李 鹍，甘 甜

(武漢大學城市設(shè)計學院建筑系，湖北 武漢 430072)

高動態(tài)范圍圖像(high dynamic range image，HDRI)圖學技術(shù)是美國南加州大學Paul Debevec教授提出的，通過照相機捕捉實現(xiàn)從黑暗陰影到高亮光源的更大動態(tài)范圍圖像[1]。非視覺效應(yīng)是如今光環(huán)境研究的重要方向，其影響人體的生理節(jié)律，對人類視覺、心理及生理產(chǎn)生不可忽視的作用[2]。

作為獨特的工業(yè)遺產(chǎn)建筑類型，在成功完成從廢棄拆除到保留改造的轉(zhuǎn)型后，其室內(nèi)非視覺天然光環(huán)境研究是非常有價值的。傳統(tǒng)的非視覺研究方式多為完成設(shè)計建造后再通過實地測量和軟件模擬來對建筑空間的光環(huán)境進行分析，但耗時長且操作過程復(fù)雜，人力物力昂貴。以如何運用HDRI圖學技術(shù)對工業(yè)遺產(chǎn)建筑內(nèi)辦公空間非視覺天然光環(huán)境進行評估，并改造建筑內(nèi)空間作為研究內(nèi)容，最終驗證了HDRI圖學技術(shù)能快速評估和量化建筑內(nèi)空間的非視覺光環(huán)境，并提出最適合人類非視覺健康的辦公空間，為后續(xù)建筑設(shè)計及決策提供依據(jù)。

1 概述

1.1 非視覺光環(huán)境簡述

人類視覺受視網(wǎng)膜上第三類感光司辰細胞的影響，對人體的神經(jīng)分泌行為產(chǎn)生明顯作用，稱為非視覺效應(yīng)[3]。選擇工業(yè)遺產(chǎn)建筑平和打包廠的辦公場所作為非視覺天然光環(huán)境研究選址，其原因在于廠房改造類辦公空間具有一定獨特性；而辦公空間是人類在日常生活中停留時間較長的區(qū)域。因此綜合評定以工業(yè)遺產(chǎn)類建筑的辦公場所作為非視覺光環(huán)境的研究對象具有一定意義。研究表明日間人眼處需接受1 000~2 000 Lx以上的光環(huán)境暴露水平來滿足非視覺效應(yīng)需求[4]。以人眼處照度值進行評估，蔣靖才和吳蔚[5]認為建筑的各朝向達到非視覺效應(yīng)下的光環(huán)境標準照度值不同，東、西方位為210 Lx，南方位為190 Lx，北方位為170 Lx。本文以這些數(shù)據(jù)為評估值來檢測廠房內(nèi)各測點的非視覺光環(huán)境是否符合標準，并希望得到該建筑最優(yōu)的辦公空間設(shè)計方式。

1.2 研究對象

不同于其他拆除的工業(yè)遺產(chǎn)建筑舊址，平和打包廠選擇保留改造。該廠由6個單元組成，為一級工業(yè)遺產(chǎn)[6]。通過對類似工業(yè)遺產(chǎn)舊址的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多數(shù)案例在完成室內(nèi)改造后，辦公區(qū)非視覺光環(huán)境并不理想。在視覺感知良好以外，如何使室內(nèi)辦公空間符合人體非視覺效應(yīng)的健康標準也需要進一步的研究。根據(jù)對平和打包廠實地考察發(fā)現(xiàn)，改造后的建筑空間保留較完整，多數(shù)空間改為辦公功能。另外建筑中存在未經(jīng)室內(nèi)裝修的空地，可作為設(shè)計改造預(yù)留空間。

1.3 工作流程介紹

以往獲取天然采光數(shù)據(jù)多以儀器測量為主要手段，隨著HDRI圖學技術(shù)的發(fā)展，更多建筑師將此運用到專業(yè)光環(huán)境分析中[7]。如王嘉亮[8]利用HDRI圖學技術(shù)對2組博物館建筑進行了光環(huán)境分析。HDRI圖學技術(shù)是利用數(shù)碼相機對同一場景進行逐時拍攝，得到不同曝光程度的低動態(tài)范圍圖像(low dynamic range image，LDRI)，再利用軟件將LDRI圖像合成為記錄該場景亮度數(shù)據(jù)的HDRI圖像[9]。因此嘗試利用HDRI圖學技術(shù)評估建筑內(nèi)非視覺光環(huán)境，對建筑內(nèi)所選取的6個不同測點進行逐時拍攝，得到HDRI圖像后再綜合分析各測點是否符合非視覺光環(huán)境的標準。為了使結(jié)果更準確，將儀器實測與HDRI圖學技術(shù)結(jié)合進行數(shù)據(jù)誤差校正如圖1所示[8]。所用工具軟件見表1。

