許巧云

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院 福州 350002）

概述

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)進程不斷加速，越來越多建筑物采用玻璃幕墻，在帶來美觀的同時也產(chǎn)生了一系列問題。大量太陽光透過大面積玻璃幕墻直射入室內(nèi)，嚴(yán)重干擾室內(nèi)光環(huán)境，特別是產(chǎn)生的晝光眩光會令人不適。而采用鏡面玻璃或鍍膜玻璃所反射的太陽光輻射將轉(zhuǎn)到相鄰建筑和周邊空間，產(chǎn)生的強烈眩光會嚴(yán)重干擾行人、司機及相關(guān)作業(yè)人員，破壞城市人居環(huán)境，嚴(yán)重時將帶來一系列交通和質(zhì)量安全隱患。

本文通過對建筑玻璃幕墻的眩光污染危害特性展開研究，為評估建筑玻璃幕墻眩光危害提供一種便捷有效的測試評估和試驗方法，為相關(guān)的檢測和研究機構(gòu)開展建筑玻璃幕墻眩光危害評價和風(fēng)險評估工作提供借鑒和參考。

1 建筑玻璃幕墻眩光污染影響要素分析

眩光是指人眼視野范圍存在與背景形成強烈對比的極端亮度光源，導(dǎo)致人眼視覺不舒適感或者降低人眼可見度的一種視覺狀態(tài)。影響建筑玻璃幕墻眩光污染大小的內(nèi)部因素主要包括建筑形態(tài)、幕墻材料，外部因素主要為環(huán)境。

1.1 玻璃幕墻的建筑形態(tài)和材料影響

建筑玻璃幕墻墻體的方位朝向、立面分隔、平面形式、幕墻尺寸以及幕墻剖面的不同，均會不同程度影響到眩光污染大小和范圍。

玻璃幕墻的反射光線與太陽光的運行軌跡密切相關(guān)，因此對于某一朝向的玻璃幕墻，可以大致推算出光輻射影響區(qū)域和范圍；同時，對于不同朝向的幕墻在同一時刻的光輻射大小和范圍也不盡相同。玻璃幕墻所產(chǎn)生的眩光形式和狀態(tài)與玻璃幕墻的形態(tài)相關(guān)，如：整面完整的玻璃幕墻會產(chǎn)生整片的眩光污染區(qū)域，而豎向或橫向帶窗戶的玻璃幕墻所造成的眩光形態(tài)主要對應(yīng)為豎向和橫向條狀，網(wǎng)格化的狀玻璃幕墻產(chǎn)生的眩光多為點狀或碎片。

建筑平面的形態(tài)將影響玻璃幕墻的反射光線的匯聚、平行和分散（如圖1所示）。當(dāng)太陽照射在表面光滑的幕墻上時將會得到平行反射光； 照射在表面凸起的幕墻平面時會使得反射光線分散，不容易形成集中的眩光危害； 而對于凹形的玻璃幕墻平面則會使得反射光線聚集，從而加劇眩光危害程度。

根據(jù)建筑玻璃幕墻縱向剖面形態(tài)可分為傾斜幕墻和垂直幕墻，而傾斜幕墻又可分為傾斜面向上和向下兩種類別( 如圖2 所示) 。根據(jù)光反射的原理，反射面傾斜角向上的玻璃幕墻的反射角更小，從而增加眩光危害的影響程度，反射面傾斜角向下的玻璃幕墻會得到反射角更大的反射光線，從而減少眩光影響范圍。

影響玻璃幕墻的發(fā)射光強度的影響因素之一是幕墻所用材料的反射率ρ，所以選用幕墻材料時盡量選擇發(fā)射率低的材料，建議不要使用超過可見光范圍內(nèi)反射率超過0.3的鏡面材料，防止產(chǎn)生高強度眩光危害。

