城市道路照明對沿街建筑的光侵害影響研究

蘇曉明 郝占國

(1.天津大學建筑學院天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072;2.天津大學城市規劃與建筑設計研究總院，天津 300072)

1 引言

隨著城市美化、亮化政策的相繼推出，越來越多的城市被點亮，越來越多的沿街住戶、賓館、旅店，受到了來自于城市照明的干擾，被剝奪了享受“黑暗”權利。因此，如何評價、控制城市道路照明所帶來的光侵害，受到了越來越多的關注。

從20世紀20年代開始，各國學者就開始了對光污染進行研究。英國的光環境研究中心 (Lighting Research Center)指出:室外光污染可以分為三類，光溢散 (sky glow or upward light flux)、眩光污染(glare)和光侵害 (light trespass)。其中，光侵害的研究，在20世紀80年代后期，才開始受到廣泛的關注。在光侵害的研究過程中，其研究對象的選擇常常是“宏觀”的城市夜天空，或是“微觀”的獨立建筑窗口。沿用現有的成果，還不能夠對我國現有成規模的沿街建筑群體受到光侵害的水平進行一個準確的判斷和橫向的比較。因此，本文試圖通過對光侵害進行定量化的分析，來為其提供有力依據。

2 居住建筑光侵害實地調研及模型建立

在2008年7月至2009年11月期間，本課題研究小組對我國天津、長沙、鄭州3個城市的39個典型居住區沿街住宅的夜間光環境進行了大量的實地調研。本次調研中，對沿街住宅建筑光侵害環境的測量和評價內容主要包括:沿街住宅及其周邊環境形態、住宅立面光環境特征、住宅周邊夜間光環境特征、沿街住宅光侵害主觀評價4個方面。調研的數據包括實測數據、主觀評價問卷以及自由問卷三種形式。通過對數據進行統計分析，得到以下兩個主要結論:(1)城市道路照明是建筑受到光侵害的主要源頭; (2)居住區內住宅建筑面向道路的窗口，是受到光侵害最嚴重的區域。圖1、圖2為我國沿街建筑受到道路照明干擾的實景照片。由此可見，道路照明在為城市道路提供基本的功能照明之外，還有很多光線溢散到了住宅的窗口，造成了光侵害。

圖1 沿街居住區建筑受到光侵害實例1

圖2 沿街居住區建筑受到光侵害實例2

本文在對光侵害現狀組成因素進行提取分析的基礎上，利用排列組合方法，建立了包括燈具、光源、燈具投射角度、燈具高度、燈具間距、燈具到建筑之間距離 (空地)、居住建筑立面、反射率等元素的居住建筑光侵害模型，共計81個。其基本模型如圖3所示:該模型中水平面為車行道路和人行道路，其長度均為兩倍燈間距。沿道路長度建立了相應長度的建筑立面為模型中的鉛垂面，該建筑立面高10層樓，每層3米。沿建筑立面的長度方向，以3米為模數，每隔3米設置1.5×2.1米采光窗口，模擬真實環境中住戶的窗口大小，如圖中的鉛垂面上的小方格。本文選用哈佛大學開發、設計的光污染模擬軟件 OLIVIA(Obtrusive Light，Intensity and Vertical Illuminate Analysis'program)分別對81個模型的光環境進行計算。該軟件不但可以模擬天空溢散光、道路眩光和侵害光等不同區域、不同程度的光污染環境，同時，它還能夠對環境中的亮度、照度、上射光通量等光環境數據進行計算和統計分析。經過該軟件的模擬和計算得到特定條件下居住建筑窗口照度值、亮度值、地面照度、地面亮度、最小照度、平均照度及其均勻度等相關參數3645個，并得到了大量地面、墻面的光環境分布曲線。如圖4、圖5所示:圖中顯示的是15號模型計算的建筑立面照度曲線圖和路面照度曲線圖。從圖中可以看出，路燈不僅對路面產生了一定的影響。同時也對建筑的立面產生了類似的相應的影響，而兩者在數值上也彼此相關。

圖3 光侵害模型

圖4 15號模型地面照度曲線圖

圖5 15號模型建筑立面照度曲線圖

3 居住建筑光侵害單因子影響分析

第一、光侵害與建筑立面平均照度的關系

根據已獲得的光侵害模型實驗數據，排除模型中其他影響因素，對窗口照度與光侵害度之間的關系進行分析，如圖6所示。從圖中可以看到:當建筑立面平均照度小于2lx時，建筑立面的光侵害度幾乎為0，而當立面平均照度在2～5lx之間時，光侵害度隨著照度的提高不斷增加，到5lx及以上，光侵害度幾乎為100%。這說明，控制建筑立面的平均照度，能夠有效的控制沿街的光侵害度。

