建筑外飾面材料光反射特性實驗研究

梁樹英，楊春宇

（重慶大學(xué)a.建筑城規(guī)學(xué)院；b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400045）

0 引言

外飾面材料對建筑立面色彩起著決定性作用，同一條件下不同外飾面材料呈現(xiàn)的色彩效果不同。現(xiàn)代建筑可選的外飾面材料種類越來越多，新的飾面材料不斷涌現(xiàn)，特別是一些貼面磚，如釉面磚、玻化磚、花崗石、人造石、鋁塑板等，其表面的光學(xué)特性與水泥砂漿抹面和涂料類飾面材料差別較大，后者可近似認(rèn)為是漫反射材料，前者屬于混合反射材料。不同種類的外飾面材料具有不同的光反射特性。因此，研究城市建筑色彩需要對外飾面材料的光反射特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。關(guān)于建筑飾面材料的光反射特性，國內(nèi)外的研究不多，主要集中在基礎(chǔ)研究。Ilit 研究了標(biāo)準(zhǔn)幾何條件下建筑材料表面的光反射特性，包括鏡面反射材料和均勻擴(kuò)散材料，并由擴(kuò)散反射材料推導(dǎo)出了不同角度的亮度值。Shuba 等研究了材料的光學(xué)反射性質(zhì)，重點是光反射比。重慶大學(xué)的楊春宇等對建筑材料反射光亮度進(jìn)行了實驗研究，通過實驗數(shù)據(jù)的分析研究，了解到建筑材料表面亮度反射特性與反射比、光澤度、光入射角度和視看角度之間的關(guān)系。楊春宇等還對建筑飾面材料色度反射性能測量方法進(jìn)行了研究，采用反射光譜數(shù)據(jù)的測量方法，對照明/觀測角度、光源色溫、視場影響進(jìn)行實驗測量。這些研究為建筑飾面材料的光反射特性研究提供了借鑒。

文章根據(jù)昆明、西寧、北京、深圳、南京、南昌和重慶7 個不同光氣候分區(qū)城市中心區(qū)建筑外飾面材料使用情況的調(diào)查統(tǒng)計，結(jié)合現(xiàn)有的研究條件，選擇了不同色彩的涂料、面磚、鋁塑板和大理石共29 塊作為建筑外飾面材料實驗樣品，其中涂料選用了水溶性涂料，面磚選用了亮光型面磚和亞光型面磚兩種。通過建筑外飾面材料實驗樣品光反射特性實驗，研究不同入射/觀測角度外飾面材料的亮度和色度反射特性。

1 實驗原理、儀器設(shè)備及步驟

1.1 實驗原理

與完全意義上的均勻漫反射體不同，大多數(shù)建筑外飾面材料都會因為光的入射方向和材料自身特性的不同而具有不同的亮度和色度反射特性。即使光的入射方向相同，在不同的觀測方向建筑外飾面材料的亮度值和色度值也會不同。因此，研究城市建筑色彩還需要對外飾面材料不同入射/觀測角度的光反射特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。

實驗分別在0°和45°入射條件下，測量實驗材料樣品在不同觀測角（0～180°）時的亮度值和色度值，分析建筑外飾面材料的光反射特性。

1.2 實驗儀器設(shè)備

實驗在光學(xué)暗室內(nèi)進(jìn)行，使用的儀器設(shè)備主要有:PR-650 光譜掃描式亮度色度計及其附件（RS-2 反射標(biāo)準(zhǔn)白板）、平行光管及重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置、12 V 直流穩(wěn)壓電源、經(jīng)緯儀等。

平行光管及重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置（圖1）由專業(yè)光學(xué)儀器廠生產(chǎn)。實驗中平行光管用于產(chǎn)生平行光束。重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置由上下兩個直徑、分度相同的刻度轉(zhuǎn)盤重疊組成。平行光管通過桿件固定在上層度盤上，并平行于連接桿件，實驗材料樣品固定在與下層度盤相連的刻度盤上。當(dāng)上層度盤轉(zhuǎn)動時，可以實現(xiàn)對入射角度的改變，當(dāng)下層度盤轉(zhuǎn)動時，可以實現(xiàn)對觀測角度的改變。在實際操作中，為了避免儀器位置變動導(dǎo)致的測試誤差，通過相對改變實驗材料樣品角度的方法來實現(xiàn)觀測角度的改變。具體參數(shù)如表1所示。

圖1 平行光管及重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置

圖2 12 V 直流穩(wěn)壓電源

表1 平行光管及重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置參數(shù)

