陳曉東，張 昕，董 嫻，2，金曉公，邢哲理

(1.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084；2.中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210001；3.軍事科學(xué)院國防工程研究院，北京 100097)

引言

地下工程空間因建筑主體位于地下，空間密閉，導(dǎo)致采光方式受到限制，其核心特點(diǎn)為缺乏自然采光維持工作人員的光照節(jié)律，僅能依靠人工光提供照明。已有研究表明，缺乏天然光的地下空間所面臨的核心問題包括：

1)生理負(fù)面影響，光是人體生理節(jié)律的重要調(diào)節(jié)器，其中天然光的作用尤為關(guān)鍵，在缺乏天然光的地下空間如何調(diào)整節(jié)律作息是關(guān)鍵難題[1-3]。

2)心理負(fù)面影響，地下空間視線受阻，昏暗的光環(huán)境(如礦井、隧道等)，給人帶來幽閉、恐懼等不適感[4，5]，造成焦慮、反感、抑郁等負(fù)面心理影響；研究表明[6]，引入外界景觀和天然光來抵消地下車庫的封閉感，可降低對心理的消極影響。

3)方向感缺失，人對其身處空間的方向定位，受光照引導(dǎo)，人員疏散具有趨光性，而安全疏散是地下空間設(shè)計(jì)的先決條件，實(shí)現(xiàn)地下空間的思維可達(dá)性、視線可達(dá)性以及行為可達(dá)性[7-9]，是光環(huán)境營造的重點(diǎn)。

本文研究對象為地下工程中的辦公空間，即地下工作人員日常工作場所，不同于地下商場空間、停車場等相對廣泛存在的地下建筑空間，地下工程空間的距地表深度、工程特點(diǎn)都具有特殊性，其光環(huán)境典型特點(diǎn)為缺少天然光照射，因而與極地、核潛艇的工作空間極為相似。高強(qiáng)度、高色溫的照明策略、24 h的工作周期更有利于工作人員的生理節(jié)律和工作效率[10]。Kelly等通過觀察18 h周期的潛水艇工作人員(12 h工作，6 h休息)的節(jié)律狀況[10]，發(fā)現(xiàn)僅靠社交和時(shí)間概念不足以促進(jìn)人正常的24 h的節(jié)律周期。Czeisler與Colin等學(xué)者的深入對比研究同樣表明[11，12]，即便是無天然光信息的地下空間，24 h的工作周期仍更有利于人的生理節(jié)律和工作效率。此外，高色溫光照所帶來的強(qiáng)生理節(jié)律刺激，更受到核潛艇工作人員的偏好[12，13]。極地空間光環(huán)境研究也存在類似的結(jié)論， Francis等[14]在南極的研究表明，高強(qiáng)度的藍(lán)光照射可有效提升人的睡眠效率。類似的，Mottram等[15]提出17 000 K的藍(lán)光相比于普通白光，可顯著提前人的睡眠時(shí)間。

另一方面，地面辦公空間光環(huán)境的相關(guān)研究，對地下工程空間光環(huán)境的設(shè)計(jì)同樣具有啟發(fā)性。Figueiro等[16]對美國多棟辦公建筑進(jìn)行長期跟蹤測量，論證了眼部曝光量和睡眠質(zhì)量間的關(guān)聯(lián)，并強(qiáng)調(diào)生理節(jié)律光刺激對照明設(shè)計(jì)反饋的重要性。 Sahin等[17]的研究結(jié)果表明，辦公空間的人工光顏色對人的表現(xiàn)有顯著作用，窄波段的紅光可顯著提升日間的警覺度及工作表現(xiàn)。類似研究也表明，辦公空間藍(lán)光對人存在鎮(zhèn)定作用而紅光存在刺激作用[18]。而荷蘭學(xué)者的研究呈現(xiàn)了另一個(gè)有趣的結(jié)論，高色溫的光在辦公空間配置并不常見，原因在于其對人的情緒和認(rèn)知表現(xiàn)不利[19]。

筆者團(tuán)隊(duì)于2019年11月對南京某地下工程進(jìn)行實(shí)地調(diào)研和人員訪談，如圖1所示，對辦公相關(guān)空間的工作面光學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量，會(huì)議室光環(huán)境極差，工作面水平照度僅為92.5 lx，Ra為78.6，而指揮室光環(huán)境稍好，但工作面水平照度也僅為143.7 lx，Ra為83.8。該地下工程光環(huán)境質(zhì)量整體較差，結(jié)合地下工程工作人員訪談結(jié)果，主要調(diào)研結(jié)論如下：

