李农 | 建筑立面照明设计参数的量化研究

照明工程学报 2022-07-28

建筑立面照明设计参数的量化研究

李农，李顶，李飞

北京工业大学城市照明规划设计研究所

引言

建筑立面照明是城市夜景照明的重要组成部分，众所周知，其景观照明效果与光照的亮度与色彩密切相关，特别是随着LED光源的出现，动态景观照明的案例呈暴发式增长，显然，针对动态的景观照明，照明的亮度、色彩和动态变化速度为照明设计的三个最重要物理参数。然而目前国内外尚没有发现上述三个物理参数之间的量化关系，本文通过实验的方法试图找出三者之间的定量关系。

1 实验方法

本次实验的主要目的是要得出不同颜色的光，在不同亮度条件下，以何种频率或者周期来进行明暗或者亮灭的变化是舒适的。因此，本实验又称“单色光跳变参数量化实验”。

单色光跳变参数评价实验主要的流程即在中间视觉条件下，实验者在设定的各亮度水平下，进而针对各种光色，依设定的不同占空比和呈现时间依次呈献给被试者，由被试者通过感受对各种参数组合进行主观舒适度评价，最后由实验者进行统计分析，得出相关结论。

1.1 实验条件

实验室条件下单色光跳变参数评价实验的进行地点位于北京工业大学城市照明规划设计研究所的建筑光学实验室。配备亮度色彩可调的LED照明系统。

在本实验中所选用的色光刺激是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等7种纯色组成。利用TOPCON BM-7A亮度计分别测量的实验平均色坐标，以及对应的波长见表1。

参考《城市夜景照明设计规范》（JGJ/T 163-2008）^[1]，实验色刺激的亮度范围在5—25cd/㎡之间变化，并将色刺激的亮度水平等量划分为5等份，即分别为5cd/㎡、10 cd/㎡、15 cd/㎡、20 cd/㎡和25 cd/㎡。利用TOPCON BM-7A亮度计分别测量的不同亮度水平下的实验平均亮度见表2。

在建筑景观照明中，采用动态照明方式的案例很多，大多采用明暗变化的仿呼吸式和亮灭交替变换的动态方案，本实验采用后者的动态方案。通常亮灭交替变换的动态方式的亮灯时间和灭灯时间各占总周期的一半，即占空比为0.5。因此，本次实验以占空比0.5为中心，向两边适度扩充，即实验占空比选定为0.3、0.4、0.5、0.6和0.7。

有了占空比的数值后，与之相对应的呈现时间也需要考虑。通常亮灭交替变化动态方式的变化周期中，其亮灯的时间大多集中在1～3s。因此本实验以0.5s为单位，在1～3秒之间选取5种实验呈现时间，即1s、1.5s、2s、2.5s和3s。

实验中所采用控制设备及软件分别为计算机、亮美集四基色动画/DMX分控器以及EASYPLAYER 2013控制软件。

1.2 被试者评价方法

本实验评价方法采用五点分级的SD法（semantic differential method），见表3。以“舒适的——不舒适的”这一对反义词组成测量尺度，表中的0代表中立，即不感到舒适也不会感到不舒适，正数表示为舒适，负数表示为不舒适，数字的大小则体现了情感尺度的大小。

实验被试者大部分来自北京工业大学建筑与城市规划学院一年级和二年级的研究生，年龄平均在25-26周岁，男女数量基本持平。

本实验在中间视觉条件下进行，由LED投光灯将已经制定好的色刺激方案依次投射在白色墙壁上。被试者坐在距离墙壁4.5m处，以大约15°～20°的仰视角对色刺激进行观察评价。在接受完色刺激时，被试者以语义差别法对刚刚呈现出来的色刺激进行舒适度评价，然后再依次进行下一个色刺激的接受与评价。实验进行20分钟左右后，休息5min后再继续。

2实验结果与分析

本次实验室条件下单色光跳变参数评价实验共获取14份有效样本，共计12 250个数据。我们对各个实验条件下的色刺激评价进行了统计，在统计过程中，对色刺激得到“-2、-1”的评价视为“差评价”，即不舒适的，对于色刺激得到“0、+1、+2”的评价视为“好评价”，即舒适的。在各个实验条件下色刺激评价中的“好评价”占被试人数的百分比定义为“好评率”。

在实验中预设的7种颜色、5种亮度条件下，各不同占空比和呈现时间变换方式下所得到的 “好评率”数据众多，显然，每种亮度和光色条件下就可以得到占空比0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和呈现时间1s、1.5s、2s、2.5s、3s组合情况下的25个“好评率”数值。

为了表征不同组合情况下动态变化的“频率”特征，故新定义了“占空频率”，即实验数据统计后，不同实验亮度、光色与占空频率的 “好评率”实验结果见图1～图5。针对上述实验结果，显然其分布形态大致相似，符合对数正态分布的特征，因此利用对数正态分布函数对每种亮度与光色进行数学拟合后，便可以得到各拟合曲线的最大值，即最佳占空频率；同时若将“好评率”大于80%视为动态变化的可接受范围，则相应的实验分析结果见表4。利用数学的插值计算法，可将实验亮度下的最佳占空频率换算为实验设计亮度下的数值，具体见表5。

图1实验设计亮度5cd/㎡下光色与占空频率“好评率”结果

图2实验设计亮度10cd/㎡下光色与占空频率“好评率”结果

图3实验设计亮度15cd/㎡下光色与占空频率“好评率”结果

图4实验设计亮度20cd/㎡下光色与占空频率“好评率”结果

图5实验设计亮度25cd/㎡下光色与占空频率“好评率”结果

针对表5数值结果进行规律性的分析后，可以推测最佳占空频率随亮度和波长的变化范围如图6所示，亮度越高同一光色下最佳占空频率取值点越接近分布区间的上限，而且各亮度情况下均在490nm附近出现最小值，因此可以预见最佳占空频率随波长的变化为不对称的“燕翅型”，即在490nm附近（青色）出现最小值，而分别在470nm附近（蓝色）和610nm附近（橙色）出现极大值。

这说明要达到舒适的动态照明效果，最佳占空频率与亮度和波长密切相关，因此在具体的照明设计时，应首先应确定用色与亮度，根据天津大学关于色光情感定量化研究的结果^[2]，再结合《城市夜景照明设计规范》（JGJ/T 163—2008）对建筑物亮度限值的要求，笔者给出了图7所示的亮度与波长舒适度曲线，可以作为确定用色与亮度的参考。

在确定了用色与亮度后，进而应确定动态变化的最佳占空频率。根据前述占空频率的定义，其数值与占空比与呈现时间两个因素有关，而不是仅与占空比相关，具体可以参考表5或图6确定最佳占空频率的数值。

图6最佳占空频率与亮度和光色的关系

图7 亮度与波长舒适度曲线