圖6 光侵害度與建筑立面照度關系圖

第二、光侵害與燈桿高度的關系

沿道路的建筑立面受到光侵害，主要是由道路照明引起的。當不考慮道路照明中其他因素時，對道路照明燈桿高度與沿街建筑光侵害度的關系進行相關性分析，其結果如圖7所示。圖中的數據來自于81個沿街建筑光侵害模型。模型模擬建筑受到光侵害結果與其相對應的燈桿高度 (6米、9米和12米)存在一定的關系:6米燈桿所對應的光侵害度在50%～80%之間，且分布較均勻。6米高燈桿對應的光侵害度值沒有超過100%的。這說明，6米左右的燈桿高度會對建筑立面產生一個相對穩定的、對應關系較強的光侵害度。9米燈桿對應的光侵害度值在50%～100%中分布，且在50%、100%兩個數值附近較為集中。說明9米高度的燈桿對建筑立面的影響會跟據環境的不同 (主要是建筑與光源之間的距離，以及燈具的角度的影響)，而呈現出較低的光侵害度和較高的光侵害度兩類極端情況。而12米燈桿所對應的光侵害度主要集中在100%處。證明，較高的燈桿極易在環境中產生較大的光侵害。

圖7 光侵害度與燈桿高度關系圖

再橫向對比各類燈桿與光侵害度之間的關系，可見，從6米到12米的燈桿隨著高度的增長帶來的光侵害度的不斷提高。

當在模型中增加建筑立面平均照度因素時，燈桿高度與光侵害度及平均照度的關系如圖8所示。圖中圓圈的大小表示建筑立面的平均照度值的大小。所以可以看出:

①無論是燈桿高度的增高，還是建筑立面光侵害度的增強，都將意味著建筑立面平均照度值的增加。

圖8 光侵害度與燈桿高度、建筑立面照度水平關系圖

②6米高燈桿所對應的光侵害度與立面照度值同時增加。即隨著光侵害度的增加，立面平均照度值提升緩慢。當光侵害度從60%提升到90%時，對應的立面平均照度變化較小。因此，可以證明，當燈桿較低時，雖然建筑的光侵害度較高 (60%～90%)，但建筑立面照度水平較低。

③9米高燈桿所對應的建筑立面照度，隨著光侵害度的增加增幅較大。建筑光侵害度從70%到90%時所對應的建筑立面照度也有明顯提高。這說明，當燈桿高度為中等高度時 (9米左右)，建筑光侵害度提高，將伴隨著建筑立面平均照度的提高。

④12米高燈桿所對應的建筑立面照度值，在光侵害度為100%時有顯著提高。這說明，當燈桿較高，建筑光侵害度較高時 (100%)，建筑立面處于一個高照度的水平。

第三、光侵害與燈具仰角的關系

沿街住宅立面光侵害度與沿街燈具仰角有密切的關系。當排除其他影響因素時，只考慮燈具仰角對光侵害度產生的影響，可得到關系圖9。圖中各點標注的是實驗模型中采用的燈具的仰角 (以垂直向下為0度)，橫坐標為燈具仰角，縱坐標為光侵害度。圖中顯示:

①當燈具的仰角從0°～10度增加時，光侵害度逐漸減小。即圖中顯示的曲線低谷部分。通過對模型進行分析可知，產生這個結果的主要原因，是燈光的投射方向從垂直向下逐漸向道路中心線靠近時，遠離道路中心線的建筑立面得到的光線越來越少，由此產生的光侵害度也比較小，并逐漸降低。

圖9 光侵害度與燈具仰角關系圖

②當燈具的仰角在10～20度之間變化時，建筑立面受到的光侵害度變化并不明顯。此時，燈具投出的光線主要落在了道路上，只有少部分光線直接照射到建筑的立面上，建筑立面此時也只接收了路面照明產生的少量反射光線。

③當燈具的仰角大于20度時，建筑立面受到的光侵害度隨著燈具仰角的增大而逐漸增大。基本成線性變化。產生這樣結果的主要原因，是建筑立面受到道路對側燈光的照射，其程度隨著燈具仰角的加大而逐漸加大。

