光科技館
——從城市人因工程學(xué)視角下重新定義地下空間健康光環(huán)境

梁輝妙/LIANG Huimiao

1 引言

1.1 城市地下空間發(fā)展趨勢

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市化面臨著人口密集、交通堵塞、能源消耗增大、房價上漲等諸多問題，城市空間需求急劇膨脹與地面空間有限這一矛盾也日益突出，有效地開發(fā)利用地下空間越來越迫切。綜觀世界發(fā)達(dá)國家和我國城市建設(shè)空間的現(xiàn)狀，向地下要空間、要土地、要資源，已成為現(xiàn)代化城市發(fā)展的必然趨勢之一。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在2021年1月6日印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)城市地下市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》指出，各地要加強(qiáng)城市地下空間利用和市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的統(tǒng)籌，實現(xiàn)地下設(shè)施與地面設(shè)施協(xié)同建設(shè)，地下設(shè)施之間豎向分層布局、橫向緊密銜接。各地要根據(jù)地下空間實際狀況和城市未來發(fā)展需要，合理部署各類設(shè)施的空間和規(guī)模，推廣地下空間分層使用，提高地下空間使用效率。依照政策指導(dǎo)和發(fā)展趨勢，利用地下空間將成為包括北京在內(nèi)的許多城市在未來發(fā)展中滿足空間增量需求的重要方式，因此地下空間高品質(zhì)化是必將面對的議題。

1.2 城市人因工程學(xué)視角下的地下空間研究

城市人因工程學(xué)是一個跨學(xué)科綜合研究領(lǐng)域，為研究實現(xiàn)人和空間、環(huán)境的相互作用并使之相結(jié)合，使空間環(huán)境、產(chǎn)品設(shè)計等適合人的生理、心理等特點，從而達(dá)到高效、安全、健康和舒適的目的。

城市人因工程學(xué)在探索高品質(zhì)地下空間的研究過程中，對已有地下空間開發(fā)利用的研究表明，相較于地上，由于地下空間隔絕自然、密閉、無日光、無自然風(fēng)感等固有空間特質(zhì)容易使人感到冷寂、恐慌、氣悶、消極，甚至進(jìn)一步產(chǎn)生幽閉恐懼感和消極心理，從而會對人們工作、生活狀態(tài)及生理狀態(tài)產(chǎn)生影響[1-5,7]。城市人因工程學(xué)視角下，以建筑學(xué)為依托，融合光環(huán)境、聲環(huán)境、空氣環(huán)境、環(huán)境生理和智能系統(tǒng)等諸多學(xué)科，我們提出“地下空間地上化”的概念，試圖通過局部改變地下空間物理環(huán)境來改善使用者在地下空間中的聽覺、嗅覺、視覺、觸覺、動覺等感受，比如：通過引入天然采光、模擬自然光線、色溫試驗等方法重塑地下空間光環(huán)境[8-10]；通過地下空間聲級域研究、聲景評價等改善地下空間的寂靜狀態(tài)[6,11,12]；通過自然通風(fēng)技術(shù)、空氣質(zhì)量研究緩解地下空間自然風(fēng)感的缺失和悶塞感[13-14]；通過引入自然景觀、綠色植物及水體等方法增強(qiáng)地下空間與自然的接觸[15-17]。

通過理論結(jié)合實驗收集數(shù)據(jù)形成的解決方案，實現(xiàn)了集成性空間原型，從而改變?nèi)藗儗Φ叵驴臻g的傳統(tǒng)認(rèn)知，賦予人們高品質(zhì)的空間體驗，使地下建筑的生活品質(zhì)不僅可以與傳統(tǒng)意義上的地上建筑比肩，甚至在一些方面可能超越地上建筑的舒適度，進(jìn)而既顯著提高存量空間的質(zhì)量，又保證高標(biāo)準(zhǔn)增量空間的質(zhì)量。

1.3 光科技館

1 光科技館園區(qū)外景

光科技館是良業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司打造的國內(nèi)唯一以光科技為主題的科技館（圖1），全區(qū)面積為2720m2，位于北京北宮門中央黨校南門附近。光科技館被定位為“未來智慧城市館”，是一個通過科技賦能各行各業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的展示、體驗、營銷平臺。它是對未來光科技應(yīng)用于城市生活、展現(xiàn)智慧城市生活方式、打造“地下空間地上化”開展的創(chuàng)新科研項目。展館中展陳的產(chǎn)品方向包括“智慧、健康、生態(tài)”的光環(huán)境前沿產(chǎn)品。園內(nèi)的智慧燈桿照明設(shè)備集單燈控制、視頻監(jiān)控、信息發(fā)布、環(huán)境監(jiān)測、無線基站、積水監(jiān)測、一鍵求助以及充電樁等功能，形成園區(qū)一體化智慧監(jiān)測管理。

