再論建筑化照明
——關于室內建筑照明進一步有機結合的建議

吳雨婷，王立雄，于 娟，楊興棕

(1.天津大學 天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072；2.浙江陽光照明電器集團股份有限公司，浙江 杭州 312300)

引言

照明設計起源于戲劇的舞臺照明，舞臺照明目的是將舞臺場景和演員呈現給觀眾[1]。“關于‘人工照明的建筑學意義’之探討，一直受制于照明設計的戲劇照明基因和照明研究的視覺功效視角，建筑照明研究一直關注的是光與基礎視覺任務的關系，缺乏將光與空間/行為建立聯系的研究”[2]，換言之，真正意義上的建筑照明設計，其目標不應只是“照亮空間中的視覺任務(物體)以使之被有效識別，進而保證或獲取視覺舒適度”，還應達成“塑造空間整體氛圍，實現良好空間感知與互動”的目標。縱觀現代主義建筑大師的作品，不難發現，完成前一目標是局部的基礎性的照明設計，在此基礎上達成后一目標，才是更全面的高層次照明設計，才能體現出“照明的建筑學意義”。

“現代建筑照明設計”是“真正意義上的建筑照明設計”，而“建筑化照明”是在現代建筑照明設計理念下發展而來的照明方式，致力于通過建筑照明的有機結合，讓照明對建筑實踐產生更多有利的影響。

1 建筑化照明的發展歷程

“燈光是建筑設計不可分割的一部分”，這是“現代建筑照明之父”的理查德·凱利(Richard Kelly)的結論。正是這位兼具建筑師身份的照明設計師，促使“現代建筑照明設計”萌芽于20世紀50年代的美國，并隨著現代主義大師的建筑作品而漸為人知。現代建筑照明設計探討照明設計與建筑設計的契合，不僅關注基本視覺任務需求，還關注建筑如何被呈現、繼而人的情緒如何被影響，是基于視覺心理學的照明設計理念。初期的現代建筑照明設計更多是關注室內的環境塑造，同時，玻璃在建筑立面上的大面積采用，也促使了從室內視覺感受出發的室外景觀照明的產生(圖1)。內透光照明、洗墻照明(圖2)、間接照明(圖3)等即是在現代建筑照明設計理念下產生的照明方式。

圖1 玻璃住宅(1949年)，理查德·凱利與菲利普·約翰遜設計

圖2 西格拉姆大廈(1979年)，密斯·凡德羅和菲利普·約翰遜設計

圖3 金貝爾美術館(1972年)，路易斯·康設計。理查德·凱利的天然采光設計，是間接照明(indirect lighting)最早的典型案例

“建筑化照明”也是在現代建筑照明設計理念下產生的照明方式，但不同于“內透光照明”、“洗墻照明”和“間接照明”等強調照明效果的命名方式，“建筑化照明”一詞強調的是照明燈具的安裝方式。

“建筑化照明”于2000年左右開始在我國出現[3]，最初定義是“指照明燈具與建筑物的結構及裝飾有機地配合起來，成為具有照明功能的室內建筑或裝飾體”[4]。定義落腳于“具有照明功能的室內建筑或裝飾體”，可以看出，我國早期的建筑化照明從建筑學角度出發，強調“建筑”多于“照明”。

日本照明學會于1999年和2003年分別出版2期建筑化照明專刊，詳細論述了室內建筑化照明的做法與案例，強調了照明對室內空間的影響[5-9]。

為慶祝世紀之交，2000年國內外的城市夜景照明建設均呈現出前所未有的盛況。在此背景下，“建筑化照明”概念對建筑室外照明的建設發展也產生了深遠影響。2005年，“建筑化夜景照明”概念被提出，是指將照明光源或燈具和建筑立面的墻、柱、檐、窗或墻角等建筑結構融為一體的夜景照明方法，并解析了建筑化夜景照明的6大優點(圖4)[10]。室外建筑化照明至今仍是我國照明行業的研究熱點[11，12]。

