航站樓高大空間地面反射眩光主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)研究

黃星月，張肖肖，李俊民，裴元杰，馬霄鵬

(中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044)

引言

我國新建機(jī)場航站樓的顯著特點(diǎn)是空間高大，在航站樓高大空間中采用點(diǎn)狀光源燈具直接下照的照明方式是最為典型的照明方式之一[1]，然而選用這種照明方式，由于地面材料選擇的不可控，導(dǎo)致許多交通建筑高大空間地面在旅客視野范圍內(nèi)出現(xiàn)了密密麻麻的反射光斑，嚴(yán)重影響使用者在交通建筑中的出行體驗(yàn)(見圖1)。不舒適眩光會(huì)在一定程度上削弱視覺功能，影響視覺績效和工作效率，長期作用則會(huì)造成心理不適感和視覺疲勞，所以不舒適眩光是照明設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)[2]。國際照明委員會(huì)(CIE)對(duì)于直接眩光一般采用統(tǒng)一眩光值(UGR)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，而針對(duì)于反射眩光，英國采用CIBSE LG3方法進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]，但這種方法基本用于評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)顯示屏的反射眩光。國內(nèi)對(duì)于反射眩光的研究多集中在自然光源造成的反射眩光[4,5]，對(duì)于人工光源造成反射眩光的研究較少且沒有系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。為了研究地面反射眩光的成因和對(duì)使用者的主觀感受影響，本研究建立了一個(gè)燈光實(shí)驗(yàn)室，用于評(píng)價(jià)室內(nèi)高大空間地面反射眩光對(duì)使用者的主觀感受影響。

圖1 現(xiàn)場調(diào)研拍攝國內(nèi)機(jī)場地面反射眩光現(xiàn)象照片F(xiàn)ig.1 On-site investigation of ground-reflected glare phenomenon in domestic airports

1 高大空間人工照明地面反射眩光成因分析

機(jī)場高大空間地面反射眩光產(chǎn)生的因素根據(jù)其屬性的不同可分為觀察者、照明方式、地面材料三類。

1.1 觀察者因素

首先需要進(jìn)行分析的是觀察者因素，包括觀察者的視線高度、觀察位置、頭部俯仰角度和視野界限，這些因素直接影響反射光進(jìn)入觀察者眼睛的方向及亮度。我們通過幾何分析可以看出在均勻布置直接下照燈具的高大空間環(huán)境中，距離觀察者遠(yuǎn)處的燈具眩光源經(jīng)過地面反射后進(jìn)入到人眼，在地面中看到的反射光斑主要集中在靠近視線的一小片區(qū)域，這時(shí)整個(gè)視野范圍內(nèi)看到的地面的反射光斑其實(shí)是匯聚了整個(gè)空間頂棚燈具的眩光源(見圖2)。人在移動(dòng)的過程速度不勻，這些光斑難以避免也隨著人視線移動(dòng)，容易干擾視覺任務(wù)的完成。

圖2 地面反射光斑位置示意圖Fig.2 The position of the ground-reflected glare spots

1.2 照明方式的因素

通常產(chǎn)生反射眩光的區(qū)域一般采用直接照明，燈具安裝頂棚，眩光源可通過光澤地面表面反射進(jìn)入觀察者視線，燈具數(shù)量越多，產(chǎn)生反射的光斑越多；燈具亮度越高，反射光斑的亮度越高。

1.3 地面材料的因素

地面飾面材料表面的反射率、光澤度與反射眩光的成因相關(guān)，反射率越高，反射的能量就越高；光澤度越高，發(fā)生鏡面反射的比例就越高。

2 實(shí)驗(yàn)測試及分析

眩光是由于視野中的亮度分布或亮度范圍的不適宜，或存在極端的對(duì)比，以至于引起不舒適感覺或降低觀察細(xì)部或目標(biāo)的能力的視覺現(xiàn)象，反射眩光是由視野中的反射引起的眩光，特別是在靠近視線方向看見反射像所產(chǎn)生的眩光[6]，對(duì)反射眩光的研究包括了對(duì)光環(huán)境物理量和人的生理心理反應(yīng)兩方面的研究。為了研究反射眩光成因與受到不同因素影響的相關(guān)性大小，我們以改造燈光實(shí)驗(yàn)室為測試空間，選用4種市面常用的地面飾面材料分別鋪設(shè)地面，設(shè)定兩種場景模式并通過控制燈具調(diào)光使地面照度分別達(dá)到3種設(shè)定值，一方面測量4種地面飾面材料的亮度值，另一方面通過問卷調(diào)查方式對(duì)受試者進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，調(diào)查受試者在該光環(huán)境中對(duì)于4種飾面材料產(chǎn)生的反射眩光亮度對(duì)比度及舒適度的主觀感受。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了兩種場景下照度水平的變化，通過客觀實(shí)測數(shù)據(jù)和主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，定性分析各參量造成反射眩光成因的相關(guān)性大小，從而提出優(yōu)化建議。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1)地面飾面材料。本實(shí)驗(yàn)在收集材料時(shí)應(yīng)主要考慮國內(nèi)交通建筑常用的地面飾面材料，大多數(shù)機(jī)場采用淺色石材飾面，因此確定出4種用于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的地面飾面材料(見圖3)。

