建筑物理第一講 光環(huán)境、視覺與光度量單位

第二篇：建筑光環(huán)境Zhang-xiuxin1全篇共分五講：第一講：光環(huán)境、視覺與光度量單位第二講：顏色的基本概念與光環(huán)境質量評價第三講：天然光環(huán)境(一)--晝光光源與采光設計第四講：人工光環(huán)境（一）---人工光源與采光第五講：人工光環(huán)境（二）---室內環(huán)境照明設計2第一講：光環(huán)境、視覺與光度量單位光是一種電磁輻射能人類的生活離不開光3主講內容：1.1、光環(huán)境概述1.2、眼睛與視覺1.3、視覺特性1.4、基本光度量單位及其應用1.5、材料的光學性質4在生產、工作、學習場所，良好的光環(huán)境可以振奮人的精神，提高工作效率和產品質量，保障人身安全和視力健康。在娛樂、休息、公共活動場所，光環(huán)境的首要作用，在于創(chuàng)造舒適優(yōu)雅、活潑生動，或莊重嚴肅的環(huán)境氣氛，對人的情緒狀態(tài)、心理感受產生積極的影響。1.1光環(huán)境概述：光環(huán)境的涵義光環(huán)境（Luminousenvironment）：是由光與顏色在室內建立的同房間形狀有關的生理和心理環(huán)境。51.1.1:光環(huán)境的涵義人們依靠不同的感覺器官從外界獲得各種信息，其中約有80%來自光和視覺建筑師的任務之一，就是要為人們創(chuàng)造優(yōu)良的光環(huán)境。671.1.1.2光環(huán)境設計光環(huán)境設計要運用很多學科的基礎理論，如建筑學、物理學、美學、生理學、心理學、人工工效等等，它既是科學，又是藝術，同時又受經濟和能源的制約。（1）天然光環(huán)境設計；（2）人工光環(huán)境設計；8（1）天然光環(huán)境設計，太陽是生命之源，它以無盡的光和熱哺育大地，充分利用晝光照明和渲染氣氛，不僅可以獲得較高的視覺功效，節(jié)約能源和費用，也是人們在生理和心理上感到舒服滿意的關鍵因素。（2）人工光環(huán)境設計，自從1879年愛迪生發(fā)明電燈以來，人類結束了借火光照明的漫長歲月，步入了人工照明的新時代。建筑物內不僅在夜間采用人工照明，有些場所，白天也要用人工照明，為了使建筑物在白天和夜晚都能同樣的使用和美觀，掌握一些人工光環(huán)境的設計方法和實踐經驗尤為重要。光環(huán)境設計的主要內容9光環(huán)境的三種設計理念理念之一：設計空間就是設計光亮理念之二：對主動光源和被動光源的理解理念之三：光環(huán)境中光與影的應用10設計理念之一：“設計空間就是設計光亮”

－－“亮度空間”概念（一條視覺設計輔助線）實在空間和亮度空間：如果把由實際物體構成的空間稱之為“實在空間”，那么由這些實際物體的亮度構成的視覺空間就稱之為“亮度空間”?！傲炼瓤臻g”是“實在空間”的視覺轉化器。11“設計空間就是設計光亮”

－－“亮度空間”概念（一條視覺設計輔助線）實際物體的“實在空間”只有通過亮度轉化為“亮度空間”才能被視覺所感受。路易·康說：“設計空間就是設計光亮”，“亮度空間”才是建筑設計作為一種空間視覺藝術的真正目的，而實體形式的構筑只是一種準備和前提。12

路易·康是美國現代建筑師。

路易·康的作品:堅實厚重，不表露結構功能，他在設計中成功的運用了光線的變化，是建筑設計中光影運用的開拓者。

在有的設計中他將空間區(qū)分為“服務的”和“被服務的”，把不同用途的空間性質進行解析、組合、體現秩序，突破了學院派建筑設計從軸線、空間序列和透視效果入手的陳規(guī)，對建筑師的創(chuàng)作靈感是一種激勵啟迪。

