再论建筑化照明——关于室内建筑照明进一步有机结合的建议

吴雨婷，王立雄，于 娟，杨兴棕

(1.天津大学 天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072；2.浙江阳光照明电器集团股份有限公司，浙江 杭州 312300)

引言

照明设计起源于戏剧的舞台照明，舞台照明目的是将舞台场景和演员呈现给观众[1]。“关于‘人工照明的建筑学意义’之探讨，一直受制于照明设计的戏剧照明基因和照明研究的视觉功效视角，建筑照明研究一直关注的是光与基础视觉任务的关系，缺乏将光与空间/行为建立联系的研究”[2]，换言之，真正意义上的建筑照明设计，其目标不应只是“照亮空间中的视觉任务(物体)以使之被有效识别，进而保证或获取视觉舒适度”，还应达成“塑造空间整体氛围，实现良好空间感知与互动”的目标。纵观现代主义建筑大师的作品，不难发现，完成前一目标是局部的基础性的照明设计，在此基础上达成后一目标，才是更全面的高层次照明设计，才能体现出“照明的建筑学意义”。

“现代建筑照明设计”是“真正意义上的建筑照明设计”，而“建筑化照明”是在现代建筑照明设计理念下发展而来的照明方式，致力于通过建筑照明的有机结合，让照明对建筑实践产生更多有利的影响。

1 建筑化照明的发展历程

“灯光是建筑设计不可分割的一部分”，这是“现代建筑照明之父”的理查德·凯利(Richard Kelly)的结论。正是这位兼具建筑师身份的照明设计师，促使“现代建筑照明设计”萌芽于20世纪50年代的美国，并随着现代主义大师的建筑作品而渐为人知。现代建筑照明设计探讨照明设计与建筑设计的契合，不仅关注基本视觉任务需求，还关注建筑如何被呈现、继而人的情绪如何被影响，是基于视觉心理学的照明设计理念。初期的现代建筑照明设计更多是关注室内的环境塑造，同时，玻璃在建筑立面上的大面积采用，也促使了从室内视觉感受出发的室外景观照明的产生(图1)。内透光照明、洗墙照明(图2)、间接照明(图3)等即是在现代建筑照明设计理念下产生的照明方式。

图1 玻璃住宅(1949年)，理查德·凯利与菲利普·约翰逊设计

图2 西格拉姆大厦(1979年)，密斯·凡德罗和菲利普·约翰逊设计

图3 金贝尔美术馆(1972年)，路易斯·康设计。理查德·凯利的天然采光设计，是间接照明(indirect lighting)最早的典型案例

“建筑化照明”也是在现代建筑照明设计理念下产生的照明方式，但不同于“内透光照明”、“洗墙照明”和“间接照明”等强调照明效果的命名方式，“建筑化照明”一词强调的是照明灯具的安装方式。

“建筑化照明”于2000年左右开始在我国出现[3]，最初定义是“指照明灯具与建筑物的结构及装饰有机地配合起来，成为具有照明功能的室内建筑或装饰体”[4]。定义落脚于“具有照明功能的室内建筑或装饰体”，可以看出，我国早期的建筑化照明从建筑学角度出发，强调“建筑”多于“照明”。

日本照明学会于1999年和2003年分别出版2期建筑化照明专刊，详细论述了室内建筑化照明的做法与案例，强调了照明对室内空间的影响[5-9]。

为庆祝世纪之交，2000年国内外的城市夜景照明建设均呈现出前所未有的盛况。在此背景下，“建筑化照明”概念对建筑室外照明的建设发展也产生了深远影响。2005年，“建筑化夜景照明”概念被提出，是指将照明光源或灯具和建筑立面的墙、柱、檐、窗或墙角等建筑结构融为一体的夜景照明方法，并解析了建筑化夜景照明的6大优点(图4)[10]。室外建筑化照明至今仍是我国照明行业的研究热点[11，12]。

图4 建筑化夜景照明的优点(图片来源：文献[10])

早期的建筑化照明安装方式(图5)，目的是将光源的高亮发光面隐藏于视野不可见范围。LED的产生为建筑化照明提供了更多的可能性，促进了室内建筑化照明的新发展：一方面，LED寿命长、体积小、散热少，因此便于安装布置；另一方面，LED打破了传统点状光源形式，LED线、面光源可利用发光面积优势，降低表面亮度而不影响照明质量，可直接安装于视野可见范围。近年来，LED线、面光源广泛应用于室内照明，常见光带和光梁等照明类型(图6)。室内建筑化照明在2010年重新引起国内学者重视[13]：袁景玉等[14]认为建筑化照明是照明的更高层次,LED具有建筑化照明的天生优势；赵建平[15]提出创新是LED应用于室内照明的必经之路，建筑化照明方式是LED产品的创新措施。建筑化照明研究也从“灯具安装方式”层级，拓充至对“照明产品形式”提出要求。2015年出版的GB/T 31831《LED室内照明应用技术要求》[16]规定了LED线形、平面灯具的定义和建筑一体化发光单元的安装维护要求。

