蘇曉明 郝占國

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072;2.天津大學(xué)城市規(guī)劃與建筑設(shè)計(jì)研究總院，天津 300072)

1 引言

隨著城市美化、亮化政策的相繼推出，越來越多的城市被點(diǎn)亮，越來越多的沿街住戶、賓館、旅店，受到了來自于城市照明的干擾，被剝奪了享受“黑暗”權(quán)利。因此，如何評價、控制城市道路照明所帶來的光侵害，受到了越來越多的關(guān)注。

從20世紀(jì)20年代開始，各國學(xué)者就開始了對光污染進(jìn)行研究。英國的光環(huán)境研究中心 (Lighting Research Center)指出:室外光污染可以分為三類，光溢散 (sky glow or upward light flux)、眩光污染(glare)和光侵害 (light trespass)。其中，光侵害的研究，在20世紀(jì)80年代后期，才開始受到廣泛的關(guān)注。在光侵害的研究過程中，其研究對象的選擇常常是“宏觀”的城市夜天空，或是“微觀”的獨(dú)立建筑窗口。沿用現(xiàn)有的成果，還不能夠?qū)ξ覈F(xiàn)有成規(guī)模的沿街建筑群體受到光侵害的水平進(jìn)行一個準(zhǔn)確的判斷和橫向的比較。因此，本文試圖通過對光侵害進(jìn)行定量化的分析，來為其提供有力依據(jù)。

2 居住建筑光侵害實(shí)地調(diào)研及模型建立

在2008年7月至2009年11月期間，本課題研究小組對我國天津、長沙、鄭州3個城市的39個典型居住區(qū)沿街住宅的夜間光環(huán)境進(jìn)行了大量的實(shí)地調(diào)研。本次調(diào)研中，對沿街住宅建筑光侵害環(huán)境的測量和評價內(nèi)容主要包括:沿街住宅及其周邊環(huán)境形態(tài)、住宅立面光環(huán)境特征、住宅周邊夜間光環(huán)境特征、沿街住宅光侵害主觀評價4個方面。調(diào)研的數(shù)據(jù)包括實(shí)測數(shù)據(jù)、主觀評價問卷以及自由問卷三種形式。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到以下兩個主要結(jié)論:(1)城市道路照明是建筑受到光侵害的主要源頭; (2)居住區(qū)內(nèi)住宅建筑面向道路的窗口，是受到光侵害最嚴(yán)重的區(qū)域。圖1、圖2為我國沿街建筑受到道路照明干擾的實(shí)景照片。由此可見，道路照明在為城市道路提供基本的功能照明之外，還有很多光線溢散到了住宅的窗口，造成了光侵害。

圖1 沿街居住區(qū)建筑受到光侵害實(shí)例1

圖2 沿街居住區(qū)建筑受到光侵害實(shí)例2

本文在對光侵害現(xiàn)狀組成因素進(jìn)行提取分析的基礎(chǔ)上，利用排列組合方法，建立了包括燈具、光源、燈具投射角度、燈具高度、燈具間距、燈具到建筑之間距離 (空地)、居住建筑立面、反射率等元素的居住建筑光侵害模型，共計(jì)81個。其基本模型如圖3所示:該模型中水平面為車行道路和人行道路，其長度均為兩倍燈間距。沿道路長度建立了相應(yīng)長度的建筑立面為模型中的鉛垂面，該建筑立面高10層樓，每層3米。沿建筑立面的長度方向，以3米為模數(shù)，每隔3米設(shè)置1.5×2.1米采光窗口，模擬真實(shí)環(huán)境中住戶的窗口大小，如圖中的鉛垂面上的小方格。本文選用哈佛大學(xué)開發(fā)、設(shè)計(jì)的光污染模擬軟件 OLIVIA(Obtrusive Light，Intensity and Vertical Illuminate Analysis'program)分別對81個模型的光環(huán)境進(jìn)行計(jì)算。該軟件不但可以模擬天空溢散光、道路眩光和侵害光等不同區(qū)域、不同程度的光污染環(huán)境，同時，它還能夠?qū)Νh(huán)境中的亮度、照度、上射光通量等光環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析。經(jīng)過該軟件的模擬和計(jì)算得到特定條件下居住建筑窗口照度值、亮度值、地面照度、地面亮度、最小照度、平均照度及其均勻度等相關(guān)參數(shù)3645個，并得到了大量地面、墻面的光環(huán)境分布曲線。如圖4、圖5所示:圖中顯示的是15號模型計(jì)算的建筑立面照度曲線圖和路面照度曲線圖。從圖中可以看出，路燈不僅對路面產(chǎn)生了一定的影響。同時也對建筑的立面產(chǎn)生了類似的相應(yīng)的影響，而兩者在數(shù)值上也彼此相關(guān)。