完成上述工作后，將得到具體數(shù)據(jù)來為該廠房未經(jīng)過改造的內(nèi)部空間進行評估，為形成更好的非視覺光環(huán)境提供建議和適應(yīng)性分析。

2 調(diào)研及數(shù)據(jù)測量分析

2.1 實地考察

平和打包廠的辦公區(qū)域基本分布在2至4層，部分空間已有單位入駐并完成室內(nèi)改造，特選取平和打包廠C區(qū)2層未經(jīng)內(nèi)部改造的原始空間作為研究對象。該建筑西北側(cè)為有鐘塔的A區(qū)，外部光線有一定遮擋；北側(cè)及東北側(cè)均為低層和多層老式建筑，采光較好，南側(cè)無開窗。在此基礎(chǔ)上，對建筑內(nèi)部光環(huán)境有影響的因素進行了分析：裝修層面上，內(nèi)部墻面以白色涂料粉刷(反射系數(shù)0.84)和紅磚墻(反射系數(shù)0.15)為主，天花設(shè)備層外露并外包鋁皮(反射系數(shù)0.80)，水泥自流平地面(反射系數(shù)0.15)，中部交通空間為黑框玻璃墻隔斷(玻璃框反射系數(shù)0.08，玻璃反射系數(shù)0.80)；門窗層面上，黑色鋼框玻璃窗(玻璃框反射系數(shù)0.08，玻璃反射系數(shù)0.80)，其長寬分別為1.8 m×1.5 m、1.8 m×2.5 m、1.85 m×2.5 m 3種尺寸，保留一扇原有黑色吊滑鐵鑄門和新增一扇黑色設(shè)備門(反射系數(shù)為0.15)，其余為黑色鋼框玻璃門，如圖2所示。

圖1 工作流程圖Fig. 1 Work flow diagram

表1 工具軟件列表Table 1 Table of tools and software

通過調(diào)查平和打包廠其他已改造空間，并分析內(nèi)部工作人員行為軌跡，主要辦公時間上午9:00至下午6:00，人的基本工作狀態(tài)為靜坐；午休時間13:00至14:00多為平躺休息；下午休息15:00至15:30，工作人員起身閑談保持站立狀態(tài)。

圖2 室內(nèi)外光環(huán)境影響因素圖Fig. 2 Influencing factors of indoor and outdoor light environment diagram

2.2 HDRI圖學技術(shù)運用檢測與分析

2.2.1 測點選取

特選取建筑內(nèi)東、南、西、北以及東南向不同空間共計6個區(qū)域(測點1~6見表2)進行全天候?qū)嵉毓猸h(huán)境測量。

表2 場地內(nèi)測點選取表Table 2 Site measurement points selection

2.2.2 HDRI圖像和實測數(shù)據(jù)獲取及比對

為獲取更精確的非視覺光環(huán)境亮度信息，選取2019年9月29日和9月30日兩個全晴天以及10月7日和10月8日兩個全陰天進行現(xiàn)場測點1~6的HDRI圖像拍攝及亮度計儀器實測。拍攝和測量為相同測點和時間，上午9:30至下午17:30共8 h，每隔1 h記錄圖像和勘測數(shù)據(jù)。

因為要研究非視覺光環(huán)境效應(yīng)，所以現(xiàn)場亮度計測量數(shù)據(jù)采集選取人眼水平高度為測量點，同時考慮不同時間段人群的活動狀態(tài)。為獲取更準確的垂直測點亮度平均值，選取1.68 m, 1.20 m, 0.60 m 3個不同視野高度對測點進行數(shù)據(jù)測量。HDRI圖像獲取采用佳能相機拍攝得到各測點的逐時圖像，全天測量8 h，每小時每測點拍7張不同曝光量LDRI圖像，6個測點，兩個晴天和兩個陰天，共計1 176張。利用Photomatix Pro軟件按照不同測點和時間分別合并LDRI圖像，最終得到兩個全晴天和兩個全陰天共計168張HDRI圖像。再通過Hdrscope軟件分別對168張HDRI圖像進行分析，得到對應(yīng)的偽彩色圖像及亮度百分比。因為圖片數(shù)量大，所以僅選取其中一個時間段為例，圖3為9月29日9:30不同測點的HDRI圖像合成過程圖、偽彩色圖及亮度百分比示例圖。

