上海世博會(huì)照明科技的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郝洛西 楊 秀

(同濟(jì)大學(xué)高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092)

1 前言

歷屆世博會(huì)最令人嘆為觀止的無不是那些具有創(chuàng)新理念的現(xiàn)代科技新成果，其中不乏許多科技成果也正是通過世博會(huì)被世人第一次認(rèn)識(shí)，并逐漸走進(jìn)人們的生活。中國2010年上海世博會(huì)已經(jīng)成功舉辦，在過去的半年時(shí)間里，世博會(huì)以其非凡的創(chuàng)意設(shè)計(jì)以及對(duì)技術(shù)理念極富魅力的演繹，給參觀者以前所未有的視覺體驗(yàn)，讓參觀者充分享受照明科技帶給人類的創(chuàng)意生活。同時(shí)，世博會(huì)的多項(xiàng)照明科技也必將引領(lǐng)未來城市照明步入低碳照明時(shí)代。

本文嘗試通過對(duì)在上海世博會(huì)中的各項(xiàng)照明科技的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用的總結(jié)和回顧，挖掘各項(xiàng)創(chuàng)意設(shè)計(jì)和精彩視覺效果背后的照明科技，把眾多成功的經(jīng)驗(yàn)案例再次展示出來，為未來城市的夜景照明建設(shè)發(fā)展提供借鑒，以期改善和提高人類的生活環(huán)境品質(zhì)，延續(xù)“城市，讓生活更美好”這一不變的主題。

2 世博會(huì)與科技

科學(xué)技術(shù)的根源可以追索到古代的美索不達(dá)米亞、埃及、中國、印度等國家，幾千年來的技術(shù)與文明推動(dòng)著人類緩慢地向前發(fā)展。然而，從18世紀(jì)末的第一次工業(yè)革命開始的短短兩百多年間里，科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，快速推動(dòng)著人類文明的變革與進(jìn)步。而世博會(huì)也正是在伴隨著這個(gè)時(shí)期各個(gè)國家所取得的豐碩科技成果的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生，它成為了展示人類文明發(fā)展成果的重大舞臺(tái)。

從1851年倫敦第一屆國際性的“萬國工業(yè)博覽會(huì)”開始到2010年的上海世博會(huì)的159年歷史里，世博會(huì)正日益成為全球最重要的經(jīng)濟(jì)、科技和文化領(lǐng)域的盛會(huì)，擔(dān)負(fù)著傳播人類的智慧成果、引領(lǐng)未來生活理念的社會(huì)使命。世博會(huì)先后促進(jìn)了蒸汽機(jī)、電燈電話、電視機(jī)與攝影機(jī)、電報(bào)與無線電話、激光、人工智能與機(jī)器人和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等等重大科技發(fā)明的傳播和應(yīng)用，這無疑使世博會(huì)成為科技創(chuàng)新展示和交流得天獨(dú)厚的平臺(tái)和渠道。每一屆成功、精彩、難忘的世博會(huì)都承載著厚重的科技內(nèi)涵，世博會(huì)的歷史也正是一部彰顯人類文明和科技創(chuàng)新的演繹史。

3 世博會(huì)照明新技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

繼1866年西門子發(fā)明發(fā)電機(jī)之后，1876年貝爾發(fā)明了電話，1879年愛迪生發(fā)明電燈，這三大發(fā)明照亮了人類實(shí)現(xiàn)電氣化的道路，也促進(jìn)了照明科技的發(fā)展。從法國巴黎世博會(huì)開始，到美國舊金山巴拿馬太平洋世博會(huì)，先后應(yīng)用了“白熾燈”、“熒光燈”等光源來照亮與裝點(diǎn)世博會(huì)。這不僅使世博會(huì)成功延續(xù)到了日落之后，且還通過照明的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，使得世博會(huì)更加精彩和亮麗。而2010年中國上海世博會(huì)則讓人類體驗(yàn)到了半導(dǎo)體照明的魅力，首次形成了目前世界上規(guī)模最大的LED照明技術(shù)的集成應(yīng)用。