圖3 光侵害模型

圖4 15號模型地面照度曲線圖

圖5 15號模型建筑立面照度曲線圖

3 居住建筑光侵害單因子影響分析

第一、光侵害與建筑立面平均照度的關(guān)系

根據(jù)已獲得的光侵害模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，排除模型中其他影響因素，對窗口照度與光侵害度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，如圖6所示。從圖中可以看到:當(dāng)建筑立面平均照度小于2lx時，建筑立面的光侵害度幾乎為0，而當(dāng)立面平均照度在2～5lx之間時，光侵害度隨著照度的提高不斷增加，到5lx及以上，光侵害度幾乎為100%。這說明，控制建筑立面的平均照度，能夠有效的控制沿街的光侵害度。

圖6 光侵害度與建筑立面照度關(guān)系圖

第二、光侵害與燈桿高度的關(guān)系

沿道路的建筑立面受到光侵害，主要是由道路照明引起的。當(dāng)不考慮道路照明中其他因素時，對道路照明燈桿高度與沿街建筑光侵害度的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析，其結(jié)果如圖7所示。圖中的數(shù)據(jù)來自于81個沿街建筑光侵害模型。模型模擬建筑受到光侵害結(jié)果與其相對應(yīng)的燈桿高度 (6米、9米和12米)存在一定的關(guān)系:6米燈桿所對應(yīng)的光侵害度在50%～80%之間，且分布較均勻。6米高燈桿對應(yīng)的光侵害度值沒有超過100%的。這說明，6米左右的燈桿高度會對建筑立面產(chǎn)生一個相對穩(wěn)定的、對應(yīng)關(guān)系較強(qiáng)的光侵害度。9米燈桿對應(yīng)的光侵害度值在50%～100%中分布，且在50%、100%兩個數(shù)值附近較為集中。說明9米高度的燈桿對建筑立面的影響會跟據(jù)環(huán)境的不同 (主要是建筑與光源之間的距離，以及燈具的角度的影響)，而呈現(xiàn)出較低的光侵害度和較高的光侵害度兩類極端情況。而12米燈桿所對應(yīng)的光侵害度主要集中在100%處。證明，較高的燈桿極易在環(huán)境中產(chǎn)生較大的光侵害。

圖7 光侵害度與燈桿高度關(guān)系圖

再橫向?qū)Ρ雀黝悷魲U與光侵害度之間的關(guān)系，可見，從6米到12米的燈桿隨著高度的增長帶來的光侵害度的不斷提高。

當(dāng)在模型中增加建筑立面平均照度因素時，燈桿高度與光侵害度及平均照度的關(guān)系如圖8所示。圖中圓圈的大小表示建筑立面的平均照度值的大小。所以可以看出:

①無論是燈桿高度的增高，還是建筑立面光侵害度的增強(qiáng)，都將意味著建筑立面平均照度值的增加。

圖8 光侵害度與燈桿高度、建筑立面照度水平關(guān)系圖

②6米高燈桿所對應(yīng)的光侵害度與立面照度值同時增加。即隨著光侵害度的增加，立面平均照度值提升緩慢。當(dāng)光侵害度從60%提升到90%時，對應(yīng)的立面平均照度變化較小。因此，可以證明，當(dāng)燈桿較低時，雖然建筑的光侵害度較高 (60%～90%)，但建筑立面照度水平較低。

