建筑外饰面材料光反射特性实验研究

梁树英，杨春宇

（重庆大学a.建筑城规学院；b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045）

0 引言

外饰面材料对建筑立面色彩起着决定性作用，同一条件下不同外饰面材料呈现的色彩效果不同。现代建筑可选的外饰面材料种类越来越多，新的饰面材料不断涌现，特别是一些贴面砖，如釉面砖、玻化砖、花岗石、人造石、铝塑板等，其表面的光学特性与水泥砂浆抹面和涂料类饰面材料差别较大，后者可近似认为是漫反射材料，前者属于混合反射材料。不同种类的外饰面材料具有不同的光反射特性。因此，研究城市建筑色彩需要对外饰面材料的光反射特性进行系统研究。关于建筑饰面材料的光反射特性，国内外的研究不多，主要集中在基础研究。Ilit 研究了标准几何条件下建筑材料表面的光反射特性，包括镜面反射材料和均匀扩散材料，并由扩散反射材料推导出了不同角度的亮度值。Shuba 等研究了材料的光学反射性质，重点是光反射比。重庆大学的杨春宇等对建筑材料反射光亮度进行了实验研究，通过实验数据的分析研究，了解到建筑材料表面亮度反射特性与反射比、光泽度、光入射角度和视看角度之间的关系。杨春宇等还对建筑饰面材料色度反射性能测量方法进行了研究，采用反射光谱数据的测量方法，对照明/观测角度、光源色温、视场影响进行实验测量。这些研究为建筑饰面材料的光反射特性研究提供了借鉴。

文章根据昆明、西宁、北京、深圳、南京、南昌和重庆7 个不同光气候分区城市中心区建筑外饰面材料使用情况的调查统计，结合现有的研究条件，选择了不同色彩的涂料、面砖、铝塑板和大理石共29 块作为建筑外饰面材料实验样品，其中涂料选用了水溶性涂料，面砖选用了亮光型面砖和亚光型面砖两种。通过建筑外饰面材料实验样品光反射特性实验，研究不同入射/观测角度外饰面材料的亮度和色度反射特性。

1 实验原理、仪器设备及步骤

1.1 实验原理

与完全意义上的均匀漫反射体不同，大多数建筑外饰面材料都会因为光的入射方向和材料自身特性的不同而具有不同的亮度和色度反射特性。即使光的入射方向相同，在不同的观测方向建筑外饰面材料的亮度值和色度值也会不同。因此，研究城市建筑色彩还需要对外饰面材料不同入射/观测角度的光反射特性进行系统研究。

实验分别在0°和45°入射条件下，测量实验材料样品在不同观测角（0～180°）时的亮度值和色度值，分析建筑外饰面材料的光反射特性。

1.2 实验仪器设备

实验在光学暗室内进行，使用的仪器设备主要有:PR-650 光谱扫描式亮度色度计及其附件（RS-2 反射标准白板）、平行光管及重叠刻度转盘装置、12 V 直流稳压电源、经纬仪等。

平行光管及重叠刻度转盘装置（图1）由专业光学仪器厂生产。实验中平行光管用于产生平行光束。重叠刻度转盘装置由上下两个直径、分度相同的刻度转盘重叠组成。平行光管通过杆件固定在上层度盘上，并平行于连接杆件，实验材料样品固定在与下层度盘相连的刻度盘上。当上层度盘转动时，可以实现对入射角度的改变，当下层度盘转动时，可以实现对观测角度的改变。在实际操作中，为了避免仪器位置变动导致的测试误差，通过相对改变实验材料样品角度的方法来实现观测角度的改变。具体参数如表1所示。

图1 平行光管及重叠刻度转盘装置

图2 12 V 直流稳压电源

表1 平行光管及重叠刻度转盘装置参数

12 V 直流稳压电源（图2）由专业电表厂生产，实验中用来作为平行光管的供电和稳压设备，具体参数如表2 所示。

表2 12 V 直流稳压电源参数

1.3 实验步骤

（1）将平行光管及重叠刻度转盘装置安装在光度测量导轨上，将1 块实验材料样品固定在度盘上，把入射角度和观察角度调整到0°（上下刻度盘读取线重合），利用经纬仪进行校正，使PR-650 亮度色度计处于光轨轴线延长线上，并与实验材料样品表面垂直。连接直流稳压电源，打开平行光管光源，预热半小时以上，待光源充分点亮并稳定后进行测量。

（2）按照CIE 标准照明/观测条件，调整上层度盘，将入射角度设定为0°，观测角范围在-80°～+80°之间（当观测角度处于入射角度异侧时为负，当观测角度处于入射角度同侧时为正），每间隔10°进行测试，在特殊角度（-45°，+45°）也进行测试。当入射角和观测角均为0°、45°时，平行光管会遮挡测试仪器导致无法测量，这时将测试角度左右各偏离3°，将其平均值作为测试数据。在各观测角度用PR-650 测量实验材料样品的亮度和色度数据。

