“南海一號”古沉船考古照明設計研究

孫 晴,李明海

(1.西安建筑科技大學建筑設計研究院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055)

引言

“南海一號”古沉船是南宋初期一艘在海上絲綢之路向外運送瓷器時失事沉沒的木質古沉船，沉沒地點位于中國廣東省臺山市海域?！澳虾Ｒ惶枴惫懦链壳按娣旁趶V東海陵島的海上絲綢之路博物館三號艙內。相對于普通博物館的展示文物，“南海一號”古沉船體積龐大，而且內部文物眾多，包括瓷器、金器、銀器、銅錢及大量動植物標本等?；诒Ｗo發(fā)掘與展示的目的，三號艙沉箱區(qū)沉船陳放頂部照明是整個博物館電氣照明設計中的重點與難點。本文根據現場實勘結合考古發(fā)掘與展陳需求，通過研究現場實際環(huán)境條件及開展考古工作對光環(huán)境的客觀技術要求，利用模擬仿真設計制定電氣照明方案及措施。

1 照明設計難點分析

在海上絲綢之路博物館內的“南海一號”古沉船沉箱區(qū)的照明不僅僅要求將沉船船體照亮，更要求能達到考古照明的標準，能兼顧大量考古學家在古沉船船體上參與細致的考古工作。這就對博物館沉船區(qū)照明要求提出了更高的標準需求。

1.1 照明空間分析

沉箱區(qū)域底部標高為-8.5 m,沉箱上部工作平臺標高為-0.198 m。工作平臺與鋼結構上人觀察平臺底部面層機構距離6.8 m。沉箱區(qū)域為47.44 m×18.58 m空間范圍。具體空間布局如下建筑剖面圖1所示。

圖1 三號艙沉箱區(qū)剖面圖Fig.1 Section of the caisson area of module 3

1.2 照明要求分析

1.2.1 考古發(fā)掘照明要求

沉箱部分設有考古工作平臺(標高為-0.198 m)，此平臺根據考古要求，需要與保護修復標準一致。另外，頂部鋼結構上人面設有觀察窗，考古平臺外側設有游客觀察區(qū)，因此需結合文物陳列展示照明要求。根據《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)規(guī)范中的要求，博物館文物修復室應在其實際工作面達到750 lx標準，UGR=19,U0=0.7,Ra=90。同時，對光不敏感的展品：陶瓷器、寶玉石器、巖礦標本、玻璃制品、琺瑯器等照度標準值為展品面小于等于300 lx，UGR≤19，Ra≥90。由于沉船處于海水埋設區(qū)域內，發(fā)掘工作穩(wěn)步進行中。暴露在海水外供游客參觀部分基本為對光不敏感的材料。另外，低感光度的木材、骨骼等等有考古價值的一經發(fā)掘會轉移至博物館考古工操作間內。因此，基于以上因素，結合考古隊提出的考古工作面照度需求，沉箱區(qū)照明設計指標定為800 lx, UGR≤19,U0=0.7,Ra>90。

1.2.2 展示保護照明要求

對于博物館的文物保護來說，光學輻射盡管不能造成最嚴重的破壞，但是已經證明光學輻射與考古文物及博物館藏品的兌變有著明晰的關系。

1)光輻射的熱效應控制。輻射熱效應是指由于獲得入射的輻射能量而造成物體表面溫度升高，超過環(huán)境溫度，為光化學提供動力。同時，隨著熱環(huán)境的改變，材料發(fā)生空間上的形變。紅外光是熱輻射線，文物被紅外光照射,使被照物表面及內部溫度急劇上升,產生內應力，出現翹曲、龜裂現象。

紅外線的波長大于可見光線，波長為0.75～1 000 μm。紅外線可分近紅外線，中紅外線，遠紅外線。對于目前各種類照明光源而言，少量的780～1 400 nm近紅外線是照明光源中需要盡量減少或剔除的光輻射。顯然，控制光源的紅外輻射(IR)是選擇合適光源的必要條件。沉箱區(qū)頂部照明需選擇紅外波段輸出低的光源，或者使用紅外濾鏡。

2)光源的紫外線含量控制。對于“南海一號”沉船考古發(fā)掘保護而言，多數文物屬于礦物質或無機物材料(石頭、金屬、玻璃、瓷器等)；及少部分屬于有機物(木材、骨骼、象牙、漆器、紡織品等)。沉船內考古發(fā)掘的小部分是以有機物形式存在的文物，此類有機化合物分子是由碳氫原子以共價鍵的形式相互連結而成，若鍵斷裂就會造成有機物的分解。紫外光具有足以使有機物化學鍵斷裂的能量，使有機質地文物損壞。紫外線分為UV-A(315～400 nm，長波紫外線)、UV-B(280～315 nm，中波紫外線)、UV-C(100～280 nm，短波紫外線)。

對于博物館，CIE 2003的技術報告建議光源的最大紫外線含量為10 μW/lm，其中每流明的UV微瓦數(μW/lm)表示相對于光源光通的UV輻射能量。根據以往工程測試結果可知穿過玻璃輻射，可以認為315 nm以下的輻射(UV-B和UV-C)已被過濾，因此，可以選擇能夠完全控制UV-A波段的光源燈具，該波段范圍是315～400 nm。

