当前位置：首页 > 技术线 > 正文

水立方LED建筑物景观照明研究与工程(图)

2008-05-20 作者：李兴林，恽为民，林若慈，李农来源：阿拉丁照明网浏览量：网友评论： 0 条

摘要： 本文简要介绍了国家游泳中心“水立方”LED建筑物景观照明研究与工程的概况。

　　国家游泳中心“水立方”的建筑物景观照明(立面加上顶面共5万平方米)采用大功率RGB型LED，并在南立面设置了2000m2LED点阵显示屏。工程巨大，技术难度很高。在国家科技部、北京市政府的大力支持下，立了两项课题《国家游泳中心半导体照明规模化系统集成技术研究》、《奥运场馆LED照明——LED在国家游泳中心建筑物景观照明上的应用研究》进行相关研究。前一项课题为国家863计划重大课题。目前课题的主要研究工作已基本结束，进入后期结题阶段。由于参与课题各方的努力，课题研究已经取得了可喜的成果。现在工程进展顺利，四个立面的照明已经点亮，已向世人展现出了一个“晶莹璀璨”的“水立方”，再过一阶段一个“色彩斑斓”的“水立方”将呈现在全世界人民的面前。现在我们把课题研究和工程的主要情况汇报如下：

　　1.LED建筑物景观照明设计研究(李兴林执笔)

　　众所周知，“水立方”是以“水”为主题的建筑，四个立面与顶面均是由形状模拟水分子结构的两层气枕所构成，两层气枕中间是按“泡沫理论”形成的钢结构。

　　1.1照明方式的研究

　　四个立面的内外气枕是由3层ETFE膜构成，顶面的内外气枕是由4-5层ETFE膜构成。ETFE膜对各种波长光的透射率很高，见图1。

　　如采用“外投光照明方式”，由于没有良好的反射面，大部分光通将透过气枕投射到建筑内部，形成干扰光，气枕表面亮度不会很高，将无法达到预期效果，特别是对于顶面无法实现外投光照明。而且如采用外投光照明，在建筑物四周要树立支架，对环境将会有不利影响。

　　如采用“一般内透光照明方式”，由于光线需要经过6-8层膜才投到外层气枕外层ETFE膜上，光的损失较大，气枕外表面亮度也不会很高，同样达不到预期效果。

　　由于“水立方”外表面虽有弧度但很光滑平整，气枕的边框尺寸较小，不适宜在上布线和布灯，而且如采用“笼廓照明方式”将破坏建筑物的立面效果，所也不宜采用“轮廓照明方式”。

　　通过各方多次论证与现场实验，确定采用了“空腔内透光照明方式”，即在固定外层气枕的钢结构内侧安装灯具向外侧投射的照明方式，这样光只透过单个气枕，光的损失仅为空腔内透光照明方式的一半，可达到较为理想的照明效果。这种照明方式的采用，为建筑物景观照明增加了一种新的方式，开创了建筑物景观照明的先河，对于膜建筑和玻璃幕墙建筑的建筑物景观照明有着重要意义。

　　1.2 光源选择的研究

　　由于两层气枕之间尺寸相对狭小，散热条件较差，不适宜安装尺寸较大、散热量较大的光源。在这样的条件下，比较适合的光源只有荧光灯与LED灯两种光源，因此我们重点对这两种光源进行了多次多方案技术经济对比。LED寿命长，达5万小时，是T5管的2.5倍。在整个寿命周期内，LED是性价比最好的产品。LED不含汞，低辐射，废弃物可回收，有利于环保。光分布易于控制，通过一次、二次光学设计，通过光学透镜使光投射到需要的部位。易于集成，集计算机、网络通讯、图像处理等技术为一体，可在线编程，适时创新。可纳秒级快速响应，瞬时场景变换。更主要的是色彩丰富，利用三基色原理，照明可形成256X256X256种颜色;在点阵屏上可形成8192X8192X8192种颜色。灯体尺寸小，易于与气枕的边长尺寸配合。

