增長，顯然，針對動態(tài)的景觀照明，照明的亮度、色彩和動態(tài)變化速度為照明設(shè)計(jì)的三個(gè)最重要物理參數(shù)。然而目前國內(nèi)外尚沒有發(fā)現(xiàn)上述三個(gè)物理參數(shù)之間的量化關(guān)系，本文通過實(shí)驗(yàn)的方法試圖找出三者之間的定量關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)的主要目的是要得出不同顏色的光，在不同亮度條件下，以何種頻率或者周期來進(jìn)行明暗或者亮滅的變化是舒適的。因此，本實(shí)驗(yàn)又稱“單色光跳變參數(shù)量化實(shí)驗(yàn)”。

單色光跳變參數(shù)評價(jià)實(shí)驗(yàn)主要的流程即在中間視覺條件下，實(shí)驗(yàn)者在設(shè)定的各亮度水平下，進(jìn)而針對各種光色，依設(shè)定的不同占空比和呈現(xiàn)時(shí)間依次呈獻(xiàn)給被試者，由被試者通過感受對各種參數(shù)組合進(jìn)行主觀舒適度評價(jià)，最后由實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出相關(guān)結(jié)論。

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)室條件下單色光跳變參數(shù)評價(jià)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行地點(diǎn)位于北京工業(yè)大學(xué)城市照明規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所的建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)室。配備亮度色彩可調(diào)的LED照明系統(tǒng)。

在本實(shí)驗(yàn)中所選用的色光刺激是由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等7種純色組成。利用TOPCON BM-7A亮度計(jì)分別測量的實(shí)驗(yàn)平均色坐標(biāo)，以及對應(yīng)的波長見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)光色坐標(biāo)與波長值

參考《城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ/T 163—2008)[1]，實(shí)驗(yàn)色刺激的亮度范圍在5～25cd/m2之間變化，并將色刺激的亮度水平等量劃分為5等份，即分別為5cd/m2、10 cd/m2、15 cd/m2、20 cd/m2和25 cd/m2。利用TOPCON BM-7A亮度計(jì)分別測量的不同亮度水平下的實(shí)驗(yàn)平均亮度見表2。

在建筑景觀照明中，采用動態(tài)照明方式的案例很多，大多采用明暗變化的仿呼吸式和亮滅交替變換的動態(tài)方案，本實(shí)驗(yàn)采用后者的動態(tài)方案。通常亮滅交替變換的動態(tài)方式的亮燈時(shí)間和滅燈時(shí)間各占總周期的一半，即占空比為0.5。因此，本次實(shí)驗(yàn)以占空比0.5為中心，向兩邊適度擴(kuò)充，即實(shí)驗(yàn)占空比選定為0.3、0.4、0.5、0.6和0.7。

有了占空比的數(shù)值后，與之相對應(yīng)的呈現(xiàn)時(shí)間也需要考慮。通常亮滅交替變化動態(tài)方式的變化周期中，其亮燈的時(shí)間大多集中在1～3 s。因此本實(shí)驗(yàn)以0.5 s為單位，在1～3 s之間選取5種實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)時(shí)間，即1 s、1.5 s、2 s、2.5 s和3 s。

實(shí)驗(yàn)中所采用控制設(shè)備及軟件分別為計(jì)算機(jī)、亮美集四基色動畫/DMX分控器以及EASYPLAYER 2013控制軟件。

表2 實(shí)驗(yàn)光色亮度值

1.2 被試者評價(jià)方法

本實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法采用五點(diǎn)分級的SD法(semantic differential method)，見表3。以“舒適的——不舒適的”這一對反義詞組成測量尺度，表中的0代表中立，即不感到舒適也不會感到不舒適，正數(shù)表示為舒適，負(fù)數(shù)表示為不舒適，數(shù)字的大小則體現(xiàn)了情感尺度的大小。

表3 語義差別量表圖

實(shí)驗(yàn)被試者大部分來自北京工業(yè)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院一年級和二年級的研究生，年齡平均在25～26周歲，男女?dāng)?shù)量基本持平。

本實(shí)驗(yàn)在中間視覺條件下進(jìn)行，由LED投光燈將已經(jīng)制定好的色刺激方案依次投射在白色墻壁上。被試者坐在距離墻壁4.5 m處，以大約15°～20°的仰視角對色刺激進(jìn)行觀察評價(jià)。在接受完色刺激時(shí)，被試者以語義差別法對剛剛呈現(xiàn)出來的色刺激進(jìn)行舒適度評價(jià)，然后再依次進(jìn)行下一個(gè)色刺激的接受與評價(jià)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20 min左右后，休息5 min后再繼續(xù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)室條件下單色光跳變參數(shù)評價(jià)實(shí)驗(yàn)共獲取14份有效樣本，共計(jì)12 250個(gè)數(shù)據(jù)。我們對各個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下的色刺激評價(jià)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，在統(tǒng)計(jì)過程中，對色刺激得到“-2、-1”的評價(jià)視為“差評價(jià)”，即不舒適的，對于色刺激得到“0、+1、+2”的評價(jià)視為“好評價(jià)”，即舒適的。在各個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下色刺激評價(jià)中的“好評價(jià)”占被試人數(shù)的百分比定義為“好評率”。

