光科技館
——從城市人因工程學視角下重新定義地下空間健康光環境

梁輝妙/LIANG Huimiao

1 引言

1.1 城市地下空間發展趨勢

隨著我國經濟高速發展，城市化面臨著人口密集、交通堵塞、能源消耗增大、房價上漲等諸多問題，城市空間需求急劇膨脹與地面空間有限這一矛盾也日益突出，有效地開發利用地下空間越來越迫切。綜觀世界發達國家和我國城市建設空間的現狀，向地下要空間、要土地、要資源，已成為現代化城市發展的必然趨勢之一。

住房和城鄉建設部在2021年1月6日印發的《關于加強城市地下市政基礎設施建設的指導意見》指出，各地要加強城市地下空間利用和市政基礎設施建設的統籌，實現地下設施與地面設施協同建設，地下設施之間豎向分層布局、橫向緊密銜接。各地要根據地下空間實際狀況和城市未來發展需要，合理部署各類設施的空間和規模，推廣地下空間分層使用，提高地下空間使用效率。依照政策指導和發展趨勢，利用地下空間將成為包括北京在內的許多城市在未來發展中滿足空間增量需求的重要方式，因此地下空間高品質化是必將面對的議題。

1.2 城市人因工程學視角下的地下空間研究

城市人因工程學是一個跨學科綜合研究領域，為研究實現人和空間、環境的相互作用并使之相結合，使空間環境、產品設計等適合人的生理、心理等特點，從而達到高效、安全、健康和舒適的目的。

城市人因工程學在探索高品質地下空間的研究過程中，對已有地下空間開發利用的研究表明，相較于地上，由于地下空間隔絕自然、密閉、無日光、無自然風感等固有空間特質容易使人感到冷寂、恐慌、氣悶、消極，甚至進一步產生幽閉恐懼感和消極心理，從而會對人們工作、生活狀態及生理狀態產生影響[1-5,7]。城市人因工程學視角下，以建筑學為依托，融合光環境、聲環境、空氣環境、環境生理和智能系統等諸多學科，我們提出“地下空間地上化”的概念，試圖通過局部改變地下空間物理環境來改善使用者在地下空間中的聽覺、嗅覺、視覺、觸覺、動覺等感受，比如：通過引入天然采光、模擬自然光線、色溫試驗等方法重塑地下空間光環境[8-10]；通過地下空間聲級域研究、聲景評價等改善地下空間的寂靜狀態[6,11,12]；通過自然通風技術、空氣質量研究緩解地下空間自然風感的缺失和悶塞感[13-14]；通過引入自然景觀、綠色植物及水體等方法增強地下空間與自然的接觸[15-17]。

通過理論結合實驗收集數據形成的解決方案，實現了集成性空間原型，從而改變人們對地下空間的傳統認知，賦予人們高品質的空間體驗，使地下建筑的生活品質不僅可以與傳統意義上的地上建筑比肩，甚至在一些方面可能超越地上建筑的舒適度，進而既顯著提高存量空間的質量，又保證高標準增量空間的質量。

1.3 光科技館

1 光科技館園區外景

光科技館是良業科技集團股份有限公司打造的國內唯一以光科技為主題的科技館（圖1），全區面積為2720m2，位于北京北宮門中央黨校南門附近。光科技館被定位為“未來智慧城市館”，是一個通過科技賦能各行各業技術創新的展示、體驗、營銷平臺。它是對未來光科技應用于城市生活、展現智慧城市生活方式、打造“地下空間地上化”開展的創新科研項目。展館中展陳的產品方向包括“智慧、健康、生態”的光環境前沿產品。園內的智慧燈桿照明設備集單燈控制、視頻監控、信息發布、環境監測、無線基站、積水監測、一鍵求助以及充電樁等功能，形成園區一體化智慧監測管理。

光科技館整體空間規劃由6個館構成：光科普館、光生活館、光文化館、光藝術館、光室外館、智慧家居館，重點體現光在城市生活的各個應用場景，包括光與文化、光與品牌、光與城市、光與生活、光與康養、光與辦公、光與商業等領域，基于城市人因工程學，推出全球領先的光智慧整體解決方案和獨家體驗空間，呈現實驗室級別的核心成果，助力智慧城市發展、智慧人居生活品質的提升。

良業以光科技服務商為定位，依托光科技打造產品，研發出智慧照明系列產品用于光科技館的建設，一方面是站在全球高度，展示中國光科技重大研發成果和突出應用案例，讓更多的人了解光、理解光、用好光，代表了企業的社會情懷和責任擔當；另一方面，作為光科技創新研發基地，持續推進基礎研究和創新運用。