圖3 場地測點HDRI圖像合成和偽視圖及亮度百分比圖Fig. 3 HDRI image composition and pseudo-view and brightness percentage chart in site measurement points

獲得HDRI圖像和對應(yīng)偽彩色圖之后，利用Hdrscope和Radiance-Image Analyzer軟件分析圖像，得出測點1~6分別在全晴天和全陰天下不同時間的光亮度平均值，圖4為9月29日9:30測點1軟件中HDRI圖像亮度數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖。

圖4 Hdrscope軟件亮度計算圖Fig. 4 Brightness calculation diagram made by Hdrscope software

計算出相應(yīng)的亮度計測量數(shù)據(jù)平均值，將實測亮度數(shù)據(jù)與圖像亮度信息進行比對，得到兩者的對比折線圖(圖5)。

圖5 HDRI圖像與實測亮度對比折線圖Fig. 5 Contrast line diagram of HDRI image and measured brightness

從圖5中發(fā)現(xiàn)HDRI圖像和實測亮度整體趨勢走向基本一致，亮度變化范圍為0.10~101.57 cd/m2，統(tǒng)計后的平均誤差率全晴天為12.71%，全陰天為11.43%，利用誤差值進行校正后的HDRI圖像亮度信息更精準。由此可見運用HDRI圖像檢測建筑空間中非視覺光環(huán)境的方法具有可行性，而且簡單方便，減少了大量儀器測量時間和成本。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 非視覺光環(huán)境分析

將測點1~6所對應(yīng)的平均亮度值與HDRI圖像及誤差率結(jié)合獲取不同測點的光源亮度值，再利用下式將光源亮度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)照度[13]，即

其中，La為發(fā)光表面的亮度；Ωcosi為發(fā)光表面亮度與受光點所形成的夾角投影，相乘后得到對應(yīng)照度值E。

分析轉(zhuǎn)換結(jié)果是否符合上述的非視覺光環(huán)境健康標準值，相關(guān)結(jié)果見表3。

表3 照度值達標分析表(Lx)Table 3 Illumination standard (Lx) analysis

數(shù)據(jù)顯示測點4的非視覺光環(huán)境達標率最高。測點4位于該建筑的北向端頭空間，開窗面積充足，周邊為低層老住宅商業(yè)，受光條件好，站立、靜坐和平躺狀態(tài)均達標，平均達標率為31.13%。測點1位于東向端頭空間，開窗面積小于測點4，周邊同樣為低層和多層建筑，采光條件較好，平均達標率為3.82%，站立狀態(tài)在全晴天和全陰天下均不達標，靜坐和平躺的狀態(tài)符合標準。測點5和6位于東南向端頭空間，開窗面積較小，其中測點5緊鄰樓梯間，周邊有廠內(nèi)其他區(qū)域建筑的遮擋，采光條件較差，只有測點6達標，平均達標率為0.32%，辦公靜坐狀態(tài)不達標。測點2位于南向端頭空間，場地內(nèi)無直接受光源，因此不達標。測點3位于西向中部空間，開窗面積雖充足但周邊有鐘塔和廠內(nèi)建筑遮擋，并受西曬影響，采光條件較差不達標。

且測點2由于南向方位無開窗及局部周邊建筑遮擋導致室內(nèi)多數(shù)空間非視覺光環(huán)境不達標，因此南向方位受光量對室內(nèi)整體非視覺光環(huán)境具有一定影響。其次，平躺較靜坐和站立狀態(tài)的非視覺光環(huán)境更優(yōu)，但平躺不屬于辦公活動，且睡眠休息狀態(tài)無需較高照度。根據(jù)上述分析，初步總結(jié)得出非視覺光環(huán)境最好區(qū)域為測點4所在區(qū)域，可以作為主要辦公空間。測點1區(qū)域光環(huán)境達標率緊次于測點4，因此作為次要辦公空間。而測點6達標率低，其余測點未達標，因此均不建議作為辦公區(qū)域，可局部作為休息和其他功能區(qū)域。

3.2 影響因素分析

每個測點接受陽光直射亮度不同為光環(huán)境主要影響因素，此外其他因素也會造成不同程度的影響。為得到更準確的場地光環(huán)境特點，需要進一步分析各種因素對光環(huán)境的影響，為后續(xù)建筑空間改造策略提供依據(jù)。

