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北京植物园展览温室照明设计

2007-02-06 作者：admin 来源：照明工程师社区浏览量：网友评论： 0 条

摘要： 通过对展示各类植物的大型温室照明设计，概括出玻璃建筑内透光的夜景照明方式，以及对不同温度、湿度、色彩要求的花卉灯具选择、系统设置等问题供参考。

摘要：通过对展示各类植物的大型温室照明设计，概括出玻璃建筑内透光的夜景照明方式，以及对不同温度、湿度、色彩要求的花卉灯具选择、系统设置等问题供参考。

北京植物园展览温室坐落于京城西郊香山脚下，地上部分为钢架全玻璃围护结构，总建筑面积9800㎡。根据总体展示要求，分为热带雨林、沙漠植物、棕榈与四季花园、兰花与专类植物等四个展区，共栽植来自世界各地的珍稀植物3000余种，近万株。自向公众展出以来，受到普遍的赞誉，荣获90年代十大建筑的称号。

·展览温室总体状况及照明要求

·展览温室照明要求

满足展室内固定栽种植物生长的必要光照；具备夜间开放展出的照明条件；根据建筑特点及布展情况，营造出生动的光环境；展现及强调建筑本体的形态及特点。

·展览温室人工照明设计功能

设置具备必要光谱成分、强度适宜的补光照明：确定适当的光照时间和补光量，使展览植物的光照环境与其原产地环境不发生大的变化，从而保证植物形态不因地域不同而产生变异。

提供高显色性的适宜的照明条件：使参观者能够充分欣赏被展植物的生动形态及细节。

选择适宜的光色、照度及照明投射方向：根据展区的设置，力求营造出生动的光环境，参观者会有身临其境的感觉。

设置适宜的照明方式：强调全玻璃建筑的形态及特点。关键在于必须精心设计出一套完整的照明系统，以分别满足上述功能需求。对于对其进行必要的分析、论证。

·温室光照分析与补光设计

展室内植物来自世界各个不同纬度的地区，要让它们在北京良好地生长，并保持其原有的形态不产生变异，除了必要的土壤条件及合适的温湿度环境外，合理的光照也是不容忽视的因素。为此，应对植物生长过程中光照作用进行深入地研究。

·遵循植物生长阶段的发育理论

春化阶段：这时植物处于萌芽期，外界条件中的湿度和温度起着主要作用。

光照阶段：植物发芽并长出最初的几片绿叶之后，叶绿素通过光合作用把水和二氧化碳转化成有机物质。这时，光照时间的长短会影响植物的生长与其形态的形成，特别是对植物的性器官(花)的发育形成起着至关重要的作用。比如苏铁，在北方约10年开一次花，而在日照时间较长的云南、广东等地几乎年年开花；橡皮树在北京几乎不开花，而在印尼、马来西亚却经常开花；椰树在海南开花结实，而在广东便只生长，不结果。

光谱阶段：经植物专家长期分析研究获悉，植物生长至一定阶段后，光谱成份便开始对其发育生长起作用：紫色光与紫外线(波长300—440nm)是促进植物形成色素的主要光能，并直接影响植物对磷和铝元素的吸收和维生素D、角质层的形成，以及干物质的积累；蓝色光(波长440—490nm)可以活跃叶绿体的活动，促进光合作用；绿色及黄色光(波长500—600nm)抑制叶绿体的活动，使光合作用下降；橙红色光(波长600—700nm)能大大增强植物的光合作用，有利于促进植物生长。但应避免过多时引起植物枝蔓的过度生长。

同时，植物对不同光谱的吸收也不同，吸收最多的是橙红色光，其次是蓝紫色光及紫外线(波长300、500nm)，而对绿黄色光(波长500-600nm)则吸收较少。不同地区、不同习性的植物对光照的吸收能力也不一致，喜阳(阴)性植物一般可吸收落在其叶面上80％(60％)的光线。

照度阶段：在这个阶段，光照强度是影响植物生长的关键性因素。其作用多是促进果实的发育成熟，比如象王莲、番茄等植物，必须保证有足够强度的光线照射，才能开花结果。

·不同地区日照时间对比

由图1的主要地区全年日照时间曲线中可以看出，由于北京地区所处位置纬度较高，其冬、夏两季日照时间差异很大(接近6h)。相对于纬度较低的海南地区，夏至日照要长lOOmin，而冬至日照度又短lOOmin。这显然会严重影响温室中热带植物的生长，甚至会使部分植物形态发生变异。还有一个不容忽视的问题是温室玻璃对光照强度的影响，尽管已从法国引进了超白玻璃，但其对阳光的吸收和反射仍是相当可观的。经分析计算，顶部玻璃大约要吸收9％的直射阳光，并要反射出5％，合计约14％的光损。侧壁玻璃由于角度大，反射率可以忽略，但仍有9％的吸收率。

