月球建筑宜居性光環(huán)境與照明設計的前瞻性研究

張冠華，譚 柯，楊 彪

(哈爾濱工業(yè)大學(深圳)，廣東 深圳 518055)

引言

康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基說過地球是人類的搖籃， 但人類不可能永遠生活在搖籃中[1]。1959年，人類首枚月球探測器成功發(fā)射，踏上了人類探索月球的征程[2]，1969年阿姆斯特朗成為了第一個登月的人[2]。1959—2017年，人類共發(fā)射132個月球探測器，獲取了大量科學數(shù)據(jù)[3]。進入21世紀，歐洲、中國、印度先后完成對月球的首次探測?！懊绹仗剿餍聵嬒搿焙兔绹鴩液娇蘸教炀职l(fā)布的報告[4]、歐洲空間局的“曙光計劃”和中國國家航天局頒布的《2016中國的航天》白皮書中都表明在未來幾年[5，6]，人類還將開展多次更深入的探月活動。

1 月球建筑

孫家棟院士指出，當我們掌握了一定的航天技術以后，人類的探索必然要向深空發(fā)展，第一步應當是月球[7]。目前距離人類首次登月已經(jīng)過去了50多年，人類在探月事業(yè)中已經(jīng)取得了巨大的成就，但是對于月球表面是否可以營造出可供人類中長期居住的適宜性建筑環(huán)境，還需要在空間科學與技術的基礎上，對月球建筑設計的基礎科學問題進行綜合性和整體性的探索和研究。相比地球環(huán)境而言，月球上的重力、溫度、材料、資源、自轉周期和公轉周期等基礎條件都大不相同，其建筑設計范式和設計準則具有顛覆性，是地球環(huán)境下建筑設計概念和理論體系不能套用和解釋的。因此，月球建筑應是未來建筑中最具代表性的部分，集所有前沿理論與技術于一身。在適用方面，月球建筑應是互動建筑的典范；在堅固方面，月球建筑是建造技術的集合體；在美觀方面，月球建筑是“航空美學”的載體。由此看來，月球環(huán)境中的建筑很可能屬于孟建民院士定義的“奇點建筑”[8]，成為太空建筑乃至人類建筑的“引爆點”。

目前對于月球建筑的研究主要集中在兩個方面。一方面是對月球建筑材料及結構進行的研究，塞巴斯蒂安·威廉(Sebastian Wilhelm)對近年來有關月球建筑材料的研究進行了綜述[9]；另一方面是以建筑設計競賽或探月研究機構與建筑設計事務所合作的模式對月球建筑進行的概念設計。例如，諾曼·福斯特(Norman Foster)的工作室Foster+Partners與歐洲空間局合作，基于3D打印月球建筑材料技術提出了月球殖民(Lunar Habitation)的設想[10]。來自波蘭、德國和意大利的Monika Lipinska、 Laura Nadine Olivier 和Inci Lize Ogun所設計的“月球試驗基地”(Lunar Test Lab)深度探索了未來月球生活和空間的可能性[11](圖1、圖2)。來自中國團隊的設計方案“月亮之眼”(LOOKING THROUGH THE MOON)則是在月球上創(chuàng)造一種“穹頂之下”的生活方式[11](圖3、圖4)。本研究對近年來月球建筑的概念設計進行了總結(見表1)。在目前月球建筑概念設計中，除了對采光窗做出簡單的探索之外，對月球建筑宜居性光環(huán)境的整體性設計的探索和研究非常有限。本研究首先對比了地球表面和月球表面上日照和光環(huán)境條件的不同之處，提出了初步的設計范式；然后分析了地球人對建筑適宜性光環(huán)境的基本生理心理需求，尋找基本的設計準則。

圖1 月球實驗室(https://www.archdaily.com/803985/9-visions-for-lunar-colonies-selected-as-winners-in-moontopia-competition)Fig.1 Lunar test lab

圖2 月球實驗室(https://www.archdaily.com/803985/9-visions-for-lunar-colonies-selected-as-winners-in-moontopia-competition)Fig.2 Lunar test lab