圖1 南京某地下工程(左：會(huì)議室；右：指揮室)Fig.1 An underground project in Nanjing (Left: Conference room; Right: Control room)

1)燈具顯色性整體偏低，難以滿足人的正常視覺作業(yè)需求，嚴(yán)重影響人的正常工作效率；

2)不同功能空間燈具的色溫分布不均，且常常和空間特性相悖，燈光色彩配置混亂；

3)工作面照度偏低，實(shí)測各功能空間工作面照度最高不足300 lx，部分工作面僅僅100 lx左右，不滿足視覺作業(yè)工作面照度要求的下限。

目前國內(nèi)地下工程辦公空間光環(huán)境研究尚存在以下問題[10]：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)多沿用地面標(biāo)準(zhǔn)，對地下空間的特殊性缺乏考慮，且缺乏相關(guān)非視覺設(shè)計(jì)指標(biāo)；研究總體較少且不系統(tǒng)，多僅關(guān)注色溫或照度的單一作用，缺乏對雙參數(shù)共同作用的探究。綜上，本研究以地下工程辦公空間為研究對象，探討不同色溫、照度參數(shù)組合條件對人的視覺主觀反饋和工作效率的影響，為地下工程辦公空間光環(huán)境設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

本實(shí)驗(yàn)通過模擬類似地下工程空間的無天然光環(huán)境，以色溫、照度兩個(gè)參數(shù)為實(shí)驗(yàn)變量，設(shè)置不同的人工光照明方案，模擬地下日常工作狀態(tài)，通過評估不同實(shí)驗(yàn)組別被試的視覺與非視覺反饋及工作效率，探討照度、色溫對人的視覺及非視覺主觀評價(jià)及工作效率的影響，歸納總結(jié)適宜地下工作環(huán)境的照明參數(shù)。

1.1 實(shí)驗(yàn)條件及被試

實(shí)驗(yàn)于2020年7月23日至8月8日進(jìn)行，共計(jì)15天。實(shí)驗(yàn)空間位于京市朝陽區(qū)酒廠藝術(shù)園區(qū)(圖2)，包括三間配有天窗及側(cè)窗的南向?qū)嶒?yàn)室，每間實(shí)驗(yàn)室包括兩個(gè)實(shí)驗(yàn)工位，三間實(shí)驗(yàn)室的天窗和側(cè)窗進(jìn)行完全封閉處理以模擬全人工光實(shí)驗(yàn)條件，且三間實(shí)驗(yàn)室的聲環(huán)境、熱濕環(huán)境基本保持一致(26.1±0.5 ℃，相對濕度48.2±1.3)。人工照明配置了色溫、照度雙參數(shù)的調(diào)光系統(tǒng)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選擇制定相應(yīng)的人工照明方案。

圖2 實(shí)驗(yàn)空間圖示Fig.2 Diagram of experimental space

本實(shí)驗(yàn)被試共計(jì)13人，均滿足身體狀況良好、實(shí)驗(yàn)期間無服藥經(jīng)歷，視覺狀況良好，飲食作息規(guī)律。被試平均年齡為28.64±5.39，男女比例為6∶7。實(shí)驗(yàn)期間被試保持坐姿，采用個(gè)人筆記本模擬辦公任務(wù)，代謝率約為1 met(靜坐)～1.1 met(打字)。

1.2 實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段

實(shí)驗(yàn)空間光學(xué)參數(shù)測量，通過SPIC-200彩色光譜照度計(jì)記錄各辦公工位的實(shí)際光譜數(shù)據(jù)，測量并計(jì)算人眼部的垂直光譜數(shù)據(jù)，記錄間隔1 h；通過照明研究中心(Lighting research center)提出的節(jié)律照度(Circadian light)、節(jié)律刺激(Circadian stimulus)的非視覺指標(biāo)和計(jì)算方法[20]，將光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為非視覺量度，與被試非視覺反饋結(jié)合分析。