圖3 地面飾面材料樣品Fig.3 Ground finish material samples

2)燈具材料。本實(shí)驗(yàn)采用兩種燈具選型(燈具參數(shù)見圖4)，燈具有調(diào)光功能。

圖4 燈具參數(shù)Fig.4 Luminaire parameter

2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)租賃了北京某影視文化產(chǎn)業(yè)基地影棚作為實(shí)驗(yàn)場地，無采光窗，關(guān)閉燈具及通過黑色遮光簾遮擋可達(dá)到全黑的環(huán)境，可避免自然采光對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的誤差影響。影棚內(nèi)空間高6 m，長14.8 m，寬11.7 m。距地4.9 m處有鋼架，可安裝燈具，選取白色抹灰空間的部分即6 m×11.7 m×7.7 m的空間為實(shí)驗(yàn)空間。將該空間改造為燈光實(shí)驗(yàn)室(見圖5)。

圖5 影棚改造燈光實(shí)驗(yàn)室Fig.5 The lighting laboratory altered from photostudio

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段在頂棚均勻布置兩種燈具，其中筒燈TD01在頂棚均勻布置16套，筒燈TD02在頂棚均勻布置42套，地面采用4種600×600規(guī)格飾面材料以4×11的形式分別鋪設(shè)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)兩種場景模式：場景一下只開啟16套燈具TD01；場景二下只開啟42套燈具TD02(實(shí)驗(yàn)布置平面圖見圖6)。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備精度符合國家標(biāo)準(zhǔn)，能保證實(shí)測的有效性。主要儀器設(shè)備型號(hào)如下(見圖7)：① TES1339數(shù)字照度計(jì)，測量樣品材料表面的照度及材料反射系數(shù)；②CS-160色彩亮度計(jì)，品牌為柯尼卡美能達(dá)(KONICA MINOLTA)，測量樣品材料表面的亮度； ③YS3010分光測色儀，品牌為3nh,測量材料表面反射率；④光澤度儀，品牌為3nh,測量材料光澤度。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用客觀測量及主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。客觀測量的實(shí)驗(yàn)方法是采用實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)地面飾面材料表面的亮度、光澤度和反射系數(shù)進(jìn)行測量[7],主觀評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法是采用5點(diǎn)語義差別量表評(píng)價(jià)法對(duì)受試者進(jìn)行地面反射光斑的對(duì)比度和舒適度主觀感受評(píng)價(jià)。

2.2.1 客觀測量

1)亮度值測量。手持CS-160色彩亮度計(jì)站立于實(shí)驗(yàn)場景中4種樣品前用固定視角分別測量兩種場景下不同照度條件的地面反射光斑中心的亮度值及反射光斑周圍的亮度值并記錄。

2)光澤度測量。使用儀器品牌為3nh的光澤度儀根據(jù)國標(biāo)[8]規(guī)定的方法對(duì)所選擇的4種地面飾面材料樣品進(jìn)行表面光澤度的實(shí)驗(yàn)室測量。

3)反射系數(shù)測量。使用儀器品牌為3nh的YS3010分光測色儀根據(jù)國標(biāo)規(guī)定的方法對(duì)所選擇的4種地面飾面材料樣品進(jìn)行反射系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測量，測得4種樣品光譜反射系數(shù)。

圖6 實(shí)驗(yàn)布置平面圖Fig.6 Experiment layout plan

圖7 實(shí)驗(yàn)儀器Fig.7 Experiment instrument

2.2.2 主觀評(píng)價(jià)

本次實(shí)驗(yàn)中，選取非相關(guān)專業(yè)的、且使用交通建筑空間較頻繁的20名不同年齡段的人士為受試者，其中男性受試者12名，女性受試者8名。引導(dǎo)受試者根據(jù)其視覺感受，分別為不同場景模式不同照度水平下的主觀感受打分，對(duì)反射光斑的亮度對(duì)比度進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)(見表1)；對(duì)反射光斑的光環(huán)境舒適度進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)(見表2)。

