建筑立面照明設計參數的量化研究

李 農，李 頂，李 飛

(北京工業大學城市照明規劃設計研究所，北京 100124)

建筑立面照明設計參數的量化研究

李 農，李 頂，李 飛

(北京工業大學城市照明規劃設計研究所，北京 100124)

建筑立面動態景觀照明的照明亮度、光色和動態變化速度為照明設計的三個最重要物理參數。本文通過實驗的方法找出了不同實驗亮度、光色與占空頻率的 “好評率”，并利用對數正態分布函數對其進行數學擬合，從而得到了不同亮度與光色組合情況下實驗最佳占空頻率和占空頻率可接受范圍，此外,還利用數學的插值計算法得出各亮度等級與波長組合下所對應的最佳占空頻率，并推測出不同亮度情況下，最佳占空頻率隨波長的變化呈不對稱的“燕翅型”分布，照明亮度、光色和動態變化速度三者之間的量化研究結果，為動態照明的設計提供了客觀的理論支持，具有重大的參考與指導意義。

動態照明；亮度；光色；動態變化速度；參數量化

引言

建筑立面照明是城市夜景照明的重要組成部分，眾所周知，其景觀照明效果與光照的亮度與色彩密切相關，特別是隨著LED光源的出現，動態景觀照明的案例呈暴發式增長，顯然，針對動態的景觀照明，照明的亮度、色彩和動態變化速度為照明設計的三個最重要物理參數。然而目前國內外尚沒有發現上述三個物理參數之間的量化關系，本文通過實驗的方法試圖找出三者之間的定量關系。

1 實驗方法

本次實驗的主要目的是要得出不同顏色的光，在不同亮度條件下，以何種頻率或者周期來進行明暗或者亮滅的變化是舒適的。因此，本實驗又稱“單色光跳變參數量化實驗”。

單色光跳變參數評價實驗主要的流程即在中間視覺條件下，實驗者在設定的各亮度水平下，進而針對各種光色，依設定的不同占空比和呈現時間依次呈獻給被試者，由被試者通過感受對各種參數組合進行主觀舒適度評價，最后由實驗者進行統計分析，得出相關結論。

1.1 實驗條件

實驗室條件下單色光跳變參數評價實驗的進行地點位于北京工業大學城市照明規劃設計研究所的建筑光學實驗室。配備亮度色彩可調的LED照明系統。

在本實驗中所選用的色光刺激是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等7種純色組成。利用TOPCON BM-7A亮度計分別測量的實驗平均色坐標，以及對應的波長見表1。

表1 實驗光色坐標與波長值

參考《城市夜景照明設計規范》(JGJ/T 163—2008)[1]，實驗色刺激的亮度范圍在5～25cd/m2之間變化，并將色刺激的亮度水平等量劃分為5等份，即分別為5cd/m2、10 cd/m2、15 cd/m2、20 cd/m2和25 cd/m2。利用TOPCON BM-7A亮度計分別測量的不同亮度水平下的實驗平均亮度見表2。

在建筑景觀照明中，采用動態照明方式的案例很多，大多采用明暗變化的仿呼吸式和亮滅交替變換的動態方案，本實驗采用后者的動態方案。通常亮滅交替變換的動態方式的亮燈時間和滅燈時間各占總周期的一半，即占空比為0.5。因此，本次實驗以占空比0.5為中心，向兩邊適度擴充，即實驗占空比選定為0.3、0.4、0.5、0.6和0.7。

有了占空比的數值后，與之相對應的呈現時間也需要考慮。通常亮滅交替變化動態方式的變化周期中，其亮燈的時間大多集中在1～3 s。因此本實驗以0.5 s為單位，在1～3 s之間選取5種實驗呈現時間，即1 s、1.5 s、2 s、2.5 s和3 s。

實驗中所采用控制設備及軟件分別為計算機、亮美集四基色動畫/DMX分控器以及EASYPLAYER 2013控制軟件。

表2 實驗光色亮度值

1.2 被試者評價方法

本實驗評價方法采用五點分級的SD法(semantic differential method)，見表3。以“舒適的——不舒適的”這一對反義詞組成測量尺度，表中的0代表中立，即不感到舒適也不會感到不舒適，正數表示為舒適，負數表示為不舒適，數字的大小則體現了情感尺度的大小。

表3 語義差別量表圖

實驗被試者大部分來自北京工業大學建筑與城市規劃學院一年級和二年級的研究生，年齡平均在25～26周歲，男女數量基本持平。

本實驗在中間視覺條件下進行，由LED投光燈將已經制定好的色刺激方案依次投射在白色墻壁上。被試者坐在距離墻壁4.5 m處，以大約15°～20°的仰視角對色刺激進行觀察評價。在接受完色刺激時，被試者以語義差別法對剛剛呈現出來的色刺激進行舒適度評價，然后再依次進行下一個色刺激的接受與評價。實驗進行20 min左右后，休息5 min后再繼續。