　　如采用荧光灯，由于含有汞不利于环保。由于灯体尺寸较大，无法利用透镜只能利用反射体来进行布光，配光曲线很难理想。荧光灯尺寸较大不宜与气枕的边长尺寸配合。荧光灯是气体放电灯，响应速度较慢，无法实现场景快速变换，不利于场景设计。而且荧光灯RGB三色的混合也将是一个难题，需要开发新的灯具。荧光灯调光镇流器需要在一定电流时才能稳定工作。如采用荧光灯不仅所需功率而且消耗的电能都要显著地大于采用LED的方案。

　　通过多方多次多方案论证，最终确定采用LED光源。

　　1.3布灯方式的研究

　　“水立方”要求LED灯具白天不要影响建筑外观，夜晚LED照明不要影响室内的照明，做到见光不见灯。由于LED光源表面亮度较大，如投射方向和角度不合适，在一定位置会看到光斑，影响照明效果。经过大量现场试验，确定了在气枕的下侧钢结构框上安装灯具，向上投射，这样就不会看到光斑。我们把这种布灯方式称为“沿边布灯单向投射”。这种布灯方式将是“空腔内透光照明方式”的主要布灯方式，为以后其他建筑物采用“空腔内透光照明方式”时，解决了布灯方式的大问题。

　　1.4 色彩构成的研究

　　“水立方”是以蓝色为基本色调的建筑，灯光是否还需要红光也成为探讨的话题。蓝色象征“水”，红色象征“火”，“水”与“火”是矛盾的统一体，有了红色会增加水的美。特别是在奥运期间或赛后的重大节日期间，为与喜庆的气氛相协调必须要有红色。采用RGB三基色，灯具可混合出256X256X256种色彩，点阵屏可混合出8192X8192X8192种色彩，丰富的色彩为场景设计提供了广阔的空间和舞台。

　　1.5场景构成的研究

　　上述的照明方案虽能在一定程度上满足照明均匀度、色彩等方面的要求，但是无法形成动画，构图比较简单，还不能满足奥运会以及赛后运营的需要。经过多次现场试验，确定了在南立面装设2000m2点阵屏，与四个立面及顶面的灯光共同构成宏伟壮观的场景。通过系统集成技术，还可与护城河照明、环境照明、室外音响联动，光色与音响共同形成更加宏大的场景，诗情画意将使人们心神陶醉。

　　1.6 LED灯具RGB功率比的研究

　　在通常白平衡情况下，RGB的亮度比(光通量)为3：6：1。由于ETFE膜呈浅蓝色，灯光经过多层ETFE膜以后，会产生色移，色坐标X值与Y值发生变化。另外蓝光LED的光通量较红光或绿光LED光通量偏低。如何配置RGB的功率，为以后场景设计提供一个良好的硬件平台，这是一个非常关键的问题。通过多次现场试验确定了功率比为RGBB。

　　1.7 LED芯片及光源主要参数选择的研究

　　半导体照明产业是一个高新技术产业，是一个朝阳产业，正在逐步走向大规模应用，其应用范围正在逐步扩大。由于环保节能，各发达国家政府都制定了本国的发展计划。我国半导体照明产业近几年来得到了飞速发展，但与发达国家相比仍有较大差距，一些重要专利掌握在国外的企业手里。在对国内外有关产品深入调查的基础上，最终确定采用国际著名品牌的芯片，立面照明LED采用国外封装。顶面照明LED可采用国内封装，点阵显示屏LED可采用国内芯片及封装。

　　招标结果顶面照明也变成了国外封装。由于LED有区别于传统光源和灯具的一些参数。如何选择和确定这些参数也成为了研究的课题。

　　⑴单颗大功率LED功率和额定工作电流的选择

　　按照功率对LED进行分类，一般把0.5W及以上的LED称为大功率LED。国际著名品牌lumilaids、Creen、Osram的产品系列，额定工作电流为350、500、700、1000、1500mA等几个等级。在采用同样技术的条件下，单颗LED功率愈大，光效愈低，但可减少灯具数量，有利于节省投资;单颗功率愈小，光效愈大，但每个灯具内需要LED的颗数增加，灯体尺寸增大，增加了光学透镜的技术难度，对配光曲线有不利影响。在综合考虑技术、经济以及产品成熟的程度与实际使用经验等因素的基础上，确定了单颗LED额定工作电流为350mA,即功率为1W。