圖3 月球之眼(https://www.archdaily.com/803985/9-visions-for-lunar-colonies-selected-as-winners-in-moontopia-competition)Fig.3 Looking through the moon

表1 月球建筑概念設計統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of conceptual design of lunar architecture

圖4 月球之眼(https://www.archdaily.com/803985/9-visions-for-lunar-colonies-selected-as-winners-in-moontopia-competition)Fig.4 Looking through the moon

2 月球環(huán)境與地球環(huán)境的差異

由于月球環(huán)境和地球環(huán)境有很大的不同，在建筑光環(huán)境的設計過程中需要考慮的因素也必然存在很大的差異。了解月球的概況，以居住者的視角分析地球和月球的環(huán)境差異是必要的。

2.1 月球概況

從行星衛(wèi)星之間比例來看目前月球是太陽系最大的衛(wèi)星[2，12]。從整體上來看月球是一個南北稍扁、赤道略微鼓起的扁球體，其總質量為7.35×1022kg，是地球的八十一分之一；平均直徑為3 476 km，是地球的27%；表面積約為3800萬 km2，是地球的十四分之一；體積約為2.2×1010km3，是地球的四十九分之一；平均密度為3.34 g/cm3，而地球的平均密度為5.52 g/cm3。從月球表面上來看月球正面表面相對平坦，地勢較低；月球背面表面崎嶇不平，地勢較高[13]。從月球內部結構上來看，月球內部結構與地球類似具有分層結構，可分為月殼、月幔和月核，越深層的結構溫度越高[14]。

2.2 居住者視角下地球月球環(huán)境差異

1)晝夜周期。地球上的晝夜交替的周期為24 h。月球自轉和繞地球公轉的周期相同，以約27.32 d為一周期圍繞地球沿一橢圓軌道運行。月球的恒星周期為27.321 661個地球日，由于地球同時繞太陽運動，所以月球的朔望月為29.53個地球日，因此月球上的一晝夜是29.53個地球日[12，15]。晝夜周期的巨大差異使我們對月球建筑光環(huán)境的設計需要做出新的適應性調整。

2)表面大氣層。地球表面的天然采光主要來自兩個方面，一方面是太陽的直射，另一方面是地球大氣層對太陽光的散射。在月球表面也存在著大氣層，氬、氦和氖是構成月球大氣層的主要成分。地球大氣層的總質量約為5.15×1018kg，相當于地球總質量的0.86%。月球的大氣層總質量低于104kg[16]，非常的稀薄。這導致了月球表面只有太陽直射而沒有大氣層對太陽光的散射，從而導致月球建筑采光及遮陽設計方式的變化。

3)主要天然光源。不同于地球的地表充滿著植被或河流等自然景觀，月球表面充滿著被稱作月壤的風化層[17，18]。由于月球表面沒有大氣對太陽光的散射，更加突顯了月壤對太陽光的反射，月壤反光也是月球表面的主要天然光源之一。不同于地球上大氣對太陽光的散射，月壤對太陽光的反射方向是自月表向上的，光源照射方向上的差異要求我們在設計月球建筑時進行合理的處理或運用。

4)重力加速度。月球的重力約為地球重力的六分之一[12]，這會給人類生理系統(tǒng)帶來不利影響，如骨質疏松和免疫系統(tǒng)異常等，也會導致地月建筑在形式上有很大的差異。如果人類在月球搭建建筑，要考慮到由于重力的不同，建筑表面和建筑內部需要被照亮的各個界面的位置及高度也會與地球建筑不同。

5)晝夜溫差。月球的地形地貌以及氣候條件跟地球有著巨大的差異，其表面上不同地區(qū)的晝夜日光條件及晝夜溫差可能是截然不同的，月球赤道周圍的大部分地區(qū)晝夜溫差極大，而極區(qū)大部分地區(qū)晝夜溫差比赤道地區(qū)小，這要求我們對月球建筑的選址進行思考和研究。目前已有對月球基地選址所進行的研究，考慮到月球極區(qū)晝夜溫差相對較小，會使基地結構因晝夜溫差產(chǎn)生較小的形變，通常會選擇月球的極區(qū)作為基地位置的首選目標。例如美國計劃將月球南極的馬利普特隕石坑和沙克爾頓隕石坑作為月球基地選址的候選地[19]。

