城市道路照明对沿街建筑的光侵害影响研究

苏晓明 郝占国

(1.天津大学建筑学院天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072;2.天津大学城市规划与建筑设计研究总院，天津 300072)

1 引言

随着城市美化、亮化政策的相继推出，越来越多的城市被点亮，越来越多的沿街住户、宾馆、旅店，受到了来自于城市照明的干扰，被剥夺了享受“黑暗”权利。因此，如何评价、控制城市道路照明所带来的光侵害，受到了越来越多的关注。

从20世纪20年代开始，各国学者就开始了对光污染进行研究。英国的光环境研究中心 (Lighting Research Center)指出:室外光污染可以分为三类，光溢散 (sky glow or upward light flux)、眩光污染(glare)和光侵害 (light trespass)。其中，光侵害的研究，在20世纪80年代后期，才开始受到广泛的关注。在光侵害的研究过程中，其研究对象的选择常常是“宏观”的城市夜天空，或是“微观”的独立建筑窗口。沿用现有的成果，还不能够对我国现有成规模的沿街建筑群体受到光侵害的水平进行一个准确的判断和横向的比较。因此，本文试图通过对光侵害进行定量化的分析，来为其提供有力依据。

2 居住建筑光侵害实地调研及模型建立

在2008年7月至2009年11月期间，本课题研究小组对我国天津、长沙、郑州3个城市的39个典型居住区沿街住宅的夜间光环境进行了大量的实地调研。本次调研中，对沿街住宅建筑光侵害环境的测量和评价内容主要包括:沿街住宅及其周边环境形态、住宅立面光环境特征、住宅周边夜间光环境特征、沿街住宅光侵害主观评价4个方面。调研的数据包括实测数据、主观评价问卷以及自由问卷三种形式。通过对数据进行统计分析，得到以下两个主要结论:(1)城市道路照明是建筑受到光侵害的主要源头; (2)居住区内住宅建筑面向道路的窗口，是受到光侵害最严重的区域。图1、图2为我国沿街建筑受到道路照明干扰的实景照片。由此可见，道路照明在为城市道路提供基本的功能照明之外，还有很多光线溢散到了住宅的窗口，造成了光侵害。

图1 沿街居住区建筑受到光侵害实例1

图2 沿街居住区建筑受到光侵害实例2

本文在对光侵害现状组成因素进行提取分析的基础上，利用排列组合方法，建立了包括灯具、光源、灯具投射角度、灯具高度、灯具间距、灯具到建筑之间距离 (空地)、居住建筑立面、反射率等元素的居住建筑光侵害模型，共计81个。其基本模型如图3所示:该模型中水平面为车行道路和人行道路，其长度均为两倍灯间距。沿道路长度建立了相应长度的建筑立面为模型中的铅垂面，该建筑立面高10层楼，每层3米。沿建筑立面的长度方向，以3米为模数，每隔3米设置1.5×2.1米采光窗口，模拟真实环境中住户的窗口大小，如图中的铅垂面上的小方格。本文选用哈佛大学开发、设计的光污染模拟软件 OLIVIA(Obtrusive Light，Intensity and Vertical Illuminate Analysis'program)分别对81个模型的光环境进行计算。该软件不但可以模拟天空溢散光、道路眩光和侵害光等不同区域、不同程度的光污染环境，同时，它还能够对环境中的亮度、照度、上射光通量等光环境数据进行计算和统计分析。经过该软件的模拟和计算得到特定条件下居住建筑窗口照度值、亮度值、地面照度、地面亮度、最小照度、平均照度及其均匀度等相关参数3645个，并得到了大量地面、墙面的光环境分布曲线。如图4、图5所示:图中显示的是15号模型计算的建筑立面照度曲线图和路面照度曲线图。从图中可以看出，路灯不仅对路面产生了一定的影响。同时也对建筑的立面产生了类似的相应的影响，而两者在数值上也彼此相关。

图3 光侵害模型

图4 15号模型地面照度曲线图

图5 15号模型建筑立面照度曲线图

3 居住建筑光侵害单因子影响分析

第一、光侵害与建筑立面平均照度的关系

根据已获得的光侵害模型实验数据，排除模型中其他影响因素，对窗口照度与光侵害度之间的关系进行分析，如图6所示。从图中可以看到:当建筑立面平均照度小于2lx时，建筑立面的光侵害度几乎为0，而当立面平均照度在2～5lx之间时，光侵害度随着照度的提高不断增加，到5lx及以上，光侵害度几乎为100%。这说明，控制建筑立面的平均照度，能够有效的控制沿街的光侵害度。

