夜景工程中點(diǎn)光源陣列媒體立面設(shè)計(jì)研究

王德毓

(福州惠光照明設(shè)計(jì)工程有限公司 福建福州 350001)

0 引言

在現(xiàn)代夜景工程中，不再追求傳統(tǒng)的泛光照明及輪廓勾勒等簡(jiǎn)單手段，隨著LED燈具及其控制系統(tǒng)的成熟以及社會(huì)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(xiàn)手段之一。

媒體立面，是指以藝術(shù)性審美為主要目的，同時(shí)兼具商業(yè)宣傳作用，將信息媒體系統(tǒng)(主要是電子媒體系統(tǒng))和建筑設(shè)計(jì)、立面技術(shù)、燈光照明(在特殊情況下，也包含自然光影)有機(jī)結(jié)合的綜合性建筑立面形式。

夜景工程中，為達(dá)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(diǎn)光源進(jìn)行矩陣排列，以達(dá)到模擬屏幕效果；②利用LED線型燈具進(jìn)行平行緊密排列，以達(dá)到模擬屏幕效果；③利用LED泛光燈或洗墻燈的投射光，達(dá)到動(dòng)態(tài)光影效果；④其它非常規(guī)手段。

本文針對(duì)夜景工程以點(diǎn)光源陣列為手段實(shí)現(xiàn)的媒體立面在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行討論。為方便下文討論，本文對(duì)點(diǎn)陣媒體立面的表現(xiàn)效果及使用功能作如下等級(jí)區(qū)分：

Ⅰ級(jí)媒體立面：能呈現(xiàn)復(fù)雜的視頻畫面；

Ⅱ級(jí)媒體立面：能辨識(shí)漢字及稍微復(fù)雜的圖形動(dòng)畫；

Ⅲ級(jí)媒體立面：能表現(xiàn)動(dòng)態(tài)光影變化及較簡(jiǎn)單的圖形變化效果。

1 點(diǎn)光源陣列密度分析討論

點(diǎn)光源陣列密度是達(dá)到媒體立面表達(dá)效果要求的關(guān)鍵。從上述分級(jí)中顯而易見，Ⅰ級(jí)媒體立面的實(shí)現(xiàn)要求有高密度的點(diǎn)光源陣列，Ⅱ級(jí)媒體立面對(duì)點(diǎn)光源陣列的密度要求次之，Ⅲ級(jí)媒體立面對(duì)點(diǎn)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(gè)方面對(duì)點(diǎn)光源陣列密度的合理值進(jìn)行討論。

1.1 從人眼視覺敏感程度分析

I級(jí)媒體立面要求能呈現(xiàn)復(fù)雜的視頻畫面，如視頻、廣告、動(dòng)畫等。因此，理論上點(diǎn)陣密度應(yīng)達(dá)到人肉眼無法區(qū)別點(diǎn)光源間距的程度。

一般而言，視力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)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(gè)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(diǎn)光源間距D正好達(dá)到人肉眼無法分辨的距離時(shí)，屏幕效果最佳。根據(jù)三角函數(shù)，此時(shí)點(diǎn)光源間距D與觀賞距離L間的關(guān)系如下：

由于媒體立面并不是專業(yè)的顯示媒介，在成像精度上不能要求特別精細(xì)，因此此處按照視力為0.8的人群對(duì)媒體立面的觀感來計(jì)算。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)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(jù)媒體立面的安裝位置與高度的不同，可以簡(jiǎn)單劃分為以下幾類：

(1)近距離觀賞：一般安裝于商業(yè)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(yuǎn)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(duì)岸進(jìn)行觀賞，一般觀賞距離在500m左右。

(4)遠(yuǎn)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(guó)際中心，一般從幾個(gè)街區(qū)外觀賞最佳，觀賞距離往往大于1km。

表1列出了對(duì)于不同觀賞距離L根據(jù)上述公式計(jì)算出的理論點(diǎn)光源間距。

表1 Ⅰ級(jí)媒體立面的點(diǎn)光源間距

假設(shè)點(diǎn)光源直徑為B，因此點(diǎn)光源間距(D)與點(diǎn)光源中心距(R)之間的關(guān)系為：R=D+B，即點(diǎn)光源陣列密度為每米1/R個(gè)點(diǎn)光源。不同直徑的點(diǎn)光源對(duì)應(yīng)的功率與發(fā)光強(qiáng)度不同，一般而言，直徑越大的點(diǎn)光源其功率越大，發(fā)光強(qiáng)度也越大。因此，在確定了點(diǎn)光源間距后，應(yīng)選擇合適發(fā)光強(qiáng)度的點(diǎn)光源。