6)季節(jié)變化。月球的赤道面與黃道面夾角僅為1.54°，遠遠小于地球的23.44°[12]。所以月球上不會像地球上一樣因太陽光照射的變化導致季節(jié)的不同。而月表地形對月表季節(jié)有所影響。Ben Bussey在研究1994年克萊門汀探測器的月球探測圖像時發(fā)現(xiàn)月球北極存在常年處于盛夏的極晝地區(qū)[20]。極區(qū)存在很多撞擊坑底部一直沒有太陽光的照射，形成了永久黑暗并處于嚴冬的地區(qū)。截然不同的日照條件和季節(jié)變化要求我們在月球建筑設計階段對采光遮陽及保溫隔熱進行重新考慮。

本文從居住者的視角將地球和月球的建筑背景差異以表格的形式整理總結出來(見表2)。

表2 居住視角下地球與月球環(huán)境差異表Table 2 Environmental difference between the earth and the moon from the perspective of habitation

3 月球建筑光環(huán)境設計范式

3.1 月球與地球建筑光環(huán)境設計原則差異

所謂設計范式是在建筑設計過程中的表層結構，是由設計基本原則及其變化規(guī)律等深層結構所決定的[21]。梳理清楚地月建筑光環(huán)境設計原則上的差異是提出月球建筑光環(huán)境設計范式的關鍵所在。

地球建筑的光環(huán)境設計從光源的選擇來看主要分為兩個方面：一方面是以人工照明為采光光源的照明設計[22]；另一方面是以太陽光為采光光源的采光及遮陽設計[23]。通常在地球建筑光環(huán)境設計的過程中這兩個方面是被綜合考慮的。用月球建筑設計的視角來總結地球建筑光環(huán)境設計的原則主要有基本功能性原則、舒適性原則、生理健康原則和心理健康原則等[24-26]。本研究通過整理并分析在居住者視角下月球與地球的差異，得到月球與地球建筑光環(huán)境設計原則的差異。

1)晝夜周期。月球的朔望月為29.53個地球日，即月球上的一晝夜是29.53 d。人體的生理節(jié)律周期已經(jīng)適應了地球上的晝夜變化規(guī)律，在月球建筑光環(huán)境設計中應首先考慮如何將光環(huán)境營造為適應人體節(jié)律的變化模式。

2)表面大氣層。地球上有太陽光直射和大氣對太陽光的散射兩種主要的天然光源(圖5)，而月球由于其大氣十分稀薄，沒有大氣對太陽光的散射(圖6)。首先，越來越多的研究表明將太陽光引入室內環(huán)境會對人的舒適度、健康、幸福感和生產(chǎn)力產(chǎn)生有益影響[26-28]。考慮到月表只有直射的太陽光，在月球建筑光環(huán)境設計過程中要利用對太陽光的動態(tài)追蹤來滿足建筑內部人員對天然光的需求。其次，太陽光直射造成的眩光會對人的生理和心理造成極不利的影響[29]，在利用太陽光的同時應考慮如何避免眩光。

圖5 阿波羅12號機組人員所拍攝月球表面所觀察到的太陽(NASA Image and Video Library https://images.nasa.gov/details-9407062)Fig.5 A view of the sun from the lunar surface taken by the Apollo 12 Crew

圖6 地球表面所觀察到的太陽(拍攝：GreatHan)(https://zh.m.wikipedia.org/wiki/File:%E4%B9%8C%E6%B5%B7%E9%BB%84%E6%B2%B3%E8%90%BD%E6%97%A5.JPG)Fig.6 The sun as seen from the surface of the earth

