高校宿舍組合床空間光環(huán)境研究

康善之，馬 婕，馬晨鐘

（重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400030）

重慶市屬于第V類光氣候區(qū)，采光情況較差，據(jù)《重慶市日照時(shí)數(shù)變化規(guī)律和特征分析》一文中提供的數(shù)據(jù)可知[1]，重慶日照百分率僅為25%～35%，為中國(guó)年日照最少的地區(qū)之一，室內(nèi)光環(huán)境也受此影響，照度常年不足，冬、春季尤為明顯（見(jiàn)表1）。加之宿舍空間在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)空間集約化的考慮，大部分宿舍僅有很小面積的采光面，導(dǎo)致宿舍白天采光環(huán)境較差，幾乎沒(méi)有自然光環(huán)境。

近年來(lái)，隨著電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，高校學(xué)生長(zhǎng)期、高頻率接觸各類電子產(chǎn)品。多數(shù)電腦、LED燈等宿舍用電子產(chǎn)品本身存在較強(qiáng)的藍(lán)光輻射，加之宿舍自然光環(huán)境差且燈具布置不合理，大學(xué)生眼部健康情況不斷惡化。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)大學(xué)生近視發(fā)病率已高達(dá)90%?！洞髮W(xué)宿舍光環(huán)境調(diào)研及分析——以重慶大學(xué)為例》[2]一文中也指出了宿舍在采光、照明方面存在的問(wèn)題。

表1 南方城市冬季平均日照

隨著LED技術(shù)的發(fā)展，照明理念從宏觀的節(jié)能環(huán)保，逐步向以人為本的舒適健康發(fā)展。現(xiàn)階段對(duì)健康照明的定義通常為綠色節(jié)能、安全舒適，有益于提高生產(chǎn)、工作、學(xué)習(xí)效率和生活質(zhì)量，保護(hù)身心健康的照明（見(jiàn)圖1）。在合適的時(shí)間、合適的地點(diǎn)，提供合適強(qiáng)度和光譜的照明，從而在保證視覺(jué)工效的同時(shí)，為人們創(chuàng)造安全、舒適、健康的光環(huán)境。

健康照明要求照明系統(tǒng)的照度、色溫均可調(diào)節(jié)，強(qiáng)調(diào)與天然光混合后的照度及色溫。同時(shí)提出生理等效照度的概念，一方面將傳統(tǒng)照明設(shè)計(jì)中水平照度的要求拓展到空間照度的要求，另一方面提出光源色溫的要求，可以控制生理等效照度，從而提供一個(gè)相對(duì)健康的照明環(huán)境[3]。

1 調(diào)研

項(xiàng)目前期針對(duì)高校宿舍空間光環(huán)境現(xiàn)狀、組合床工作空間的用光需求兩方面內(nèi)容進(jìn)行了綜合研究。調(diào)研采用問(wèn)卷調(diào)查、抽樣調(diào)查、文獻(xiàn)調(diào)查、統(tǒng)計(jì)調(diào)查和訪談等多種形式，作為支撐整個(gè)項(xiàng)目的背景展開(kāi)研究。

1.1 高校宿舍光環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)研

項(xiàng)目組針對(duì)高校大學(xué)生，采用訪談和問(wèn)卷調(diào)查的方式進(jìn)行宿舍光環(huán)境主觀感受測(cè)評(píng)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示（見(jiàn)圖2），高校學(xué)生對(duì)宿舍空間的使用時(shí)長(zhǎng)普遍達(dá)到每天12 h以上，平均有8～9 h在組合床空間進(jìn)行工作學(xué)習(xí)等活動(dòng)。在宿舍組合床空間進(jìn)行3 h工作學(xué)習(xí)后，67%的學(xué)生出現(xiàn)眼睛酸癢、流淚及疼痛的狀況，眼疲勞癥狀較為明顯。而與此同時(shí)，長(zhǎng)期處于不合理光環(huán)境之下間接影響大學(xué)生睡眠和情緒，甚至?xí)l(fā)展出抑郁、狂躁的癥疾。