以上分析為對(duì)于I級(jí)媒體立面點(diǎn)光源間距的分析，對(duì)于Ⅱ、Ⅲ級(jí)的媒體立面，其對(duì)媒體立面精度要求依次降低，其點(diǎn)光源間距可按照一定比例進(jìn)行逐級(jí)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(yīng)根據(jù)《城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJT 163-2008)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)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(guī)范未明確對(duì)其作出相關(guān)要求與限制。在進(jìn)行類比之后，本文將媒體立面歸類為自發(fā)光廣告標(biāo)識(shí)。根據(jù)該規(guī)范[2]第七章對(duì)光污染限制的規(guī)定，自發(fā)光廣告標(biāo)識(shí)在E4區(qū)的平均亮度不得超過1000cd/m2。

以福州市區(qū)為例，根據(jù)該規(guī)范附錄A可知，福州市區(qū)環(huán)境區(qū)域根據(jù)環(huán)境亮度和活動(dòng)內(nèi)容可劃為E4區(qū)，即高亮度環(huán)境區(qū)。因此應(yīng)以1000cd/m2作為媒體立面平均亮度的上限。

設(shè)單顆點(diǎn)光源的正向發(fā)光強(qiáng)度為I，點(diǎn)光源矩陣密度為N顆/m，即每平方米N2顆，則應(yīng)滿足I×N2≤1000cd/m2。

以浙江某燈具廠家所生產(chǎn)的LED點(diǎn)光源系列為例，該廠家生產(chǎn)規(guī)格的點(diǎn)光源，對(duì)應(yīng)的正向發(fā)光強(qiáng)度如表2所示。

表2 不同直徑點(diǎn)光源的正向光強(qiáng)

現(xiàn)舉例分析當(dāng)點(diǎn)光源陣列密度N=8時(shí)情況：當(dāng)N=8時(shí)，應(yīng)滿足I×82/1m2≤1000cd/m2，解得I≤15.63cd。根據(jù)表1，應(yīng)選擇點(diǎn)光源直徑為40mm及以下規(guī)格的產(chǎn)品。考慮到媒體立面的顯示效果，應(yīng)選擇光強(qiáng)較高的產(chǎn)品，因此選擇直徑40mm點(diǎn)光源。

同理，對(duì)于不同的N值重復(fù)以上分析方法，得出了不同點(diǎn)光源陣列密度時(shí)符合規(guī)范的最佳點(diǎn)光源直徑如表3所示。

表3 不同直徑點(diǎn)光源所適合的陣列密度

1.3 綜合分析

根據(jù)上述，本文對(duì)光污染的控制要求得出了不同直徑點(diǎn)光源在不造成光污染的情況下最大點(diǎn)陣布置密度。并根據(jù)該密度倒推出點(diǎn)光源間距，對(duì)照表1數(shù)據(jù)檢驗(yàn)不同直徑點(diǎn)光源在不同密度的陣列分布下能滿足哪一等級(jí)媒體立面的表現(xiàn)要求，如圖2所示。

圖2 點(diǎn)光源密度

根據(jù)圖2各參數(shù)間關(guān)系可知：D=1m/N-B，依據(jù)此式，表4中列出了不同直徑點(diǎn)光源在不同密度分布下的點(diǎn)光源間距。

表4 不同直徑點(diǎn)光源在不同陣列密度下的間距

將表4與表1中的結(jié)論對(duì)照，舉例而言，對(duì)于直徑為40mm點(diǎn)光源，陣列密度為每米10顆的情況下，查表4可知點(diǎn)光源間距為6.0cm。表1中對(duì)于I級(jí)媒體立面，要求近距離觀賞時(shí)點(diǎn)光源間距不大于3.7cm，而中近距離觀賞時(shí)點(diǎn)光源間距不大于9.2cm。因此，對(duì)于直徑為40mm點(diǎn)光源，密度為每米10顆點(diǎn)光源陣列，適合于中近距離觀賞的I級(jí)媒體立面。按照II、III級(jí)媒體立面對(duì)成像要求逐級(jí)遞減的原則，可以認(rèn)為直徑為40mm點(diǎn)光源，在密度為每米8顆時(shí)適合于中近距離觀賞的II級(jí)媒體立面，而在每米6顆時(shí)適合于中近距離觀賞的III級(jí)媒體立面。

