世博會場館LED媒體界面設計手法與發展趨勢

吳維聰

(同濟大學建筑與城市規劃學院，同濟大學高密度人居環境生態與節能教育部重點實驗室，上海 200092)

1 引言

當今世界建筑思潮多元化， “媒體建筑”也已成為建筑界的熱門詞匯，利用建筑界面敘述及傳遞信息的方法得到了極大地發展。基于LED照明技術的媒體界面則是依靠照明科技實現建筑外表皮數字化、可控可變、可交流、可互動的建筑立面形式。它改變“建筑是凝固的音樂”這一概念，成為最為時尚的“建筑外衣”。LED元器件小尺寸、多色彩、可調控的特性為面積更大、更為復雜的媒體界面設計提供了技術支持。媒體信息不再只依靠立面上一塊矩形顯示屏傳遞，整個建筑表皮都成為新媒介，建筑構件也被賦予新的意義。

作為各國科技實力展示平臺，世博會場館建筑不僅提供展覽空間，自身更是展覽內容的重要組成部分。歷來世博會建筑不乏里程碑式的建筑出現，其建筑形式也反應出當時建筑設計理念和技術水平。本屆中國2010上海世博會也已成為“媒體建筑”快速發展的契機，園區內諸多場館各展特色，顯示世界前沿藝術和技術的魅力。其中結合LED照明技術運用不同亮度，色彩對比的光線在建筑界面上創造出動態連貫的媒體圖像的LED照明技術媒體界面，更在夜晚為世博園創造了不少的視覺興趣點。這些動態界面不僅改變了我們對于建筑的理解和感知，同時也給公眾帶來了新的交流方式和多層面信息，創造出由光、時間和感官相互融合的新空間。

2 LED媒體界面建筑化像素形成方式

LED媒體界面的視覺設計要點是像素。像素的尺寸及間距、像素的多少、像素的亮度及色彩等性質左右著媒體界面的最終展現效果及觀看者對于媒體信息的獲取。在世博會場館的諸多媒體界面中，建筑構件作為建筑化像素的載體與LED光源主要以四種組合方式構成媒體界面。

2.1 投光方式

投光方式是指將光線直接投射到建筑構件表面，通過光線的漫反射形成媒體界面像素的視覺形象。由于LED燈具體積小、定向性好等特點，LED燈具適合隱藏于建筑細部構件中。燈具距離建筑立面較近，需要選擇合適配光的燈具，以保證光線能夠較為均勻地投向建筑。不透明或半透明材料是投光照明的主要載體。

(1)正面投光

LED投光燈具一般位于建筑構件下方向上投射，遮蔽性好，由此形成的媒體界面，對于建筑外部的觀者位于視線以上，有效地控制眩光;但對于建筑室內的使用者，仍需格外注意控制眩光。正面投光的方面易形成連續的媒體界面，圖像效果通常以面狀的像素為基礎 (圖1)，通常像素點較大，媒體圖像精度較低，適合遠距離觀看。

圖1 正面投光示意圖

世博主題館南北立面的雙層幕墻系統，在外層不銹鋼板幕墻開設方孔。開孔下方，結合幕墻構件安裝了全彩LED線性投光燈，對內層的釉點玻璃幕墻進行投射，在南北立面上產生光色漸變及低像素圖形效果 (圖2)。

(2)側面投光

圖2 世博主題館南立面媒體界面實景

該方式適合與建筑豎向構件結合，LED投光燈具一般沿構件縱向平行放置，直接對構件側面進行投射。圖像效果以線狀像素為基礎，近視點范圍內圖像連續性較弱 (圖3)。

圖3 側面投光示意圖

中國船舶館鋼龍骨和世博中心的折線玻璃幕墻均使用了此種照明方式。為了避免燈具對建筑日間景觀的影響，設計師充分地考慮燈具與建筑構件結合的方式。世博中心幕墻部分主要使用雙層鋼化玻璃夾金屬絲網、雙層透明鋼化玻璃和橫豎向深灰色鋁型材。選用線性LED燈具鑲嵌在鋁型材上，對雙層玻璃間的金屬絲網面進行投射，很好地隱藏了燈具 (圖4左)。而中國船舶館鋼龍骨造型簡潔，線性白光LED燈具直接通過金屬件固定在其側面，燈具外觀顏色與鋼結構相同 (圖4右)。前者照明設計師較早地介入項目與幕墻公司配合，完美地隱藏燈具;后者則是在建筑施工后期進行彌補，通過保持燈具表面材料與建筑構件的一致，選擇最佳配光曲線的燈具及多次調整燈具安裝角度，最大程度地減少眩光。