項(xiàng)目組選取重慶大學(xué)B區(qū)4舍和12舍作為對(duì)象進(jìn)行實(shí)地抽樣調(diào)查，以不同樓層、不同朝向、不同組合床位置、不同時(shí)間段為變量開(kāi)展光環(huán)境測(cè)試，分析采樣點(diǎn)照度、照度均勻度以及宿舍整體環(huán)境輝度。數(shù)據(jù)采集結(jié)果顯示，受宿舍空間單向、小采光面積的影響，組合床工作空間桌面照度及照度均勻度普遍不足（與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)比較），光環(huán)境質(zhì)量差（圖3～圖4）。

項(xiàng)目組通過(guò)實(shí)地觀察還發(fā)現(xiàn)，使用電腦等電子產(chǎn)品時(shí)存在正壁面與屏幕亮度反差較大的問(wèn)題，另外，燈具的不合理選用和擺放導(dǎo)致眩光，影響正常的工作學(xué)習(xí)。

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的上述問(wèn)題已對(duì)高校大學(xué)生視覺(jué)健康和工作學(xué)習(xí)效率產(chǎn)生較大影響。針對(duì)這部分調(diào)研，項(xiàng)目組排除不必要的變量影響，著手于宿舍單元組合床，從上述幾點(diǎn)用光問(wèn)題切入思考。

為評(píng)測(cè)、對(duì)比4個(gè)床位的光空間質(zhì)量，選取宿舍光環(huán)境最不利點(diǎn)，測(cè)試整個(gè)宿舍空間的照度均勻度及宿舍環(huán)境整體輝度（見(jiàn)圖5），確定遠(yuǎn)離采光口且右側(cè)自然光來(lái)光的②號(hào)床位為最不利床位，并選定為實(shí)驗(yàn)?zāi)M對(duì)象，建立光空間模型，進(jìn)行優(yōu)化模擬設(shè)計(jì)。

1.2 宿舍組合床用光需求

為使宿舍組合床工作空間光環(huán)境設(shè)計(jì)方案更加符合學(xué)生在宿舍的活動(dòng)需求，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)宿舍組合床工作空間的活動(dòng)類型和模式進(jìn)行了研究。由低至高5個(gè)量級(jí)劃分與統(tǒng)計(jì)各行為發(fā)生頻率。大學(xué)生對(duì)宿舍組合床的用光需求如圖6所示，“紙質(zhì)材料上的書(shū)寫(xiě)或閱讀”“使用電腦工作或娛樂(lè)”“使用平板電腦或手機(jī)工作或娛樂(lè)”這3類活動(dòng)的第5量級(jí)占比較大。根據(jù)各活動(dòng)頻率量級(jí)及用光類型，項(xiàng)目組確定了組合床裝置照明方案的3種主要模式，即“依托不發(fā)光工作面進(jìn)行的活動(dòng)”“依托自發(fā)光設(shè)備進(jìn)行的活動(dòng)”及“其他活動(dòng)”，在光環(huán)境設(shè)計(jì)中將考慮一定的調(diào)節(jié)彈性，來(lái)滿足其需求。

2 燈光裝置設(shè)計(jì)

2.1 健康光環(huán)境基礎(chǔ)參數(shù)

根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034—2013）等資料，項(xiàng)目組制定了一套健康用光參數(shù)系統(tǒng)，包括組合床書(shū)桌面的照度值、組合床書(shū)桌面的照度均勻度、頂棚和壁面照度、環(huán)境色溫及組合床桌面的照度分布情況（工作面與周邊環(huán)境的照度比值）等，這些參數(shù)是后續(xù)照明方案的重要參考數(shù)據(jù)。

2.2 宿舍組合床空間模型

組合床工作空間的尺寸及前部、側(cè)面3個(gè)反射面的材質(zhì)是空間光環(huán)境的重要影響因素。項(xiàng)目組通過(guò)重慶大學(xué)校內(nèi)男女生宿舍測(cè)繪和組合床尺寸調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市面上組合床的工作空間長(zhǎng)度、寬度、高度大多分布在120～200 cm、60～90 cm、80～110 cm區(qū)間內(nèi)，而組合床前部墻面以抹灰墻面和大面積的粗糙壁紙或木板為主，其比例均在40%以上，而前部墻面多采用淺色材料，占調(diào)查數(shù)據(jù)的81%。通過(guò)調(diào)研數(shù)據(jù)的分析，項(xiàng)目組確定了一個(gè)典型宿舍組合床空間模型作為研究基礎(chǔ)（見(jiàn)圖7），模型中的組合床工作空間尺寸設(shè)定為160 cm×80 cm×100 cm，接近市面上大多數(shù)組合床產(chǎn)品的參數(shù)，以保證設(shè)計(jì)的普適性。

