吳雨婷，王立雄，于 娟，楊興棕

(1.天津大學(xué) 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.浙江陽光照明電器集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 312300)

引言

照明設(shè)計(jì)起源于戲劇的舞臺照明，舞臺照明目的是將舞臺場景和演員呈現(xiàn)給觀眾[1]?！瓣P(guān)于‘人工照明的建筑學(xué)意義’之探討，一直受制于照明設(shè)計(jì)的戲劇照明基因和照明研究的視覺功效視角，建筑照明研究一直關(guān)注的是光與基礎(chǔ)視覺任務(wù)的關(guān)系，缺乏將光與空間/行為建立聯(lián)系的研究”[2]，換言之，真正意義上的建筑照明設(shè)計(jì)，其目標(biāo)不應(yīng)只是“照亮空間中的視覺任務(wù)(物體)以使之被有效識別，進(jìn)而保證或獲取視覺舒適度”，還應(yīng)達(dá)成“塑造空間整體氛圍，實(shí)現(xiàn)良好空間感知與互動”的目標(biāo)。縱觀現(xiàn)代主義建筑大師的作品，不難發(fā)現(xiàn)，完成前一目標(biāo)是局部的基礎(chǔ)性的照明設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上達(dá)成后一目標(biāo)，才是更全面的高層次照明設(shè)計(jì)，才能體現(xiàn)出“照明的建筑學(xué)意義”。

“現(xiàn)代建筑照明設(shè)計(jì)”是“真正意義上的建筑照明設(shè)計(jì)”，而“建筑化照明”是在現(xiàn)代建筑照明設(shè)計(jì)理念下發(fā)展而來的照明方式，致力于通過建筑照明的有機(jī)結(jié)合，讓照明對建筑實(shí)踐產(chǎn)生更多有利的影響。

1 建筑化照明的發(fā)展歷程

“燈光是建筑設(shè)計(jì)不可分割的一部分”，這是“現(xiàn)代建筑照明之父”的理查德·凱利(Richard Kelly)的結(jié)論。正是這位兼具建筑師身份的照明設(shè)計(jì)師，促使“現(xiàn)代建筑照明設(shè)計(jì)”萌芽于20世紀(jì)50年代的美國，并隨著現(xiàn)代主義大師的建筑作品而漸為人知。現(xiàn)代建筑照明設(shè)計(jì)探討照明設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)的契合，不僅關(guān)注基本視覺任務(wù)需求，還關(guān)注建筑如何被呈現(xiàn)、繼而人的情緒如何被影響，是基于視覺心理學(xué)的照明設(shè)計(jì)理念。初期的現(xiàn)代建筑照明設(shè)計(jì)更多是關(guān)注室內(nèi)的環(huán)境塑造，同時(shí)，玻璃在建筑立面上的大面積采用，也促使了從室內(nèi)視覺感受出發(fā)的室外景觀照明的產(chǎn)生(圖1)。內(nèi)透光照明、洗墻照明(圖2)、間接照明(圖3)等即是在現(xiàn)代建筑照明設(shè)計(jì)理念下產(chǎn)生的照明方式。

圖1 玻璃住宅(1949年)，理查德·凱利與菲利普·約翰遜設(shè)計(jì)

圖2 西格拉姆大廈(1979年)，密斯·凡德羅和菲利普·約翰遜設(shè)計(jì)

圖3 金貝爾美術(shù)館(1972年)，路易斯·康設(shè)計(jì)。理查德·凱利的天然采光設(shè)計(jì)，是間接照明(indirect lighting)最早的典型案例

“建筑化照明”也是在現(xiàn)代建筑照明設(shè)計(jì)理念下產(chǎn)生的照明方式，但不同于“內(nèi)透光照明”、“洗墻照明”和“間接照明”等強(qiáng)調(diào)照明效果的命名方式，“建筑化照明”一詞強(qiáng)調(diào)的是照明燈具的安裝方式。

“建筑化照明”于2000年左右開始在我國出現(xiàn)[3]，最初定義是“指照明燈具與建筑物的結(jié)構(gòu)及裝飾有機(jī)地配合起來，成為具有照明功能的室內(nèi)建筑或裝飾體”[4]。定義落腳于“具有照明功能的室內(nèi)建筑或裝飾體”，可以看出，我國早期的建筑化照明從建筑學(xué)角度出發(fā)，強(qiáng)調(diào)“建筑”多于“照明”。