圖4 媒體界面細部實景

2.2 透光方式

透光方式是指將燈具隱藏在建筑界面的外層透光材料之后，通過光線的漫透射和折射形成媒體界面像素的視覺形象，透光構件成為光的承載層。透光材料遮蔽光源，能有效地解決眩光問題。常見透光材料有合成樹脂膜材料，ETFE膜，聚酯板材，磨砂玻璃，纖維織物等。

(1)邊緣掠射

LED投光燈具在建筑構件邊緣內側以接近于90°的光入射角對透光材料進行投射，形成有著色彩漸變效果的像素點 (圖5)。

圖5 邊緣掠射透光示意圖

天下一家館通過成組的線性LED燈具從內部掠射建筑外立面三角形PC板單元，力圖通過光與影的變化、交互式動態變化以及球體之間的明暗色彩變化，將建筑幻化為5個“水晶彩球” (圖6左);愛爾蘭館立面則是在陽光板的端部安裝線性LED燈具向上掠射 (圖6中);韓國企業聯合館外立面采用了可循環利用的合成樹脂膜材料塑造建筑立面水波造型，實現水波的色彩漸變 (圖6右)。透光方式利用此類高分子有機材料在光線的穿透和承載方面的優勢及各異性，打造出不同質感的媒體界面。

(2)勻光

勻光是指用透光構件遮蔽LED發光面并與其平行，LED光源直接對構件進行投射。由于大部分透光材料為光散射材料，光線透過后會發生散射，光線變得更為柔和，不會形成明顯的光斑，也能將彩色光混合得更為均勻 (圖7)。勻光的方式可將一個或多個LED光源進行混光，能將點光源轉化為面光源，形成面狀像素。

圖6 建筑場館實景圖

圖7 勻光示意圖

石油館的表面用縱橫交錯的聚碳酸酯“管道”編織而成，背后安裝有一萬余顆LED光源，構成了一個巨型媒體界面，充分傳達數字信息 (圖8左)。信息通信館展館外立面6000多塊特殊的聚碳酸酯蜂窩狀面板 (圖8中)以及太空家園館外幕墻的通透性織物都對其后的LED光源進行了勻光 (圖8右)。此類建筑界面運用透光材料降低了LED媒體顯示的直接視看亮度與對比度，透光材料的肌理通過光線的強弱對比，傳達建筑實體造型與媒體虛擬圖像的雙重信息。

圖8 建筑場館實景圖

2.3 導光方式

導光方式是指利用玻璃、亞克力、PC板材等材料的導光特性進行照明。一般情況下，透光材料經印刷鍍點處理，使光從側邊斷面進入板材后能夠均勻的從板材上表面射出，從而將點光源或線光源轉化為面光源，形成面狀像素 (圖9右);光線從側邊斷面進入板材，由于全反射原理，光線將在板材內向前傳播，光從另一側邊導出，形成點狀或線狀像素 (圖9左)。LED由于體積小、光束角小的特點能與板材結合成一體，形成構件自發光的效果。

英國館每根亞克力“觸須”的底端都裝有一個LED點光源 (圖10);“觸須”端頭植入各式種子，象征著生命的孕育和萌發。LED光線均勻地照亮整個“觸須”，光線通過材料的導光性在亞克力端部形成更亮的光點。眾多的光點還能形成低像素的信息圖像，為進一步的媒體界面設計拓展了思路。

圖9 導光方式示意圖 (左:光從側邊導出 右:光由上表面導出)