表1 反射光斑對(duì)比度評(píng)價(jià)表格

表2 反射光斑舒適度評(píng)價(jià)表格

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

步驟1：實(shí)施場景一燈光模式，一名實(shí)驗(yàn)人員負(fù)責(zé)調(diào)光(調(diào)光設(shè)備見圖8)，另一名將照度計(jì)置于地面上負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)讀取照度計(jì)數(shù)據(jù)，分別調(diào)試地面照度為100 lx、200 lx、300 lx三種模式；

圖8 調(diào)光控制器及控制面板Fig.8 Dimming controller and control panel

步驟3：工作人員利用亮度計(jì)對(duì)場景一的三種照度水平下地面的亮度值進(jìn)行測量，保證色彩亮度計(jì)設(shè)備在同一受試者觀察角對(duì)4種樣品地面材料表面亮度進(jìn)行測量，分別在三種照度條件下對(duì)地面反射的高亮度光源中心位置進(jìn)行多次測量，到反射光斑中心亮度值的數(shù)據(jù)并記錄；對(duì)地面無高亮度光源的位置進(jìn)行多次測量，得到光斑周圍亮度值的數(shù)據(jù)并記錄；

步驟4：將燈光模式調(diào)整到場景二并重復(fù)步驟1到步驟3(場景二模式下地面反射光斑圖片見圖9)。

圖9 場景二4種樣品飾面材料地面反射光斑圖片F(xiàn)ig.9 Scene II ground-reflected glare spots from 4 finish materials samples

2.4 實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)論

2.4.1 客觀測量數(shù)據(jù)匯總及分析

1)亮度值測量數(shù)據(jù)總結(jié)。對(duì)反射光斑中心亮度值整理得到平均值Lo的數(shù)據(jù)；對(duì)光斑周圍亮度值整理得到平均值Lb的數(shù)據(jù)，整理得到兩種場景三種照度值對(duì)應(yīng)的亮度值及亮度對(duì)比(見表3、表4)。

2)光澤度測量數(shù)據(jù)總結(jié)。根據(jù)測量要求分別對(duì)4種樣品材料進(jìn)行了5個(gè)點(diǎn)的測量并計(jì)算每塊光澤度材料的算術(shù)平均值，見表5、表7。

3)反射系數(shù)測量數(shù)據(jù)總結(jié)。測量可直接得到4種樣品的反射系數(shù)測量曲線圖(見圖10)。

表3 場景一地面飾面材料亮度測量值表

表4 場景二地面飾面材料亮度測量值表

表5 地面飾面材料光澤度測量值(20°)

表6 地面飾面材料光澤度測量值(60°)

表7 地面飾面材料光澤度測量值(85°)

圖10 材料表面光反射系數(shù)測量曲線圖Fig.10 Curve of reflection coefficient of material surface

4)數(shù)據(jù)分析

平戰(zhàn)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)備效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益相統(tǒng)一，這是人民防空追求的目標(biāo)，也是軍民融合戰(zhàn)略對(duì)人民防空高質(zhì)量發(fā)展提出的新命題和本質(zhì)要求。只有加快形成全要素、多領(lǐng)域、高效益的軍民深度融合，才能激發(fā)人民防空高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)生動(dòng)力。我們要以軍民融合戰(zhàn)略實(shí)施為契機(jī)，積極探索融合范圍，提高融合層次，健全融合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)人民防空事業(yè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展。

①分析表3、表4可以看出樣品2、樣品3的表面亮度對(duì)比很高且樣品3比樣品2表面亮度對(duì)比高，樣品1、樣品4的表面亮度對(duì)比很低，其亮度對(duì)比可忽略不計(jì)；

②分析表5、表6、表7三表可以看出不論是20°、60°還是85°，樣品2、樣品3的光澤度較高且數(shù)值接近，而樣品1、樣品4的光澤度較低且數(shù)值接近；

③由圖10可知，樣品1、樣品2反射系數(shù)較高且數(shù)值接近，樣品3、樣品4反射系數(shù)較低且數(shù)值接近；

④樣品2、樣品3材料表面反射光斑中心亮度平均值隨照度增加且增加明顯。

綜上，反射光斑亮度對(duì)比度與光澤度相關(guān)性大，與反射系數(shù)相關(guān)性小。

2.4.2 主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)匯總及分析

1)問卷數(shù)據(jù)總結(jié)