圖4 建筑化夜景照明的優點(圖片來源：文獻[10])

早期的建筑化照明安裝方式(圖5)，目的是將光源的高亮發光面隱藏于視野不可見范圍。LED的產生為建筑化照明提供了更多的可能性，促進了室內建筑化照明的新發展：一方面，LED壽命長、體積小、散熱少，因此便于安裝布置；另一方面，LED打破了傳統點狀光源形式，LED線、面光源可利用發光面積優勢，降低表面亮度而不影響照明質量，可直接安裝于視野可見范圍。近年來，LED線、面光源廣泛應用于室內照明，常見光帶和光梁等照明類型(圖6)。室內建筑化照明在2010年重新引起國內學者重視[13]：袁景玉等[14]認為建筑化照明是照明的更高層次,LED具有建筑化照明的天生優勢；趙建平[15]提出創新是LED應用于室內照明的必經之路，建筑化照明方式是LED產品的創新措施。建筑化照明研究也從“燈具安裝方式”層級，拓充至對“照明產品形式”提出要求。2015年出版的GB/T 31831《LED室內照明應用技術要求》[16]規定了LED線形、平面燈具的定義和建筑一體化發光單元的安裝維護要求。

圖5 早期的建筑化照明安裝方式

綜上，“建筑化照明”從注重建筑空間塑造與感知的“現代建筑照明設計”理論背景下產生，一直致力于通過燈具與空間界面和構件的融合，弱化燈具、降低光源亮度對場景感知的視覺干擾，謀求“見光不見燈”的照明效果，利用光線和陰影將室內空間或環境要素更好的凸顯表達，獲得更好的視覺感知。LED作為新一代光源帶來了照明革命，夯實了建筑化照明的可行性和必要性。事實上，伴隨LED產生的室內建筑照明的轉型升級，對建筑化照明也提出了進一步的有機結合要求。

圖6 LED線、面光源在室內照明中的應用

2 室內建筑照明的轉型升級

近年來，室內照明致力于以LED謀求更舒適健康的照明環境，以獲取更積極的情緒，提升幸福感[17]：基于非視覺效應的健康照明理論、基于人工智能的照明控制技術和基于空間感知與互動體驗需求的照明設計方法是3大研究熱點，構建出室內照明轉型升級的內在需求、技術支撐和實施策略。

1)室內照明的“健康”升級對光源和環境光參數提出新要求。郝洛西團隊研究“LED照明的非視覺生物效應和對人體生理節律的影響”[18]，林燕丹團隊研究基于心率指標的人體節律隨光強和光譜改變規律[19]，嚴永紅團隊分析光譜光強影響工作效率、視/腦疲勞、腦電波等指標的變化規律[20]，楊春宇團隊研究照度、色溫等參數對人眼視疲勞的影響[21]，蔡建奇團隊研究光源亮度、光譜等與人眼視生理功能及腦部負荷功能的對應關系[22，23]。因此，健康照明的影響機制研究，是對光譜和光強等光源光參數、垂直照度等環境光參數、及兩參數調控規律的進一步研究[24]。室內照明的“健康”升級對光源和環境光參數均提出了新的指標要求。

2)智能照明是實現室內照明健康、舒適與高效的重要手段。雖然目前國際上尚無統一的智能照明定義，但毋庸置疑，控制靈活的LED促進了智能照明的發展。智能照明利用計算機、網絡通信、自動控制等技術，通過對環境信息和用戶需求分析和處理，實施特定的控制策略，對照明進行整體控制和管理，因此為健康照明、提升光環境品質提供了系統的解決方案[25]。智能照明是實現健康、舒適與高效的室內照明的重要手段。

