城市核心區中國傳統古建筑夜景照明亮度適宜性評價研究

張明宇 王立雄 蘇曉明 宋佳音

(天津大學天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

1 前言

城市環境不斷更新和發展，城市中留存的中國傳統古建筑成為了城市環境中重要的亮點，例如北京的天安門、城德勝門箭樓、東便門角樓 (圖1)，天津的天后宮、廣東會館等。城市核心區中各種形式的燈光夜景的建設在再創造了日間景觀的同時，也引出了如何在這一區域亮度條件下展示古建筑的魅力，如何評價古建筑的照明效果這一問題。

圖1 北京東便門角樓夜景照明 (自攝)

2 城市核心區環境亮度特征

從國內相關研究人員對天津、成都、重慶等城市重要建筑照明的亮度測試結果來看:目前處于城市核心區中的重要建筑夜景照明環境亮度整體跨度較大，大部分建筑的亮度水平從十幾個cd/m2到幾十個cd/m2，甚至到上百個cd/m2。可想而知，在由這些主要建筑構成的城市夜間環境中，由于建筑立面照明對周邊環境造成的漫射光環境，加之道路、場地等照明，使得城市核心區的傳統古建筑周邊環境整體處于一個較亮的狀態。

3 古建筑亮度適宜性實驗研究

古建筑載體是中國傳統審美形式的集中體現，照明要綜合考慮載體造型構成、體量等特點和人們對古建筑的基本認知，在此基礎上去研究載體的凸顯。

具體將結合人眼視覺舒適感受、城市核心區亮度特點、古建筑的建筑美學特征等因素，通過實驗室模擬條件下的古建筑夜景與周邊亮度環境來考量人眼對該條件下的視覺舒適感受，以得出對古建筑亮度舒適性影響的關鍵因素。

3.1 古建筑立面層次劃分

對于古建筑的整體立面層次劃分上，建筑學家梁思成曾對中國古典建筑的立面構圖作了這樣一個總結:“中國的建筑，在立體的布局上，顯明地分為三個主要部分: (一)臺基， (二)墻柱構架，(三)屋頂。任何地方，建于任何年代，屬于何種作用，規模無論細小或雄偉，莫不全具此三部。……這三部分不同的材料，功用及結構，聯絡在同一建筑物中，數千年來，天衣無縫的在布局上，始終保持著其間相對的重要性，未曾因一部分特殊發展而影響到其他部分，使失去其適當的權衡位置，而減損其機能意義。”

因此在古建筑夜景照明的亮度研究方面，上述三個主要構成部位的亮度及各部分亮度之間的配合，如何達到視覺的均衡和滿足美學欣賞效果，就成為我們研究的重點。具體采用典型古建筑，通過在同一背景亮度的條件下，改變古建筑的立面構圖中的臺基、立面 (墻柱構架)、屋頂三部分的照明亮度比例關系，并通過其不同亮度比例的組合，形成不同場景效果。

3.2 實驗場景選擇與標定

場景選擇主要為選擇建筑形體、環境背景亮度及建筑各部位亮度匹配三部分。

本次實驗為減小建筑自身形式復雜的影響因素，將古建筑形體選擇為相對簡單的典型古建筑形體，具體為單層歇山頂、黃色琉璃瓦屋面，立面柱廊，漢白玉臺階，并輔以典型分屋頂、立面、臺基三層處理的照明效果。如圖2所示。

圖2 亮度評價實驗用建筑圖片

為方便計算并能夠獲得較多的亮度梯度，選取背景亮度值為5cd/m2。選取典型城市環境背景，并進行圖片合成處理，在實驗室條件下，對投影儀投出的環境背景進行測試，使該部分平均亮度值達到5cd/m2;同時考慮古建筑前景為開放廣場形式，其亮度指標參照廣場及道路照明指標確定為1.4～1.5cd/m2左右。

對于古建筑照明的亮度取值，參照表1所示比例關系進行，并適當進行調整來選取亮度比例。將參照表1進行取值，以設定不同場景。

表1 北美照明工程協會照明手冊 (第8版)推薦的室外照明效果的亮度比

按照表1所示，在城市環境中為了建筑的凸現，我們需要將建筑自身亮度水平至少提高到背景亮度的2倍以上至10倍以下的水平。但在實際案例研究中發現，古建筑的照明亮度在幾個cd/m2的水平是比較常見的，所以研究中加入了平均亮度水平為5cd/m2(與背景亮度之比為1∶1)的情況。按照CIE推薦的城市核心區 (E4)建筑平均亮度水平為25cd/m2，并結合古建筑照明保護的相關研究結論，我們確定將實驗中建筑亮度等級中將表1中推薦的“最為強調時為1∶10”的比例去除掉，將“強調的，1∶5”比例改為“1∶4”。最終形成與背景亮度之間“1∶1、1∶2、1∶3、1∶4”四個亮度比例關系，即對應5cd/m2、10cd/m2、15cd/m2、20cd/m2四種亮度水平。按照上述取值，對建筑進行臺基、立面、屋頂的三部分劃分，對應匹配不同的亮度水平，共得到64個場景。在實驗室下通過投影儀投射出不同場景，并采用TOPCON BM-7色度亮度計分別一一標定，使其滿足不同場景中各部位的亮度比例要求。評價實驗以此作為場景設置依據。部分場景見圖3所示。