光科技館整體空間規(guī)劃由6個館構(gòu)成：光科普館、光生活館、光文化館、光藝術(shù)館、光室外館、智慧家居館，重點體現(xiàn)光在城市生活的各個應(yīng)用場景，包括光與文化、光與品牌、光與城市、光與生活、光與康養(yǎng)、光與辦公、光與商業(yè)等領(lǐng)域，基于城市人因工程學(xué)，推出全球領(lǐng)先的光智慧整體解決方案和獨家體驗空間，呈現(xiàn)實驗室級別的核心成果，助力智慧城市發(fā)展、智慧人居生活品質(zhì)的提升。

良業(yè)以光科技服務(wù)商為定位，依托光科技打造產(chǎn)品，研發(fā)出智慧照明系列產(chǎn)品用于光科技館的建設(shè)，一方面是站在全球高度，展示中國光科技重大研發(fā)成果和突出應(yīng)用案例，讓更多的人了解光、理解光、用好光，代表了企業(yè)的社會情懷和責(zé)任擔(dān)當(dāng)；另一方面，作為光科技創(chuàng)新研發(fā)基地，持續(xù)推進(jìn)基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新運用。

2 地下空間地上化實踐

2.1 光科技館二期、三期

光科技館二期、三期的建造大量使用了地下空間，二期地下空間面積近2400m2，三期近1300m2。為符合“地下空間地上化”的趨勢、提升地下空間賦能能力，在建筑設(shè)計和光環(huán)境設(shè)計過程中，針對光、水、植物在地下空間的運用，以及各自然元素之間的關(guān)系進(jìn)行研究實踐，致力于實現(xiàn)地下空間健康建筑。光環(huán)境設(shè)計在地下空間的影響因素尤為重要，光健康也是良業(yè)的光環(huán)境設(shè)計目標(biāo)。

2.2 光健康場景設(shè)計和技術(shù)實踐

2.2.1 光健康場景理論和概念

人們對照明的要求主要分為3個方面：（1）功能性要求；（2）裝飾性要求；（3）生理健康和心理健康要求。人類的健康標(biāo)準(zhǔn)是基于太陽光照環(huán)境形成的，生理方面主要以陽光中的紫外線殺菌作用和紅外線促進(jìn)體內(nèi)新陳代謝等作用為主，心理方面主要強(qiáng)調(diào)自然光帶給人的積極情緒。光環(huán)境質(zhì)量影響人們感受舒適性、工作生活狀態(tài)，對人體健康有潛在影響[18],“光健康”強(qiáng)調(diào)的是一種更加科學(xué)的照明方式?，F(xiàn)代人們更多生活在各種室內(nèi)空間，并不能時時刻刻享受到健康陽光的照射，在這種情況下，人們更需要健康的照明燈光，需要光健康。

2.2.2 光健康環(huán)境分類

（1）晝夜節(jié)律與色溫

“日出而作日落而息”是自然生命節(jié)律，2002年美國布朗大學(xué)的貝爾森（D. M. Berson）等人[19,27-30]發(fā)現(xiàn)了第三類非視覺感光細(xì)胞，即視網(wǎng)膜感光率神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（ipRGC），研究表明非視覺感光系統(tǒng)能感知光環(huán)境，調(diào)節(jié)人體生理節(jié)奏，會影響褪黑素（melatonin, MT）和皮質(zhì)醇( Cortisol）[25-26]等激素分泌，并對人體生理機(jī)能產(chǎn)生影響。光節(jié)律通過在室內(nèi)環(huán)境還原模擬出戶外節(jié)律光環(huán)境，仿照一天24小時內(nèi)的光照及色溫變化，對身體內(nèi)褪黑素和皮質(zhì)醇激素引起變化，光照充足時，皮質(zhì)醇會升高，人的注意力會更專注；光照減弱的時候，褪黑素升高，會讓人困意來襲，進(jìn)入更好的睡眠狀態(tài)。