在實(shí)驗(yàn)中預(yù)設(shè)的7種顏色、5種亮度條件下，各不同占空比和呈現(xiàn)時(shí)間變換方式下所得到的 “好評率”數(shù)據(jù)眾多，顯然，每種亮度和光色條件下就可以得到占空比0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和呈現(xiàn)時(shí)間1 s、1.5 s、2 s、2.5 s、3 s組合情況下的25個(gè)“好評率”數(shù)值。為了表征不同組合情況下動態(tài)變化的“頻率”特征，故新定義了“占空頻率”，即

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后，不同實(shí)驗(yàn)亮度、光色與占空頻率的 “好評率”實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1～圖5。針對上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯然其分布形態(tài)大致相似，符合對數(shù)正態(tài)分布的特征，因此利用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)對每種亮度與光色進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合后，便可以得到各擬合曲線的最大值，即最佳占空頻率；同時(shí)若將“好評率”大于80%視為動態(tài)變化的可接受范圍，則相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果見表4。利用數(shù)學(xué)的插值計(jì)算法，可將實(shí)驗(yàn)亮度下的最佳占空頻率換算為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)亮度下的數(shù)值，具體見表5。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)亮度5 cd/m2下光色與占空頻率“好評率”結(jié)果Fig.1 The default brightness 5 cd/m2 light color and space frequency of “rate” the experimental results

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)亮度10 cd/m2下光色與占空頻率“好評率”結(jié)果Fig.2 The default brightness 10 cd/m2 light color and space frequency of “rate” the experimental results

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)亮度15 cd/m2下光色與占空頻率“好評率”結(jié)果Fig.3 The default brightness 15 cd/m2 light color and space frequency of “rate” the experimental results

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)亮度20 cd/m2下光色與占空頻率“好評率”結(jié)果Fig.4 The default brightness 20 cd/m2 light color and space frequency of “rate” the experimental results

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)亮度25 cd/m2下光色與占空頻率“好評率”結(jié)果Fig.5 The default brightness 25 cd/m2 light color and space frequency of “rate” the experimental results

針對表5數(shù)值結(jié)果進(jìn)行規(guī)律性的分析后，可以推測最佳占空頻率隨亮度和波長的變化范圍如圖6所示，亮度越高同一光色下最佳占空頻率取值點(diǎn)越接近分布區(qū)間的上限，而且各亮度情況下均在490 nm附近出現(xiàn)最小值，因此可以預(yù)見最佳占空頻率隨波長的變化為不對稱的“燕翅型”，即在490 nm附近(青色)出現(xiàn)最小值，而分別在470 nm附近(藍(lán)色)和610 nm附近(澄色)出現(xiàn)極大值。

這說明要達(dá)到舒適的動態(tài)照明效果，最佳占空頻率與亮度和波長密切相關(guān)，因此在具體的照明設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先應(yīng)確定用色與亮度，根據(jù)天津大學(xué)關(guān)于色光情感定量化研究的結(jié)果[2]，再結(jié)合《城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ/T 163—2008)對建筑物亮度限值的要求，筆者給出了圖7所示的亮度與波長舒適度曲線，可以作為確定用色與亮度的參考。

表4 實(shí)驗(yàn)最佳占空頻率和占空頻率可接受范圍(亮度單位：cd/m2)

在確定了用色與亮度后，進(jìn)而應(yīng)確定動態(tài)變化的最佳占空頻率。根據(jù)前述占空頻率的定義，其數(shù)值與占空比與呈現(xiàn)時(shí)間兩個(gè)因素有關(guān)，而不是僅與占空比相關(guān)，具體可以參考表5或圖6確定最佳占空頻率的數(shù)值。

表5 不同亮度與波長對應(yīng)的最佳占空頻率

圖6 最佳占空頻率與亮度和光色的關(guān)系Fig.6 The best relationship accounted for frequency and brightness and color space

圖7 亮度與波長舒適度曲線Fig.7 Brightness and wavelength comfort curve

3 結(jié)論

動態(tài)照明情況下，景觀照明效果與光色(波長)、亮度與變化“頻率”三者密切相關(guān)，本文通過實(shí)驗(yàn)的方法找出了三者之間的定量關(guān)系，且不同亮度情況下，最佳占空頻率隨波長的變化呈不對稱的“燕翅型”分布，這些定量化的結(jié)果將對動態(tài)景觀照明的設(shè)計(jì)具有重大的參考與指導(dǎo)意義，也是確保照明效果的基礎(chǔ)。

[1]城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范:JGJ/T163—2008[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

Study on the Parameters of Building Facade Lighting Design

LI Nong, LI Ding, LI Fei

(UrbanLightingPlanningandDesignResearchInstitute，BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124，China)

The three important physical parameters of fa?ade dynamic lighting are lighting brightness, light color and dynamic change speed. This paper through experiments finds out the “positive feedback” of different brightness, light color and duty frequency. Lognormal distribution function was used to perform mathematical fitting on the results, to obtain the optimum duty cycle frequency and its acceptable range for brightness and color combinations. In addition, the interpolation method was also used to get the optimal duty cycle corresponding to brightness level and wavelength combinations. Under different brightness, the optimal duty varies with the wavelength presenting an asymmetric “Swallow Wing Type” distribution. The quantitative research results of lighting brightness, light color and dynamic change speed provide theory support for dynamic lighting design.

dynamic lighting; brightness; color; dynamic change speed; parameter quantization

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.008