夜景工程中點光源陣列媒體立面設計研究

王德毓

(福州惠光照明設計工程有限公司 福建福州 350001)

0 引言

在現代夜景工程中，不再追求傳統的泛光照明及輪廓勾勒等簡單手段，隨著LED燈具及其控制系統的成熟以及社會信息化的不斷深入，媒體立面逐漸成為夜景工程中最重要的表現手段之一。

媒體立面，是指以藝術性審美為主要目的，同時兼具商業宣傳作用，將信息媒體系統(主要是電子媒體系統)和建筑設計、立面技術、燈光照明(在特殊情況下，也包含自然光影)有機結合的綜合性建筑立面形式。

夜景工程中，為達到媒體立面的效果，主要采用的燈光手段有如下幾類：①利用LED點光源進行矩陣排列，以達到模擬屏幕效果；②利用LED線型燈具進行平行緊密排列，以達到模擬屏幕效果；③利用LED泛光燈或洗墻燈的投射光，達到動態光影效果；④其它非常規手段。

本文針對夜景工程以點光源陣列為手段實現的媒體立面在設計中出現的各種問題進行討論。為方便下文討論，本文對點陣媒體立面的表現效果及使用功能作如下等級區分：

Ⅰ級媒體立面：能呈現復雜的視頻畫面；

Ⅱ級媒體立面：能辨識漢字及稍微復雜的圖形動畫；

Ⅲ級媒體立面：能表現動態光影變化及較簡單的圖形變化效果。

1 點光源陣列密度分析討論

點光源陣列密度是達到媒體立面表達效果要求的關鍵。從上述分級中顯而易見，Ⅰ級媒體立面的實現要求有高密度的點光源陣列，Ⅱ級媒體立面對點光源陣列的密度要求次之，Ⅲ級媒體立面對點光源陣列的密度要求最低。但出于工程成本控制的考量，陣列密度并不是越高越好?；?，本文將從幾個方面對點光源陣列密度的合理值進行討論。

1.1 從人眼視覺敏感程度分析

I級媒體立面要求能呈現復雜的視頻畫面，如視頻、廣告、動畫等。因此，理論上點陣密度應達到人肉眼無法區別點光源間距的程度。

一般而言，視力達到標準對數視力表1.0為正常視力，表示其視力恰好可以分辨視角α=1′的兩個物體A與B之間的間距[1]，如圖1所示。

圖1 視角示意圖

因此，點光源間距D正好達到人肉眼無法分辨的距離時，屏幕效果最佳。根據三角函數，此時點光源間距D與觀賞距離L間的關系如下：

由于媒體立面并不是專業的顯示媒介，在成像精度上不能要求特別精細，因此此處按照視力為0.8的人群對媒體立面的觀感來計算。根據《標準對數視力表(GB 11533-2011)》[1]取α=1.259′，解得：D=0.000 366×L。

觀賞距離L一般根據媒體立面的安裝位置與高度的不同，可以簡單劃分為以下幾類：

(1)近距離觀賞：一般安裝于商業街、低層建筑立面，安裝高度一般在30m以下，如福州寶龍商圈的夜景照明，適合跨街道觀賞，一般觀賞距離在100m左右。

(2)中近距離觀賞：一般安裝于中高層建筑立面，安裝高度在30m左右，一般觀賞距離在250m左右。

(3)中遠距離觀賞：一般安裝于高層建筑立面， 安裝高度一般在30m～100m之間，如閩江兩岸各樓體夜景照明，適合從江對岸進行觀賞，一般觀賞距離在500m左右。

(4)遠距離觀賞：一般安裝于超高層建筑頂部，安裝高度一般超過100m，如福州世茂國際中心，一般從幾個街區外觀賞最佳，觀賞距離往往大于1km。

表1列出了對于不同觀賞距離L根據上述公式計算出的理論點光源間距。

表1 Ⅰ級媒體立面的點光源間距

假設點光源直徑為B，因此點光源間距(D)與點光源中心距(R)之間的關系為：R=D+B，即點光源陣列密度為每米1/R個點光源。不同直徑的點光源對應的功率與發光強度不同，一般而言，直徑越大的點光源其功率越大，發光強度也越大。因此，在確定了點光源間距后，應選擇合適發光強度的點光源。

以上分析為對于I級媒體立面點光源間距的分析，對于Ⅱ、Ⅲ級的媒體立面，其對媒體立面精度要求依次降低，其點光源間距可按照一定比例進行逐級放大。

1.2 從控制光污染角度分析

夜景照明所造成的光污染，應根據《城市夜景照明設計規范》(JGJT 163-2008)的相關規定進行限制，媒體立面也不例外，但由于媒體立面為新生概念，該規范未明確對其作出相關要求與限制。在進行類比之后，本文將媒體立面歸類為自發光廣告標識。根據該規范[2]第七章對光污染限制的規定，自發光廣告標識在E4區的平均亮度不得超過1000cd/m2。

以福州市區為例，根據該規范附錄A可知，福州市區環境區域根據環境亮度和活動內容可劃為E4區，即高亮度環境區。因此應以1000cd/m2作為媒體立面平均亮度的上限。

設單顆點光源的正向發光強度為I，點光源矩陣密度為N顆/m，即每平方米N2顆，則應滿足I×N2≤1000cd/m2。

以浙江某燈具廠家所生產的LED點光源系列為例，該廠家生產規格的點光源，對應的正向發光強度如表2所示。

表2 不同直徑點光源的正向光強

現舉例分析當點光源陣列密度N=8時情況：當N=8時，應滿足I×82/1m2≤1000cd/m2，解得I≤15.63cd。根據表1，應選擇點光源直徑為40mm及以下規格的產品?？紤]到媒體立面的顯示效果，應選擇光強較高的產品，因此選擇直徑40mm點光源。