重復(fù)以上分析步驟，即可得出對(duì)于不同直徑點(diǎn)光源在不同陣列密度下適宜在哪種距離下觀賞的何種級(jí)別的媒體立面的所有情況。由于數(shù)據(jù)量較大，此處不一一列出，以下僅列出不同等級(jí)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(diǎn)光源陣列方案 顆/m

2 點(diǎn)光源陣列線路壓降分析

大型點(diǎn)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(diǎn)，出于建筑外立面美觀以及設(shè)備維護(hù)的考量，一般不允許將開關(guān)電源或控制器等設(shè)備就近放置于所控制的燈具附近，因此，線路較長(zhǎng)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(jù)電壓損失的簡(jiǎn)化計(jì)算公式[3]：

可知，∑M與S一定時(shí)，C越小則電壓損失越大；對(duì)于銅芯導(dǎo)線而言，220V、24V、12V系統(tǒng)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(tǒng)中，壓降是不得不考慮的一個(gè)重要因素。對(duì)于LED燈具而言，在不影響燈具光強(qiáng)、色溫及控制的情況下，允許最大電壓降不超過10%。因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)嚴(yán)格控制線路壓降。

對(duì)于建筑高度超過100m公共建筑，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[4](GB 50016-2014)：“第一個(gè)避難層(間)的樓地面至滅火救援場(chǎng)地地面的高度不應(yīng)大于50m，兩個(gè)避難層(間)之間的高度不宜大于50m”，而實(shí)際工程中，給LED燈具供電的開關(guān)電源常見的設(shè)備放置位置為屋面層、避難層、裙樓屋面或地面。因此，根據(jù)此規(guī)范，燈具導(dǎo)線沿建筑外立面的垂直距離最長(zhǎng)為25m，考慮導(dǎo)線在開關(guān)電源安放位置的水平配線距離，此處以最長(zhǎng)30m考慮。而開關(guān)電源的常見標(biāo)稱負(fù)載功率為350W，考慮散熱等因素，實(shí)際使用中只使用其標(biāo)稱負(fù)載功率的80%來帶負(fù)載，即只帶350W×80%=280W的燈具，此時(shí)24V直流線路負(fù)荷矩為：280W×30m=8400W·m。查閱《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》[5]，截面為6mm2的銅芯導(dǎo)線在10%的電壓損失下，24V及直流線路負(fù)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(duì)于其它情況，同樣使用以上分析方法來確定導(dǎo)線截面積，以滿足燈具對(duì)于壓降的要求。

3 媒體立面控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是使媒體立面真正能“動(dòng)”起來的核心，在選用時(shí)應(yīng)充分考慮其實(shí)用性、可靠性與施工復(fù)雜程度。目前，國(guó)內(nèi)LED燈具的控制系統(tǒng)主要采用DMX512控制系統(tǒng)。其采用的DMX512協(xié)議最早是由美國(guó)劇院技術(shù)協(xié)會(huì)所制定的。其信號(hào)是并聯(lián)連接的，因此系統(tǒng)中任意一個(gè)式多個(gè)點(diǎn)光源損壞時(shí)，不會(huì)影響到其它點(diǎn)光源，相比于串行控制系統(tǒng)增加了可靠性。其單一接口所控制的燈具總通道數(shù)可達(dá)512個(gè)，數(shù)量豐富，因此對(duì)于媒體立面動(dòng)輒成千上萬個(gè)點(diǎn)光源來說，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以最大地簡(jiǎn)化，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜度以及施工難度，具有極高的實(shí)用性。

4 結(jié)語

現(xiàn)代夜景設(shè)計(jì)中越來越多地引入了媒體立面的設(shè)計(jì)理念，由于這個(gè)理念還比較新，因此無論在設(shè)計(jì)上、技術(shù)上，還是施工上都有很多不成熟的嘗試。本文以LED點(diǎn)光源陣列媒體立面為切入點(diǎn)，從視覺角度給出了不同觀賞距離下不同等級(jí)媒體立面的最佳點(diǎn)光源間距，之后又從控制光污染的角度給出了不會(huì)引起光污染的最佳點(diǎn)光源選用及密度分布，并結(jié)合以上兩點(diǎn)對(duì)各種情況下的媒體立面給出了一個(gè)推薦設(shè)計(jì)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(guān)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(jiǎn)要地分析了LED燈具的DMX512控制系統(tǒng)。上述是對(duì)夜景工程中點(diǎn)陣媒體立面設(shè)計(jì)的一點(diǎn)體會(huì)與思考，以供參考。