1.2 環(huán)境因素影響

影響玻璃幕墻眩光污染情況的環(huán)境因素主要包括地理環(huán)境和周邊環(huán)境兩類。其中地理環(huán)境主要包括太陽光照時段、地理緯度、天氣和季節(jié)因素等，主要影響太陽光的高度角、方位角和輻射強度；而周邊環(huán)境主要包括周邊建筑和綠化情況，均對幕墻的發(fā)射光線傳輸產(chǎn)生一定影響。

一天中不同時刻隨著太陽高度角不同，幕墻對入射光的反射角度也會改變，幕墻眩光污染的影響范圍會隨之變化。一般來講，眩光比較嚴(yán)重的時間段主要分布在早上9： 00 前或下午15： 00 后。不同季節(jié)的太陽光在不同方位角的照射時間不一樣，如某市在不同季節(jié)的太陽光在各個方位的照射時間（如圖3所示），春分和秋分日時，太陽光更長時間會位于東南和西南方向，所以朝向西南或東南的玻璃幕墻更容易造成大面積眩光污染； 當(dāng)夏至日時，太陽光則大多數(shù)時間來自于西向和東向，南向則較少； 而冬至日時，太陽光主要在位于正南方向，其他方向相對較少。

同時，天氣情況也直接影響太陽光入射強度，從而影響眩光污染程度。還有周邊建筑遮擋、綠化樹木阻擋等因素會一定程度上減少眩光污染，但是相鄰建筑的玻璃幕墻之間也由可能產(chǎn)生多次或反復(fù)發(fā)射效應(yīng)，從而造成嚴(yán)重眩光污染。

2 建筑玻璃幕墻眩光危害評價方法

由于視野中高亮度光源的存在，導(dǎo)致人眼可視程度受損的眩光稱為失能眩光。這些眩光源導(dǎo)致各類雜散光在人眼內(nèi)視網(wǎng)膜圖像上重復(fù)疊加，從而降低物體在人眼中的成像對比度，導(dǎo)致人眼看到低對比度和小對象的能力下降。

2.1 眩光產(chǎn)生的原因

圖2 不同傾斜角的玻璃幕墻反射光示意圖

圖3 不同季節(jié)太陽光在不同方位的照射時間示例

眩光產(chǎn)生的原理如圖4，沒有眩光源時，視場中的目標(biāo)物體圖像聚焦在視網(wǎng)膜上，觀察者可以清楚的看到目標(biāo)物體。當(dāng)有眩光源存在時，眩光源的光線在眼睛里不聚焦，發(fā)生散射，在視網(wǎng)膜方向上的散射會起到光幕作用疊加在清晰的圖像上。在這種情況下，眩光源減少了視網(wǎng)膜上物像的對比度，造成較差的視覺效果。換句話說，由于失能眩光的出現(xiàn)使得視覺功能下降。失能眩光直接影響到駕駛員或者行人覺察障礙物的可靠性，影響人員生命和財產(chǎn)安全。

圖4中ω是眩光源對眼睛的張角，θ是眩光源和眼睛的夾角。

2.2 眩光的評價

在CIE最新版技術(shù)報告CIE 150-2017中，光幕亮度Lv被用于評價道路照明光源帶來的干擾光，并且推薦采用成像式圖像亮度計來測量光幕亮度。

不同應(yīng)用場景的眩光評價指標(biāo)計算模型都各不相同，但總體來講，其關(guān)鍵物理參數(shù)基本相同，包括以下：

1——眩光源亮度；

2——周圍環(huán)境亮度；

3——眩光源的發(fā)光尺寸；

4——眩光源與觀察方向相對位置角度；

5——眩光源數(shù)量。

2.2.1 閾值增量法

閾值增量（TI）是典型的失能眩光評價指標(biāo)，表示當(dāng)存在眩光源時，為了看清物體，物體和其背景之間的亮度對比需要增加的百分比。計算時選取路面平均亮度作為人眼適應(yīng)亮度。采用統(tǒng)一的表達式：