同理，對于不同的N值重復以上分析方法，得出了不同點光源陣列密度時符合規范的最佳點光源直徑如表3所示。

表3 不同直徑點光源所適合的陣列密度

1.3 綜合分析

根據上述，本文對光污染的控制要求得出了不同直徑點光源在不造成光污染的情況下最大點陣布置密度。并根據該密度倒推出點光源間距，對照表1數據檢驗不同直徑點光源在不同密度的陣列分布下能滿足哪一等級媒體立面的表現要求，如圖2所示。

圖2 點光源密度

根據圖2各參數間關系可知：D=1m/N-B，依據此式，表4中列出了不同直徑點光源在不同密度分布下的點光源間距。

表4 不同直徑點光源在不同陣列密度下的間距

將表4與表1中的結論對照，舉例而言，對于直徑為40mm點光源，陣列密度為每米10顆的情況下，查表4可知點光源間距為6.0cm。表1中對于I級媒體立面，要求近距離觀賞時點光源間距不大于3.7cm，而中近距離觀賞時點光源間距不大于9.2cm。因此，對于直徑為40mm點光源，密度為每米10顆點光源陣列，適合于中近距離觀賞的I級媒體立面。按照II、III級媒體立面對成像要求逐級遞減的原則，可以認為直徑為40mm點光源，在密度為每米8顆時適合于中近距離觀賞的II級媒體立面，而在每米6顆時適合于中近距離觀賞的III級媒體立面。

重復以上分析步驟，即可得出對于不同直徑點光源在不同陣列密度下適宜在哪種距離下觀賞的何種級別的媒體立面的所有情況。由于數據量較大，此處不一一列出，以下僅列出不同等級的媒體立面在不同距離觀賞下的最佳方案，如表5所示。

表5 點光源陣列方案 顆/m

2 點光源陣列線路壓降分析

大型點陣媒體立面常見于超高層建筑的外立面上，具有面積大，高度高等特點，出于建筑外立面美觀以及設備維護的考量，一般不允許將開關電源或控制器等設備就近放置于所控制的燈具附近，因此，線路較長是引起壓降的主要原因。LED燈具雖然功耗較低，但其一般采用12V或24V直流電供電，根據電壓損失的簡化計算公式[3]：

可知，∑M與S一定時，C越小則電壓損失越大；對于銅芯導線而言，220V、24V、12V系統的C值分別為11.7，0.14和0.035[3]。因此，在LED燈具所采用的供電系統中，壓降是不得不考慮的一個重要因素。對于LED燈具而言，在不影響燈具光強、色溫及控制的情況下，允許最大電壓降不超過10%。因此，在設計中，應嚴格控制線路壓降。

對于建筑高度超過100m公共建筑，根據《建筑設計防火規范》[4](GB 50016-2014)：“第一個避難層(間)的樓地面至滅火救援場地地面的高度不應大于50m，兩個避難層(間)之間的高度不宜大于50m”，而實際工程中，給LED燈具供電的開關電源常見的設備放置位置為屋面層、避難層、裙樓屋面或地面。因此，根據此規范，燈具導線沿建筑外立面的垂直距離最長為25m，考慮導線在開關電源安放位置的水平配線距離，此處以最長30m考慮。而開關電源的常見標稱負載功率為350W，考慮散熱等因素，實際使用中只使用其標稱負載功率的80%來帶負載，即只帶350W×80%=280W的燈具，此時24V直流線路負荷矩為：280W×30m=8400W·m。查閱《建筑電氣常用數據》[5]，截面為6mm2的銅芯導線在10%的電壓損失下，24V及直流線路負荷矩為8664W·m。因此，在如上極端條件下，截面積為6mm2的銅芯線可以使燈具壓降滿足其要求。對于其它情況，同樣使用以上分析方法來確定導線截面積，以滿足燈具對于壓降的要求。

3 媒體立面控制系統

控制系統是使媒體立面真正能“動”起來的核心，在選用時應充分考慮其實用性、可靠性與施工復雜程度。目前，國內LED燈具的控制系統主要采用DMX512控制系統。其采用的DMX512協議最早是由美國劇院技術協會所制定的。其信號是并聯連接的，因此系統中任意一個式多個點光源損壞時，不會影響到其它點光源，相比于串行控制系統增加了可靠性。其單一接口所控制的燈具總通道數可達512個，數量豐富，因此對于媒體立面動輒成千上萬個點光源來說，其拓撲結構可以最大地簡化，從而降低系統復雜度以及施工難度，具有極高的實用性。

4 結語

現代夜景設計中越來越多地引入了媒體立面的設計理念，由于這個理念還比較新，因此無論在設計上、技術上，還是施工上都有很多不成熟的嘗試。本文以LED點光源陣列媒體立面為切入點，從視覺角度給出了不同觀賞距離下不同等級媒體立面的最佳點光源間距，之后又從控制光污染的角度給出了不會引起光污染的最佳點光源選用及密度分布，并結合以上兩點對各種情況下的媒體立面給出了一個推薦設計方案。其次，本文還從LED采用低壓直流供電的角度，分析了以合理布置開關電源及合理選用電線截面積的手段控制電壓降的方法。最后，還簡要地分析了LED燈具的DMX512控制系統。上述是對夜景工程中點陣媒體立面設計的一點體會與思考，以供參考。