·展区具体分析

热带雨林区：该展区的植物大部分来自西双版纳、海南岛和广东地区，植物种类多为乔木或小乔木，生长期各有长短。在光照时间上，夏季应进行60-lOOmin的遮阴，而冬季则需进行60~lOOmin的人工补光，以满足植物生长的需求。补光光源的光谱成份中应含有较多的蓝紫色光及紫外线，而橙红色光谱成份则应适当控制，这样有助于干物质的积累并防止枝叶疯长。北京地区冬季晴天的日平均照度计算值为70001x，其经顶部玻璃(约占直接采光面积的30％)吸收、反射后的损失为7000×14％×30％=2941x；侧壁玻璃造成的损失为7000×9％×70％：4411x；合计光损为7351x。

在热带雨林展区内还有一个王莲池，由于这类植物性喜暴晒，故设置专用照明器来长期增加光照强度，使其能够良好地生长。

沙生植物区：这个展区设在二层，是整个温室中光线最充足的地域，面积约1000㎡，栽种了仙人掌、芦荟和大戟等科上百种植物。其产地多为低纬度沙漠地带，如墨西哥、巴西和北非等，大部分植物需要强烈日照，且对光照时间较为敏感。橙红色光的大量应用非常有利于植物生长，且不会发生枝蔓疯长的现象，适当补充紫外线，以促进角质层的形成。同样，可以计算出日照损失约为8401x。

该展区还有一个低温的高山植物展箱。考虑到植物原生地多为高纬度地区，日照时间分布与北京地区相似，故勿需进行可见光的补充。然而要注意的是高山地区大气稀薄，日光中紫外线含量远远大于平原，所以设置紫外线光源来适应植物的需要。

四季花园与棕榈区：这个综合性展区的植物来自四面八方，特别是大量花卉植物还将定期更换，因而对这个区域植物生长的补光措施主要针对固定栽植的棕榈、苏铁、芭蕉、鸡蛋花和龙血树等。这些植物多生长于云南及两广地区，日照时间与北京相差约60min。玻璃造成的光损失约为8501x。

兰花与专类植物区：这里展出了各种热带兰花，部分蕨类、几十种凤梨及十几种食虫植物。由于前两类原生于热带森林的下层，具有喜阴蔽的生态习性，故这个展室主要考虑的是遮阴措施。

·展览植物观赏照明

要使参观者能够愉快地欣赏千姿百态的植物，展区的照明必须具备足够的照度、良好的显色性、合适的亮度对比及眩光的有效控制。由于这方面的设计理论已研究多年，且物理量化指标比较明确，不是本文讨论的重点，简述如下：

·照度确定

物体必须有足够的亮度才能被观察者识别，这是基本的原理。当物体自身不能发光时，由外界提供一定的照度以确保物体具备足够的亮度，这是照明的初步阶段。但物体的大小(视角的大小)与速度(包括显现时间与移动速度)也是识别物体的重要因素，而且与照度的确定有很大关系。通过长期的研究和实验，照明专家们总结出照度与视觉的基本关系，由易读性图表中可以看出，当物体直径在变化时，易读性也随之变化。当确定识别物体的大小后，易读性随照度的加强而增加。对观赏植物来说，其种子或花蕊应是一般观察的细部，故按3mm来取值是较为合适的，这时易于辨认的最低照度值约为7001x。同时在另一项实验——抹消作业的实验结果中可以看到：当照度低于5001x时，观察分辨物体所需时间会迅速增加，随之则是视觉疲劳的产生。而当照度值大于10001x时，则分辨物体的时间变化很小，这都说明所选取的照度值应该在10001x以上。

·色温与显色性

有了合适的照度，只能使参观者看清楚植物的轮廓和细部形状，并不能完全真实地辨别其全部特征，这其中的关键因素就是颜色。比如在标准黄色光照射下，一朵黄色与一朵白色的花卉看上去颜色几乎没有差别；而在白炽灯与荧光灯分别照射下，同一件红色物体所显现出来的颜色差别，会被绝大多数观察者明显地觉察，这均与光线的光谱构成有关。所以，要使被照植物显现其娇艳的本色，必须满足显色性的要求，也就是说，照明光源的光谱应该是连续的，且不应在不同波长的光谱中出现较大的差异。