（2）色彩心理

光環(huán)境中不同的光色會對人的心理情緒產(chǎn)生很大的影響，光的7種色彩氛圍都會讓人有不同的心理感受和情緒反應(yīng)[23-24]，合適的光色能夠撫慰人的心理情緒，比如藍(lán)光環(huán)境可以讓人平靜，但容易產(chǎn)生憂郁情緒，所以不適合神經(jīng)衰弱的人群；紅光環(huán)境讓人亢奮，但容易引起躁動情緒，不適合有狂躁癥的人群。

2.2.3 光健康場景技術(shù)實踐

光科技館二期、三期的光環(huán)境設(shè)計利用包括自然光源、仿自然光、人工光營造“地下空間地上化”的氛圍。通過定制開發(fā)的仿自然光及自然光導(dǎo)入技術(shù)，營造出地下自然光環(huán)境空間（圖2、3）。

科技館運用的自然光導(dǎo)入技術(shù)分為光導(dǎo)照明技術(shù)和太陽光纖導(dǎo)入技術(shù)。光導(dǎo)照明技術(shù)利用定日鏡反射技術(shù)，將太陽光反射照進(jìn)室內(nèi)，這種方式導(dǎo)入的太陽光線柔和無眩光，引入隔離了大量紫外線的安全健康自然光線，色彩鮮艷不失真。太陽光纖導(dǎo)入技術(shù)通過傳感器（圖4）感知太陽位置，微電腦控制系統(tǒng)輸出指令，通過多維機(jī)械運動系統(tǒng)調(diào)整采光裝置朝向，使得采訪鏡片始終精密垂直太陽光線，并將陽光壓縮15,000多倍匯聚到光纖中，自然的太陽光順著光纖傳輸轉(zhuǎn)彎，隨心所欲到達(dá)任何位置。太陽光導(dǎo)入技術(shù)，通過太陽自動精密跟蹤及高科技透光集光等技術(shù)將純粹的自然光導(dǎo)入空間之中，在營造自然光的同時還能夠改善地下環(huán)境的空氣及濕度。導(dǎo)入的自然光還可以使地下空間的植物正常進(jìn)行光合作用，自然生長，讓人們在地下也能感受到戶外大自然風(fēng)景（圖5）。此外，結(jié)合綠植補光系統(tǒng)，在陰天的情況下植物同樣可以擁有充足的光照。

2 光科技館天空燈

3 地下空間綠植

仿自然光系統(tǒng)可以利用光的反射原理模擬出自然光環(huán)境，在光科技館設(shè)計中我們運用了“天空燈”和晝夜節(jié)律控制技術(shù)?！疤炜諢簟崩猛昝滥M大氣層“瑞利效應(yīng)”的天空衍射板，可實現(xiàn)模擬太陽距離感和運動感的“無限視野”光學(xué)效果，利用LED太陽模擬器實現(xiàn)在地下創(chuàng)造各種地上景觀的可能性（圖6）。

光科技館的設(shè)計建造過程中，不斷研究和探索城市人因工程學(xué)“地下空間地上化”的科研課題，開展對光環(huán)境、光健康、智慧光的研究實踐，明確“智慧、健康、生態(tài)”的空間定位，光科技館總平面布局分為智慧辦公、智慧康養(yǎng)、城市大腦等多個智慧區(qū)域劃分（圖7），以日光導(dǎo)入、仿自然光、生命節(jié)律、動態(tài)模擬和軟膜天花五大空間維度設(shè)計建造（圖8）。

（1）智慧辦公

智慧辦公區(qū)域設(shè)計目標(biāo)主要體現(xiàn)在：（a）為辦公人員提供舒適穩(wěn)定的辦公環(huán)境；（b）通過輔助設(shè)施提高工作效率和員工情緒；（c）有益于辦公人員生理和心理健康的設(shè)計；（d）智能照明網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計。根據(jù)辦公型建筑光環(huán)境需求分析（表1），結(jié)合“商用空間照明設(shè)計照度對照表”（圖9、10）所示，不同光源色溫對心理狀態(tài)有不同影響效果，隨著照度的增加，越高的色溫給人的視覺感受越明亮，所以色溫和照度的搭配應(yīng)按照不同商用空間的應(yīng)用場景來確定。根據(jù)“普通照度水平與適用色溫表”（表2）與辦公區(qū)域人員調(diào)查及大數(shù)據(jù)收集分析，得出照明目標(biāo)分析參考（表3）。我們根據(jù)不同的辦公需求將智慧辦公區(qū)域劃分為專注辦公區(qū)和靈活辦公區(qū)，并采用智能光控制系統(tǒng)針對氣候、時間、辦公區(qū)域人數(shù)等因素實時自動調(diào)節(jié)光照參數(shù)，達(dá)到智慧動態(tài)調(diào)節(jié)。同時，通過仿真窗景模擬系統(tǒng)（圖11）和燈光系統(tǒng)打破地下空間的沉悶，通過交互設(shè)置，人們可以隨心隨時切換不同情景的城市窗景，還可以在夜晚模擬白天的環(huán)境，改善工作狀態(tài)。在夜晚工作時，燈光系統(tǒng)還會通過探頭判斷員工所在位置并自動給出其所需要的最合理的光線狀態(tài)。