式中：

Lv—視場內(nèi)的光幕亮度，cd·m-2；

Lav—待測道路的平均亮度，cd·m-2；

Eeye,i—在垂直于視線的平面上，觀察者眼睛位置處（1.5 m高度）的照度初始值，Lx；

圖4 失能眩光形成原理圖

Θi—視線與燈具中心線之間的角度，°；

n —視場內(nèi)燈具的數(shù)量；

k—根據(jù)觀察者年齡變化的常數(shù)，觀察者年齡為23歲時，k 一般取10；

視覺閾值增量TI的傳統(tǒng)測量是用屏幕的方法實現(xiàn)，后來出現(xiàn)了成像式亮度測量方法，可以方便進行量化評估。TI適用于所有跟道路交通照明質(zhì)量有關(guān)的眩光評價，包括城市道路、隧道、高速公路等；同樣也適用于評價廣告標(biāo)識、建筑玻璃幕墻等戶外建筑配套設(shè)施對交通參與者造成的干擾光評價。

2.2.2 試驗驗證

本次選取福州臺江區(qū)萬達廣場附近一座大廈作為測量地點，采用TI模型法進行了模擬測試，測試圖示和結(jié)果如圖 5(a，b)所示。

本次針對建筑玻璃眩光危害的評價主要關(guān)注其對駕駛員和現(xiàn)場作業(yè)人員的影響，采用基于數(shù)碼相機的成像式亮度測量方法，并主要考慮對失能眩光方面的評價。從測量結(jié)果來看，建筑玻璃幕墻反射眩光亮度非常高，由于圖像傳感器只有在信號飽和之前，輸出的信號強度才會滿足與入射的光學(xué)能量成正比關(guān)系，所以在成像過程中儀器的動態(tài)范圍對成像效果的影響至關(guān)重要。圖像傳感器必須考慮在光電轉(zhuǎn)換的過程中飽和信號與背景噪聲，動態(tài)范圍可以定義為最大的非飽和信號與最小的可測信號之比。通常認(rèn)為，對于固定被測場景，當(dāng)測量的動態(tài)范圍達到105時，即與人眼睛能夠處理的亮度極限相近時，可稱為高動態(tài)測量范圍（HDR）。

基于數(shù)碼相機的成像式亮度測量實際就是獲得相機的光電轉(zhuǎn)換函數(shù)（OECF）的逆函數(shù)過程，由于圖像傳感器的動態(tài)響應(yīng)范圍有限，普通的數(shù)碼相機在進行光度測量時存在著一定先天不足。為了克服這方面不足，可以將數(shù)碼相機標(biāo)定方式從傳統(tǒng)基于灰度的曝光序列變?yōu)榛跁r間的曝光序列（見圖6）。

要對同一場景進行拍攝時，固定光圈值，通過改變快門時間得到一組不同曝光時間的低動態(tài)范圍的圖像，然后對不同曝光序列的單張圖像中非飽和的像素亮度值進行加權(quán)平均來獲得高動態(tài)范圍的圖像；最后通過軟件分析計算來獲得被測場景內(nèi)所有的有效亮度信息。

圖5

圖6 高動態(tài)測量圖示

3 小結(jié)

基于建筑玻璃眩光危害特性，合理的曝光時間選擇設(shè)定對基于亮度測量的眩光測量設(shè)備非常的重要，并且COMS傳感器自身存在一定的線性范圍，對于物體表面亮度一定的情況下，曝光量與曝光時間成正比：

1）測量時需要根據(jù)被測場景亮度分布來選擇合理的曝光時間，以確保不同的亮度水平都能落在傳感器的線性范圍內(nèi)，從而來保證測量的結(jié)果準(zhǔn)確度。

2）基于實際圖像傳感器的測量動態(tài)將明顯小于實際場景的亮度范圍，需要采取HDR多次（分時）曝光采集方式，并結(jié)合后期軟件處理系統(tǒng)對不同曝光時間的圖像數(shù)據(jù)進行自動解析融合，從而擴展測試系統(tǒng)的可測亮度范圍。