1.2.3 燈具安裝及保護要求

沉箱區(qū)古沉船由于整體打撈放置于博物館內，浸泡于海水中，隨著考古工作的進行，海水逐漸被抽出。大量的海泥揮發(fā)有具有一定濃度的汞蒸氣。汞在室溫下(29.76 ℃和28.44 ℃)也呈液態(tài)，其在常溫下即可蒸發(fā)。汞蒸氣和汞的化合物多有劇毒(慢性)。汞很容易與幾乎所有的普通金屬形成合金，包括金和銀，但不包括鐵。博物館沉箱區(qū)外側及頂部參觀區(qū)應用封閉玻璃隔離。內部采用主動抽排風設備在沉箱區(qū)(燈具安裝部位)收集汞蒸氣并處理排放。因此，對于長期直接暴露于汞蒸氣環(huán)境下的燈具，應具有防水、防塵和防腐的功能。另外，燈具安裝于沉箱區(qū)頂部鋼結構上人面底板，一方面需要保證考古工作人員的人身安全，另外一方面需要保證考古發(fā)掘文物的完整性，燈具還需具有防震、防跌落措施。

2 光源選擇

基于考古發(fā)掘需求，沉箱區(qū)頂部照明需要有較高顯色性。LED燈具經過多年發(fā)展顯色性有所提高，但是與白熾燈的顯色指數相比，還是有一定差距，而且其效率會受到影響。目前用黃色熒光粉和藍光產生的白光LED，其顯色性指數約為80。通過增加適當紅色熒光粉等方法，可以使顯色指數提高到90。通過紅、綠、藍(RGB)混色處理也可以提高顯色性，但由于(RGB)LEDs中三個獨立發(fā)光體隨時間的推移具有不同的光譜漂移，且具有不同的熱降解率，使得其顏色穩(wěn)定性較差。因此，由額外電子元件提供混色功能(可動態(tài)改變輸出色彩的基調)是提高LED燈具白光顯色指數的技術重點。

圖2 LED光源光譜強度圖Fig.2 LED light source spectral intensity chart

LED照明光源光譜相比其他發(fā)光光源燈具具有較好的光譜窄帶性。以飛利浦白光源LED光源為例，其光譜強度如圖2所示。能夠看出，LED光源光譜能量強度集中在400～780 nm之間。因此，選擇此種窄帶性LED燈具可以避免紫外線與紅外線對于文物的破壞。

據此，擬采用70 W明裝LED燈具，防護等級IP65，光束角為30°，Ra>90，色溫4 000 K～6 500 K，光通量6 000 lm，安裝高度5.0 m(原考古平臺至燈具底部)，燈具間距2 m×2.5 m布設于沉箱區(qū)頂部。

由于擬采用光源發(fā)光面積介于0.005～1.5 m2之間，統(tǒng)一眩光值(UGR)根據下式計算：

(1)

其中：Lb為背景亮度;ω為每個燈具發(fā)光部分對觀察者眼睛所形成的立體角；Lα為每個燈具的發(fā)光部分在觀察者眼睛方向上的亮度;P為每個單獨燈具的位置指數。

因而建立沉箱區(qū)空間模型，將參考平面定位在沉箱區(qū)中心點，坐標為(0,0,0)。確定觀察者角度坐標為(±9 539，±9 413～±23 889,+0.45)利用計算機建模并模擬燈具照明效果。燈具布置平面如圖3所示。

圖3 沉箱區(qū)燈具布置圖Fig.3 layout plan for caisson lamps

根據計算機仿真結果，模擬三維立體照明效果圖，并確定各項參數符合設計標準，立體模擬圖如圖4所示。燈具布設規(guī)則，位置參數，懸吊高度，維護機構確定后，沉箱區(qū)頂部LED燈具照明曲線圖如圖5所示。

圖4 沉箱區(qū)照明三維模擬圖Fig.4 Three-dimensional simulation of caisson lighting

圖5 沉箱區(qū)照明照度曲線圖Fig.5 Chart of illumination in saisson area

由圖5可知，平均照度819 lx滿足預設800 lx工作面水平照度要求。最小照度為600 lx,因而可計算出U0=0.7,同時，計算機仿真結果UGR=19亦滿足預設要求。

3 沉箱區(qū)LED燈具安裝措施

根據燈具安裝環(huán)境及安全措施要求，沉箱區(qū)頂部燈具安裝還應注意以下施工安裝措施：

1)燈具采用預埋接線盒、吊鉤、膨脹螺栓固定方法。

2)燈具固定應牢固可靠，每個燈具固定用的螺絲或螺栓不少于2個。

3)潮濕及有腐蝕氣體的環(huán)境安裝，加設橡皮墊圈、固定底座四周刷一遍防水漆。

4)觀察窗處燈具角度調整為中心垂直線夾角30°照射。

5)燈具安裝于頂部槽鋼上。在槽鋼下部翼緣中部位置開孔，采用M10不銹鋼螺栓，孔徑為12 mm。

施工過程中，因為底部為沉船文物，燈具安裝與吊桿施工均采用防跌落設施，以避免文物損失。施工采用橋式吊車定位安裝吊件。完成后保留橋式吊車用于考古作業(yè)。作業(yè)面完成如圖6所示。

圖6 沉箱區(qū)照明實景圖Fig.6 Caisson lighting scene

4 結語

本文通過對考古現場環(huán)境及照明規(guī)范研究，結合考古專業(yè)人員照明需求的分析，制定設計出符合滿足此類考古、展示需求的照明方案及施工設計。結合計算機仿真技術及施工現場的具體踏勘，利用LED照明光源創(chuàng)建出較為滿意的一種考古現場光環(huán)境。