3.2.1 光氣候條件影響

全晴天和全陰天2種光氣候的室內(nèi)非視覺光環(huán)境整體趨勢統(tǒng)一，全晴天較全陰天更好，但全陰天更趨穩(wěn)定(圖6)。

圖6 各測點全晴天與全陰天不同活動狀態(tài)差值對比圖Fig. 6 Difference comparison chart of activity status between all sunny days and all cloudy days at each measuring point

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)不同方位下站立、靜坐、平躺3種狀態(tài)在全晴天和全陰天下與標準值的偏差比最大為測點6，平均偏差值高達26.97%，其次為測點3，平均偏差值為10.86%。結(jié)合非視覺光環(huán)境達標率分析，測點6靜坐狀態(tài)未達標，加上不同光氣候條件下動態(tài)差值過大，因此不適合作為辦公區(qū)域，不利于人體非視覺健康；測點3非視覺標準檢驗未達標，因此也不作為辦公區(qū)域。從整體數(shù)據(jù)看，差值最小為測點5，平均偏差值僅0.67%，但該測點并未達標，可考慮將作為休閑或輔助功能區(qū)域。

通過分析可知，光氣候條件對室內(nèi)非視覺光環(huán)境具有一定影響，在后續(xù)改造中不考慮將測點3、測點5、測點6作為辦公空間。

3.2.2 采光口方位影響

結(jié)合各測點的平均達標率和不同方位的數(shù)據(jù)結(jié)果比對發(fā)現(xiàn)，位于東方位的測點1和北方位的測點4非視覺光環(huán)境最佳。通過數(shù)據(jù)比對，全晴天下，測點1站立狀態(tài)較測點4高0.53%，靜坐狀態(tài)較測點4高0.28%，平躺狀態(tài)較測點4低0.01%；全陰天環(huán)境下，測點4站立狀態(tài)較測點1高6.56%，靜坐狀態(tài)較測點1高6.8%，平躺狀態(tài)較測點1高7.07%。對比發(fā)現(xiàn)測點4北向方位的非視覺光環(huán)境最優(yōu)，最適宜作為辦公空間。測點1東向方位非視覺光環(huán)境雖低于測點4，但數(shù)據(jù)結(jié)果仍符合標準，可作為次要辦公區(qū)域(圖7)。

圖7 不同方位非視覺光環(huán)境對比圖Fig. 7 Comparison chart of non-visual light environment in different directions

綜上，在建筑辦公空間改造中可將辦公區(qū)域布置在測點4北向及測點1東向區(qū)域。

3.2.3 不同活動狀態(tài)影響

觀察發(fā)現(xiàn)6個方位測點均為平躺狀態(tài)0.60 m高度的非視覺光環(huán)境最佳，其次為靜坐狀態(tài)1.20 m高度，最后為站立狀態(tài)1.68 m高度，非視覺光環(huán)境條件會隨著高度的下降而逐漸提高。另得到測點1和測點4非視覺光環(huán)境符合條件，其中測點4站立狀態(tài)下較測點1高3.05%，靜坐狀態(tài)下測點4較測點1高3.51%，平躺狀態(tài)下測點4較測點1高4.06%。因為大多數(shù)辦公為靜坐狀態(tài)，為了提高非視覺光環(huán)境可適當抬高窗戶不超過0.50 m，以獲得更高工作面及人眼視覺的照度。再觀察測點1和測點4靜坐狀態(tài)下的非視覺光環(huán)境健康值，測點4和測點1平均達標率分別為6.0%和2.5%，如圖8所示。

圖8 不同活動狀態(tài)非視覺光環(huán)境達標率對比圖Fig. 8 Comparison chart of non-visual light environment compliance rate in different activity states

因此，最終分析得出靜坐狀態(tài)下測點4距離光源窗口0.80~1.20 m位置且辦公桌面高0.75 m、座椅坐面高0.45 m是最利于非視覺健康的辦公空間。

3.2.4 采光門窗和室內(nèi)材質(zhì)反射系數(shù)影響

影響各測點內(nèi)環(huán)境的主要因素，見表4。

表4 影響因素分析表Table 4 Influencing factors analysis

窗墻比從高到低排序為測點3>測點4>測點1>測點5=測點6>測點2；窗地比從高到低排序為測點4>測點1>測點3>測點5=測點6>測點2，結(jié)合表3對測量數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，窗地比對非視覺光環(huán)境影響更大。

