孫 晴,李明海

(1.西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

引言

“南海一號(hào)”古沉船是南宋初期一艘在海上絲綢之路向外運(yùn)送瓷器時(shí)失事沉沒的木質(zhì)古沉船，沉沒地點(diǎn)位于中國廣東省臺(tái)山市海域?！澳虾Ｒ惶?hào)”古沉船目前存放在廣東海陵島的海上絲綢之路博物館三號(hào)艙內(nèi)。相對(duì)于普通博物館的展示文物，“南海一號(hào)”古沉船體積龐大，而且內(nèi)部文物眾多，包括瓷器、金器、銀器、銅錢及大量動(dòng)植物標(biāo)本等。基于保護(hù)發(fā)掘與展示的目的，三號(hào)艙沉箱區(qū)沉船陳放頂部照明是整個(gè)博物館電氣照明設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。本文根據(jù)現(xiàn)場實(shí)勘結(jié)合考古發(fā)掘與展陳需求，通過研究現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境條件及開展考古工作對(duì)光環(huán)境的客觀技術(shù)要求，利用模擬仿真設(shè)計(jì)制定電氣照明方案及措施。

1 照明設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

在海上絲綢之路博物館內(nèi)的“南海一號(hào)”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(dá)到考古照明的標(biāo)準(zhǔn)，能兼顧大量考古學(xué)家在古沉船船體上參與細(xì)致的考古工作。這就對(duì)博物館沉船區(qū)照明要求提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)需求。

1.1 照明空間分析

沉箱區(qū)域底部標(biāo)高為-8.5 m,沉箱上部工作平臺(tái)標(biāo)高為-0.198 m。工作平臺(tái)與鋼結(jié)構(gòu)上人觀察平臺(tái)底部面層機(jī)構(gòu)距離6.8 m。沉箱區(qū)域?yàn)?7.44 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(hào)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(shè)有考古工作平臺(tái)(標(biāo)高為-0.198 m)，此平臺(tái)根據(jù)考古要求，需要與保護(hù)修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)一致。另外，頂部鋼結(jié)構(gòu)上人面設(shè)有觀察窗，考古平臺(tái)外側(cè)設(shè)有游客觀察區(qū)，因此需結(jié)合文物陳列展示照明要求。根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034—2013)規(guī)范中的要求，博物館文物修復(fù)室應(yīng)在其實(shí)際工作面達(dá)到750 lx標(biāo)準(zhǔn)，UGR=19,U0=0.7,Ra=90。同時(shí)，對(duì)光不敏感的展品：陶瓷器、寶玉石器、巖礦標(biāo)本、玻璃制品、琺瑯器等照度標(biāo)準(zhǔn)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(shè)區(qū)域內(nèi)，發(fā)掘工作穩(wěn)步進(jìn)行中。暴露在海水外供游客參觀部分基本為對(duì)光不敏感的材料。另外，低感光度的木材、骨骼等等有考古價(jià)值的一經(jīng)發(fā)掘會(huì)轉(zhuǎn)移至博物館考古工操作間內(nèi)。因此，基于以上因素，結(jié)合考古隊(duì)提出的考古工作面照度需求，沉箱區(qū)照明設(shè)計(jì)指標(biāo)定為800 lx, UGR≤19,U0=0.7,Ra>90。

1.2.2 展示保護(hù)照明要求

對(duì)于博物館的文物保護(hù)來說，光學(xué)輻射盡管不能造成最嚴(yán)重的破壞，但是已經(jīng)證明光學(xué)輻射與考古文物及博物館藏品的兌變有著明晰的關(guān)系。