2.3 光環(huán)境優(yōu)化裝置概念設(shè)計(jì)

針對(duì)宿舍用光問(wèn)題，裝置的核心解決策略是圍繞總結(jié)了3類活動(dòng)模式，通過(guò)面狀光源照明，并通過(guò)光源的分區(qū)控制，為不同的活動(dòng)類型提供適宜的健康光空間。裝置主要分為構(gòu)架系統(tǒng)、頂部光源系統(tǒng)和側(cè)面補(bǔ)充光源系統(tǒng)。頂部光源系統(tǒng)是裝置的核心部分，大部分光線由該系統(tǒng)提供，該系統(tǒng)通過(guò)分區(qū)控制優(yōu)化工作面的照度值、照度均勻度、色溫等參數(shù)，側(cè)面補(bǔ)充光源系統(tǒng)可投射45°的左側(cè)光線，模擬側(cè)窗自然光照，優(yōu)化組合床空間舒適度。

2.4 光源方案比選

在上述設(shè)計(jì)框架下，項(xiàng)目組進(jìn)行了光源方案的設(shè)計(jì)比選（見(jiàn)圖8）。其中，頂部燈光裝置I等效為6塊燈盤(pán)，平行于桌面拼裝在頂部，通過(guò)升降進(jìn)行照度控制。頂部燈光裝置II等效為12塊燈盤(pán)，各塊燈盤(pán)設(shè)置可活動(dòng)百葉，可獨(dú)立進(jìn)行照度調(diào)節(jié)（后續(xù)深化過(guò)程中簡(jiǎn)化為6塊燈盤(pán)，且通過(guò)燈具自身的電流控制系統(tǒng)代替百葉調(diào)節(jié)照度）。頂部燈光裝置III為一體化光源，側(cè)面燈光裝置A等效為2塊燈盤(pán)，傾斜45°，安裝于左上及右上方，側(cè)面燈光裝置B由7個(gè)條狀燈組構(gòu)成，設(shè)置擋板控制眩光，布置于左側(cè)。項(xiàng)目組對(duì)上述燈光裝置的照明效果進(jìn)行了交叉分析，綜合考慮照度均勻度、適應(yīng)性、造價(jià)等因素，最終采用Ⅲ-B。

3 基于DIALux-evo模擬計(jì)算的照明方案設(shè)計(jì)

3.1 軟件說(shuō)明與實(shí)驗(yàn)方法概述

實(shí)驗(yàn)依托DIALux-evo平臺(tái)開(kāi)展（見(jiàn)圖9），以確定3種模式下最優(yōu)的照明方案。DIALux-evo是一款專業(yè)照明設(shè)計(jì)軟件，持有DIALux許可證的廠家提供可調(diào)參數(shù)模擬燈具，為實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)支撐。實(shí)驗(yàn)的主要變量為6個(gè)光源分區(qū)（等效為燈盤(pán)）的亮度和色溫，主要輸出項(xiàng)目包括組合床桌面照度值、桌面照度均勻度、組合床作業(yè)面照度值、組合床作業(yè)面照度均勻度、組合床桌面等值線、主光源比色數(shù)據(jù)、組合床桌面?zhèn)紊珗D與數(shù)值系統(tǒng)等，項(xiàng)目組將調(diào)節(jié)各個(gè)分區(qū)的參數(shù)組合，并對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確立最優(yōu)的照明方案。

3.2 模式一：依托不發(fā)光工作面進(jìn)行的活動(dòng)