圖7 地球表面(https://pxhere.com/zh/photo/93582)Fig.7 The earth’s surface

(3)主要天然光源。地球有大氣對太陽光的散射，且地球的地表充滿著植被或河流等自然景觀，地表對太陽光的反射并不是地球建筑采光的主要來源(圖7)；而月球表面經(jīng)過漫長的撞擊作用以及太陽風和宇宙射線的轟擊已經(jīng)高度粉碎，充滿月壤和巖石。月球表面沒有大氣對太陽光的散射，月壤對太陽光的反射是月球建筑采光的重要形式(圖8)，月壤對太陽光的反射是由下向上的，光源方向的變化導致在設計如開窗等采光方式時需注意在形式上做出適當?shù)恼{整。

圖8 阿波羅12號機組人員所拍攝的月壤反光(NASA Image and Video Library https://images.nasa.gov/details-9407062)Fig.8 Lunar regolith captured by the Apollo 12 crew

4)重力加速度。重力加速度限制了人在建筑中行為的高度，而建筑中經(jīng)常發(fā)生的行為所處的空間或界面通常是需要被照亮的，在建筑光環(huán)境設計中被照亮位置的分布也受到重力加速度的影響。月球的重力加速度只有地球的六分之一，人在建筑中的活動范圍會有所變化，需要被照亮的活動界面的高度及范圍也會發(fā)生變化，在進行月球建筑光環(huán)境設計時，要對燈具高度和光線照射活動界面的角度等做出調整。

5)晝夜溫差。晝夜溫差從宏觀上限制了月球建筑的選址。考慮到建筑技術對晝夜溫差的要求以及建筑對太陽能的需求，應優(yōu)先在晝夜溫差較小的月球極區(qū)進行建筑選址以避免建筑結構的破壞，并避免選在常年處于黑暗的地區(qū)。

6)季節(jié)變化。由月球地貌的特征來決定的月表季節(jié)在微觀上影響了光環(huán)境的設計。例如在月球極區(qū)的一些撞擊坑底部無法接收到太陽光，一直處于嚴冬中；而頂部則因為極晝而一直處于夏天中。在做建筑光環(huán)境設計時應考慮其選址所在地區(qū)獨特的季節(jié)變化來進行地域性的采光設計。

3.2 月球建筑光環(huán)境設計范式

本研究從建筑設計的角度，以從宏觀到微觀的設計過程為主體脈絡，首先確定由太陽光照條件限制的月球選址；然后選擇當?shù)乜捎玫奶烊还庠?，并且合理地設計采光方式來營造出一個變化模式適應人類生理節(jié)律周期的建筑光環(huán)境，通過光環(huán)境對心理的正面調節(jié)，促進人員更好地完成建筑功能所要求的行為；最后利用采光構件對有害光進行處理。

本研究針對月球與地球在晝夜周期、大氣層、自然光源、重力和季節(jié)變化等物理環(huán)境方面的差異，并根據(jù)這些差異逐一分析在月球的光環(huán)境設計原則需要進行哪些必要性調整，從而得到月球建筑宜居性光環(huán)境的設計準則，從月球建筑選址、自然采光、人工光源和有害光處理等方面提出一套可供參考的月球光環(huán)境設計范式(見表3)。

表3 月球建筑光環(huán)境設計原則及范式表Table 3 Light environment design principles and normal form of lunar architecture

4 總結與展望

隨著人類探月技術的不斷成熟，對月球建筑光環(huán)境的研究，不僅僅對未來人類在月球長期生存居住有著實際應用的參考價值，也將為深空探索研究，特別是深空探測中人類生存環(huán)境的研究提供重要的參考。本研究以居住者的視角分析了月球與地球的差異，通過對地球建筑光環(huán)境設計原則的解讀推導了月球和地球光環(huán)境設計原則的差異，并提出了一套前瞻性月球建筑光環(huán)境設計范式。

目前本研究所總結并提出的設計范式還停留在整體的原則性層面上，基于當前階段的航空技術具有一定的前瞻性，同時也尚未進行深入和細致的技術性的探討，難以進行實踐驗證。下一步將對建筑光學的標準天空模型在航空航天領域的應用進行擴展，并利用大型人工天穹系統(tǒng)模擬月球的太陽光照條件及其變化規(guī)律，再通過物理仿真和搭建建筑實體模型的方法模擬月球建筑光環(huán)境的設計原型，從而完善并驗證月球光環(huán)境設計范式的可行性和精確性。