4 居住建筑光侵害度公式計算

在特定的道路環境模式下，對光侵害單一的影響因子進行分析，有利于尋找影響光侵害的不利因素。而在對對象進行評價和比較分析的過程中，由于現象的影響因素之間會產生相互作用，所以只有充分考慮各影響因素的靜態、動態的作用之后，才能夠準確的對現象進行評價。如:根據道路照明的相關規定，道路光侵害環境中，道路燈桿的高度與燈桿之間的間距有一定的制約關系。同時，兩者的變化使得建筑立面照度也產生變化;而根據城市規劃中的相關規定，不同的道路寬度又對道路與建筑之間的距離產生影響。因此，有必要對光侵害度評價的相關因子進行回歸分析，尋找各個因素對光侵害度的綜合作用效果。

在對光侵害度的影響因子進行回歸分析時，設定建筑立面受到的光侵害度為T。依據北美照明工程學會規定的單窗口受到光侵害時照度值為3lx，本文將建筑立面受到的光侵害度T設為，相應建筑立面上照度超過3lx窗口總數除以建筑立面窗口總數，單位為%。利用SPSS統計分析軟件對該指標的相關因子:光源光效、燈具到建筑的距離、燈具間距離等利用剔除法進行回歸計算，得到光侵害度相關系數表，如表1所示。

表1 光侵害度相關系數表

從表中能夠看到，進行回歸分析的第一次計算時，只引入了與光侵害度相關性最大的光源光通量指標。兩者的相關性為0.646。當引入該指標后，建立了第一個光侵害回歸模型。在這個數學模型中，選用了光源光通量和常數項兩個參數對光侵害度進行描述。對該模型進行t檢驗，得到的檢驗結果的概率為0.395。在統計學中，該值只有小于0.05時，方程才能夠成立。因此說明，在實際情況中，光源光通量并不能夠直接指示建筑受到光侵害度的大小。如上所述，分別對模型進行了第二次，第三次回歸分析。其中，第二次回歸關系式雖然成立，但是，模型的判定系數和相關系數都不如第四個模型高，因此放棄。

最終，當引入光源光通量、道路邊緣到建筑的距離、燈桿高度、同側燈桿的安裝距離四個相關參數時，模型同時通過了t檢驗和判定系數的檢驗，并建立了沿街建筑受到光侵害程度的評價指標——光侵害度的回歸方程式Y=β0+β1x1+β2x2+β3x3+β3x3(其中β為常數)。代入表1中給出的相關系數:常數項為32.285;光源光通量的系數為0.002;光源到建筑距離的系數－1.935;燈桿高度系數2.719;同側燈桿安裝距離系數－0.62，可得到光侵害度方程如下:

T=32.285+0.002L－1.935S+2.719H－0.616D

其中:T——沿街住宅光侵害度;

L——燈具總光通量;

S——光源到建筑距離;

H——燈桿高度;

D——同側燈桿安裝距離。從公式中可以看到，沿街住宅建筑受到的光侵害度與光源光通量、燈桿高度成正相關，而與同側燈桿安裝距離，光源到建筑距離成負相關。所以，在光源一定的情況下，為減少道路照明對建筑產生的光侵害，可以通過降低燈具的高度、增加同側燈桿間距等方式來實現。而變化程度的確定，則應通過公式進行計算。

5 結論

本文通過對光侵害度進行定義和量化研究，提出了城市道路與周邊建筑的環境模式決定沿街建筑受到光侵害的程度的大小這一結論，并根據道路模型中的相關因子分析，指出了城市道路與建筑之間的距離、城市道路照明因素與建筑受到的光侵害度之間的密切關系。這為城市載體下的光污染研究開拓了新的思路，為城市道路系統設計提供了必要的支持。

依據統計學原理進行的城市道路沿街建筑受到光侵害度的回歸計算，為準確、定量化的評價光侵害這一軟環境提供了重要的手段，同時希望該研究思路和分析方法能夠應用到光環境甚至城市環境研究領域的更多方面。

［2］詹慶旋.光·建筑·域市——呼喚建筑師關注光環境設計［J］.世界建筑，2000，(06).P18～21.

［3］Marc Gillet，P.Rombauts，Precise Evaluation of Upward Flux from Outdoor Lighting Installations，Lighting Pollution Symposium，March 2002.

［4］JA Brons，Outdoor site-lighting performance:A comprehensive and quantitative framework forassessing lightpollution，Lighting Research and Technology September 2008.

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［6］JGJ/T163—2008.城市夜景照明設計規范.