實(shí)驗(yàn)評測內(nèi)容包括視覺主觀評價(jià)、非視覺主觀評價(jià)以及工作效率評估三個(gè)方面。視覺主觀評價(jià)采用VAS視覺模擬評價(jià)問卷[21]，標(biāo)度0～100 mm，獲取被試視覺主觀評價(jià)(共計(jì)6項(xiàng))，主要聚焦視覺滿意度、光照充足程度以及空間物體呈現(xiàn)效果等問題。非視覺主觀評價(jià)包括覺醒度評價(jià)和情緒評價(jià)兩部分，覺醒度評價(jià)采用Karolinska Sleepiness Scale評估[22]；情緒評價(jià)采用The Positive and Negative Affect Schedule (PANAS)[23]，包括積極情緒、消極情緒各10項(xiàng)子問題，該量表要求被試對個(gè)人情緒進(jìn)行自我評估，通過對每十個(gè)子問題求和，表示相應(yīng)的情緒狀態(tài)。以上視覺及非視覺主觀評價(jià)均為120 min填寫一次。

工作效率評估采用FocusTest，該工具為清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系研發(fā)，主要用于評估被試的任務(wù)表現(xiàn)水平，共包括字母記憶、數(shù)字心算和圖片匹配三個(gè)任務(wù)。字母記憶測試，被試需要在1 s內(nèi)記住屏幕中閃現(xiàn)的6位英文字母組合，并有4 s的時(shí)間在字母消失后輸入答案，手動(dòng)確認(rèn)或4 s結(jié)束后進(jìn)入下一題；數(shù)字心算要求被試完成3個(gè)10以內(nèi)自然數(shù)加法，需要4 s內(nèi)完成結(jié)果輸入；圖片匹配要求被試在16張圖片中找到2組相同的圖片，完成后進(jìn)入下一題。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了200 s字母記憶、200 s數(shù)字心算、200 s圖片匹配三個(gè)子任務(wù)，聚焦作答準(zhǔn)確率及任務(wù)效度綜合評價(jià)等指標(biāo)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置及流程

實(shí)驗(yàn)?zāi)M正常日間辦公時(shí)間，設(shè)置三個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)段，分別為：10:00—12:00、13:20—15:20、15:30—17:30。實(shí)驗(yàn)變量為照度和色溫，結(jié)合已有采光照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以及地下工程空間調(diào)研結(jié)果，以工作面中心作為參照點(diǎn)，分別設(shè)置150 lx、300 lx、500 lx、1 000 lx等4個(gè)照度組別，4 000 K、5 000 K、6 000 K等3個(gè)色溫組別，照度色溫參數(shù)交叉構(gòu)成共計(jì)12個(gè)實(shí)驗(yàn)組別，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組別至少有10人次參與實(shí)驗(yàn)，累計(jì)實(shí)驗(yàn)人次不低于120。各參數(shù)條件的實(shí)驗(yàn)場景如圖3所示, 從上至下色溫依次為4 000 K、5 000 K、6 000 K,從左至右照度依次為150 lx、300 lx、500 lx、1 000 lx。

圖3 實(shí)驗(yàn)場景Fig.3 Experiment scenes

實(shí)驗(yàn)流程設(shè)置如下：每2 h的實(shí)驗(yàn)期間，被試需提前10 min到達(dá)實(shí)驗(yàn)空間，完成光環(huán)境適應(yīng)。實(shí)驗(yàn)開始，記錄各被試眼部及工作面的光譜數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)過程中，被試模擬正常坐姿辦公任務(wù)，不許離開實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)走動(dòng)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，被試需完成視覺主觀評價(jià)VAS問卷、KSS覺醒度量表以及PANAS情緒評價(jià)量表的填寫，并于實(shí)驗(yàn)結(jié)束前10 min完成工作效率評估。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)光環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)過程依靠人工照明提供光線，人工照明的調(diào)節(jié)系統(tǒng)共包括四個(gè)矩形面光源，實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)的照度、色溫組別，與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)參數(shù)的誤差控制不超過5%。對于12個(gè)實(shí)驗(yàn)組別光環(huán)境條件下，被試工作狀態(tài)眼部垂直點(diǎn)位的節(jié)律刺激進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。以節(jié)律刺激作為指標(biāo)，通常建議取值大于0.3以保證充分的非視覺刺激[20,24]，本實(shí)驗(yàn)中，僅1 000 lx的實(shí)驗(yàn)組別滿足條件，其余組別的非視覺刺激量均有不足；此外，實(shí)驗(yàn)組別設(shè)定是以工作面水平照度作為參考，而實(shí)驗(yàn)空間僅由人工光源提供頂部光，缺乏側(cè)面天然光供給，100 lx、300 lx、500 lx三個(gè)組別中人眼部垂直方向照度最高也未超過260 lx，與相應(yīng)的水平照度接近1∶2的比例關(guān)系，因而計(jì)算得到的節(jié)律刺激值偏低，說明在僅存在人工照明的地下工程辦公空間，照度標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定宜不拘泥于工作面照度值的規(guī)定，以保證充分的非視覺刺激量，保障地下工作人員的節(jié)律健康。