③9米高燈桿所對應(yīng)的建筑立面照度，隨著光侵害度的增加增幅較大。建筑光侵害度從70%到90%時所對應(yīng)的建筑立面照度也有明顯提高。這說明，當(dāng)燈桿高度為中等高度時 (9米左右)，建筑光侵害度提高，將伴隨著建筑立面平均照度的提高。

④12米高燈桿所對應(yīng)的建筑立面照度值，在光侵害度為100%時有顯著提高。這說明，當(dāng)燈桿較高，建筑光侵害度較高時 (100%)，建筑立面處于一個高照度的水平。

第三、光侵害與燈具仰角的關(guān)系

沿街住宅立面光侵害度與沿街燈具仰角有密切的關(guān)系。當(dāng)排除其他影響因素時，只考慮燈具仰角對光侵害度產(chǎn)生的影響，可得到關(guān)系圖9。圖中各點(diǎn)標(biāo)注的是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁捎玫臒艟叩难鼋?(以垂直向下為0度)，橫坐標(biāo)為燈具仰角，縱坐標(biāo)為光侵害度。圖中顯示:

①當(dāng)燈具的仰角從0°～10度增加時，光侵害度逐漸減小。即圖中顯示的曲線低谷部分。通過對模型進(jìn)行分析可知，產(chǎn)生這個結(jié)果的主要原因，是燈光的投射方向從垂直向下逐漸向道路中心線靠近時，遠(yuǎn)離道路中心線的建筑立面得到的光線越來越少，由此產(chǎn)生的光侵害度也比較小，并逐漸降低。

圖9 光侵害度與燈具仰角關(guān)系圖

②當(dāng)燈具的仰角在10～20度之間變化時，建筑立面受到的光侵害度變化并不明顯。此時，燈具投出的光線主要落在了道路上，只有少部分光線直接照射到建筑的立面上，建筑立面此時也只接收了路面照明產(chǎn)生的少量反射光線。

③當(dāng)燈具的仰角大于20度時，建筑立面受到的光侵害度隨著燈具仰角的增大而逐漸增大?；境删€性變化。產(chǎn)生這樣結(jié)果的主要原因，是建筑立面受到道路對側(cè)燈光的照射，其程度隨著燈具仰角的加大而逐漸加大。

4 居住建筑光侵害度公式計(jì)算

在特定的道路環(huán)境模式下，對光侵害單一的影響因子進(jìn)行分析，有利于尋找影響光侵害的不利因素。而在對對象進(jìn)行評價和比較分析的過程中，由于現(xiàn)象的影響因素之間會產(chǎn)生相互作用，所以只有充分考慮各影響因素的靜態(tài)、動態(tài)的作用之后，才能夠準(zhǔn)確的對現(xiàn)象進(jìn)行評價。如:根據(jù)道路照明的相關(guān)規(guī)定，道路光侵害環(huán)境中，道路燈桿的高度與燈桿之間的間距有一定的制約關(guān)系。同時，兩者的變化使得建筑立面照度也產(chǎn)生變化;而根據(jù)城市規(guī)劃中的相關(guān)規(guī)定，不同的道路寬度又對道路與建筑之間的距離產(chǎn)生影響。因此，有必要對光侵害度評價的相關(guān)因子進(jìn)行回歸分析，尋找各個因素對光侵害度的綜合作用效果。

在對光侵害度的影響因子進(jìn)行回歸分析時，設(shè)定建筑立面受到的光侵害度為T。依據(jù)北美照明工程學(xué)會規(guī)定的單窗口受到光侵害時照度值為3lx，本文將建筑立面受到的光侵害度T設(shè)為，相應(yīng)建筑立面上照度超過3lx窗口總數(shù)除以建筑立面窗口總數(shù)，單位為%。利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對該指標(biāo)的相關(guān)因子:光源光效、燈具到建筑的距離、燈具間距離等利用剔除法進(jìn)行回歸計(jì)算，得到光侵害度相關(guān)系數(shù)表，如表1所示。