2010年上海世博會(huì)與此前數(shù)屆世博會(huì)一樣，通過各種照明新技術(shù)來展示各個(gè)主題。各場館通過設(shè)計(jì)的創(chuàng)新以及科技的亮點(diǎn)來展示企業(yè)、城市乃至國家的技術(shù)實(shí)力與文化特色。無論是對(duì)展品的展示與體驗(yàn)，還是場館建筑的設(shè)計(jì)、材料的選擇與建造，或是公共環(huán)境歡樂氣氛的營造，照明及其相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用已成為了最重要的表現(xiàn)手段之一。創(chuàng)意的巧妙構(gòu)思，技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，恰如其分地演繹了“用技術(shù)的手段展示藝術(shù)的效果”的照明科技真諦。

3.1 新材料的創(chuàng)新應(yīng)用

世博場館不只是一個(gè)單純的展覽類建筑，它也同樣是展示內(nèi)容的重要組成部分，而建筑材料的創(chuàng)新應(yīng)用則是其中一個(gè)重要的出發(fā)點(diǎn)。近來有許多建筑師熱衷于對(duì)光線具有獨(dú)特傳輸特性的新材料，作為建筑設(shè)計(jì)中的創(chuàng)意元素和技術(shù)亮點(diǎn)。這些材料可以改變光線的傳輸方向，對(duì)人工光或者自然光進(jìn)行擴(kuò)散、透射、折射、反射等，使得整個(gè)設(shè)計(jì)工作更具挑戰(zhàn)性和藝術(shù)性。

從材料對(duì)于光線傳輸?shù)挠绊懸约俺尸F(xiàn)的效果方面來看，可將材料分為透光材料與非透光材料。本次世博會(huì)建筑中采用的透光材料主要有白色亞克力材料、彩虹板、ETFE膜、PTFE膜、光柵板、由回收光盤做成的可再生高分子材料、透光混凝土、LED玻璃、PVC膜、PC管道、陽光板以及一些織物材料等等。在德國館中應(yīng)用了LED玻璃，它是在玻璃之間夾入LED芯片，采用透明的電路，由此產(chǎn)生了發(fā)光點(diǎn)懸浮在玻璃中的效果。在50米長的“動(dòng)感隧道”展廊兩側(cè)安裝有9000個(gè)發(fā)光LED點(diǎn)的LED玻璃 (圖1)，并在進(jìn)入室內(nèi)展廳的入口處構(gòu)成了“和諧都市”的字樣。另外，德國館的展示中還運(yùn)用了光柵板 (圖4)，它是結(jié)合數(shù)碼科技與傳統(tǒng)印刷的技術(shù)而做成的，能在同一膠片上通過調(diào)節(jié)視看角度而顯現(xiàn)不同的內(nèi)容或特殊的視覺效果。該場館中應(yīng)用的光柵板可以從不同角度視看，呈現(xiàn)出三種不同的文字內(nèi)容。上海企業(yè)聯(lián)合館的外立面是由高分子塑料管構(gòu)成的立體建筑表皮。而這些高分子塑料管是由回收的廢棄光盤做成的聚碳酸酯塑料顆粒所制成 (圖2)。在每一根豎管中按照一定的間距嵌入LED，形成了一張帶有LED點(diǎn)陣的立體建筑外表皮，這種材料對(duì)光線具有很好的擴(kuò)散和透射作用，降低了LED表面亮度的同時(shí)也創(chuàng)造出了柔和的三維視覺效果。意大利館建筑外墻采用了透光混凝土(圖3)，這種可透光的混凝土是由4%的光學(xué)纖維和96%的混凝土配比而成，且兩個(gè)表面之間的纖維是以矩陣的方式平行放置，是一種透光不透視的材料。白天建筑室內(nèi)可以減少人工照明并增加趣味性，而夜間則整個(gè)建筑呈現(xiàn)出通體發(fā)亮的視覺效果。