1)光輻射的熱效應(yīng)控制。輻射熱效應(yīng)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(xué)提供動(dòng)力。同時(shí)，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(nèi)部溫度急劇上升,產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，出現(xiàn)翹曲、龜裂現(xiàn)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(yuǎn)紅外線。對(duì)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(duì)于“南海一號(hào)”沉船考古發(fā)掘保護(hù)而言，多數(shù)文物屬于礦物質(zhì)或無機(jī)物材料(石頭、金屬、玻璃、瓷器等)；及少部分屬于有機(jī)物(木材、骨骼、象牙、漆器、紡織品等)。沉船內(nèi)考古發(fā)掘的小部分是以有機(jī)物形式存在的文物，此類有機(jī)化合物分子是由碳?xì)湓右怨矁r(jià)鍵的形式相互連結(jié)而成，若鍵斷裂就會(huì)造成有機(jī)物的分解。紫外光具有足以使有機(jī)物化學(xué)鍵斷裂的能量，使有機(jī)質(zhì)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(duì)于博物館，CIE 2003的技術(shù)報(bào)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(shù)(μW/lm)表示相對(duì)于光源光通的UV輻射能量。根據(jù)以往工程測試結(jié)果可知穿過玻璃輻射，可以認(rèn)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(hù)要求

沉箱區(qū)古沉船由于整體打撈放置于博物館內(nèi)，浸泡于海水中，隨著考古工作的進(jìn)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(cè)及頂部參觀區(qū)應(yīng)用封閉玻璃隔離。內(nèi)部采用主動(dòng)抽排風(fēng)設(shè)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(duì)于長期直接暴露于汞蒸氣環(huán)境下的燈具，應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jīng)過多年發(fā)展顯色性有所提高，但是與白熾燈的顯色指數(shù)相比，還是有一定差距，而且其效率會(huì)受到影響。目前用黃色熒光粉和藍(lán)光產(chǎn)生的白光LED，其顯色性指數(shù)約為80。通過增加適當(dāng)紅色熒光粉等方法，可以使顯色指數(shù)提高到90。通過紅、綠、藍(lán)(RGB)混色處理也可以提高顯色性，但由于(RGB)LEDs中三個(gè)獨(dú)立發(fā)光體隨時(shí)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(dòng)態(tài)改變輸出色彩的基調(diào))是提高LED燈具白光顯色指數(shù)的技術(shù)重點(diǎn)。

圖2 LED光源光譜強(qiáng)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(qiáng)度如圖2所示。能夠看出，LED光源光譜能量強(qiáng)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(duì)于文物的破壞。

據(jù)此，擬采用70 W明裝LED燈具，防護(hù)等級(jí)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(tái)至燈具底部)，燈具間距2 m×2.5 m布設(shè)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(jù)下式計(jì)算：

(1)

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

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(diǎn)，坐標(biāo)為(0,0,0)。確定觀察者角度坐標(biāo)為(±9 539，±9 413～±23 889,+0.45)利用計(jì)算機(jī)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(jù)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，模擬三維立體照明效果圖，并確定各項(xiàng)參數(shù)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，立體模擬圖如圖4所示。燈具布設(shè)規(guī)則，位置參數(shù)，懸吊高度，維護(hù)機(jī)構(gòu)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(yù)設(shè)800 lx工作面水平照度要求。最小照度為600 lx,因而可計(jì)算出U0=0.7,同時(shí)，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果UGR=19亦滿足預(yù)設(shè)要求。

3 沉箱區(qū)LED燈具安裝措施

根據(jù)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(yīng)注意以下施工安裝措施：

1)燈具采用預(yù)埋接線盒、吊鉤、膨脹螺栓固定方法。

2)燈具固定應(yīng)牢固可靠，每個(gè)燈具固定用的螺絲或螺栓不少于2個(gè)。

3)潮濕及有腐蝕氣體的環(huán)境安裝，加設(shè)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(diào)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?yàn)榈撞繛槌链奈?，燈具安裝與吊桿施工均采用防跌落設(shè)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(shí)景圖Fig.6 Caisson lighting scene

4 結(jié)語

本文通過對(duì)考古現(xiàn)場環(huán)境及照明規(guī)范研究，結(jié)合考古專業(yè)人員照明需求的分析，制定設(shè)計(jì)出符合滿足此類考古、展示需求的照明方案及施工設(shè)計(jì)。結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及施工現(xiàn)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(xiàn)場光環(huán)境。