图5 早期的建筑化照明安装方式

综上，“建筑化照明”从注重建筑空间塑造与感知的“现代建筑照明设计”理论背景下产生，一直致力于通过灯具与空间界面和构件的融合，弱化灯具、降低光源亮度对场景感知的视觉干扰，谋求“见光不见灯”的照明效果，利用光线和阴影将室内空间或环境要素更好的凸显表达，获得更好的视觉感知。LED作为新一代光源带来了照明革命，夯实了建筑化照明的可行性和必要性。事实上，伴随LED产生的室内建筑照明的转型升级，对建筑化照明也提出了进一步的有机结合要求。

图6 LED线、面光源在室内照明中的应用

2 室内建筑照明的转型升级

近年来，室内照明致力于以LED谋求更舒适健康的照明环境，以获取更积极的情绪，提升幸福感[17]：基于非视觉效应的健康照明理论、基于人工智能的照明控制技术和基于空间感知与互动体验需求的照明设计方法是3大研究热点，构建出室内照明转型升级的内在需求、技术支撑和实施策略。

1)室内照明的“健康”升级对光源和环境光参数提出新要求。郝洛西团队研究“LED照明的非视觉生物效应和对人体生理节律的影响”[18]，林燕丹团队研究基于心率指标的人体节律随光强和光谱改变规律[19]，严永红团队分析光谱光强影响工作效率、视/脑疲劳、脑电波等指标的变化规律[20]，杨春宇团队研究照度、色温等参数对人眼视疲劳的影响[21]，蔡建奇团队研究光源亮度、光谱等与人眼视生理功能及脑部负荷功能的对应关系[22，23]。因此，健康照明的影响机制研究，是对光谱和光强等光源光参数、垂直照度等环境光参数、及两参数调控规律的进一步研究[24]。室内照明的“健康”升级对光源和环境光参数均提出了新的指标要求。

2)智能照明是实现室内照明健康、舒适与高效的重要手段。虽然目前国际上尚无统一的智能照明定义，但毋庸置疑，控制灵活的LED促进了智能照明的发展。智能照明利用计算机、网络通信、自动控制等技术，通过对环境信息和用户需求分析和处理，实施特定的控制策略，对照明进行整体控制和管理，因此为健康照明、提升光环境品质提供了系统的解决方案[25]。智能照明是实现健康、舒适与高效的室内照明的重要手段。

3)以空间感知与互动体验为目标的照明设计方法革新。室内照明标准[26-28]规定了水平工作面照度等参数要求，做为评价照明质量的基本指标。需要强调的是，标准规范规定的参数及其限值主要是检验照明是否满足功能需求的参数，虽基于视觉功效和视觉舒适度两方面的双重考虑，但远非是以空间塑造为目标的照明设计依据。Russell[29]曾提出光对空间塑造的5个层次(表1)，前4步创造出有意思的照明空间，同时满足大部分功能照明需求(若不满足，局部照明更有效)；高秉佑等[30]指出水平面照度不足以评价空间整体明亮度，并且“平均亮度值的对数”和“平均亮度的标准偏差”是代替“平均亮度值”和“亮度对比度”的，表征空间整体明亮度的合理指标；文献[31]中的研究成果“Feu”已纳入到日本照明标准体系中(图7、图8)；文献[32]中总结了人类对照明的5级需求(图9)，认为我国照明已进入了“审美需求”层级，提出了“价值需求”层级的设计建议。综上，基于空间整体氛围塑造的，以互动体验等高层次需求为照明目标的室内照明，要求其设计流程和设计、评价指标体系的革新。

综上，健康照明理论、智能控制技术和设计新方法，三者依附LED应用于室内照明，促进着行业的转型升级，带来照明技术体系在设计、产品、施工、检测等层面的改革和创新。显然，这对室内建筑化照明提出了新的要求：在“构件集成”和“安装集成”的基础上，进一步实现“功能集成”、“施工集成”，达成“设计集成”和“信息集成”，在满足传统照明质量要求和美学要求基础上，进一步实现室内照明的健康、舒适与高效。在此背景下，我们提出了建筑照明一体化设计新方法的建议。

表1 光对空间塑造的5个层次

图7 空间明亮感评价指标Feu解析

图8 Feu与水平工作面照度共同塑造空间氛围

图9 人类对照明的需求层次

3 关于建筑照明一体化设计新方法的建议

关于建筑照明一体化设计新方法的建议，包括设计策略和设计手段两部分内容：设计策略在进一步完善“构件集成”和“安装集成”基础上探讨“功能集成”和“施工集成”；设计手段谋求“设计集成”与“信息集成”。

3.1 建筑照明一体化设计策略

1)目标：构件集成、功能集成和施工集成。建筑照明一体化首先应继承建筑化照明的优良基因，通过灯具与建筑构件界面的有机结合，提升光环境质量、塑造空间整体氛围，实现良好空间感知与互动；其次，建筑化照明本质上是实现了灯具光学属性与空间界面属性的结合，建筑照明一体化则应实现建筑构件的空间界面属性与光学属性、以及声学和热工属性的结合；另外，建筑化照明的安装方式为照明的工业化施工提供了可能性，建筑照明一体化要求产品的模块化，以实现施工工业化。