該模式含紙質(zhì)材料閱讀、書(shū)寫(xiě)和繪畫(huà)，通過(guò)墨水屏設(shè)備閱讀及手工制作等活動(dòng)，參考平面為0.75 m水平面，照度標(biāo)準(zhǔn)值為500 lx，照度均勻度標(biāo)準(zhǔn)值為0.60。該模式下工作面自身不發(fā)光，進(jìn)入人眼的光線主要是反射光，活動(dòng)過(guò)程需要對(duì)紙質(zhì)物、墨水屏上的內(nèi)容和手工制作的細(xì)節(jié)進(jìn)行清晰識(shí)別。裝置調(diào)節(jié)為該模式時(shí)，光源將轉(zhuǎn)換為中間色溫（3 300～5 300 K），同時(shí)提供柔和的頂部光線和左側(cè)光線，避免桌面陰影的形成（圖10～圖11）。

3.3 模式二：依托自發(fā)光設(shè)備進(jìn)行的活動(dòng)

該模式主要考慮通過(guò)LED/LCD等電腦屏幕進(jìn)行的活動(dòng)及通過(guò)手機(jī)、平板等的LED屏幕進(jìn)行的活動(dòng)（電腦屏幕中心的參考高度取1.05 m），參考平面為0.75 m水平面，照度標(biāo)準(zhǔn)值為500 lx，照度均勻度標(biāo)準(zhǔn)值為0.60。除滿足相關(guān)光環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，還需考慮屏幕和正向壁面對(duì)比度的控制（實(shí)驗(yàn)中液晶屏幕亮度為常規(guī)值500 cd/m2），避免反差過(guò)大對(duì)眼睛造成傷害。項(xiàng)目組線下主觀舒適度調(diào)查顯示，壁面亮度接近但略低于屏幕亮度時(shí)較為宜人。裝置調(diào)節(jié)為該模式時(shí)，靠后的3個(gè)燈盤(pán)亮度將適度提高，使屏幕周圍環(huán)境（背景壁面）的照度達(dá)到1 000 lx，形成較為適宜的對(duì)比度（圖12～圖13）。

3.4 模式三：其他活動(dòng)

該模式對(duì)應(yīng)的活動(dòng)用眼強(qiáng)度不高，對(duì)于照度均勻度等數(shù)據(jù)的要求相對(duì)較低，但具有較為差異化的光環(huán)境需求，項(xiàng)目組對(duì)不同活動(dòng)進(jìn)行了研究測(cè)試，制定對(duì)應(yīng)的照明方案。在這些照明參數(shù)的基礎(chǔ)上，使用者可進(jìn)一步根據(jù)自身的偏好和需求調(diào)整照度、色溫等。“其他活動(dòng)”含有多種拓展模式，僅列舉“拷圖板模式”“用餐模式”“娛樂(lè)氛圍光模式”3例。

3.4.1 拷圖板模式

該模式主要適用于拷圖板的使用，參考平面為0.75 m水平面，照度標(biāo)準(zhǔn)值為50 lx，照度均勻度標(biāo)準(zhǔn)值為0.40。為讓使用者能看清置于拷圖板上多層紙面的信息內(nèi)容，裝置將適度降低頂部及側(cè)面光源的整體亮度，保證下部拷圖版光線的主導(dǎo)性，以使紙面信息具有較高的清晰度（圖14～圖15）。此外，調(diào)研表明，學(xué)生在使用拷圖板時(shí)常有輔助材料閱讀的需求，因此，該模式下桌面靠近衣柜側(cè)照度較低，用以放置拷圖板，而靠近日光模擬系統(tǒng)一側(cè)照度較高，可供使用者進(jìn)行輔助材料閱讀。

3.4.2 用餐模式

該模式主要適用于用餐，參考平面為0.75 m水平面，照度標(biāo)準(zhǔn)值為150 lx，照度均勻度標(biāo)準(zhǔn)值為0.40。此類宿舍活動(dòng)用眼程度較低，對(duì)照度均勻度和對(duì)比度要求不高，重點(diǎn)在于營(yíng)造溫和舒適的光環(huán)境。色彩心理學(xué)領(lǐng)域的研究表明，暖色的燈光（如黃色、橙色）能有效促進(jìn)用餐者的食欲。該模式下裝置將提供低色溫光線（3 000 K以下），用以營(yíng)造溫暖適宜的用餐空間氛圍。此模式下的色溫、亮度等參數(shù)可以根據(jù)使用者喜好和需求手動(dòng)調(diào)整（圖16～圖17）。