（3）调整上层度盘，将入射角度设定为45°，按照步骤（2）再次进行测试，并记录测试结果。

（4）更换实验样品材料，按照步骤（2）～步骤（3）再次进行测试。

实验装置简图见图3。

图3 实验装置简图

2 材料表面亮度反射特性分析

在Origin8.0 软件中对外饰面材料亮度反射实验数据进行绘图和分析（图4～图8）。

图4 涂料亮度反射特性

图5 亮光面砖亮度反射特性

图6 亚光面砖亮度反射特性

图7 铝塑板亮度反射特性

图8 大理石亮度反射特性

从图4～图8 中可以看出，相同的CIE 标准照明/观测条件下，不同材质类型的实验材料样品亮度反射特性不同。涂料的亮度反射曲线比较平缓，没有较大的起伏；亮光面砖和大理石的亮度反射曲线在0°/0°，+45°/-45°出现了突变，而在其他观察角度反射曲线平稳；亚光面砖和铝塑板的亮度反射曲线虽在0°/0°，+45°/-45°附近也出现了突变，但其程度远不如亮光面砖和铝塑板剧烈，其发生变化的观察角度范围更广。涂料基本没有镜面反射现象，且各方向反射亮度差异较小，其反射特性更接近均匀漫反射材料；亮光面砖和大理石有十分明显的镜面反射现象，而其他观察角度亮度基本趋于一致，其反射特性近似于定向反射材料；亚光面砖和铝塑板的亮度反射曲线介于涂料、亮光面砖和大理石之间，属于混合反射材料。另外，同一材料在不同入射角度时，其反射亮度值也会有差异，以数据波动最小的涂料为例，入射角度为0°时比入射角度为45°时的亮度数据更稳定，波动更小。

3 材料表面色度反射特性分析

实验中测试了不同色彩的涂料、亮光面砖、亚光面砖、铝塑板和大理石共29 块材料样品的色度数据。由于亮度反射特性相同的材料其色度反射特性也相同，本研究仅以黄色的涂料、亮光面砖、亚光面砖、铝塑板和大理石实验材料样品为例，探讨建筑外饰面材料的色度反射特性。将实验材料样品的色度数据用AIM_XLA（EXCEL 加载宏）转换为CIE颜色空间，在Origin8.0 软件中进行绘图和分析（图9～图13）。

从图9～图13 中可以看出，与实验材料样品亮度反射特性相似，相同的CIE 标准照明/观测条件下，不同材质类型的实验材料样品色度反射特性不同。涂料的色度反射曲线比较平缓，没有较大的起伏；亮光面砖和大理石的色度反射曲线在0°/0°，+45°/-45°出现了突变，而在其他观察角度色度反射曲线平稳；亚光面砖和铝塑板的色度反射曲线虽在0°/0°，+45°/-45°附近也出现了突变，但其程度远不如亮光面砖和铝塑板剧烈，其发生变化的观察角度范围更广。总体而言，涂料色度参数值都极为稳定，亮光面砖和大理石在镜面反射方向色度参数有突变，亚光面砖和铝塑板的色度参数变化介于涂料、亮光面砖和大理石之间。

结合材料表面亮度和色度反射特性分析，建筑外饰面材料光反射特性对建筑色彩测量的影响主要有以下2 个方面。

（1）建筑色彩的观测结果与外饰面材料表面材质直接相关。不同材质的建筑外饰面材料表现出不同的光反射特性，直接影响着建筑色彩的亮度和色度值。漫反射材料（涂料等）亮度和色度反射曲线比较平稳，各观察角度亮度和色度值基本相同；定向反射材料（亮光面砖、大理石等）在镜面反射方向亮度和色度值会出现突变，影响建筑色彩；混合反射材料（亚光面砖、铝塑板等）虽不会出现强烈的镜面反射，但其亮度和色度值也会有较大的波动。

（2）建筑色彩的观测结果与光线入射角度和观测角度有关。不同的照明/观测角度，实验材料样品的亮度和色度值也不同。以亚光面砖为例，光线入射角度为0°（垂直被测面入射）时，法线方向附近亮度和色度值变化较大，其他观察角度比较平稳；光线入射角度为45°时，在入射角度异侧亮度和色度值变化较大，入射角度同侧比较平稳。所以在测量建筑色彩时，应尽量选用CIE 推荐的标准照明/观测条件，不能随意选择光线入射角度和观测角度。在城市建筑色彩的实际研究中，在不同入射/观测角度进行测量时，可以0°/45°时的色度数据为基准，对其值进行修正。

图9 涂料黄色色度反射特性

图10 亮光面砖黄色色度反射特性

图11 亚光面砖黄色色度反射特性

图12 铝塑板黄色色度反射特性

图13 大理石黄色色度反射特性

4 小 结

文章在不同照明/观测条件下对常用建筑外饰面材料的亮度反射特性和色度反射特性进行了测量和实验研究，研究结果表明建筑外饰面材料的亮度和色度反射特性与入射/观测角度、材质类型有一定相关关系。具体而言，建筑色彩的观测结果与外饰面材料表面材质直接相关。不同材质类型的建筑饰面材料表现出不同的光反射特性，直接影响着建筑色彩的亮度和色度值。建筑色彩的观测结果与光线入射角度和观测角度有关。不同的照明/观测角度，建筑色彩的亮度和色度值也不同，所以在测量建筑色彩时，应尽量选用CIE 推荐的标准照明/观测条件，不能随意选择光线入射角度和观测角度。另外，在城市建筑色彩的定量研究中，在不同的入射/观测角度进行测量时，还可以根据本文的建筑饰面材料色度反射特性测量结果，以0/45°时的色度数据为基准，对其他入射/观测角度的值进行修正。

［1］Ilit S.Characteristics of Light Reflection Properties of Building Material Surfaces According to the Criteria of Geometric Conditions ［J］.1969，17（6）:462～475

［2］SHUBA Y A，SIDOROVSKII N V.Reflection Indicatrices as Basic Characteristics of the Optical Properties of a Material［J］.Journal of Optical Technology，1998，65（9）:724～727

［3］杨春宇，张青文.建筑材料反射光亮度实验与照明计算方法［J］.同济大学学报:自然科学版，2009，37（8）:1019～1023

［4］杨春宇，陈永敢，张青文.建筑饰面材料色度反射性能测量及方法［J］.重庆大学学报，2009，32（7）:834～838

［5］梁树英.日光光谱与大气衰减影响下的建筑色彩定量方法研究［D］.重庆:重庆大学，2014