圖1 德國館的LED玻璃

圖2 上海企業(yè)聯(lián)合館的由回收光盤做成的可再生高分子材料

圖3 意大利館的透光混凝土

非透光材料主要有 UPMProFi木塑復(fù)合材料、藤板材料、木條與鏤空復(fù)合板、竹片、磚、石板、秸稈壓縮板、附有鐳射智能膜的金屬板材、鋼板網(wǎng)、銹蝕處理的耐候鋼板、鋁板、銅板和GRC混凝土等等。主題館外墻采用了鏤空的金屬板材，開口尺寸自上而下逐漸變大的方形孔洞，形成了建筑表面的肌理，并在背后安裝LED燈具，形成了一片帶有照明效果的建筑外墻 (圖5)。法國館建筑由斜向交叉的白色GRC混凝土網(wǎng)格構(gòu)成 (圖6)，在交叉點(diǎn)的上方放置有用燈具模擬的“蠟燭”燈，利用這種材料構(gòu)成的形式和它表面的漫射特點(diǎn)，表達(dá)了“感性城市”的浪漫情調(diào)。芬蘭館外墻是由無數(shù)白色魚鱗狀片構(gòu)成，這些白色鱗片通過不同角度折射出光線，這種外墻材料是一種叫做 UPMProFi的新型高科技環(huán)保材料，利用廢紙和塑料特殊加工而成的復(fù)合板，移動(dòng)和拆卸也都很方便，全部可以回收再利用。民營企業(yè)聯(lián)合館外墻材料采用的是附有鐳射智能膜的金屬板材，這種材料具有特殊的光學(xué)特征，可隨著觀看角度以及太陽照射方位的變化，產(chǎn)生不同的視覺效果，呈現(xiàn)出豐富的色彩變化 (圖7)。

圖4 德國館中采用可以顯示三種內(nèi)容的光柵板

圖5 主題館外墻的鏤空金屬板

3.2 半導(dǎo)體照明技術(shù)的集成應(yīng)用

圖6 法國館的GRC混凝土

半導(dǎo)體 (LED)照明是繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈之后照明光源的又一次革命。近年來半導(dǎo)體照明技術(shù)的迅速崛起，促進(jìn)了LED在建筑中的應(yīng)用，給創(chuàng)新設(shè)計(jì)帶來更大的空間。LED元器件的小尺寸、多色彩、可控性、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，以及現(xiàn)代人對(duì)光線的審美訴求，在情景照明中可謂得天獨(dú)厚。半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用于照明將主要有三個(gè)發(fā)展方向:(1)傳統(tǒng)光源的替代品;(2)個(gè)性化的照明燈具與產(chǎn)品;(3)建筑化設(shè)計(jì)與應(yīng)用。在本屆世博會(huì)中，世博場館的半導(dǎo)體照明技術(shù)應(yīng)用也主要集中在這三個(gè)方面。

圖7 民營企業(yè)聯(lián)合附有鐳射智能膜的金屬板材

3.2.1 傳統(tǒng)光源的替代品

由于半導(dǎo)體照明技術(shù)的快速發(fā)展，光效的不斷提高、散熱技術(shù)不斷完善、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)更加合理，其必將替代傳統(tǒng)燈具進(jìn)入通用照明領(lǐng)域。但回顧當(dāng)前半導(dǎo)體照明技術(shù)的現(xiàn)狀，LED替代傳統(tǒng)燈具還主要集中在景觀性照明領(lǐng)域，真正走入通用照明領(lǐng)域還需要一個(gè)過程。但本次世博會(huì)也有所嘗試，在世博中心功能性照明中應(yīng)用了大功率LED功能性照明。一個(gè)建筑面積達(dá)1800m2高度為14m的高規(guī)格會(huì)議廳的功能性照明全部使用了半導(dǎo)體照明技術(shù)，共安裝有2000多套LED條狀燈具，每套燈具內(nèi)都安裝有2700K和6500K色溫的LED光源，通過照明控制實(shí)現(xiàn)從低色溫到高色溫的變化，營造出不同的會(huì)議氣氛，以滿足不同類型會(huì)議的需要。