2 地下空間地上化實踐

2.1 光科技館二期、三期

光科技館二期、三期的建造大量使用了地下空間，二期地下空間面積近2400m2，三期近1300m2。為符合“地下空間地上化”的趨勢、提升地下空間賦能能力，在建筑設計和光環境設計過程中，針對光、水、植物在地下空間的運用，以及各自然元素之間的關系進行研究實踐，致力于實現地下空間健康建筑。光環境設計在地下空間的影響因素尤為重要，光健康也是良業的光環境設計目標。

2.2 光健康場景設計和技術實踐

2.2.1 光健康場景理論和概念

人們對照明的要求主要分為3個方面：（1）功能性要求；（2）裝飾性要求；（3）生理健康和心理健康要求。人類的健康標準是基于太陽光照環境形成的，生理方面主要以陽光中的紫外線殺菌作用和紅外線促進體內新陳代謝等作用為主，心理方面主要強調自然光帶給人的積極情緒。光環境質量影響人們感受舒適性、工作生活狀態，對人體健康有潛在影響[18],“光健康”強調的是一種更加科學的照明方式。現代人們更多生活在各種室內空間，并不能時時刻刻享受到健康陽光的照射，在這種情況下，人們更需要健康的照明燈光，需要光健康。

2.2.2 光健康環境分類

（1）晝夜節律與色溫

“日出而作日落而息”是自然生命節律，2002年美國布朗大學的貝爾森（D. M. Berson）等人[19,27-30]發現了第三類非視覺感光細胞，即視網膜感光率神經節細胞（ipRGC），研究表明非視覺感光系統能感知光環境，調節人體生理節奏，會影響褪黑素（melatonin, MT）和皮質醇( Cortisol）[25-26]等激素分泌，并對人體生理機能產生影響。光節律通過在室內環境還原模擬出戶外節律光環境，仿照一天24小時內的光照及色溫變化，對身體內褪黑素和皮質醇激素引起變化，光照充足時，皮質醇會升高，人的注意力會更專注；光照減弱的時候，褪黑素升高，會讓人困意來襲，進入更好的睡眠狀態。

（2）色彩心理

光環境中不同的光色會對人的心理情緒產生很大的影響，光的7種色彩氛圍都會讓人有不同的心理感受和情緒反應[23-24]，合適的光色能夠撫慰人的心理情緒，比如藍光環境可以讓人平靜，但容易產生憂郁情緒，所以不適合神經衰弱的人群；紅光環境讓人亢奮，但容易引起躁動情緒，不適合有狂躁癥的人群。

2.2.3 光健康場景技術實踐

光科技館二期、三期的光環境設計利用包括自然光源、仿自然光、人工光營造“地下空間地上化”的氛圍。通過定制開發的仿自然光及自然光導入技術，營造出地下自然光環境空間（圖2、3）。

科技館運用的自然光導入技術分為光導照明技術和太陽光纖導入技術。光導照明技術利用定日鏡反射技術，將太陽光反射照進室內，這種方式導入的太陽光線柔和無眩光，引入隔離了大量紫外線的安全健康自然光線，色彩鮮艷不失真。太陽光纖導入技術通過傳感器（圖4）感知太陽位置，微電腦控制系統輸出指令，通過多維機械運動系統調整采光裝置朝向，使得采訪鏡片始終精密垂直太陽光線，并將陽光壓縮15,000多倍匯聚到光纖中，自然的太陽光順著光纖傳輸轉彎，隨心所欲到達任何位置。太陽光導入技術，通過太陽自動精密跟蹤及高科技透光集光等技術將純粹的自然光導入空間之中，在營造自然光的同時還能夠改善地下環境的空氣及濕度。導入的自然光還可以使地下空間的植物正常進行光合作用，自然生長，讓人們在地下也能感受到戶外大自然風景（圖5）。此外，結合綠植補光系統，在陰天的情況下植物同樣可以擁有充足的光照。

2 光科技館天空燈

3 地下空間綠植

仿自然光系統可以利用光的反射原理模擬出自然光環境，在光科技館設計中我們運用了“天空燈”和晝夜節律控制技術。“天空燈”利用完美模擬大氣層“瑞利效應”的天空衍射板，可實現模擬太陽距離感和運動感的“無限視野”光學效果，利用LED太陽模擬器實現在地下創造各種地上景觀的可能性（圖6）。

光科技館的設計建造過程中，不斷研究和探索城市人因工程學“地下空間地上化”的科研課題，開展對光環境、光健康、智慧光的研究實踐，明確“智慧、健康、生態”的空間定位，光科技館總平面布局分為智慧辦公、智慧康養、城市大腦等多個智慧區域劃分（圖7），以日光導入、仿自然光、生命節律、動態模擬和軟膜天花五大空間維度設計建造（圖8）。