3)以空間感知與互動體驗為目標的照明設計方法革新。室內照明標準[26-28]規定了水平工作面照度等參數要求，做為評價照明質量的基本指標。需要強調的是，標準規范規定的參數及其限值主要是檢驗照明是否滿足功能需求的參數，雖基于視覺功效和視覺舒適度兩方面的雙重考慮，但遠非是以空間塑造為目標的照明設計依據。Russell[29]曾提出光對空間塑造的5個層次(表1)，前4步創造出有意思的照明空間，同時滿足大部分功能照明需求(若不滿足，局部照明更有效)；高秉佑等[30]指出水平面照度不足以評價空間整體明亮度，并且“平均亮度值的對數”和“平均亮度的標準偏差”是代替“平均亮度值”和“亮度對比度”的，表征空間整體明亮度的合理指標；文獻[31]中的研究成果“Feu”已納入到日本照明標準體系中(圖7、圖8)；文獻[32]中總結了人類對照明的5級需求(圖9)，認為我國照明已進入了“審美需求”層級，提出了“價值需求”層級的設計建議。綜上，基于空間整體氛圍塑造的，以互動體驗等高層次需求為照明目標的室內照明，要求其設計流程和設計、評價指標體系的革新。

綜上，健康照明理論、智能控制技術和設計新方法，三者依附LED應用于室內照明，促進著行業的轉型升級，帶來照明技術體系在設計、產品、施工、檢測等層面的改革和創新。顯然，這對室內建筑化照明提出了新的要求：在“構件集成”和“安裝集成”的基礎上，進一步實現“功能集成”、“施工集成”，達成“設計集成”和“信息集成”，在滿足傳統照明質量要求和美學要求基礎上，進一步實現室內照明的健康、舒適與高效。在此背景下，我們提出了建筑照明一體化設計新方法的建議。

表1 光對空間塑造的5個層次

圖7 空間明亮感評價指標Feu解析

圖8 Feu與水平工作面照度共同塑造空間氛圍

圖9 人類對照明的需求層次

3 關于建筑照明一體化設計新方法的建議

關于建筑照明一體化設計新方法的建議，包括設計策略和設計手段兩部分內容：設計策略在進一步完善“構件集成”和“安裝集成”基礎上探討“功能集成”和“施工集成”；設計手段謀求“設計集成”與“信息集成”。

3.1 建筑照明一體化設計策略

1)目標：構件集成、功能集成和施工集成。建筑照明一體化首先應繼承建筑化照明的優良基因，通過燈具與建筑構件界面的有機結合，提升光環境質量、塑造空間整體氛圍，實現良好空間感知與互動；其次，建筑化照明本質上是實現了燈具光學屬性與空間界面屬性的結合，建筑照明一體化則應實現建筑構件的空間界面屬性與光學屬性、以及聲學和熱工屬性的結合；另外，建筑化照明的安裝方式為照明的工業化施工提供了可能性，建筑照明一體化要求產品的模塊化，以實現施工工業化。

2)建議:研究基于多目標優化的建筑照明一體化設計實踐。應以室內照明的質量提升、空間利用及裝飾、能源節約、施工工業化等為目標，基于建筑空間、人員行為與心理、視覺任務等特征，限定并劃分建筑照明一體化的典型空間；基于健康與舒適要求，提取滿足新的照明需求、場所需求和實施需求的設計指標體系；以“有機結合”為設計新導向，在滿足美學需求基礎上，開展照明方案的多目標優化研究；獲取建筑照明一體化設計實踐經驗。