3.2.2 個(gè)性化照明燈具與產(chǎn)品

圖8 主題館室外燈柱

基于LED光源的體積小、色彩豐富、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，使得以LED為光源的燈具更具形態(tài)和功能方面的個(gè)性化。主題館外的不規(guī)則多面體的LED燈柱 (圖8)、澳大利亞館入口處的裝飾性吊燈 (圖9)等等各具特色，另外，世博文化中心室外半導(dǎo)體步道燈具也是其中一例 (圖10)，該戶外燈具“飛碟”的造型構(gòu)思來源于文化中心的建筑形態(tài)，很好地烘托出了文化中心場地的整體氛圍。燈具內(nèi)部的LED光源垂直于水平面布置，并排列呈環(huán)形向內(nèi)出光，燈具表面出光口采用白色聚碳酸酯材料，減低了燈具出光口的亮度，使得出光更加柔和，避免了LED燈具常見的眩光問題。還有位于世博園浦西片區(qū)的景觀裝飾型火焰燈 (圖11)，燈具外觀造型模擬造船用的氣焊槍頭，燈具總高13m，光源由近300個(gè)1W LED組成的RGB整列，外加半透明的PC燈罩，并通過程序來控制光源顏色的轉(zhuǎn)換，以達(dá)到火焰的跳動(dòng)效果。

圖9 澳大利亞館入口裝飾燈

圖10 世博文化中心“飛碟”燈

3.2.3 半導(dǎo)體照明的建筑化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

半導(dǎo)體照明的建筑化途徑主要表現(xiàn)在與建筑構(gòu)件的一體化和媒體界面的模式兩個(gè)方面。LED光源的小體積特征，較容易實(shí)現(xiàn)照明燈具與建筑構(gòu)件的整合，從而使照明燈具與建筑構(gòu)件融為一體，消除暴露的燈具在空間視覺內(nèi)的干擾。另外，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速崛起，特別是其在數(shù)字化與顯示方面的獨(dú)特優(yōu)勢，使得基于LED的數(shù)字媒體更容易實(shí)現(xiàn)。LED光源色彩的豐富性、顯示的數(shù)字化及控制的模塊化等特點(diǎn)是傳統(tǒng)媒體與顯示技術(shù)所無法比擬的。基于LED的數(shù)字媒體界面是一種媒體藝術(shù)傳播的載體，它通過軟件程序的數(shù)字化編排和智能照明控制，以及與LED顯示模塊的結(jié)合，對(duì)圖形、視頻等視覺內(nèi)容進(jìn)行顯示和表達(dá)，更具藝術(shù)性和技術(shù)性。