12 V 直流穩(wěn)壓電源（圖2）由專業(yè)電表廠生產(chǎn)，實驗中用來作為平行光管的供電和穩(wěn)壓設(shè)備，具體參數(shù)如表2 所示。

表2 12 V 直流穩(wěn)壓電源參數(shù)

1.3 實驗步驟

（1）將平行光管及重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置安裝在光度測量導(dǎo)軌上，將1 塊實驗材料樣品固定在度盤上，把入射角度和觀察角度調(diào)整到0°（上下刻度盤讀取線重合），利用經(jīng)緯儀進(jìn)行校正，使PR-650 亮度色度計處于光軌軸線延長線上，并與實驗材料樣品表面垂直。連接直流穩(wěn)壓電源，打開平行光管光源，預(yù)熱半小時以上，待光源充分點亮并穩(wěn)定后進(jìn)行測量。

（2）按照CIE 標(biāo)準(zhǔn)照明/觀測條件，調(diào)整上層度盤，將入射角度設(shè)定為0°，觀測角范圍在-80°～+80°之間（當(dāng)觀測角度處于入射角度異側(cè)時為負(fù)，當(dāng)觀測角度處于入射角度同側(cè)時為正），每間隔10°進(jìn)行測試，在特殊角度（-45°，+45°）也進(jìn)行測試。當(dāng)入射角和觀測角均為0°、45°時，平行光管會遮擋測試儀器導(dǎo)致無法測量，這時將測試角度左右各偏離3°，將其平均值作為測試數(shù)據(jù)。在各觀測角度用PR-650 測量實驗材料樣品的亮度和色度數(shù)據(jù)。

（3）調(diào)整上層度盤，將入射角度設(shè)定為45°，按照步驟（2）再次進(jìn)行測試，并記錄測試結(jié)果。

（4）更換實驗樣品材料，按照步驟（2）～步驟（3）再次進(jìn)行測試。

實驗裝置簡圖見圖3。

圖3 實驗裝置簡圖

2 材料表面亮度反射特性分析

在Origin8.0 軟件中對外飾面材料亮度反射實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖和分析（圖4～圖8）。

圖4 涂料亮度反射特性

圖5 亮光面磚亮度反射特性

圖6 亞光面磚亮度反射特性

圖7 鋁塑板亮度反射特性

圖8 大理石亮度反射特性

從圖4～圖8 中可以看出，相同的CIE 標(biāo)準(zhǔn)照明/觀測條件下，不同材質(zhì)類型的實驗材料樣品亮度反射特性不同。涂料的亮度反射曲線比較平緩，沒有較大的起伏；亮光面磚和大理石的亮度反射曲線在0°/0°，+45°/-45°出現(xiàn)了突變，而在其他觀察角度反射曲線平穩(wěn)；亞光面磚和鋁塑板的亮度反射曲線雖在0°/0°，+45°/-45°附近也出現(xiàn)了突變，但其程度遠(yuǎn)不如亮光面磚和鋁塑板劇烈，其發(fā)生變化的觀察角度范圍更廣。涂料基本沒有鏡面反射現(xiàn)象，且各方向反射亮度差異較小，其反射特性更接近均勻漫反射材料；亮光面磚和大理石有十分明顯的鏡面反射現(xiàn)象，而其他觀察角度亮度基本趨于一致，其反射特性近似于定向反射材料；亞光面磚和鋁塑板的亮度反射曲線介于涂料、亮光面磚和大理石之間，屬于混合反射材料。另外，同一材料在不同入射角度時，其反射亮度值也會有差異，以數(shù)據(jù)波動最小的涂料為例，入射角度為0°時比入射角度為45°時的亮度數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，波動更小。

3 材料表面色度反射特性分析

實驗中測試了不同色彩的涂料、亮光面磚、亞光面磚、鋁塑板和大理石共29 塊材料樣品的色度數(shù)據(jù)。由于亮度反射特性相同的材料其色度反射特性也相同，本研究僅以黃色的涂料、亮光面磚、亞光面磚、鋁塑板和大理石實驗材料樣品為例，探討建筑外飾面材料的色度反射特性。將實驗材料樣品的色度數(shù)據(jù)用AIM_XLA（EXCEL 加載宏）轉(zhuǎn)換為CIE顏色空間，在Origin8.0 軟件中進(jìn)行繪圖和分析（圖9～圖13）。