日本照明學(xué)會于1999年和2003年分別出版2期建筑化照明?？敿?xì)論述了室內(nèi)建筑化照明的做法與案例，強(qiáng)調(diào)了照明對室內(nèi)空間的影響[5-9]。

為慶祝世紀(jì)之交，2000年國內(nèi)外的城市夜景照明建設(shè)均呈現(xiàn)出前所未有的盛況。在此背景下，“建筑化照明”概念對建筑室外照明的建設(shè)發(fā)展也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。2005年，“建筑化夜景照明”概念被提出，是指將照明光源或燈具和建筑立面的墻、柱、檐、窗或墻角等建筑結(jié)構(gòu)融為一體的夜景照明方法，并解析了建筑化夜景照明的6大優(yōu)點(diǎn)(圖4)[10]。室外建筑化照明至今仍是我國照明行業(yè)的研究熱點(diǎn)[11，12]。

圖4 建筑化夜景照明的優(yōu)點(diǎn)(圖片來源：文獻(xiàn)[10])

早期的建筑化照明安裝方式(圖5)，目的是將光源的高亮發(fā)光面隱藏于視野不可見范圍。LED的產(chǎn)生為建筑化照明提供了更多的可能性，促進(jìn)了室內(nèi)建筑化照明的新發(fā)展：一方面，LED壽命長、體積小、散熱少，因此便于安裝布置；另一方面，LED打破了傳統(tǒng)點(diǎn)狀光源形式，LED線、面光源可利用發(fā)光面積優(yōu)勢，降低表面亮度而不影響照明質(zhì)量，可直接安裝于視野可見范圍。近年來，LED線、面光源廣泛應(yīng)用于室內(nèi)照明，常見光帶和光梁等照明類型(圖6)。室內(nèi)建筑化照明在2010年重新引起國內(nèi)學(xué)者重視[13]：袁景玉等[14]認(rèn)為建筑化照明是照明的更高層次,LED具有建筑化照明的天生優(yōu)勢；趙建平[15]提出創(chuàng)新是LED應(yīng)用于室內(nèi)照明的必經(jīng)之路，建筑化照明方式是LED產(chǎn)品的創(chuàng)新措施。建筑化照明研究也從“燈具安裝方式”層級，拓充至對“照明產(chǎn)品形式”提出要求。2015年出版的GB/T 31831《LED室內(nèi)照明應(yīng)用技術(shù)要求》[16]規(guī)定了LED線形、平面燈具的定義和建筑一體化發(fā)光單元的安裝維護(hù)要求。

圖5 早期的建筑化照明安裝方式

綜上，“建筑化照明”從注重建筑空間塑造與感知的“現(xiàn)代建筑照明設(shè)計(jì)”理論背景下產(chǎn)生，一直致力于通過燈具與空間界面和構(gòu)件的融合，弱化燈具、降低光源亮度對場景感知的視覺干擾，謀求“見光不見燈”的照明效果，利用光線和陰影將室內(nèi)空間或環(huán)境要素更好的凸顯表達(dá)，獲得更好的視覺感知。LED作為新一代光源帶來了照明革命，夯實(shí)了建筑化照明的可行性和必要性。事實(shí)上，伴隨LED產(chǎn)生的室內(nèi)建筑照明的轉(zhuǎn)型升級，對建筑化照明也提出了進(jìn)一步的有機(jī)結(jié)合要求。

圖6 LED線、面光源在室內(nèi)照明中的應(yīng)用

2 室內(nèi)建筑照明的轉(zhuǎn)型升級

近年來，室內(nèi)照明致力于以LED謀求更舒適健康的照明環(huán)境，以獲取更積極的情緒，提升幸福感[17]：基于非視覺效應(yīng)的健康照明理論、基于人工智能的照明控制技術(shù)和基于空間感知與互動體驗(yàn)需求的照明設(shè)計(jì)方法是3大研究熱點(diǎn)，構(gòu)建出室內(nèi)照明轉(zhuǎn)型升級的內(nèi)在需求、技術(shù)支撐和實(shí)施策略。