圖11 浦西沿江火焰燈

世博會(huì)的大量場館建筑的照明都實(shí)現(xiàn)了照明一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)配合一定的數(shù)字媒體界面，展示動(dòng)態(tài)的視覺效果。如英國館將LED嵌入到亞克力棒中，瑞士館建筑表皮的LED智能帷幕，石油館、電信信息館、國家電網(wǎng)館等場館將LED燈具襯在PC材料正后方，香港館、波蘭館、韓國館、比利時(shí)館、愛爾蘭館、俄羅斯館等場館建筑在表皮材料之后進(jìn)行LED燈具投光而形成光影效果。而世博軸則是直接把LED燈具安裝在世博軸陽光谷結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外側(cè)(圖12)，共計(jì)采用了8萬多套LED燈具，通過大規(guī)模LED分布式控制系統(tǒng)——LED BusY總線技術(shù)，對(duì)陽光谷每個(gè)鋼構(gòu)節(jié)點(diǎn)處的全彩全色溫LED星光燈以及整個(gè)大范圍的景觀區(qū)域各類燈具實(shí)施同步控制，其延時(shí)小于25毫秒，并結(jié)合LED的實(shí)時(shí)媒體播放技術(shù)和三維曲面顯示圖像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了良好的夜間效果。在世博文化中心西、南兩個(gè)入口大廳的帶有“光介質(zhì)層”的LED數(shù)字媒體藝術(shù)是一個(gè)自主創(chuàng)新的亮點(diǎn) (見圖13)。它不同于現(xiàn)有的媒體界面，該設(shè)計(jì)采用低像素、大間距LED為基層，并增加一個(gè)中間構(gòu)造層次—— “光介質(zhì)層”以及表面的成像材料，共計(jì)三個(gè)構(gòu)造層次。設(shè)計(jì)中克服LED燈點(diǎn)直接暴露于屏幕表面、表面亮度高、容易產(chǎn)生眩光等缺點(diǎn)，且打破了平面媒體LED顯示屏單一的界面模式，使屏幕造價(jià)更經(jīng)濟(jì)，制造工藝和系統(tǒng)控制更便捷，顯示內(nèi)容更豐富，能創(chuàng)造出更加富有藝術(shù)氣息的視覺效果。

圖12 世博軸陽光谷一體化安裝的LED燈具

圖13 世博文化中心入口數(shù)字煤體界面

3.3 展示與體驗(yàn)的照明技術(shù)

世博會(huì)是人類展示技術(shù)實(shí)力與文化特色一個(gè)盛會(huì)，是人類智慧成果的交流平臺(tái)，場館的設(shè)計(jì)與建設(shè)始終圍繞著如何展示各項(xiàng)科技與文明成果而展開。在本次世博會(huì)上出現(xiàn)了多種的展示與體驗(yàn)方式，如平面的二維展示與投影展示、實(shí)物場景與視覺的三維感受、燈光秀、基于聲學(xué)與機(jī)械學(xué)原理的互動(dòng)裝置、基于空氣動(dòng)力學(xué)的浮球矩陣、IMAX巨幕、720度沉浸式體驗(yàn)、身臨其境的四維電影體驗(yàn)以及網(wǎng)絡(luò)虛擬的數(shù)字展示與體驗(yàn)等等。

開閉幕式上的空氣動(dòng)力浮球表演、沙特館的IMAX巨幕電影、石油館的4D電影、民營企業(yè)聯(lián)合館1020顆上下飛舞的“三維浮球矩陣”和慶典廣場上的壓力感應(yīng)LED地磚等等的展示與體驗(yàn)技術(shù)為世博會(huì)創(chuàng)造了諸多亮點(diǎn)。還有德國館最具互動(dòng)性的帶有磁力感應(yīng)的“金屬球”互動(dòng)裝置 (圖14)，這個(gè)球直徑達(dá)3米，由40萬顆LED構(gòu)成。“金屬球”效果的營造利用了機(jī)械和聲學(xué)原理以及半導(dǎo)體照明的光學(xué)特征。在參觀者熱情的掌聲和呼喊聲中，這顆懸垂的金屬球即會(huì)擺動(dòng)并發(fā)光顯影，而且掌聲和呼喊聲越熱烈，金屬球擺動(dòng)的幅度越大、旋轉(zhuǎn)得也越快。國家電網(wǎng)館的“魔盒”是一個(gè)六面體全屏幕空間，由112塊LED模塊組成，包圍的720度幻象空間給參觀者帶來“沉浸式”的觀賞體驗(yàn) (圖15)。在全屏幕空間“魔盒”里，LED屏幕的物理尺度在視覺上被無限擴(kuò)展到更深的虛擬空間中，產(chǎn)生了一種更廣更獨(dú)特的影像。羅阿大區(qū)館為城市最佳實(shí)踐區(qū)設(shè)計(jì)的燈光秀 (圖16)，它是把人們的互動(dòng)參與、情景氣氛的營造、景觀燈飾的裝扮、動(dòng)態(tài)燈光的表演等等綜合起來，是一種注重視覺沖擊力的展示藝術(shù)，并借助各種照明技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，如LED照明技術(shù)、照明控制技術(shù)、數(shù)字媒體技術(shù)、實(shí)時(shí)感應(yīng)技術(shù)等等。燈光秀運(yùn)用不同燈光顏色組合，為一些展館的外立面設(shè)計(jì)特別的燈光圖案，并配以曼妙的音樂，為夜晚的世博園送上全方位的視聽盛宴。網(wǎng)上世博會(huì)是本次世博會(huì)所特有的展示與體驗(yàn)方式，它通過一個(gè)專門開發(fā)的NCITY三維在線展示引擎平臺(tái)，以虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的方式將世博會(huì)現(xiàn)場展示到互聯(lián)網(wǎng)上。其中應(yīng)用了三維數(shù)字平臺(tái)、三維虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在普通寬帶環(huán)境下流暢的三維體驗(yàn)。全球網(wǎng)民足不出戶即可漫游世博會(huì)及各展館。