表1 光侵害度相關(guān)系數(shù)表

從表中能夠看到，進(jìn)行回歸分析的第一次計(jì)算時，只引入了與光侵害度相關(guān)性最大的光源光通量指標(biāo)。兩者的相關(guān)性為0.646。當(dāng)引入該指標(biāo)后，建立了第一個光侵害回歸模型。在這個數(shù)學(xué)模型中，選用了光源光通量和常數(shù)項(xiàng)兩個參數(shù)對光侵害度進(jìn)行描述。對該模型進(jìn)行t檢驗(yàn)，得到的檢驗(yàn)結(jié)果的概率為0.395。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，該值只有小于0.05時，方程才能夠成立。因此說明，在實(shí)際情況中，光源光通量并不能夠直接指示建筑受到光侵害度的大小。如上所述，分別對模型進(jìn)行了第二次，第三次回歸分析。其中，第二次回歸關(guān)系式雖然成立，但是，模型的判定系數(shù)和相關(guān)系數(shù)都不如第四個模型高，因此放棄。

最終，當(dāng)引入光源光通量、道路邊緣到建筑的距離、燈桿高度、同側(cè)燈桿的安裝距離四個相關(guān)參數(shù)時，模型同時通過了t檢驗(yàn)和判定系數(shù)的檢驗(yàn)，并建立了沿街建筑受到光侵害程度的評價指標(biāo)——光侵害度的回歸方程式Y(jié)=β0+β1x1+β2x2+β3x3+β3x3(其中β為常數(shù))。代入表1中給出的相關(guān)系數(shù):常數(shù)項(xiàng)為32.285;光源光通量的系數(shù)為0.002;光源到建筑距離的系數(shù)－1.935;燈桿高度系數(shù)2.719;同側(cè)燈桿安裝距離系數(shù)－0.62，可得到光侵害度方程如下:

T=32.285+0.002L－1.935S+2.719H－0.616D

其中:T——沿街住宅光侵害度;

L——燈具總光通量;

S——光源到建筑距離;

H——燈桿高度;

D——同側(cè)燈桿安裝距離。從公式中可以看到，沿街住宅建筑受到的光侵害度與光源光通量、燈桿高度成正相關(guān)，而與同側(cè)燈桿安裝距離，光源到建筑距離成負(fù)相關(guān)。所以，在光源一定的情況下，為減少道路照明對建筑產(chǎn)生的光侵害，可以通過降低燈具的高度、增加同側(cè)燈桿間距等方式來實(shí)現(xiàn)。而變化程度的確定，則應(yīng)通過公式進(jìn)行計(jì)算。

5 結(jié)論

本文通過對光侵害度進(jìn)行定義和量化研究，提出了城市道路與周邊建筑的環(huán)境模式?jīng)Q定沿街建筑受到光侵害的程度的大小這一結(jié)論，并根據(jù)道路模型中的相關(guān)因子分析，指出了城市道路與建筑之間的距離、城市道路照明因素與建筑受到的光侵害度之間的密切關(guān)系。這為城市載體下的光污染研究開拓了新的思路，為城市道路系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了必要的支持。

依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行的城市道路沿街建筑受到光侵害度的回歸計(jì)算，為準(zhǔn)確、定量化的評價光侵害這一軟環(huán)境提供了重要的手段，同時希望該研究思路和分析方法能夠應(yīng)用到光環(huán)境甚至城市環(huán)境研究領(lǐng)域的更多方面。

［2］詹慶旋.光·建筑·域市——呼喚建筑師關(guān)注光環(huán)境設(shè)計(jì)［J］.世界建筑，2000，(06).P18～21.

［3］Marc Gillet，P.Rombauts，Precise Evaluation of Upward Flux from Outdoor Lighting Installations，Lighting Pollution Symposium，March 2002.

［4］JA Brons，Outdoor site-lighting performance:A comprehensive and quantitative framework forassessing lightpollution，Lighting Research and Technology September 2008.

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