·对比与投光

在一般的室内照明设计中，常常可以将视觉工作面与其周围环境加以区分，并分别控制其照度水平，以达到较好的照明效果。这在博物馆和美术展览馆的照明设计中应用得相当广泛，但在植物温室(尽管也是展览馆)则不尽相同。这里除有限的参观道路外，四面八方、高低错落，几乎栽满了各类植物，其中任何一株均有可能成为参观者感兴趣的观察对象。既然无从区别其主次，也就无法有效地吸引参观者的目光和注意力。所以，空间亮度对比的方法在这里是不适用的。那么，怎样使面前的大片植物避免千篇一律呆板沉寂的感觉呢，只有从光线的照射方向上来下功夫。

当光线垂直向下照射一个物体时，阴影在物体的正下方，这时给观察者的感觉是完全静止的。随着光线转到45°时，阴影移到物体的斜下方，虽然静止的感觉没有变，但立体感明显地增强了。这时将光源继续降至物体的侧面，水平地向物体投射，此刻阴影向远方延伸，便产生了不稳定的感觉。若加设一两个光源，与原来的光线保持一定的角度，会注意到阴影变淡了、变虚了，物体表面的明暗界面也变得模糊了，确定的位置感与界限感不复存在。

当再次回到温室的展区，将照明灯具布置在四周和顶棚的几个部位，投光方向各不相当，增加了植物的受光面，增多了叶面的反光角度。参观者此时观察植物时，每移动一个角度就会有一种变化的照明感觉，终于克服了“平淡”。

·展区光环境设计

光线是一种神奇性的物质，它将物质世界展现于人们面前，使被照物变为可见，但它本身却是不可见的。光线可以在对空间完全不加以变动的情况下，仍然起到修饰空间的作用。比如利用光增大或缩小其空间感，使不相关的空间之间发生联系，区分不同的区域，或给空间赋予色彩。光还可以帮助记忆，使人产生联想，影响人的情绪。因此，如果照明设计仅考虑照度、显色性等物理特性，只满足视觉生理方面的最佳工作环境，而忽略心理方面的视觉环境，其结果往往令人失望。只有充分考虑到参观者在展区中的活动需求以及心理特点和视觉环境，注重人对照明的感受，才能获得照明设计赋予视觉环境的最大享受。

·热带雨林展区光环境

热带雨林区1300㎡，空间高度约17m，是温室中植物栽植最茂密的景区。天然雨林中的绞杀、附生现象，板根、老茎生花及独木成林等典型的雨林景观均有所展现。建筑师的景区布置采用欲扬先抑的设计手法，游人通过遮天蔽日的林木进入雨林的主景。景区内还设置了喷雾加湿和人工降雨设施，加上小溪、飞瀑、吊桥、倒木等人造景观，与种类繁多的雨林植物一起构成了独特的景观。那么，如何确定展区的环境主题呢?不够壮丽，不是秀美，说它神奇，似乎还不够准确。应是神秘，只有神秘才能正确地反映参观者的心理感受。因而，工程中采用的高色温下射光线，通过枝叶的缝隙向下照射。光线经过迷漫在空气中的水雾之后变成漫射，光束不再集中且变幻飘移不定。林荫石径上苔青路滑，时而有不知是露水还是雨水滴在游人的肩膀上，头颈里……。这样的照明设计已经接近成功。

·沙漠植物展区光环境

沙漠植物区域位于温室二层，主要展示来自世界各地的仙人掌类和多浆类植物，同时展现干旱沙漠地带的景观。想想沙漠的样子，阳光强烈照射、满目黄沙、空气燥热，仙人掌类植物上也粘满沙土，显得无精打采。这的确是典型的沙漠景象，但却不是我们所需要的。耐心地等到夕阳西斜，黄红色的低角度光线充满了天空，高大的仙人掌投下长长的黑影，空气渐渐地变得凉爽，沙漠恢复了生机，小动物和昆虫开始外出活动，仙人掌类植物也含苞欲放。这些才是人们所追求的动人沙漠景色。
其黄红色的光线可以选用卤钨灯和低色温气体放电光源。为了使景区内的植物也能投下明显的阴影，采用窄光束投光灯，并将其全部灯具均设置为向一个固定方向的倾斜照射，达到了预想的目标。