2 實驗結果與分析

本次實驗室條件下單色光跳變參數評價實驗共獲取14份有效樣本，共計12 250個數據。我們對各個實驗條件下的色刺激評價進行了統計，在統計過程中，對色刺激得到“-2、-1”的評價視為“差評價”，即不舒適的，對于色刺激得到“0、+1、+2”的評價視為“好評價”，即舒適的。在各個實驗條件下色刺激評價中的“好評價”占被試人數的百分比定義為“好評率”。

在實驗中預設的7種顏色、5種亮度條件下，各不同占空比和呈現時間變換方式下所得到的 “好評率”數據眾多，顯然，每種亮度和光色條件下就可以得到占空比0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和呈現時間1 s、1.5 s、2 s、2.5 s、3 s組合情況下的25個“好評率”數值。為了表征不同組合情況下動態變化的“頻率”特征，故新定義了“占空頻率”，即

實驗數據統計后，不同實驗亮度、光色與占空頻率的 “好評率”實驗結果見圖1～圖5。針對上述實驗結果，顯然其分布形態大致相似，符合對數正態分布的特征，因此利用對數正態分布函數對每種亮度與光色進行數學擬合后，便可以得到各擬合曲線的最大值，即最佳占空頻率；同時若將“好評率”大于80%視為動態變化的可接受范圍，則相應的實驗分析結果見表4。利用數學的插值計算法，可將實驗亮度下的最佳占空頻率換算為實驗設計亮度下的數值，具體見表5。

圖1 實驗設計亮度5 cd/m2下光色與占空頻率“好評率”結果Fig.1 The default brightness 5 cd/m2 light color and space frequency of “rate” the experimental results

圖2 實驗設計亮度10 cd/m2下光色與占空頻率“好評率”結果Fig.2 The default brightness 10 cd/m2 light color and space frequency of “rate” the experimental results

圖3 實驗設計亮度15 cd/m2下光色與占空頻率“好評率”結果Fig.3 The default brightness 15 cd/m2 light color and space frequency of “rate” the experimental results

圖4 實驗設計亮度20 cd/m2下光色與占空頻率“好評率”結果Fig.4 The default brightness 20 cd/m2 light color and space frequency of “rate” the experimental results

圖5 實驗設計亮度25 cd/m2下光色與占空頻率“好評率”結果Fig.5 The default brightness 25 cd/m2 light color and space frequency of “rate” the experimental results

針對表5數值結果進行規律性的分析后，可以推測最佳占空頻率隨亮度和波長的變化范圍如圖6所示，亮度越高同一光色下最佳占空頻率取值點越接近分布區間的上限，而且各亮度情況下均在490 nm附近出現最小值，因此可以預見最佳占空頻率隨波長的變化為不對稱的“燕翅型”，即在490 nm附近(青色)出現最小值，而分別在470 nm附近(藍色)和610 nm附近(澄色)出現極大值。

這說明要達到舒適的動態照明效果，最佳占空頻率與亮度和波長密切相關，因此在具體的照明設計時，應首先應確定用色與亮度，根據天津大學關于色光情感定量化研究的結果[2]，再結合《城市夜景照明設計規范》(JGJ/T 163—2008)對建筑物亮度限值的要求，筆者給出了圖7所示的亮度與波長舒適度曲線，可以作為確定用色與亮度的參考。

表4 實驗最佳占空頻率和占空頻率可接受范圍(亮度單位：cd/m2)

在確定了用色與亮度后，進而應確定動態變化的最佳占空頻率。根據前述占空頻率的定義，其數值與占空比與呈現時間兩個因素有關，而不是僅與占空比相關，具體可以參考表5或圖6確定最佳占空頻率的數值。

表5 不同亮度與波長對應的最佳占空頻率

圖6 最佳占空頻率與亮度和光色的關系Fig.6 The best relationship accounted for frequency and brightness and color space

圖7 亮度與波長舒適度曲線Fig.7 Brightness and wavelength comfort curve

3 結論

動態照明情況下，景觀照明效果與光色(波長)、亮度與變化“頻率”三者密切相關，本文通過實驗的方法找出了三者之間的定量關系，且不同亮度情況下，最佳占空頻率隨波長的變化呈不對稱的“燕翅型”分布，這些定量化的結果將對動態景觀照明的設計具有重大的參考與指導意義，也是確保照明效果的基礎。

[1]城市夜景照明設計規范:JGJ/T163—2008[S].北京:中國建筑工業出版社，2009.

Study on the Parameters of Building Facade Lighting Design

LI Nong, LI Ding, LI Fei

(UrbanLightingPlanningandDesignResearchInstitute，BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124，China)

The three important physical parameters of fa?ade dynamic lighting are lighting brightness, light color and dynamic change speed. This paper through experiments finds out the “positive feedback” of different brightness, light color and duty frequency. Lognormal distribution function was used to perform mathematical fitting on the results, to obtain the optimum duty cycle frequency and its acceptable range for brightness and color combinations. In addition, the interpolation method was also used to get the optimal duty cycle corresponding to brightness level and wavelength combinations. Under different brightness, the optimal duty varies with the wavelength presenting an asymmetric “Swallow Wing Type” distribution. The quantitative research results of lighting brightness, light color and dynamic change speed provide theory support for dynamic lighting design.

dynamic lighting; brightness; color; dynamic change speed; parameter quantization

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.008