1)室內(nèi)照明的“健康”升級對光源和環(huán)境光參數(shù)提出新要求。郝洛西團(tuán)隊(duì)研究“LED照明的非視覺生物效應(yīng)和對人體生理節(jié)律的影響”[18]，林燕丹團(tuán)隊(duì)研究基于心率指標(biāo)的人體節(jié)律隨光強(qiáng)和光譜改變規(guī)律[19]，嚴(yán)永紅團(tuán)隊(duì)分析光譜光強(qiáng)影響工作效率、視/腦疲勞、腦電波等指標(biāo)的變化規(guī)律[20]，楊春宇團(tuán)隊(duì)研究照度、色溫等參數(shù)對人眼視疲勞的影響[21]，蔡建奇團(tuán)隊(duì)研究光源亮度、光譜等與人眼視生理功能及腦部負(fù)荷功能的對應(yīng)關(guān)系[22，23]。因此，健康照明的影響機(jī)制研究，是對光譜和光強(qiáng)等光源光參數(shù)、垂直照度等環(huán)境光參數(shù)、及兩參數(shù)調(diào)控規(guī)律的進(jìn)一步研究[24]。室內(nèi)照明的“健康”升級對光源和環(huán)境光參數(shù)均提出了新的指標(biāo)要求。

2)智能照明是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明健康、舒適與高效的重要手段。雖然目前國際上尚無統(tǒng)一的智能照明定義，但毋庸置疑，控制靈活的LED促進(jìn)了智能照明的發(fā)展。智能照明利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制等技術(shù)，通過對環(huán)境信息和用戶需求分析和處理，實(shí)施特定的控制策略，對照明進(jìn)行整體控制和管理，因此為健康照明、提升光環(huán)境品質(zhì)提供了系統(tǒng)的解決方案[25]。智能照明是實(shí)現(xiàn)健康、舒適與高效的室內(nèi)照明的重要手段。

3)以空間感知與互動體驗(yàn)為目標(biāo)的照明設(shè)計(jì)方法革新。室內(nèi)照明標(biāo)準(zhǔn)[26-28]規(guī)定了水平工作面照度等參數(shù)要求，做為評價(jià)照明質(zhì)量的基本指標(biāo)。需要強(qiáng)調(diào)的是，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的參數(shù)及其限值主要是檢驗(yàn)照明是否滿足功能需求的參數(shù)，雖基于視覺功效和視覺舒適度兩方面的雙重考慮，但遠(yuǎn)非是以空間塑造為目標(biāo)的照明設(shè)計(jì)依據(jù)。Russell[29]曾提出光對空間塑造的5個(gè)層次(表1)，前4步創(chuàng)造出有意思的照明空間，同時(shí)滿足大部分功能照明需求(若不滿足，局部照明更有效)；高秉佑等[30]指出水平面照度不足以評價(jià)空間整體明亮度，并且“平均亮度值的對數(shù)”和“平均亮度的標(biāo)準(zhǔn)偏差”是代替“平均亮度值”和“亮度對比度”的，表征空間整體明亮度的合理指標(biāo)；文獻(xiàn)[31]中的研究成果“Feu”已納入到日本照明標(biāo)準(zhǔn)體系中(圖7、圖8)；文獻(xiàn)[32]中總結(jié)了人類對照明的5級需求(圖9)，認(rèn)為我國照明已進(jìn)入了“審美需求”層級，提出了“價(jià)值需求”層級的設(shè)計(jì)建議。綜上，基于空間整體氛圍塑造的，以互動體驗(yàn)等高層次需求為照明目標(biāo)的室內(nèi)照明，要求其設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)、評價(jià)指標(biāo)體系的革新。

綜上，健康照明理論、智能控制技術(shù)和設(shè)計(jì)新方法，三者依附LED應(yīng)用于室內(nèi)照明，促進(jìn)著行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，帶來照明技術(shù)體系在設(shè)計(jì)、產(chǎn)品、施工、檢測等層面的改革和創(chuàng)新。顯然，這對室內(nèi)建筑化照明提出了新的要求：在“構(gòu)件集成”和“安裝集成”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“功能集成”、“施工集成”，達(dá)成“設(shè)計(jì)集成”和“信息集成”，在滿足傳統(tǒng)照明質(zhì)量要求和美學(xué)要求基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明的健康、舒適與高效。在此背景下，我們提出了建筑照明一體化設(shè)計(jì)新方法的建議。