4 太陽傳感器

5 太陽光導(dǎo)入環(huán)境中的綠植

6 天空燈（1-6攝影：良業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司品牌營銷部）

表1 辦公型建筑光環(huán)境分析

表2 普通照度水平與適用色溫

8 總體空間維度（7.8圖片來源：良業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司品牌營銷部）

7 未來智慧城市館總平面布局

9 商業(yè)照明設(shè)計照度及色溫對照表1

10 商業(yè)照明設(shè)計照度及色溫對照表2（9.10圖表來源：良業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司室內(nèi)照明部）

表3 辦公區(qū)域照明目標(biāo)分析

（2）智慧康養(yǎng)

以人為本的照明是為了提高人員的舒適度、心情和健康狀況，健康的光環(huán)境可以在人們不規(guī)則的日常生活和康養(yǎng)醫(yī)療的過程中起到預(yù)防慢性疾病和促進(jìn)疾病治療的作用。

目前，己知的受光生物效應(yīng)影響的激素為兩種，即皮質(zhì)醇和褪黑素。褪黑素是一種主要由松果體細(xì)胞分泌的肽類激素，作為一種時間信號調(diào)節(jié)生物的晝夜節(jié)律。褪黑素在傍晚和夜晚早期時段產(chǎn)生，相當(dāng)于“睡眠激素”；而皮質(zhì)醇恰好相反，它是壓力激素，使人注意力集中，增強(qiáng)免疫力。皮質(zhì)醇與褪黑素的交替作用控制人體睡眠和工作周期，外界光中藍(lán)色光譜范圍內(nèi)的光會對褪黑素的分泌起到抑制作用，影響著生理節(jié)律（圖12、13）。

我們經(jīng)過大量的光照數(shù)據(jù)和人體生理狀態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)分析，制定人因照明解決方案：在早上和下午開始的時候提供1200lx左右的冷白光；在傍晚提供暖白和低照度的光環(huán)境；同時集成交互桌的智能節(jié)律旋鈕，人們可以自主控制自己想要設(shè)定的時段光氛圍（圖14）。

3 人因工程光智慧技術(shù)趨勢和展望

11 仿真窗景模擬系統(tǒng)（攝影：良業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司品牌營銷部）

光科技館開館以來吸引了無數(shù)業(yè)內(nèi)人士來訪、參觀及洽談，隨著科技發(fā)展，人們對光的需求不僅僅停留于功能性照明，對于光健康、智慧光的需求日益增多，對光環(huán)境設(shè)計需因地制宜，智能調(diào)控，從而滿足各種商業(yè)空間應(yīng)用。光科技館中的城市大腦收集整個場館的 “溫度、濕度、天氣、光照度、聲音等”實時監(jiān)測人因工程數(shù)據(jù)，為光環(huán)境智慧化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，目標(biāo)是作為國內(nèi)最先進(jìn)的人因工程遠(yuǎn)體實驗室的存在。

“十四五”規(guī)劃《建議》提出的12個方面重大任務(wù)中，對增進(jìn)民生福祉，改善人民生活品質(zhì)提出了重要要求和重大舉措，規(guī)劃建議中的一切發(fā)展政策都以人民利益為出發(fā)點和落腳點。城市地下空間開發(fā)利用與人民高品質(zhì)生活面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)隨著城市人因工程學(xué)的研究探索會不斷解決，良業(yè)的光科技智慧研發(fā)仍然在繼續(xù)，針對人因光健康與智慧化管控科技相融合，力求實現(xiàn)多場景、多行業(yè)的智慧服務(wù)建設(shè)與發(fā)展，助力未來智慧城市建設(shè)的追求。□

12 藍(lán)光光譜圖

13 皮質(zhì)醇、褪黑素、體溫24小時周期規(guī)律（12.13圖表來源：良業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司室內(nèi)照明部）

14 智慧康養(yǎng)（攝影：良業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司品牌營銷部）