　　⑵峰值电流的选择

　　根据国际几家著名品牌的产品，对于350mA的LED其峰值电流有500mA、700mA两个系列。峰值电流为700mA系列的产品较新，价格较贵。最终确定峰值电流选择500mA系列产品。

　　⑶单颗LED光通量的选择

　　国际著名品牌的产品，不同LED系列产品的光通量不同。考虑到价格与产品的成熟程度，最终确定，在额定工作电流下，RGBLED的光通量分别为35、60、15Lm。

　　⑷LED主波长的选择

　　主波长是决定LED颜色的主要参数，选择正确与否会对场景效果产生影响。我们选择LED主波长为：R:622-629nm,G:520-525nm,B:465-470nm。

　　⑸LED半波长宽度与色纯度的选择

　　这两个参数实际上表示LED的同一个光学性能。LED半波长宽度选择：R：20-25nm、G:35-40nm、B:25-30nm;LED色纯度选择：R：≥97%，G：≥75%，B：≥95%。

　　(6)LED芯片允许工作结温的选择

　　允许工作结温愈高，产品性能愈好，价格愈贵。综合考虑产品成熟程度与价格因素，LED芯片允许工作结温大于125℃。

　　⑺最大工作壳温的选择

　　这是对封装技术要求的一个参数，最大工作壳温愈低，对封装散热要求愈高。表明封装散热技术愈好。最大工作壳温选择110℃。

　　⑻LED光源热阻的选择

　　热阻这个参数直接反映了封装技术的水平。散热技术愈好，热阻愈低，光衰

　　愈小，灯的寿命愈长。我们选择PN结至封装底座的热阻：R:≤12℃/W,G、B：≤10℃/W。

　　⑼LED的寿命与光衰的选择

　　LED的理论寿命为100000小时，但现在国际上实际能达到的是50000小时，即使用50000小时后，光衰不超过30%，光通量仍能保持初始值的70%。

　　1.8对灯具效率的要求

　　在对国际著名品牌灯具效率考查的基础上，我们提出了对LED灯具效率的要求。灯具输出光通量不小于芯片封装后的光通量的80%。

　　1.9对驱动电源效率的要求

　　水立方LED建筑物景观照明可以采用几种电源驱动方式。为了系统的功率损耗，节约能源，在考查了国际著名品牌产品参数的基础上，我们提出了对驱动电源总体效率的要求，从交流电源到芯片的效率大于75%。

　　1.10 对灯光网络控制系统通讯协议的要求

　　国际上灯光网络控制系统流行的通讯协议是DMX512，、欧洲的ARTnet、美国

　　的CAN。根据我国在IPv6的试验应用上，已有一定经验，整个奥运公园灯光网络控制系统采用了IPv6协议，水立方灯光网络控制系统上层采用IPv6协议，同时兼容DMX512协议。

　　2.水立方LED照明灯具研究(恽为民执笔)

　　针对水立方的特点，我们专门设计了两种灯具，分别用在水立方的立面与顶面。

　　2.1立面照明灯具

　　立面灯具有两种规格，针对气枕多样性、复杂性我们设计了四种模组，封装于灯体内，造型一致，只是各模组的LED透镜角度不同，每个模组有4颗1W的功率型LED，排布是“B R B G”，每个模组及灯具支架可通过刻度罗盘调节需要角度并锁紧。

　　2.2顶面照明灯具

　　顶面景观灯具内为单模组，模组有4颗1W的功率型LED，排布是“B R B G”，同样模组及灯具支架可通过刻度罗盘调节需要角度并锁紧

　　2.3灯具特性：

　　(1).外形

　　我们汲取了水立方的方的造型和气泡分子结构，设计此款外型简洁、精致的LED景观灯具，灯具外表面采用抗老化、防紫外线、能耐温120°C的塑粉，颜色同气枕钢结构颜色。

　　(2).散热

　　LED的理论寿命很长，但影响寿命的真正关键是LED芯片的散热问题，须科学计算材料的热阻和灯具的散热面积，控制芯片的温度在允许的限值内。设计了从内到外的一体化的散热通路，很好地解决了LED的散热问题，从而保证了LED灯具的系统寿命。