图6 光侵害度与建筑立面照度关系图

第二、光侵害与灯杆高度的关系

沿道路的建筑立面受到光侵害，主要是由道路照明引起的。当不考虑道路照明中其他因素时，对道路照明灯杆高度与沿街建筑光侵害度的关系进行相关性分析，其结果如图7所示。图中的数据来自于81个沿街建筑光侵害模型。模型模拟建筑受到光侵害结果与其相对应的灯杆高度 (6米、9米和12米)存在一定的关系:6米灯杆所对应的光侵害度在50%～80%之间，且分布较均匀。6米高灯杆对应的光侵害度值没有超过100%的。这说明，6米左右的灯杆高度会对建筑立面产生一个相对稳定的、对应关系较强的光侵害度。9米灯杆对应的光侵害度值在50%～100%中分布，且在50%、100%两个数值附近较为集中。说明9米高度的灯杆对建筑立面的影响会跟据环境的不同 (主要是建筑与光源之间的距离，以及灯具的角度的影响)，而呈现出较低的光侵害度和较高的光侵害度两类极端情况。而12米灯杆所对应的光侵害度主要集中在100%处。证明，较高的灯杆极易在环境中产生较大的光侵害。

图7 光侵害度与灯杆高度关系图

再横向对比各类灯杆与光侵害度之间的关系，可见，从6米到12米的灯杆随着高度的增长带来的光侵害度的不断提高。

当在模型中增加建筑立面平均照度因素时，灯杆高度与光侵害度及平均照度的关系如图8所示。图中圆圈的大小表示建筑立面的平均照度值的大小。所以可以看出:

①无论是灯杆高度的增高，还是建筑立面光侵害度的增强，都将意味着建筑立面平均照度值的增加。

图8 光侵害度与灯杆高度、建筑立面照度水平关系图

②6米高灯杆所对应的光侵害度与立面照度值同时增加。即随着光侵害度的增加，立面平均照度值提升缓慢。当光侵害度从60%提升到90%时，对应的立面平均照度变化较小。因此，可以证明，当灯杆较低时，虽然建筑的光侵害度较高 (60%～90%)，但建筑立面照度水平较低。

③9米高灯杆所对应的建筑立面照度，随着光侵害度的增加增幅较大。建筑光侵害度从70%到90%时所对应的建筑立面照度也有明显提高。这说明，当灯杆高度为中等高度时 (9米左右)，建筑光侵害度提高，将伴随着建筑立面平均照度的提高。

④12米高灯杆所对应的建筑立面照度值，在光侵害度为100%时有显著提高。这说明，当灯杆较高，建筑光侵害度较高时 (100%)，建筑立面处于一个高照度的水平。

第三、光侵害与灯具仰角的关系

沿街住宅立面光侵害度与沿街灯具仰角有密切的关系。当排除其他影响因素时，只考虑灯具仰角对光侵害度产生的影响，可得到关系图9。图中各点标注的是实验模型中采用的灯具的仰角 (以垂直向下为0度)，横坐标为灯具仰角，纵坐标为光侵害度。图中显示:

①当灯具的仰角从0°～10度增加时，光侵害度逐渐减小。即图中显示的曲线低谷部分。通过对模型进行分析可知，产生这个结果的主要原因，是灯光的投射方向从垂直向下逐渐向道路中心线靠近时，远离道路中心线的建筑立面得到的光线越来越少，由此产生的光侵害度也比较小，并逐渐降低。

图9 光侵害度与灯具仰角关系图

②当灯具的仰角在10～20度之间变化时，建筑立面受到的光侵害度变化并不明显。此时，灯具投出的光线主要落在了道路上，只有少部分光线直接照射到建筑的立面上，建筑立面此时也只接收了路面照明产生的少量反射光线。

③当灯具的仰角大于20度时，建筑立面受到的光侵害度随着灯具仰角的增大而逐渐增大。基本成线性变化。产生这样结果的主要原因，是建筑立面受到道路对侧灯光的照射，其程度随着灯具仰角的加大而逐渐加大。