圖4 不同實(shí)驗(yàn)組別的節(jié)律刺激Fig.4 Circadian stimulusof different experimental groups

2.2 視覺主觀評價(jià)

本實(shí)驗(yàn)中，視覺主觀評價(jià)共包括光環(huán)境舒適度、吸引力、光色自然度、光照充足度、場景印象和物體輪廓呈現(xiàn)共計(jì)6項(xiàng)。筆者分別以上述6項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)作為因變量，對照度、色溫雙自變量，進(jìn)行ANOVA雙因素方差分析(圖5)。結(jié)果顯示，除吸引力外，其余5項(xiàng)視覺主觀評價(jià)均存在統(tǒng)計(jì)顯著性。事后分析兩兩比較顯示(表1)，光環(huán)境舒適度受照度顯著影響， 1 000 lx的工況相比于150 lx可顯著提升被試的主觀舒適度評價(jià)；對光色自然度和光照充足度而言，150 lx條件相比于300 lx/500 lx/1 000 lx組別的評價(jià)得分也顯著偏低，被試普遍反饋150 lx的工作條件難以滿足正常的工作需求；對于場景印象和物體輪廓呈現(xiàn)的評價(jià)，同樣存在高照度(1 000 lx)優(yōu)于低照度(150 lx/500 lx)組別的情況，被試認(rèn)為1 000 lx條件下視野中的場景更加生動(dòng)。另外，色溫變量在所有視覺主觀評價(jià)問題中均不存在統(tǒng)計(jì)顯著性，一方面說明色溫變量在本實(shí)驗(yàn)中對于視覺主觀評價(jià)的區(qū)分度較弱，另一方面表明照度變量在光環(huán)境評價(jià)中的主導(dǎo)作用。

圖5 不同實(shí)驗(yàn)組別的視覺主觀評價(jià)Fig.5 Subjective visual performance of different experimental groups

表1 視覺主觀評價(jià)問題多重比較結(jié)果

綜上，對于大部分視覺主觀評價(jià)，均呈現(xiàn)高照度條件(1 000 lx)的滿意度顯著優(yōu)于低照度條件(150 lx)；對于300 lx/500 lx的中照度組別，雖然1 000 lx組別的主觀評價(jià)普遍高于300 lx及500 lx條件，但僅僅在光照充足度(300 lx)和場景印象評分(500 lx)存在統(tǒng)計(jì)顯著。

2.3 非視覺主觀評價(jià)與工效測評

非視覺主觀評價(jià)包括KSS覺醒度和PANAS情緒評價(jià)兩項(xiàng)。

對于KSS覺醒度(圖6)，方差分析及事后多重比較結(jié)果表明，1 000 lx條件下的覺醒度顯著高于150 lx(p=0.026<0.05)，即被試在1 000 lx的高照度條件下更能保持清醒狀態(tài)。這與已有光學(xué)研究結(jié)論吻合，高照度所帶來的強(qiáng)生理節(jié)律刺激，更能有效抑制人褪黑激素分泌，并維持人的覺醒度。此外，300 lx、500 lx與1 000 lx條件下的覺醒度評價(jià)并不存在顯著差別，說明照明標(biāo)準(zhǔn)中通常采用的常規(guī)照度限值可維持工作人員正常工作的覺醒度。

圖6 不同實(shí)驗(yàn)組別的覺醒度得分Fig.6 KSS feedback of different experimental groups

對于PANAS情緒評價(jià)的積極情緒、消極情緒兩個(gè)因變量(圖7)，同樣進(jìn)行了照度和色溫的雙因素方差分析，結(jié)果均不存在統(tǒng)計(jì)顯著，說明在本實(shí)驗(yàn)不同照度和色溫條件并未導(dǎo)致被試積極情緒和消極情緒的差異。而以往的研究經(jīng)驗(yàn)中，情緒反饋對光照和色溫變量具備較好的響應(yīng)能力[25]，本實(shí)驗(yàn)的差異結(jié)果，其可能原因在于光的非視覺作用的時(shí)間累積效應(yīng)，2 h的短時(shí)實(shí)驗(yàn)未能有效反饋實(shí)驗(yàn)期間的真實(shí)情緒變化。