圖10 英國館亞克力棒縱剖示意圖

2.4 自發光方式

自發光方式是指把LED光源直接作為媒體界面的點狀像素或線狀像素。為了避免燈具影響觀看者的視線，燈具須與建筑構件緊密結合。LED燈具可貼壁安裝，也可將LED光源直接嵌入建筑構件，在設計中把兩者完全融為一體，比如LED安全玻璃、LED混凝土。自發光方式應用過程中應注重考慮防眩光設計。

世博軸的陽光谷部分是鋼結構幕墻構造，LED星光燈直接安裝于結構骨架的交接處，并用PVC管走線，形成簡潔輕盈的界面風格。通過LED點陣直接顯示文字、圖形、視頻等信息，成為世博軸的信息媒介 (圖11左)。德國館內長達50米的“動感隧道”展廊兩側安裝有9000個像素點的LED玻璃(圖11右)。該媒體界面是在玻璃之間夾入LED芯片，采用幾乎透明的低壓電路板，由此產生發光點懸浮在玻璃中的效果。同時LED光源容易控制，提供變色，閃光等動態效果，能賦予界面更多的變化。

圖11 實景效果

3 半導體建筑媒體界面發展趨勢

在本次世博會上還出現了多種的展示與體驗方式，如平面的二維展示、IMAX巨幕、四維電影體驗等。同樣LED媒體界面也在追求二維上的突破，試圖將空間感受帶入其中。設計師力圖開拓多元設計空間，增強人們視覺的趣味性、意境的延伸性。

3.1 建筑構件像素化:從平面到空間

上述世博會場館建筑界面的方形、圓形、蜂窩形、管狀等造型各異的建筑構件單元成為光的載體，與單個LED燈具或成組LED燈具相結合形成點狀、線狀或面狀的平面像素，構成了不同分辨率的圖像效果。場館中作為像素載體的建筑構件被處理成大小錯落的狀態或斜向縱深的感覺。盡管這些建筑構件的肌理豐富了建筑的表情，媒體界面的視覺效果仍然是由平面像素提供的二維圖像。本次世博會一些設計師試圖突破平面像素的界限，將光源、構件、空間融為一體，形成空間像素 (圖12)。空間像素可以增強建筑造型的立體感和層次感，并強調白天的光影效果。

圖12 平面像素的拓展

丹麥館長達50米、高12米的建筑立面鑲嵌著超過3500個大小深度不一的孔洞。每個孔洞曲面采用透光膜材料，單顆可獨立控制的全彩LED點光源安裝在其后，照亮整個曲線光承載層。光承載層結合室內的光環境及曲面圍合的空間一起構成了一個空間像素點 (圖13)。通過鏤空的孔洞，丹麥館呈現出一個低像素的媒體界面 (圖14)。這種處理巧妙地運用空間像素延展了建筑室內空間，并以空間的體積感促進媒體界面的視覺沖擊力，讓人們感受到像素點的空間存在。

圖13 丹麥館空間像素示意圖

圖14 丹麥館媒體界面實景圖

3.2 多層化發展

突破建筑媒體界面二維化的另外一種方式是嘗試通過增加承載光的構件層次，打破傳統單一的顯示方式，實現豐富多樣的圖像媒體界面 (圖15)。

進入世博文化中心西入口，觀眾可以看到大型媒體界面—— “東方之夢”。該媒體界面構造系統是由均質LED基層、塑料薄膜光介質層以及磨砂玻璃圖像承載層構成。LED基層是由間距為40 mm×40 mm的LED發光點陣構成，塑料薄膜光介質層是由白色半透明塑料薄膜與黑色塑料薄膜共同鋪置，黑白相間的紋理則可根據表達的藝術效果而定;磨砂玻璃圖像承載層是普通玻璃經過磨砂處理。LED屏幕變幻的動畫以及塑料袋自身形成的圖案，兩者有機結合，并經過磨砂玻璃使得影像產生朦朧美，宛如中國傳統的水墨畫。南入口大廳的媒體界面“綻放”的LED基層與玻璃承載面與上述相同，而光介質層使用馬口鐵刻模壓制。馬口鐵本身不透光，刻制后拉伸花紋中心，使其凸出0～5 cm形成縫隙，光從背面透過縫隙射出，最終在磨砂玻璃上呈現出綻放的玫瑰花圖案 (圖16)。