　　(3).防水

　　灯具面盖和灯具之间采用环状O型德国进口抗老化防水硅橡胶圈，能长期很好的起到防水和防尘的作用。

　　灯具内积水现象主要有灯具和电缆、信号线等方面的原因。

　　①因灯具点亮的发热和熄灭后冷却，使灯具内外产生压差，形成热胀冷缩的现象，从而吸进水蒸气，水蒸气在灯具内产生凝结现象，从而大大影响灯具的发光效率，而且灯具内还会因潮湿而影响LED灯具的系统寿命。我们采用了平衡压差的透气罗塞，使内外的压强一直保持平衡，避免水气的进入而使灯具内产生水气凝结现象。

　　②在产生热胀冷缩现象时，灯具电缆、信号线的护套形成通道，灯具也会吸进水气，灯具内产生水气凝结现象，我们采用了防负压电线、电缆专有技术，从而避免了由于热胀冷缩从线内吸进水气的现象。

　　(4).灯具材料

　　采用铸铝合金材料，压铸成型，易加工，散热好。

　　(5).灯具效率

　　灯具采用光学透明玻璃的菲涅耳透镜，能使输出光损失达到最小。从LED芯片的配光和二次透镜的设计上，我们都运用了先进的配光设计软件和精密的测试仪器多次测试，并采用光学PMMA透镜材料，使光的输出达到最大，从而使灯具的发光效率达到80%以上

　　(6).LED的选择

　　在满足招标要求中LED的所有指标的基础上，在颜色的一致性、亮度、品质上最好的大功率LED生产基地之一的国际著名公司CREE,并根据CREE公司出产的不同批次，我们在使用前又重新对颜色进行分类和整合，使颜色、亮度等级更细化，以保证水立方灯光景观效果的颜色一致性。

　　3.水立方LED照明控制网络研究(恽为民执笔)

　　3.1 国家游泳中心景观照明控制系统协调整个灯光景观照明系统的正常运行，高可靠的LED灯具控制器可以控制每个灯具的每一组RGB LED芯片，每组单色LED芯片的亮度可以256灰度级连续平滑调制，变化速度不小于24帧/秒。每个LED专用灯具独立可控(不含点阵式显示屏)，通过LED灯具控制器，交换机和灯光场景实时控制服务器的实时协同运行，实现LED专用灯具的同步运行，同步延时小于25ms。

　　3.2同时，景观照明控制系统还必须与国家游泳中心其他控制系统保持联动，以实现更加震撼人心的效果，当点阵显示系统处于图像显示工作模式时，建筑物南立面的景观照明应提供与之对应的背景灯光;这就要求建筑物LED景观照明系统和LED点阵显示系统应集成为一个完整的系统。另外此系统还须与东南入口大厅及泡泡吧照明、护城河及南广场水景照明实现实时联动控制。

　　3.3除此之外，为了体现技术的先进性，整个网络通讯系统采用IPV6网络层协议进行通讯，灯光场景实时控制服务软件可以通过TCP/IP网关和BMS集成;灯光场景表演服务程序运行预先设定的灯光场景表演列表，运行中可以动态更新当前表演天运行的灯光场景表演列表等，可以通过现场或远程终端计算机进行设定;照明监控服务软件可以监控当前运行功率、回路电流等工作状态，可以统计历史运行数据，如运行时间、用电量、维护记录，可以生成相应表格，可以打印输出。支持远程监控;采用专业灯光场景编辑软件，可快速编辑生成各种场景，编辑生成的灯光场景可以供开关灯服务软件选用。

　　3.4另外，还要求整个照明控制系统应有预留控制分站的能力，对控制系统硬件要求MTBF>20000小时，电磁兼容性符合EN55022，EN55024标准;所使用的网络或现场总线具有实时性、容错性和低出错率;控制系统应具有自诊断功能;控制系统应易于布线、安装、调试和维护;控制系统应具有良好的冗余措施和可靠性。灯光控制器采用双机热备份，路由器、交换机、数据库、传输通道要有冗余。