路易·康的代表作品有賓西法尼亞大學理查德醫(yī)學研究中心、耶魯大學美術館、愛塞特圖書館、孟加拉國達卡國民議會廳、等。路易·康的著作有《建筑是富于空間想像的創(chuàng)造》、《建筑·寂靜和光線》、《人與建筑的和諧》等。13孟加拉國達卡國民議會廳14金貝爾美術館--路易斯?康美術館是一個將天然采光設計和空間造型相結合的經典范例！15空間與光亮的和諧統(tǒng)一實在空間是亮度空間的準備和前提1617賓館前廳會議室“設計空間就是設計光亮”18設計理念之二：對主動光源和被動光源的理解人們習慣上有這樣一個認識，只有太陽、燈管、燈泡這些自身發(fā)光的才叫光源，而實際上被照亮的界面也是一種光源。----這是兩種不同的光源，前者可稱之為主動式光源，后者為被動式光源；好的光學設計，應該讓光的表現有非常強的目的性，每一種光都對應著一種實體，光照在物面上，把點光源變成了面光源，形成了室內亮度和景色的互動。19好的光學設計，應該讓光的表現有非常強的目的性，每一種光都對應著一種實體。20“被照亮的界面也是一種光源”被動式光源自身是一種適宜的亮度，是一個美麗的“光亮”,使光照與亮度統(tǒng)一起來。21景物形成二次光源,照亮室內空間，給人一種舒適、雅致的視覺！222324252627主動式光源表面亮度極高以至于成為眩光，在亮度空間中是一個“畸點”，28

安藤忠雄曾指出：現代建筑消除了黑暗，創(chuàng)造了一個“過分透明的世界”——一個”泛光的世界”，導致了人們無法去感受場所的獨特性?！斑@種光暈般擴散的世界，就像絕對的黑暗一樣，意味著空間的死亡”

安藤忠雄有指出：“在到處布滿著勻質光線的今天，我仍然追求光明與黑暗之間相互滲透的關系。設計理念之三：光環(huán)境中光與影的應用29空間與光亮的和諧統(tǒng)一光明與黑暗之間相互滲透的30從攝影師的眼睛出發(fā)黑、白、灰的關系光影之間的關系31安藤曾說道：「我所感覺到的是一個真正存在的空間。當建筑以其簡潔的幾何排列，被從穹頂中央一個直徑為9米的洞孔，所射進的光線照亮時，這個建筑的空間才真正地存在。在這種條件下的物體和光線，在大自然里是不會感覺到的，這種感覺只有通過建筑這個中介體才能獲得，真正能打動我的，就是這種建筑的力量?！构獾慕烫霉帕_馬的萬神廟32作品中呈現光、影滲透的魅力！3334一個”泛光的世界”，導致了人們無法去感受場所的獨特性！“這種光暈般擴散的世界，就像絕對的黑暗一樣，意味著空間的死亡”351.2眼睛與視覺視覺的形成即依賴于眼睛的生理機能和大腦積累的視覺經驗，又和照明狀況密切相關。人的眼睛和視覺，就是長期在自然光照射下演變進化的。光是一種能夠在人的視覺系統(tǒng)上引起光感覺的電磁輻射，光的波長范圍為380nm~780nm。波長大于780nm的紅外線、無線電波等，以及小于380nm的紫外線、X射線等，人眼均感覺不到。右圖：太陽輻射的電磁波1nm=10-9m36人的肉眼只能對380—780nm的可見光作出反應。37眼睛的主要組成部分和其功能：瞳孔、水晶體、視網膜、感光細胞38

視網膜上布滿了感光細胞—錐狀細胞和桿狀細胞，經光線照射產生神經沖動，傳輸到視神經，再傳至大腦，產生視覺。感光細胞在視網膜上的分布是不均勻的：錐體細胞主要集中在視網膜的中心部位，成為“黃斑”的黃色區(qū)域，黃斑區(qū)的中心有一小凹，叫“中心窩”。黃斑區(qū)域以外錐體細胞的個數急劇下降，與此相反，在中心窩處幾乎沒有桿狀細胞，自中心窩以外，其密度迅速增加。視網膜的剖面圖39錐體細胞：在明亮環(huán)境下能分辨出物體的細部和顏色；在環(huán)境的明暗發(fā)生變化時能迅速反應，以適應新的環(huán)境。兩種細胞的功能特征桿狀細胞：在黑暗環(huán)境中對明暗感覺起決定作用，不能分辨物體細部和顏色，對明暗的變化反應緩慢。401.3視覺特性無論是對目標的察覺、辨認、識別，還是對光環(huán)境的一般反應來說，視覺都是一個極其復雜的系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)有很大的自調能力，能對傳遞的信息自行調節(jié)到最佳清晰度。它具有以下特性：1.3.1亮度閾限暗視覺：指在黑暗環(huán)境里（0.001cd/m2以下的亮度水平），桿狀細胞起作用，暗視覺只有黑灰白三色。相當于晚上暗處。明視覺：指在明亮環(huán)境中（大于3cd/m2的亮度水平），視網膜錐體細胞起作用，分辨顏色和細部。中間視覺：在3-0.001cd/m2之間，相當于道路照明和居住區(qū)照明的明暗。人眼對光的適應范圍遠比人能夠感受的溫度變化大的多，其閾限為：