3.4.3 娛樂(lè)氛圍光模式

該模式主要適用于日常用眼強(qiáng)度不大而對(duì)空間氛圍有特殊要求的娛樂(lè)活動(dòng)（聽(tīng)音樂(lè)、聚會(huì)游戲等）。該模式下，各燈盤(pán)的亮度、色溫等參數(shù)可以根據(jù)使用者的需求手動(dòng)調(diào)整，且可動(dòng)態(tài)變化，營(yíng)造豐富多變的光環(huán)境。裝置將內(nèi)置一些預(yù)設(shè)的主題氛圍，使用者也可通過(guò)裝置的配套APP定制個(gè)性化的燈光方案（見(jiàn)圖18）。

3.5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)光空間定量實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目組為不同的活動(dòng)模式確定了對(duì)應(yīng)的照明方案，方案的光源參數(shù)將被輸入控制系統(tǒng)（見(jiàn)表2）。使用者可一鍵遙控，裝置將根據(jù)當(dāng)前活動(dòng)調(diào)節(jié)光源參數(shù)、轉(zhuǎn)換照明方案，通過(guò)6個(gè)光源分區(qū)的靈活組合，使光空間中的各項(xiàng)光學(xué)參數(shù)達(dá)到健康照明標(biāo)準(zhǔn)，為使用者提供健康適宜的光環(huán)境。

4 組合床燈光裝置的技術(shù)實(shí)施

4.1 適應(yīng)性支架系統(tǒng)

宿舍組合床燈光裝置除主體照明系統(tǒng)外，其支架系統(tǒng)也有重要作用。不同尺寸組合床要求支架系統(tǒng)具有一定可調(diào)性和靈活性，為裝置的推廣應(yīng)用提供了可能。經(jīng)過(guò)前期對(duì)重慶大學(xué)校內(nèi)宿舍調(diào)研及組合床的測(cè)量統(tǒng)計(jì)，組合床燈具支架系統(tǒng)的總尺寸在長(zhǎng)120～200 cm、寬60～90 cm、高80～110 cm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)伸縮調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)基本模數(shù)為5 cm，長(zhǎng)向可調(diào)范圍為80 cm，寬向可調(diào)范圍為30 cm，高向可調(diào)范圍為30 cm（見(jiàn)圖19）。

表2 各模式重要標(biāo)準(zhǔn)值及輸出參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4.2 一體化裝配設(shè)計(jì)

考慮到組合床燈光裝置在不同宿舍空間中的適應(yīng)性、燈具安裝的便利性及對(duì)其他使用需求的兼容性，裝置設(shè)計(jì)中除采用靈活可調(diào)的適應(yīng)性支架系統(tǒng)外，還通過(guò)一體化設(shè)計(jì)方式，結(jié)合燈具安裝要求和組合床空間儲(chǔ)物等需求設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的裝配系統(tǒng)（見(jiàn)圖20），并對(duì)支架系統(tǒng)進(jìn)行連接點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖21）。裝配系統(tǒng)采用懸掛、海綿膠粘貼、螺釘固定3種連接方式，其中燈具安裝采用了螺釘固定的方式。根據(jù)上述設(shè)計(jì)，項(xiàng)目組制作了1：3實(shí)體模型（見(jiàn)圖22）。

5 結(jié)論

健康照明日漸成為建筑照明研究的重要話題，因此，項(xiàng)目在設(shè)計(jì)研究初期就融入健康照明理念，并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬軟件改進(jìn)照明設(shè)計(jì)，優(yōu)化產(chǎn)品選型，控制照明策略。該設(shè)計(jì)不但滿足了大學(xué)生的健康照明需求，實(shí)現(xiàn)照明樣式的美觀，同時(shí)也提升了照明系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保性能。項(xiàng)目設(shè)計(jì)的宿舍組合床燈光裝置在健康照明的核心理念下，對(duì)宿舍光環(huán)境起到了明顯的改善作用，從安全、高效的照明延伸到舒適、健康照明。同時(shí) LED 與智能控制為健康照明提供技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、高效管理與高品質(zhì)光環(huán)境控制的照明目標(biāo)。