多層化媒體界面避免圖像形式的單調乏味，以及近距離時顯示屏產生的眩光問題，效果多變又可滿足不同尺度的空間應用，適用于各類室內外公共場合。

圖15 媒體界面多層化發展

圖16 世博文化中心南北入口大廳媒體界面局部圖

3.3 多維度拓展

新興媒體界面的應用不僅帶給人們全新的視覺感受，在視覺樣式的擴展和應用方面也為人們提供了無止境的可能性。半導體媒體界面的設計由二維平面延伸到三維空間。二維的媒體界面只傳送一個平面的信息，而三維的界面傳送的是媒體內容的多層次信息。

設計師嘗試將平面像素疊加 (圖17左)，如匈牙利館內外界面均由一根根高低不同、直徑約10厘米左右木棍組成，室內有600根可動的3.5米高木棍錯落有致地密布整個展館。這些木棍呈四方形木套筒式，木棍底端內嵌全彩LED燈具，木棍可以隨著音樂的旋律上下移動，木棍底端LED像素點隨之形成一個三維可變的、相互滲透的媒體界面，創造出豐富的空間層次變化 (圖18左)。英國館的室內LED界面由點狀像素堆砌起異形的不同維度的建筑界面 (圖18右)。

此外，近年來一些建筑師及照明設計師也致力開發一種自動立體顯示媒體界面，把平面像素多次疊加，企圖復現景物的真實空間關系，而三維圖像的生成也不再依賴類似3D眼鏡等裝置 (圖17右)。媒體界面的構圖關系從二維走向三維，媒體界面的構成要素也從“像素”走向“體素①體素或立體像素 (voxel)，是體積像素 (volume pixel)的簡稱。概念上類似二維空間的最小單位——像素，像素用在二維電腦圖像的影像資料上。體積像素一如其名，是數位資料于三維空間分割上的最小單位，應用于三維成像、科學資料與醫學影像等領域。有些真正的三維顯示器運用體素來描述它們的分辨率，舉例來說:可以顯示512×512×512體素的顯示器。”。于是建筑界面的設計有了質的轉變，建筑界面形態得到新的發展。

圖17 平面像素多維度的拓展

圖18 室內半導體媒體界面

浦西片區的上海企業聯合館的外圍立面材料采用聚碳酸酯透明塑料管。并在每一根豎管中按照0.25 m的間距嵌入LED點光源，每根塑料管相距0.5m，形成了一個超過20萬像素的63 m×45 m×19 m LED三維建筑媒體界面。場館外整個建筑物的圖像顯示隨著參觀者的互動產生變化 (圖19)。上海企業聯合館結束了建筑媒體二維界面時代，一個新的半導體媒體界面正在形成趨勢。

圖19 上海企業聯合館三維媒體界面實景圖

4 結語

在現代社會多媒體信息技術的沖擊下，本屆世博會充分利用LED光源優勢，結合場館界面建筑材料與構造方式的不同特性，構筑了多樣化的媒體界面。中國2010上海世博會LED建筑媒體界面延伸了傳統設計領域并且在設計上突破了空間限制。LED建筑媒體界面在視覺功效、經濟性以及呈現效果方面都還有較大的提升空間，激勵著設計師不斷提出建筑媒體界面設計新思路及解決方案。

［1］郝洛西，林怡，胡國劍，楊秀，吳維聰.世博文化中心照明設計.照明設計，2010/05/06:38～41

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［4］李勛棟，郝洛西.建筑外立面LED照明建筑化應用研究.照明工程學報，2009/03:6～11

［5］中國照明電器協會，上海市照明學會.2010上海世博會照明應用論壇論文集

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［7］MatthiasHank Haeusler. Chromatophoric Architecture(Architecture Positioning).2010