　　基于以上需求分析，设计了以下系统逻辑结构：

　　整个系统体系结构采用 Ethernet高速网络通讯加现场总线通讯的方式，组成分布式、冗余的LED灯光场景照明，LED点阵显示，以及泡泡吧，水景照明现场控制网络，使之成为一个完美的整体，完成系统所要求的全部功能。

　　具体网络结构如下所示：

　　4.计算机模拟计算(林若慈执笔)

　　照明计算软件可辅助设计者迅速获取最佳的照明设计方案，再现最终的照明场景效果，是辅助设计的最佳工具。根据国家游泳中心“水立方”的建筑及其结构特点，在深化设计、最终场景设计、安装调试时，都必须借助于计算机模拟计算技术，才能达到预期效果。计算机模拟计算中应重点考虑以下问题。

　　4.1对计算软件的基本要求：

　　(1)适用于室内、外照明计算

　　(2)支持点照度计算、面照度计算、平均照度计算

　　(3)能考虑场景多次反射，计算光能传递

　　(4)自动布置灯位，支持CAD界面。

　　(5)输出生成逐点数字、等照度/亮度曲线、效果模拟图

　　4.2 软件计算中需要解决的技术关键

　　(1)膜和气枕的空间反光和透光特性，通过实验室测试取得数据表和光谱曲线图，按接口格式建立数据文件。(如果允许可插入相应的表和图)。

　　(2)对采用的各种LED灯具的光度数据按软件所要求的格式建立数据文件。(如果允许可插入灯具图、灯具配光曲线图)。

　　(3)分析光能传输的方式和特点。

　　(4)确定模拟场景的各要素。选择典型组件单元建模。

　　(5)输出结果，亮度分布模型和场景模拟效果图。

　　(6)计算机模拟计算和现场实际效果测试的分析比较。

　　5.LED照明视觉评价体系研究(李农、刘刚执笔)

　　国家游泳中心大规模采用LED建筑物景观照明后，其景观效果及与周边的协调状况、对环境的影响程度等问题，都必须有一个明晰的结论。因此有关视觉评价方法与体系的研究就非常必要。首先建立适合水立方建筑结构形式、照明方式、周边环境状况，综合各种因素的技术评价方法体系，特别是大规模、大面积使用LED景观照明情况下的视觉评价方法的确立至关重要。

　　5.1评价控制方式的选择

　　主观评价方法是视觉评价中最常用的一种方法。主观评价在方法论上有量化和非量化两种基本范式。可分为实验(Experimental Design)，准实验(Quasi-experimental Design)和非实验(Non-experimental Design)三种研究方式。建成环境主观评价由于强调在真实环境的使用状态中进行研究，多以准实验和非实验方式进行评价。

　　从主观评价方法的时空特点和操作特征来区别，可以分为5种研究方式类型：统计调查评价、现场评价研究、准实验研究、非介入性研究(文献研究等)和个案研究方式。实际应用中，上述5类评价方式可独立使用、共同使用或交叉使用。5种研究空间方式的应用特征概述如下图

　　本课题研究将重点通过非介入性研究法收集大量资料，熟悉研究环境，并辅助性的根据统计调查研究法和个案研究法加以筛选，论证。在下一步的研究中，将会通过大量的统计调查研究法，即开放式问卷调查，自由报告等形式收集数据，确定视觉评价体系。

　　5.2 夜景照明美学评价要素

　　针对建筑夜景不同的美学层次结构和审美的关系，对于美的建筑夜景提出了六个子系统，即：视知觉凸现、实物显现、形式美表现、涵义体现、蕴意体验、创新性。按照层次分析法的递阶结构原理，以建筑夜景的六个子系统为基础建立了建筑夜景美学评价体系的递阶层次结构。

　　5.3 评价因子的确立

　　景观视觉评价的综合概念，属于主观质量范畴，包括对客观物质环境要素质量的主观反应，偏好，是在认知基础上形成的态度。所以，评价涉及的要素包括物质和精神两个方面，物质要素即所谓的硬要素，包括空间布局、功能、景观、LED灯具等。本课题的评价因素总共分为3个层次，三个一级指标，14个二级指标和40个三级指标。