圖3 部分亮度場景模擬效果

3.3 實驗評價方法

本次評價實驗主要采用語義差別量表。問卷調查表中對照明亮度的評價選用的語義差別量表，其中使用了七個等級。在這七個等級的最中間格0表示的是中性的，代表既不感到滿意，也不感到不滿意。從零到正向，表示滿意程度的增加，從零到負向表示不滿意的程度增加。

－3 －2 －1 0 +1 +2 +3

3.4 評價實驗過程

評價實驗在天津大學建筑學院建筑物理實驗室中開展。實驗觀察者選擇為在校學生，共39人參加，年紀為20～30歲之間。其中男生20人;女生19人，比例接近于1∶1。評價實驗現場如圖4所示。

圖4 主觀評價實驗現場

由于實驗目視條件持續的時間較長，為保證實驗條件的一致，即保持觀察環境的穩定性方面，將實驗時間安排在晚七點以后進行，以不受外界光環境變化干擾。進行實驗時，將室內環境照明關閉，并使觀察者垂直觀察屏幕，保持4～8m左右的合理觀察距離 (該距離的選定是依據實際古建筑與現場觀察距離的比例來確定的。如現存古建筑多為10～20m高左右，現場觀察距離為40～80m，實驗室條件下為保持基本視角一致，由觀察的屏幕高度為1.0m左右得出實驗室條件下觀察距離等比例縮小為4～8m)。實驗前，將投影儀預熱至正常工作的亮度輸出狀態，以保證實驗用場景圖片亮度的變化梯度不受改變。

4 實驗可靠性分析與數據處理

4.1 信度分析

為檢測評價結果的可信程度，按照統計軟件的方法，通常應用克倫巴赫 α系數 (Cronbach's Coefficient Alpha)來分析評價量表的內在信度，該系數能測定評價問卷是否具有可靠的穩定性和一致性。Cronbach's α系數值介于0與1之間。通常α系數值達到0.8以上的評價問卷內部一致性為最好，0.7～0.8之間為較好，α系數達到0.6以上則為可接受的信度。

根據對古建筑亮度感受的測試問卷結果，用SPSS統計分析軟件進行信度分析，得到39人對64個場景所進行的4個評價量表的信度α，詳見表2。

表2 亮度感受評價量表的信度分析

由表2α值可見，本實驗所用的亮度感受評價量表對64個場景的信度克倫巴赫α系數除了1個在0.7～0.8之間外，其他均在0.8以上，因此本研究所用的亮度感受評價量表可靠性較好。

4.2 實驗數據處理

本部分實驗完成后，將數據輸入統計軟件進行分析，將不同觀察者對同一場景下的評分取算術平均值作為該場景下的主觀評價得分。從“古建筑亮度與環境亮度協調性”方面來進行分析，其目的是為獲得主觀評價滿意程度與古建筑三部分亮度水平之間的關系。

5 實驗初步結論

從古建筑亮度與環境亮度的總體協調性來看，64個場景的各自得分分布如圖5所示。可以看出，在64個場景中，在屋頂部位亮度等級為5cd/m2、10cd/m2、15cd/m2這三個等級下有得分為正值的場景分布，在屋頂亮度等級為20cd/m2的情況下，所有場景的得分均為負值。

在此基礎上，將古建筑屋頂亮度數據、立面亮度數據、臺基亮度數據及古建筑亮度與環境亮度協調性的得分平均值運用SPSS分析統計軟件進行分析，找出因變量 (古建筑亮度與環境亮度協調性評價得分平均值，即與環境亮度協調滿意度)與三個自變量 (屋頂亮度數據XW、立面亮度數據XL、臺基亮度數據XT)之間的線性函數關系。通過軟件進行多元線形回歸分析，可建立多元線性回歸方程為:

式中 Y——古建筑亮度與環境亮度協調滿意度;

XL——立面亮度數據;

XT——臺基亮度數據。

回歸方程中的常數項為1.405，偏回歸系數b2為－0.109，b3為 －0.050。經 T檢驗，b2和 b3的概率ρ值分別為0.000和0.002，按給定的顯著性水平0.10的情形下，均具有顯著意義。

從上式可以看出，影響得分水平Y的因素主要是立面亮度數據XL和臺基亮度數據XT。而對于屋頂亮度數據Xw，影響評價得分的顯著性不強。

6 小結

本文以一簡單古建筑體型的夜景亮度作為評價對象，通過在城市核心區亮度背景下的研究，確立了人眼視覺對古建筑的整體亮度與背景之間的合適亮度比例，確定了主要影響評價得分的照明部位，并建立了“古建筑亮度與周邊環境亮度協調滿意度”與古建筑的“屋頂”、“立面”、“臺基”三部分的亮度水平指標之間的函數關系。但限于時間和精力，本文尚未展開對古建筑形體更為復雜甚至建筑群體類的照明研究，有待于今后進一步展開研究。

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