圖7 不同實(shí)驗(yàn)組別的情緒評價(jià)(積極情緒、消極情緒)Fig.7 Mood feedback (positive and negative) of different experimental groups

工效測試三項(xiàng)子任務(wù)為字母記憶、圖片匹配以及數(shù)字心算，然而方差分析的結(jié)果均不存在統(tǒng)計(jì)顯著。究其原因，一方面是上述提到的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和非視覺作用累積效應(yīng)的沖突，另一方面也說明本實(shí)驗(yàn)工效測試工具對被試的區(qū)分度較差。

3 討論與結(jié)論

本研究實(shí)驗(yàn)主要結(jié)論包括如下三點(diǎn)：

高照度條件(1 000 lx)可提升整體視覺主觀滿意度和覺醒度，低照度條件(150 lx)無法維持良好的視覺作業(yè)效率。這和已有相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，夜間人工照明的照度增加與褪黑素抑制呈顯著正相關(guān)[26,27]，高照度可保證白天的覺醒度[17,28,29]，提升人的視覺及非視覺滿意度。另外，在已有建筑照明標(biāo)準(zhǔn)中[30]，300 lx是對于普通辦公室和會(huì)議室工作面的照明標(biāo)準(zhǔn)值，500 lx是對高級辦公室、視頻會(huì)議室及設(shè)計(jì)室等空間工作面的照明標(biāo)準(zhǔn)值，兩者可視作一般視覺作業(yè)和高級視覺作業(yè)的要求，在本實(shí)驗(yàn)中，1 000 lx照度的條件更受偏好，說明設(shè)計(jì)值相比標(biāo)準(zhǔn)值的提升仍可有效改善視覺舒適度，因而從改善地下工程辦公空間人員的視覺舒適度和覺醒度角度，筆者認(rèn)為在缺乏天然光供給的地下工程辦公空間中，人工照明設(shè)計(jì)的照度標(biāo)準(zhǔn)值宜相比標(biāo)準(zhǔn)要求有所提高。

照度與色溫雙參數(shù)對視覺主觀評價(jià)的影響，照度值具有先決意義，色溫變量影響較小。通常，高色溫往往有利于覺醒度提升[31,32]和積極情緒的激發(fā)[33]，考慮到已有研究實(shí)驗(yàn)中多為色溫單變量實(shí)驗(yàn)或照度考慮較少，而本實(shí)驗(yàn)自變量設(shè)計(jì)包括照度色溫雙參數(shù)，筆者認(rèn)為在照度色溫交叉實(shí)驗(yàn)中，照度變量也許對色溫存在掩蔽效應(yīng)。結(jié)合已有研究結(jié)論，當(dāng)照度值達(dá)到一定限值(500 lx)，色溫提高對人的視覺與非視覺反饋影響減弱[34,35]，本實(shí)驗(yàn)側(cè)面印證了照度在視覺主觀評價(jià)的潛在先決影響，該結(jié)論有待后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

地下工程辦公空間人工照明設(shè)計(jì)中，保證充足眼部非視覺刺激不容忽視。本實(shí)驗(yàn)中，缺少了天然光側(cè)面采光，頂部人工照明是唯一光源，即便滿足了500 lx的視覺作業(yè)要求，落實(shí)到眼部垂直方向的非視覺指標(biāo)如節(jié)律刺激CS值依然低于建議值，這意味著以視覺作業(yè)為單一評估準(zhǔn)則很可能導(dǎo)致非視覺刺激量的不足，對地下工作人員的長期節(jié)律健康存在隱患。雖然本實(shí)驗(yàn)的非視覺評價(jià)中僅覺醒度存在統(tǒng)計(jì)顯著性， 筆者團(tuán)隊(duì)認(rèn)為采取合適的照明方式和方案以保證非視覺刺激量是設(shè)計(jì)實(shí)踐的重點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，還存在如下局限：單位實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短, 光對非視覺的作用的時(shí)間累積效應(yīng)，短時(shí)間2 h的測試并不能有效反映作用效果；非視覺測度手段相對單一，有待補(bǔ)充客觀測量工具深入研究。