表1 光對空間塑造的5個(gè)層次

圖7 空間明亮感評價(jià)指標(biāo)Feu解析

圖8 Feu與水平工作面照度共同塑造空間氛圍

圖9 人類對照明的需求層次

3 關(guān)于建筑照明一體化設(shè)計(jì)新方法的建議

關(guān)于建筑照明一體化設(shè)計(jì)新方法的建議，包括設(shè)計(jì)策略和設(shè)計(jì)手段兩部分內(nèi)容：設(shè)計(jì)策略在進(jìn)一步完善“構(gòu)件集成”和“安裝集成”基礎(chǔ)上探討“功能集成”和“施工集成”；設(shè)計(jì)手段謀求“設(shè)計(jì)集成”與“信息集成”。

3.1 建筑照明一體化設(shè)計(jì)策略

1)目標(biāo)：構(gòu)件集成、功能集成和施工集成。建筑照明一體化首先應(yīng)繼承建筑化照明的優(yōu)良基因，通過燈具與建筑構(gòu)件界面的有機(jī)結(jié)合，提升光環(huán)境質(zhì)量、塑造空間整體氛圍，實(shí)現(xiàn)良好空間感知與互動；其次，建筑化照明本質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)了燈具光學(xué)屬性與空間界面屬性的結(jié)合，建筑照明一體化則應(yīng)實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件的空間界面屬性與光學(xué)屬性、以及聲學(xué)和熱工屬性的結(jié)合；另外，建筑化照明的安裝方式為照明的工業(yè)化施工提供了可能性，建筑照明一體化要求產(chǎn)品的模塊化，以實(shí)現(xiàn)施工工業(yè)化。

2)建議:研究基于多目標(biāo)優(yōu)化的建筑照明一體化設(shè)計(jì)實(shí)踐。應(yīng)以室內(nèi)照明的質(zhì)量提升、空間利用及裝飾、能源節(jié)約、施工工業(yè)化等為目標(biāo)，基于建筑空間、人員行為與心理、視覺任務(wù)等特征，限定并劃分建筑照明一體化的典型空間；基于健康與舒適要求，提取滿足新的照明需求、場所需求和實(shí)施需求的設(shè)計(jì)指標(biāo)體系；以“有機(jī)結(jié)合”為設(shè)計(jì)新導(dǎo)向，在滿足美學(xué)需求基礎(chǔ)上，開展照明方案的多目標(biāo)優(yōu)化研究；獲取建筑照明一體化設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3)可行性分析(如圖10所示)：

a)燈/光自成裝飾、燈/光為靜態(tài)標(biāo)識、燈/光可動態(tài)互動等建筑照明有機(jī)結(jié)合方式，已在一定程度上達(dá)成光環(huán)境提升和空間利用優(yōu)化；

b)燈與空間其他設(shè)計(jì)元素統(tǒng)一的建筑照明融合、見光不見燈的隱藏式照明，即建筑化照明，有效提升光環(huán)境的同時(shí)，優(yōu)化空間利用；

c)“嵌入式”照明具有發(fā)光面積優(yōu)勢，可用較低光源亮度達(dá)到較高照度，均勻度高，無眩光，大幅度提升光環(huán)境質(zhì)量；表面材料與界面統(tǒng)一，開啟時(shí)提供照明，關(guān)閉時(shí)為空間界面，裝飾與節(jié)約空間并舉；嵌入式安裝配合產(chǎn)品模塊化，有利于施工工業(yè)化；屬于直接照明方式，相較隱藏式和間接照明用能效率高；

d)發(fā)光頂棚同時(shí)作為吸聲結(jié)構(gòu)的聲光耦合、燈具與空調(diào)出風(fēng)、回風(fēng)口結(jié)合的光熱耦合等功能集成案例，具有空間利用優(yōu)化、施工工業(yè)化和用能效率提高優(yōu)勢；

e)LED和智能控制技術(shù)為光源和接口的模塊化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

圖10 建筑照明有機(jī)結(jié)合方式解析

3.2 建筑照明一體化設(shè)計(jì)手段

1)目標(biāo)：設(shè)計(jì)集成與信息集成?！敖ㄖ彰饕惑w化設(shè)計(jì)”首先要求在同一界面完成建筑與照明的協(xié)同設(shè)計(jì)，建筑師將同時(shí)主導(dǎo)建筑和照明設(shè)計(jì)，照明設(shè)計(jì)師更多是執(zhí)行照明設(shè)計(jì)核驗(yàn)的任務(wù)。“建筑照明一體化設(shè)計(jì)”還要實(shí)現(xiàn)健康照明提出的新的照明質(zhì)量指標(biāo)設(shè)計(jì)，如頻閃、光譜分布、垂直照度、空間亮度系數(shù)Feu等；另外，還需滿足因建筑照明有機(jī)結(jié)合產(chǎn)生的耦合功能所對應(yīng)的聲學(xué)、熱工等物理指標(biāo)的核算。