在室內(nèi)材質(zhì)反射系數(shù)影響分析中，測點5和6在相同方位且面積、窗墻比、窗地比一致的情況下，測點5內(nèi)緊鄰落地玻璃隔斷墻和黑色鐵門，測點6內(nèi)主要為白墻，建筑材料的反射作用導致2點在相同環(huán)境下數(shù)據(jù)結(jié)果相差很大，測點6平均標準偏差率較測點5高26.3%，在全晴天平躺狀態(tài)符合非視覺光環(huán)境標準，而測點5均未達標。

由此可見，室內(nèi)加大窗地比并采用淺色高反射材質(zhì)將更利于非視覺天然光環(huán)境。

3.3 建筑空間改造建議

圖9為研究案例的初步建筑內(nèi)空間功能分區(qū)示意圖。

圖9 功能分區(qū)示意圖(紅色圓點為測量點)Fig. 9 Functional zoning schematic diagram(red dots are measurement points)

非視覺辦公環(huán)境最佳空間為測點4所在區(qū)域，其次為測點1。因此，基本功能分區(qū)為測點4隔斷布置為主辦公區(qū)域，采用白色涂料進行室內(nèi)墻體隔斷；因測點1數(shù)據(jù)值低于測點4，因此作為次要辦公區(qū)域，同樣采用白色涂料進行室內(nèi)墻體隔斷；將測點4和1的連接空間作為開放式辦公區(qū)，用于普通員工辦公，不僅減少墻體隔斷對非視覺光環(huán)境的不良影響，也增加同事之間的工作生活交流。最利于非視覺健康的布置方法為工作人員距離光源窗口0.80~1.20 m，且辦公桌面高0.75 m、座椅坐面高0.45 m，可將辦公桌面垂直受光面，建議在辦公區(qū)域中按照此距離及方位進行排布；測點2和3數(shù)據(jù)值不達標，為避免空間浪費將測點2作為健身娛樂輔助空間，測點3作為會議接待空間并劃分成2間小會議接待室和1間大會議室，采用白色涂料或玻璃墻進行室內(nèi)隔斷；測點5和6只有部分達標，因此作為休憩娛樂及閱覽資料輔助空間，可選取落地玻璃作為墻體隔斷。

4 結(jié) 論

選擇以工業(yè)遺產(chǎn)建筑案例為依托，探討了運用HDRI圖學技術(shù)對建筑空間中非視覺光環(huán)境進行評估并予以改造，以形成更好的光環(huán)境，對達到最佳建筑內(nèi)辦公空間提供相對合理建議。

(1) HDRI圖學技術(shù)對建筑空間設(shè)計和改造中非視覺天然光環(huán)境的評估起到很好的引導作用。利用高動態(tài)圖像可獲取建筑內(nèi)空間的非視覺天然光環(huán)境情況，減少以往實地測量的工作流程和時間及人力物力的消耗，可以更有效地應(yīng)用于建筑空間辦公環(huán)境設(shè)計中。

(2) 在研究案例中，南向方位無開窗導致整體非視覺光環(huán)境達標率低，因此南向方位受光量會影響室內(nèi)整體達標率，應(yīng)注重南向開窗面積和窗地比。在此案例中為了最大限度滿足人體非視覺標準，設(shè)計測點4北向端頭空間作為主辦公區(qū)域，測點1東向端頭空間作為次辦公區(qū)域，采取開放式辦公，減少光源阻擋，利用白色涂料進行室內(nèi)墻體隔斷粉刷，其他區(qū)域留作附屬功能用房。

(3) 場地內(nèi)非視覺光環(huán)境達標空間中測點4較測點1平均達標率高27.31%。其中全陰天非視覺光環(huán)境更趨平穩(wěn)，較全晴天達標率高6.88%。作為主要辦公活動靜坐狀態(tài)高出平均達標值1.285%，站立狀態(tài)僅高0.14%。由于非視覺光環(huán)境與視覺垂直高度呈反比，結(jié)合人體辦公工程學，最后總結(jié)得到靜坐狀態(tài)(座椅坐面高0.45 m)下，最佳的非視覺光環(huán)境在測點4北向端頭辦公空間距離受光源0.80~1.20 m處、0.75 m高的辦公工作面。

(4) 隨著HDRI圖學技術(shù)和非視覺光環(huán)境研究的深入，建筑內(nèi)空間光環(huán)境的評估設(shè)計將更具科學性和可量化性。此次研究僅停留在設(shè)計建議階段，后續(xù)可以更深入的實踐研究。希望此次研究對將來在建筑空間設(shè)計改造中，如何獲取良好的光環(huán)境提供思路。