·四季花园展区光环境

这个展区的主要部分是一个椭球形的玻璃建筑，中心一组喷泉水池，周围布置了种类繁多、千姿百态的各色花卉。在白天，具有充足的天然光线，成为最吸引观览者的地方。但是当天色暗淡之后，大面积的玻璃穹顶和四壁由于不能反射光线，因而始终是黑暗的。所以，如果试图将光环境仍定位于模仿阳光明媚、鸟语花香的情景，肯定会是费力不讨好。必须另僻稀径，设法缓和由于四周大面积暗淡给人们心理造成的影响。因此，将高强度气体放电灯均匀地布置在椭球的顶部和四周，向中心下部投射，造成布展植物与四壁明显的亮度差，以期将观众的注意力吸引过来。同时由于气体放电光源亮度极高，布设在黑暗的顶部和四周，有意利用局部的眩光迫使人们的目光避开而转向中间，这可以算做是光环境的一种反向思维的应用。

·光线强调建筑形态

展览温室的建筑设计极具特色，曾被评为北京市1997年度十佳建筑方案之首。在白天，人们自然可以领略其生动的造型和艺术趣味。当夜幕降临之后，怎样利用照明重新激发建筑本身的艺术活力，这是一项很有诱惑力的工作。

首先注意到，温室建筑是由玻璃构成的。由于玻璃几乎不反射光线，而无法象常规材料那样将其照亮。也正是由于玻璃的这种透光特性，使得室内光线透射出来使人们看到温室仍然是光彩夺目。正是基于全玻璃建筑的这一特点，进行夜景照明方案的设计构思。

·利用和处理大量室内光线与建筑的平衡关系

这当然是最主要的，如前所述，本工程的室内照明系统大约使用了300余只400W或250W的金属卤化物灯，且是相对均匀地布置在温室的各个顶部。各区域照度和空间亮度相差不大，这使得温室已经获得了一个亮度均匀的建筑外表面。恰巧由于室内环境多为中湿或高湿场所，空气中的水气使得光线大量散射和折射，不仅消除了光源的眩光，同时产生了类似珍珠表面的辉光感觉，使整个建筑显得更加典雅和生动。这时，如果有过多的室外光线投射上去，反而有画蛇添足的感觉。因而，在室外照明的配置上必须谨慎地处理这些关系。

·处理好西北面大圆弧型玻璃的外侧光线

从建筑立面可以看到，按轴线关系设有20组弓型钢管支撑，顶部有宽约3m的铝合金遮阳挑板，其浓重的黑影对比明亮的玻璃表面，显得有些冰冷和生硬，应该设法淡化这种感觉。设计采用设在顶部的日光色金属卤化物灯水平投向遮阳挑板，来强调建筑外轮廓的造型特点，使其与东南立面的椭球部分构成强烈对比，而避免了雷同。对立型支撑，采用设于地面的150W暖色金属卤化物灯，从根部沿钢管架向上投射，控制其表面亮度略低于玻璃表面，这样既软化了钢管架冷硬的特性，又不会对玻璃球产生喧宾夺主的感觉。

·有效地控制室外照明

如前所述，为了突出主体建筑的效果，在室外照明灯具的选择上，尽量避免视觉干扰，故在沿建筑物西北侧的环路上，选用了高度为1．1m带漫射罩的庭院灯作为道路照明，而在东南向主入口的前广场全部采用埋地灯，台阶部份也采用了埋在侧板上的小型灯具。在每步台阶扶手处设置了一个埋地灯，光线向上投射到不锈钢管扶手弯头，形成有趣的反射光斑，活化了气氛。

最终，实施的夜景照明方案效果新颖独特：在浓重的山影与林木的衬托下，一座晶莹剔透、闪烁着柔和辉光的玻璃建筑恬静地矗立着。地面上时隐时现的灯光与天上的星星相映成趣，远离了城市与现代文化的喧嚣与浮躁，体现了回归自然的主题。

工程回访

展览温室的工程建设周期不到三年时间，照明设计与设备安装等系统是在边设计边施工的状态下完成的，因而也留下一些尚待解决的问题。而有些则受条件限制，成为缺憾。仍有未完成的项目与不足之处：

由于资金不足，工期过紧，无法为本项目设计开发适合的专用光源与灯具，只能使用通用产品，这造成照明效果在若干局部位置上未能达到令人满意的效果。

照明系统安装后，未经调试即行投入使用。尽管总体效果反映良好，但还存在诸多有待改进之处，已成为下一阶段的任务之一。

测试工作尚未进行，主要原因也是由于调试工作还没有完成。另外，补光效果的分析测试及其对展览植物的作用分析是一项长期研究项目。目前正与植物园科技人员协调工作。

自动光控系统仍未完成全部器件安装，因而还不能运行，目前只好人工操作。门前广场部份水平照度略显不足，现正在研究补救措施。

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