2)建議:研發(fā)基于BIM技術(shù)的建筑照明一體化設(shè)計(jì)軟件?；贐IM技術(shù)軟件的二次開發(fā)，一方面研究照明與建筑構(gòu)件有機(jī)結(jié)合的軟件接口，在軟件平臺中創(chuàng)建涵蓋建筑和照明全信息的數(shù)字模型，建立建筑照明一體化產(chǎn)品族庫；另一方面，獲取照明模擬仿真計(jì)算的核心算法，實(shí)現(xiàn)一體化新指標(biāo)的軟件計(jì)算和建筑照明效果的即時(shí)渲染。另外，應(yīng)進(jìn)一步建議的是：建筑照明一體化設(shè)計(jì)軟件中，光源參數(shù)將以“發(fā)光模塊單元”的形式存在，能夠?qū)崿F(xiàn)與建筑構(gòu)件界面的自動匹配，智能創(chuàng)建建筑構(gòu)件形式的一體化照明模塊，完善至一體化產(chǎn)品族庫；建筑照明一體化設(shè)計(jì)軟件應(yīng)支持對照明調(diào)控的即時(shí)渲染，可結(jié)合VR技術(shù)，帶來沉浸式的照明方案虛擬體驗(yàn)。

3)可行性分析。DIALux是目前最主流的建筑照明設(shè)計(jì)軟件，計(jì)算精度和效果渲染都得到業(yè)內(nèi)專業(yè)人員的一致認(rèn)可。最新發(fā)布的DIALux evo 8.1可實(shí)現(xiàn)所見即所得的設(shè)計(jì)方案渲染效果(圖11)，軟件界面可實(shí)現(xiàn)光色、亮度等的即時(shí)調(diào)控。DIALux雖未實(shí)現(xiàn)建筑照明同界面設(shè)計(jì)，但已支持IFC格式文件導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)了與Revit等BIM技術(shù)平臺的模型共享。

圖11 實(shí)景與DIALux evo模擬示意圖對比

Elumtools 是基于Revit的API開發(fā)的照明計(jì)算插件，將照明計(jì)算直接加載于BIM技術(shù)平臺，初步實(shí)現(xiàn)了建筑與照明的同平臺同界面設(shè)計(jì)(圖12)。但相較于DIALux evo，其在燈具庫和渲染效果上略顯遜色。

圖12 Elumtools的照明設(shè)計(jì)界面

綜上，建筑照明一體化是針對建筑功能需求和空間特征，將照明裝置與室內(nèi)界面和構(gòu)件進(jìn)一步有機(jī)結(jié)合，在滿足傳統(tǒng)照明質(zhì)量要求和美學(xué)要求基礎(chǔ)上，包含設(shè)計(jì)、產(chǎn)品、施工、檢測等層面的改革和創(chuàng)新，通過設(shè)計(jì)集成、信息集成、構(gòu)件集成、功能集成、施工集成，實(shí)現(xiàn)光環(huán)境提升、空間利用優(yōu)化、用能效率提高、施工工業(yè)化，是實(shí)現(xiàn)舒適與健康照明的創(chuàng)新性照明方式。

4 結(jié)語

理查德·凱利曾總結(jié)：環(huán)境光(Ambient luminescence)“是鄉(xiāng)間的晨雪,是從水底仰望的蕩漾的天宵,是正午陽光下白帳中的柔光”；焦點(diǎn)光(Focal glow)“是無處不在的營火,是穿過云層的光束,是溫暖遠(yuǎn)山的一縷陽光”；華麗光(Play of brilliant)“是神奇瑰麗的北極光,是凡爾賽鏡廊中的萬千燭火，是魔幻的圣誕樹，是獨(dú)立日夜空中璀璨的云霞”[33]。

建筑照明一體化設(shè)計(jì)新方法將致力于實(shí)現(xiàn)一般的環(huán)境照明、一般的重點(diǎn)照明和一般的裝飾照明。