2)建议:研究基于多目标优化的建筑照明一体化设计实践。应以室内照明的质量提升、空间利用及装饰、能源节约、施工工业化等为目标，基于建筑空间、人员行为与心理、视觉任务等特征，限定并划分建筑照明一体化的典型空间；基于健康与舒适要求，提取满足新的照明需求、场所需求和实施需求的设计指标体系；以“有机结合”为设计新导向，在满足美学需求基础上，开展照明方案的多目标优化研究；获取建筑照明一体化设计实践经验。

3)可行性分析(如图10所示)：

a)灯/光自成装饰、灯/光为静态标识、灯/光可动态互动等建筑照明有机结合方式，已在一定程度上达成光环境提升和空间利用优化；

b)灯与空间其他设计元素统一的建筑照明融合、见光不见灯的隐藏式照明，即建筑化照明，有效提升光环境的同时，优化空间利用；

c)“嵌入式”照明具有发光面积优势，可用较低光源亮度达到较高照度，均匀度高，无眩光，大幅度提升光环境质量；表面材料与界面统一，开启时提供照明，关闭时为空间界面，装饰与节约空间并举；嵌入式安装配合产品模块化，有利于施工工业化；属于直接照明方式，相较隐藏式和间接照明用能效率高；

d)发光顶棚同时作为吸声结构的声光耦合、灯具与空调出风、回风口结合的光热耦合等功能集成案例，具有空间利用优化、施工工业化和用能效率提高优势；

e)LED和智能控制技术为光源和接口的模块化设计提供了强有力的技术支撑。

图10 建筑照明有机结合方式解析

3.2 建筑照明一体化设计手段

1)目标：设计集成与信息集成。“建筑照明一体化设计”首先要求在同一界面完成建筑与照明的协同设计，建筑师将同时主导建筑和照明设计，照明设计师更多是执行照明设计核验的任务。“建筑照明一体化设计”还要实现健康照明提出的新的照明质量指标设计，如频闪、光谱分布、垂直照度、空间亮度系数Feu等；另外，还需满足因建筑照明有机结合产生的耦合功能所对应的声学、热工等物理指标的核算。

2)建议:研发基于BIM技术的建筑照明一体化设计软件。基于BIM技术软件的二次开发，一方面研究照明与建筑构件有机结合的软件接口，在软件平台中创建涵盖建筑和照明全信息的数字模型，建立建筑照明一体化产品族库；另一方面，获取照明模拟仿真计算的核心算法，实现一体化新指标的软件计算和建筑照明效果的即时渲染。另外，应进一步建议的是：建筑照明一体化设计软件中，光源参数将以“发光模块单元”的形式存在，能够实现与建筑构件界面的自动匹配，智能创建建筑构件形式的一体化照明模块，完善至一体化产品族库；建筑照明一体化设计软件应支持对照明调控的即时渲染，可结合VR技术，带来沉浸式的照明方案虚拟体验。

3)可行性分析。DIALux是目前最主流的建筑照明设计软件，计算精度和效果渲染都得到业内专业人员的一致认可。最新发布的DIALux evo 8.1可实现所见即所得的设计方案渲染效果(图11)，软件界面可实现光色、亮度等的即时调控。DIALux虽未实现建筑照明同界面设计，但已支持IFC格式文件导入，实现了与Revit等BIM技术平台的模型共享。

图11 实景与DIALux evo模拟示意图对比

Elumtools 是基于Revit的API开发的照明计算插件，将照明计算直接加载于BIM技术平台，初步实现了建筑与照明的同平台同界面设计(图12)。但相较于DIALux evo，其在灯具库和渲染效果上略显逊色。

图12 Elumtools的照明设计界面

综上，建筑照明一体化是针对建筑功能需求和空间特征，将照明装置与室内界面和构件进一步有机结合，在满足传统照明质量要求和美学要求基础上，包含设计、产品、施工、检测等层面的改革和创新，通过设计集成、信息集成、构件集成、功能集成、施工集成，实现光环境提升、空间利用优化、用能效率提高、施工工业化，是实现舒适与健康照明的创新性照明方式。

4 结语

理查德·凯利曾总结：环境光(Ambient luminescence)“是乡间的晨雪,是从水底仰望的荡漾的天宵,是正午阳光下白帐中的柔光”；焦点光(Focal glow)“是无处不在的营火,是穿过云层的光束,是温暖远山的一缕阳光”；华丽光(Play of brilliant)“是神奇瑰丽的北极光,是凡尔赛镜廊中的万千烛火，是魔幻的圣诞树，是独立日夜空中璀璨的云霞”[33]。

建筑照明一体化设计新方法将致力于实现一般的环境照明、一般的重点照明和一般的装饰照明。