圖14 德國館的“金屬球”互動(dòng)裝置

圖15 國家電網(wǎng)館沉浸式體驗(yàn)的“魔盒”

圖16 城市最佳實(shí)踐區(qū)的燈光秀

除了上述提到的新材料技術(shù)、半導(dǎo)體照明技術(shù)、展示與體驗(yàn)的照明技術(shù)等在本次世博會(huì)上大放光彩，還需眾多其他相關(guān)新技術(shù)與之配合。大規(guī)模的實(shí)時(shí)照明控制技術(shù)與互動(dòng)情景式照明控制技術(shù)、全息技術(shù)應(yīng)用、太陽能光電技術(shù)、低輻射涂料與熱變色涂料等的技術(shù)，都為保障最終的視覺效果發(fā)揮著不可或缺的作用。

4 總結(jié)與展望

歷時(shí)184天的2010年中國上海世博會(huì)業(yè)已閉幕，其中各具創(chuàng)意的展覽展示、精彩紛呈的文化活動(dòng)、智慧迭出的論壇研討讓我們充分享受了一屆成功、精彩、難忘的世博會(huì)，與此同時(shí)，我們也深深地認(rèn)識(shí)到了這些精彩背后的創(chuàng)新理念與科學(xué)技術(shù)的力量。而照明科技作為其中一項(xiàng)重要的技術(shù)內(nèi)容，在世博會(huì)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，它不但將引領(lǐng)未來城市照明的新方向，還將促進(jìn)未來照明產(chǎn)業(yè)的新發(fā)展。世博高峰論壇上宣讀的 《上海宣言》是作為本次人類大事件活動(dòng)的總結(jié)，匯集各國城市發(fā)展的寶貴經(jīng)驗(yàn)和人類探索城市發(fā)展的共同智慧，它必將對(duì)“世博后”城市的發(fā)展和人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。上海世博會(huì)謝幕了，但也意味著一個(gè)新的開始。

［1］上海宣言.2010年10月31日

［2］郝洛西，楊秀.世博之光:從技術(shù)到藝術(shù).時(shí)代建筑，2010，3:50～55

［3］林怡.2010年上海世博會(huì)主題館的設(shè)計(jì)營建.時(shí)代建筑，2010，3:60～65

［4］郝洛西，林怡，胡國劍，楊秀，吳維聰.世博文化中心照明設(shè)計(jì).照明設(shè)計(jì)，2010，39(3):38～41

［5］郝洛西，林怡，胡國劍，李勛棟，楊秀.世博園區(qū)夜景照明總體規(guī)劃.照明設(shè)計(jì)，2010，39(3):30～33

［6］中國照明電器協(xié)會(huì)，上海市照明學(xué)會(huì).2010上海世博會(huì)照明應(yīng)用論壇論文集

［7］中國2010年上海世博會(huì)官方網(wǎng)站www.expo2010.cn