10-6cd/m2~106cd/m2視覺閾限值遵守兩定律：里科定律亮度×面積（目標）=常數邦森—羅斯科定律亮度×時間=常數411.3.2

光亮效應——韋勃定律（心理物理學的一個著名的定律）對于外界光刺激的變化，人視覺的反應，韋勃通過心理物理試驗得到：能察覺到的光刺激變化同刺激水平的比值是一常數關系。

ΔΙ/Ι=Κ（常數）用儀器測得照明量—稱為“刺激”，這是一客觀物理量。把人眼可以感知的光刺激變化—稱為“感覺”，這是一個主觀物理量。例如：在一照度為10lx的房間里，增加1lx的照度剛剛能察覺出變化；在另一個照度水平為100lx的房間里，就需要增加10lx的照度才能剛剛察出有照度的變化。兩者的比率均為0.1421.3.3視野當頭和眼睛不動時，人眼能察覺到的空間范圍叫視野，在垂直方向的角度約為130°，水平方向約為180°視野周圍1~2°內的物體能在視網膜中心窩成像，清晰度最高，這部分叫中心視野431.3.4光譜光視效率不同波長的光在視覺上形成不同的顏色，如700nm的光呈紅光，580nm呈黃光，單一波長的光呈現一種顏色，稱為單色光。日光和燈光都是有不同波長的光混合而成的復合光，他們呈現白色或其他色。將復合光中各種波長輻射的相對功率量值按對應波長排列聯(lián)結起來，就形成該復合光的光譜功率分布曲線。在光亮環(huán)境中，輻射功率相等的單色光看起來555nm的黃綠光最明亮；在較暗的環(huán)境里，510nm的藍綠光最為敏感。44光譜光視效率：國際照明委員會（CIE）根據大量的實驗結果，人眼觀看同樣功率的輻射，不同波長的光，感到的明亮程度不一樣。人眼的這種特性常用光譜光視效率[V(λ)]曲線來表示。在人獲得相同的視覺感受時，波長λm（視感覺最大值處-555和510nm）和波長λ的單色光輻射通量（輻射源在單位時間內發(fā)出的能量，單位為瓦，W）的比。

V(λ)=Φe.·λm

/Φe·λ45架設在物理量與視知覺之間的橋光譜光視效率461.4基本光度量單位及其應用光環(huán)境的設計和評價離不開定量的分析和說明，需要借助一些物理光度量來描述光源與光環(huán)境的特征。常用的光度量有：光通量、照度、發(fā)光強度和亮度1.4.1光通量————描述光源的量由于人眼對不同波長的光具有不同的靈敏度，所以不能直接用光源的輻射功率或輻射通量來衡量光能量，須采用以人眼對光的感覺量為基準的單位——光通量來衡量。

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光通量:Φ=KmΣΦe,λV(λ)單位：流明（Im）Φ——光通量

Фe,?－－波長為?的單色輻射能通量，W；V(?)－－CIE標準光度觀測者明視覺光譜光視效率；Km－－最大光譜光視能，lm/W（明視覺時＝683lm/W）。建筑光學中，常用光通量表示一光源發(fā)出的光能多少，是描述光源的量。如100w白熾燈發(fā)出1250Im的光通量，40w日光燈月發(fā)出2200Im的光通量。481.4.2發(fā)光強度———描述光源的量光通量是說明某一光源向四周空間發(fā)射出的總光能量，不同光源發(fā)出的光通量在空間的分布是不同的。不但要了解光源發(fā)出的光通量，還要了解光通量的空間密度即發(fā)光強度。如懸吊在桌面上空一盞100w白熾燈，他發(fā)出1250Im的光通量，但加不加燈罩，投射到桌面上的光線就不一樣。加上燈罩，燈罩將往上的光向下反射，使向下的光通量增加，桌面上就亮一些。發(fā)光強度：點光源在給定方向的發(fā)光強度，是光源在這一方向上立體角元內發(fā)射的光通量與該立體角元之比。

I=dΦ/dΩ

單位：坎德拉（cd）如在有限立體角Ω內傳播的光通量Φ是均勻分布的，則有：I=Φ/Ω49發(fā)光強度：I=Φ/Ω立體角：Ω=S/r2S:錐體頂點為球心，任一長度r為半徑作一球面，被錐體截取的一部分球面面積。1.4.3照度——描述被照面的量照度：被照面上接受的光通量的面密度，符號為E。若照射到表面一點面元上的光通量為dΦ，該面元的面積為dA,則E=dΦ/dA單位為：勒克斯（