（1）智慧辦公

智慧辦公區域設計目標主要體現在：（a）為辦公人員提供舒適穩定的辦公環境；（b）通過輔助設施提高工作效率和員工情緒；（c）有益于辦公人員生理和心理健康的設計；（d）智能照明網絡化設計。根據辦公型建筑光環境需求分析（表1），結合“商用空間照明設計照度對照表”（圖9、10）所示，不同光源色溫對心理狀態有不同影響效果，隨著照度的增加，越高的色溫給人的視覺感受越明亮，所以色溫和照度的搭配應按照不同商用空間的應用場景來確定。根據“普通照度水平與適用色溫表”（表2）與辦公區域人員調查及大數據收集分析，得出照明目標分析參考（表3）。我們根據不同的辦公需求將智慧辦公區域劃分為專注辦公區和靈活辦公區，并采用智能光控制系統針對氣候、時間、辦公區域人數等因素實時自動調節光照參數，達到智慧動態調節。同時，通過仿真窗景模擬系統（圖11）和燈光系統打破地下空間的沉悶，通過交互設置，人們可以隨心隨時切換不同情景的城市窗景，還可以在夜晚模擬白天的環境，改善工作狀態。在夜晚工作時，燈光系統還會通過探頭判斷員工所在位置并自動給出其所需要的最合理的光線狀態。

4 太陽傳感器

5 太陽光導入環境中的綠植

6 天空燈（1-6攝影：良業科技集團股份有限公司品牌營銷部）

表1 辦公型建筑光環境分析

表2 普通照度水平與適用色溫

8 總體空間維度（7.8圖片來源：良業科技集團股份有限公司品牌營銷部）

7 未來智慧城市館總平面布局

9 商業照明設計照度及色溫對照表1

10 商業照明設計照度及色溫對照表2（9.10圖表來源：良業科技集團股份有限公司室內照明部）

表3 辦公區域照明目標分析

（2）智慧康養

以人為本的照明是為了提高人員的舒適度、心情和健康狀況，健康的光環境可以在人們不規則的日常生活和康養醫療的過程中起到預防慢性疾病和促進疾病治療的作用。

目前，己知的受光生物效應影響的激素為兩種，即皮質醇和褪黑素。褪黑素是一種主要由松果體細胞分泌的肽類激素，作為一種時間信號調節生物的晝夜節律。褪黑素在傍晚和夜晚早期時段產生，相當于“睡眠激素”；而皮質醇恰好相反，它是壓力激素，使人注意力集中，增強免疫力。皮質醇與褪黑素的交替作用控制人體睡眠和工作周期，外界光中藍色光譜范圍內的光會對褪黑素的分泌起到抑制作用，影響著生理節律（圖12、13）。

我們經過大量的光照數據和人體生理狀態跟蹤數據分析，制定人因照明解決方案：在早上和下午開始的時候提供1200lx左右的冷白光；在傍晚提供暖白和低照度的光環境；同時集成交互桌的智能節律旋鈕，人們可以自主控制自己想要設定的時段光氛圍（圖14）。

3 人因工程光智慧技術趨勢和展望

11 仿真窗景模擬系統（攝影：良業科技集團股份有限公司品牌營銷部）

光科技館開館以來吸引了無數業內人士來訪、參觀及洽談，隨著科技發展，人們對光的需求不僅僅停留于功能性照明，對于光健康、智慧光的需求日益增多，對光環境設計需因地制宜，智能調控，從而滿足各種商業空間應用。光科技館中的城市大腦收集整個場館的 “溫度、濕度、天氣、光照度、聲音等”實時監測人因工程數據，為光環境智慧化提供數據基礎，目標是作為國內最先進的人因工程遠體實驗室的存在。

“十四五”規劃《建議》提出的12個方面重大任務中，對增進民生福祉，改善人民生活品質提出了重要要求和重大舉措，規劃建議中的一切發展政策都以人民利益為出發點和落腳點。城市地下空間開發利用與人民高品質生活面臨的技術挑戰隨著城市人因工程學的研究探索會不斷解決，良業的光科技智慧研發仍然在繼續，針對人因光健康與智慧化管控科技相融合，力求實現多場景、多行業的智慧服務建設與發展，助力未來智慧城市建設的追求。□

12 藍光光譜圖

13 皮質醇、褪黑素、體溫24小時周期規律（12.13圖表來源：良業科技集團股份有限公司室內照明部）

14 智慧康養（攝影：良業科技集團股份有限公司品牌營銷部）