從圖9～圖13 中可以看出，與實驗材料樣品亮度反射特性相似，相同的CIE 標(biāo)準(zhǔn)照明/觀測條件下，不同材質(zhì)類型的實驗材料樣品色度反射特性不同。涂料的色度反射曲線比較平緩，沒有較大的起伏；亮光面磚和大理石的色度反射曲線在0°/0°，+45°/-45°出現(xiàn)了突變，而在其他觀察角度色度反射曲線平穩(wěn)；亞光面磚和鋁塑板的色度反射曲線雖在0°/0°，+45°/-45°附近也出現(xiàn)了突變，但其程度遠(yuǎn)不如亮光面磚和鋁塑板劇烈，其發(fā)生變化的觀察角度范圍更廣。總體而言，涂料色度參數(shù)值都極為穩(wěn)定，亮光面磚和大理石在鏡面反射方向色度參數(shù)有突變，亞光面磚和鋁塑板的色度參數(shù)變化介于涂料、亮光面磚和大理石之間。

結(jié)合材料表面亮度和色度反射特性分析，建筑外飾面材料光反射特性對建筑色彩測量的影響主要有以下2 個方面。

（1）建筑色彩的觀測結(jié)果與外飾面材料表面材質(zhì)直接相關(guān)。不同材質(zhì)的建筑外飾面材料表現(xiàn)出不同的光反射特性，直接影響著建筑色彩的亮度和色度值。漫反射材料（涂料等）亮度和色度反射曲線比較平穩(wěn)，各觀察角度亮度和色度值基本相同；定向反射材料（亮光面磚、大理石等）在鏡面反射方向亮度和色度值會出現(xiàn)突變，影響建筑色彩；混合反射材料（亞光面磚、鋁塑板等）雖不會出現(xiàn)強(qiáng)烈的鏡面反射，但其亮度和色度值也會有較大的波動。

（2）建筑色彩的觀測結(jié)果與光線入射角度和觀測角度有關(guān)。不同的照明/觀測角度，實驗材料樣品的亮度和色度值也不同。以亞光面磚為例，光線入射角度為0°（垂直被測面入射）時，法線方向附近亮度和色度值變化較大，其他觀察角度比較平穩(wěn)；光線入射角度為45°時，在入射角度異側(cè)亮度和色度值變化較大，入射角度同側(cè)比較平穩(wěn)。所以在測量建筑色彩時，應(yīng)盡量選用CIE 推薦的標(biāo)準(zhǔn)照明/觀測條件，不能隨意選擇光線入射角度和觀測角度。在城市建筑色彩的實際研究中，在不同入射/觀測角度進(jìn)行測量時，可以0°/45°時的色度數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對其值進(jìn)行修正。

圖9 涂料黃色色度反射特性

圖10 亮光面磚黃色色度反射特性

圖11 亞光面磚黃色色度反射特性

圖12 鋁塑板黃色色度反射特性

圖13 大理石黃色色度反射特性

4 小 結(jié)

文章在不同照明/觀測條件下對常用建筑外飾面材料的亮度反射特性和色度反射特性進(jìn)行了測量和實驗研究，研究結(jié)果表明建筑外飾面材料的亮度和色度反射特性與入射/觀測角度、材質(zhì)類型有一定相關(guān)關(guān)系。具體而言，建筑色彩的觀測結(jié)果與外飾面材料表面材質(zhì)直接相關(guān)。不同材質(zhì)類型的建筑飾面材料表現(xiàn)出不同的光反射特性，直接影響著建筑色彩的亮度和色度值。建筑色彩的觀測結(jié)果與光線入射角度和觀測角度有關(guān)。不同的照明/觀測角度，建筑色彩的亮度和色度值也不同，所以在測量建筑色彩時，應(yīng)盡量選用CIE 推薦的標(biāo)準(zhǔn)照明/觀測條件，不能隨意選擇光線入射角度和觀測角度。另外，在城市建筑色彩的定量研究中，在不同的入射/觀測角度進(jìn)行測量時，還可以根據(jù)本文的建筑飾面材料色度反射特性測量結(jié)果，以0/45°時的色度數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對其他入射/觀測角度的值進(jìn)行修正。

［1］Ilit S.Characteristics of Light Reflection Properties of Building Material Surfaces According to the Criteria of Geometric Conditions ［J］.1969，17（6）:462～475

［2］SHUBA Y A，SIDOROVSKII N V.Reflection Indicatrices as Basic Characteristics of the Optical Properties of a Material［J］.Journal of Optical Technology，1998，65（9）:724～727

［3］楊春宇，張青文.建筑材料反射光亮度實驗與照明計算方法［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，37（8）:1019～1023

［4］楊春宇，陳永敢，張青文.建筑飾面材料色度反射性能測量及方法［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2009，32（7）:834～838

［5］梁樹英.日光光譜與大氣衰減影響下的建筑色彩定量方法研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2014