2)數(shù)據(jù)分析

①相同場景相同照度條件下：樣品1、樣品4比樣品2、樣品3的整體主觀評(píng)分高；由此可見，地面飾面材料光澤度是影響主觀評(píng)分的因素之一；

②相同場景相同材料下：樣品2、樣品3隨照度增加主觀評(píng)分降低明顯，在一定的條件下為了達(dá)到更高照度，燈具表面亮度會(huì)越高，反射光斑的光點(diǎn)亮度就越高，由此可見眩光源的亮度和環(huán)境照度是影響主觀評(píng)分的因素之一；

③相同照度相同材料下：場景一相比場景二的整體主觀評(píng)分較高，由此可見，眩光源的數(shù)量是影響主觀評(píng)分的因素之一。

綜上，反射光斑主觀評(píng)價(jià)受飾面材料光澤度、環(huán)境照度、反射光斑的亮度及數(shù)量的影響較大。

照度場景一下受試者主觀感受評(píng)分場景二下受試者主觀感受評(píng)分

圖11 兩種場景下受試者對(duì)地面反射光斑主觀感受評(píng)分統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.11 Statistical results of subjects’ feelings about ground-reflected glare spots in two different scenarios

3 總結(jié)與建議

高大空間地面反射眩光產(chǎn)生的因素為觀察者、照明方式、地面材料三方面。對(duì)地面飾面材料展開的客觀測量結(jié)果說明反射光斑中心亮度與光斑周圍亮度對(duì)比值與地面飾面材料的光澤度相關(guān)性大，與反射系數(shù)相關(guān)性小。在60°幾何條件下鏡像光澤度為90左右的地面飾材表面易產(chǎn)生反射眩光；在60°幾何條件下鏡像光澤度為15左右地面飾材表面不易產(chǎn)生反射眩光。

通過主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)組合為場景一下100 lx照度水平下的樣品4，主觀舒適度評(píng)分為1.65。分析兩種場景下的燈具排布形式，場景一下的燈具間距與高度比為0.49，場景二下的燈具間距與高度比為0.33，對(duì)比兩種場景下整體主觀評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出在照度相同的條件下采用直接照明方式布置燈具時(shí)，受試者更能接受燈具間距與高度比為0.49的排布方式產(chǎn)生的地面反射眩光。分析三種照度水平下的評(píng)分結(jié)果發(fā)現(xiàn)場景一中100 lx、200 lx的照度下舒適度評(píng)分為正值，300 lx的照度下舒適度評(píng)分為負(fù)值；場景二中100 lx的照度下舒適度評(píng)分為正值，200 lx、300 lx的照度下舒適度評(píng)分為負(fù)值，因此控制環(huán)境照度在100 lx以下，反射眩光對(duì)人主觀舒適度幾乎沒有影響。

航站樓高大空間照明優(yōu)化建議：

1)機(jī)場航站樓高大空間的實(shí)際場景中較多使用高光澤度飾面材料進(jìn)行裝飾，尤其由于空間大，人視線范圍內(nèi)地面占領(lǐng)的視野的面積大，地面反射眩光問題尤為明顯。選擇低光澤度地面材料可避免反射眩光的產(chǎn)生。

2)在滿足空間照度和均勻度的條件下，燈具的排布間距盡量大，頂棚眩光源的數(shù)量會(huì)減少，視野中的反射眩光數(shù)量也會(huì)減少。延伸可推測出采用幾個(gè)燈具為一組的燈具排布方式進(jìn)行大空間的燈具布置能夠降低不舒適感。

3)低照度環(huán)境下產(chǎn)生的反射眩光對(duì)舒適性影響小，建議航站樓高大空間中提供有差別的照明，基本照明的照度適當(dāng)降低，各重點(diǎn)區(qū)域再適當(dāng)提高其照度。

受限于實(shí)驗(yàn)條件，該實(shí)驗(yàn)室空間的高度和廣度不能與實(shí)際機(jī)場空間一致，且研究中參與主觀評(píng)價(jià)的受試者數(shù)量較少，結(jié)論是否具有適用性應(yīng)進(jìn)行大量的人群調(diào)查后以統(tǒng)計(jì)層面的結(jié)果形成確定的結(jié)論。人工照明反射眩光的成因復(fù)雜且目前業(yè)內(nèi)還沒有成熟的評(píng)價(jià)方法，對(duì)反射眩光的研究也需要業(yè)內(nèi)人士有更多的關(guān)注和重視，這將對(duì)航站樓室內(nèi)高大空間光環(huán)境的提升有積極作用。