3)可行性分析(如圖10所示)：

a)燈/光自成裝飾、燈/光為靜態標識、燈/光可動態互動等建筑照明有機結合方式，已在一定程度上達成光環境提升和空間利用優化；

b)燈與空間其他設計元素統一的建筑照明融合、見光不見燈的隱藏式照明，即建筑化照明，有效提升光環境的同時，優化空間利用；

c)“嵌入式”照明具有發光面積優勢，可用較低光源亮度達到較高照度，均勻度高，無眩光，大幅度提升光環境質量；表面材料與界面統一，開啟時提供照明，關閉時為空間界面，裝飾與節約空間并舉；嵌入式安裝配合產品模塊化，有利于施工工業化；屬于直接照明方式，相較隱藏式和間接照明用能效率高；

d)發光頂棚同時作為吸聲結構的聲光耦合、燈具與空調出風、回風口結合的光熱耦合等功能集成案例，具有空間利用優化、施工工業化和用能效率提高優勢；

e)LED和智能控制技術為光源和接口的模塊化設計提供了強有力的技術支撐。

圖10 建筑照明有機結合方式解析

3.2 建筑照明一體化設計手段

1)目標：設計集成與信息集成。“建筑照明一體化設計”首先要求在同一界面完成建筑與照明的協同設計，建筑師將同時主導建筑和照明設計，照明設計師更多是執行照明設計核驗的任務。“建筑照明一體化設計”還要實現健康照明提出的新的照明質量指標設計，如頻閃、光譜分布、垂直照度、空間亮度系數Feu等；另外，還需滿足因建筑照明有機結合產生的耦合功能所對應的聲學、熱工等物理指標的核算。

2)建議:研發基于BIM技術的建筑照明一體化設計軟件。基于BIM技術軟件的二次開發，一方面研究照明與建筑構件有機結合的軟件接口，在軟件平臺中創建涵蓋建筑和照明全信息的數字模型，建立建筑照明一體化產品族庫；另一方面，獲取照明模擬仿真計算的核心算法，實現一體化新指標的軟件計算和建筑照明效果的即時渲染。另外，應進一步建議的是：建筑照明一體化設計軟件中，光源參數將以“發光模塊單元”的形式存在，能夠實現與建筑構件界面的自動匹配，智能創建建筑構件形式的一體化照明模塊，完善至一體化產品族庫；建筑照明一體化設計軟件應支持對照明調控的即時渲染，可結合VR技術，帶來沉浸式的照明方案虛擬體驗。

3)可行性分析。DIALux是目前最主流的建筑照明設計軟件，計算精度和效果渲染都得到業內專業人員的一致認可。最新發布的DIALux evo 8.1可實現所見即所得的設計方案渲染效果(圖11)，軟件界面可實現光色、亮度等的即時調控。DIALux雖未實現建筑照明同界面設計，但已支持IFC格式文件導入，實現了與Revit等BIM技術平臺的模型共享。

圖11 實景與DIALux evo模擬示意圖對比

Elumtools 是基于Revit的API開發的照明計算插件，將照明計算直接加載于BIM技術平臺，初步實現了建筑與照明的同平臺同界面設計(圖12)。但相較于DIALux evo，其在燈具庫和渲染效果上略顯遜色。

圖12 Elumtools的照明設計界面

綜上，建筑照明一體化是針對建筑功能需求和空間特征，將照明裝置與室內界面和構件進一步有機結合，在滿足傳統照明質量要求和美學要求基礎上，包含設計、產品、施工、檢測等層面的改革和創新，通過設計集成、信息集成、構件集成、功能集成、施工集成，實現光環境提升、空間利用優化、用能效率提高、施工工業化，是實現舒適與健康照明的創新性照明方式。

4 結語

理查德·凱利曾總結：環境光(Ambient luminescence)“是鄉間的晨雪,是從水底仰望的蕩漾的天宵,是正午陽光下白帳中的柔光”；焦點光(Focal glow)“是無處不在的營火,是穿過云層的光束,是溫暖遠山的一縷陽光”；華麗光(Play of brilliant)“是神奇瑰麗的北極光,是凡爾賽鏡廊中的萬千燭火，是魔幻的圣誕樹，是獨立日夜空中璀璨的云霞”[33]。

建筑照明一體化設計新方法將致力于實現一般的環境照明、一般的重點照明和一般的裝飾照明。