4 居住建筑光侵害度公式计算

在特定的道路环境模式下，对光侵害单一的影响因子进行分析，有利于寻找影响光侵害的不利因素。而在对对象进行评价和比较分析的过程中，由于现象的影响因素之间会产生相互作用，所以只有充分考虑各影响因素的静态、动态的作用之后，才能够准确的对现象进行评价。如:根据道路照明的相关规定，道路光侵害环境中，道路灯杆的高度与灯杆之间的间距有一定的制约关系。同时，两者的变化使得建筑立面照度也产生变化;而根据城市规划中的相关规定，不同的道路宽度又对道路与建筑之间的距离产生影响。因此，有必要对光侵害度评价的相关因子进行回归分析，寻找各个因素对光侵害度的综合作用效果。

在对光侵害度的影响因子进行回归分析时，设定建筑立面受到的光侵害度为T。依据北美照明工程学会规定的单窗口受到光侵害时照度值为3lx，本文将建筑立面受到的光侵害度T设为，相应建筑立面上照度超过3lx窗口总数除以建筑立面窗口总数，单位为%。利用SPSS统计分析软件对该指标的相关因子:光源光效、灯具到建筑的距离、灯具间距离等利用剔除法进行回归计算，得到光侵害度相关系数表，如表1所示。

表1 光侵害度相关系数表

从表中能够看到，进行回归分析的第一次计算时，只引入了与光侵害度相关性最大的光源光通量指标。两者的相关性为0.646。当引入该指标后，建立了第一个光侵害回归模型。在这个数学模型中，选用了光源光通量和常数项两个参数对光侵害度进行描述。对该模型进行t检验，得到的检验结果的概率为0.395。在统计学中，该值只有小于0.05时，方程才能够成立。因此说明，在实际情况中，光源光通量并不能够直接指示建筑受到光侵害度的大小。如上所述，分别对模型进行了第二次，第三次回归分析。其中，第二次回归关系式虽然成立，但是，模型的判定系数和相关系数都不如第四个模型高，因此放弃。

最终，当引入光源光通量、道路边缘到建筑的距离、灯杆高度、同侧灯杆的安装距离四个相关参数时，模型同时通过了t检验和判定系数的检验，并建立了沿街建筑受到光侵害程度的评价指标——光侵害度的回归方程式Y=β0+β1x1+β2x2+β3x3+β3x3(其中β为常数)。代入表1中给出的相关系数:常数项为32.285;光源光通量的系数为0.002;光源到建筑距离的系数－1.935;灯杆高度系数2.719;同侧灯杆安装距离系数－0.62，可得到光侵害度方程如下:

T=32.285+0.002L－1.935S+2.719H－0.616D

其中:T——沿街住宅光侵害度;

L——灯具总光通量;

S——光源到建筑距离;

H——灯杆高度;

D——同侧灯杆安装距离。从公式中可以看到，沿街住宅建筑受到的光侵害度与光源光通量、灯杆高度成正相关，而与同侧灯杆安装距离，光源到建筑距离成负相关。所以，在光源一定的情况下，为减少道路照明对建筑产生的光侵害，可以通过降低灯具的高度、增加同侧灯杆间距等方式来实现。而变化程度的确定，则应通过公式进行计算。

5 结论

本文通过对光侵害度进行定义和量化研究，提出了城市道路与周边建筑的环境模式决定沿街建筑受到光侵害的程度的大小这一结论，并根据道路模型中的相关因子分析，指出了城市道路与建筑之间的距离、城市道路照明因素与建筑受到的光侵害度之间的密切关系。这为城市载体下的光污染研究开拓了新的思路，为城市道路系统设计提供了必要的支持。

依据统计学原理进行的城市道路沿街建筑受到光侵害度的回归计算，为准确、定量化的评价光侵害这一软环境提供了重要的手段，同时希望该研究思路和分析方法能够应用到光环境甚至城市环境研究领域的更多方面。

［2］詹庆旋.光·建筑·域市——呼唤建筑师关注光环境设计［J］.世界建筑，2000，(06).P18～21.

［3］Marc Gillet，P.Rombauts，Precise Evaluation of Upward Flux from Outdoor Lighting Installations，Lighting Pollution Symposium，March 2002.

［4］JA Brons，Outdoor site-lighting performance:A comprehensive and quantitative framework forassessing lightpollution，Lighting Research and Technology September 2008.

［5］Ian Lewin，Ph.D.，FIES，L.C.，Light Trespass and Light Pollution，Paper to the IESNA Street and Area Lighting conference Minneapolis， Minnesota， USA September 2000，P9.

［6］JGJ/T163—2008.城市夜景照明设计规范.