建筑用光学问多

王梓

在一个相当长的历史阶段，人类利用自然光和火光照明，曾在建筑中创造了不少有效的采光和照明方法。随着人类文明的进步，建筑的采光也变得更加高效，照明手段更为科学化。

从古代的木屋瓦房，到如今通体覆盖玻璃幕墙的摩天大楼，科技的发展不断刷新着建筑的高度和颜值。从19世纪白炽灯的发明，到现在高能效、高亮度的LED照明技术，科技的发展大大丰富了人类的活动范围。然而，光鲜的背后，也有可能隐藏着它的副作用，光污染就是其中之一。

“鸟巢”与“水立方”的采光高招

坐落在北京的国家体育场“鸟巢”，宛如一个巨型的鸟窝，与周围的树木和谐地融为一体。但是你可能不知道，“鸟巢”有着世界上最大的透明顶棚结构，由884块半透明的ETFE膜组成，铺设面积将近4万平方米。从体育场里面看，就如同“中国的纸窗”。当自然光透过这层膜结构时，会发生漫反射，使得观众席上的采光变得均匀、柔和。漫反射，是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。由于光线的传播方向被随机打乱，空间中的光线分布会变得十分均匀。膜结构的设计，既最大限度地做到了自然采光，同时也保证了采光的柔和与舒适，十分地巧妙。

国家游泳中心“水立方”与“鸟巢”紧紧相邻，其方正的外形上布满了淡蓝色、半透明的气枕结构，体现着一种严肃又活泼的美。与“鸟巢”相同，“水立方”也采用了ETFE膜作为气枕结构的材料，为场馆带来更多的自然光。不同的是，“鸟巢”采用了单层膜结构，而“水立方”外墙上是双层气枕膜结构，它的设计灵感取材于细胞的排列形式和肥皂泡的天然结构，这种设计既使自然光能经过足够的漫反射，令场馆内的采光更加柔和自然;同时又可以隔绝热量，让“水立方”在酷热的夏天保持凉爽的室内环境。

 “水立方”的气枕结构

人工照明的广泛运用

水立方的创意不仅在于气泡一般的外形，还在于它在夜晚的绚烂色彩。夜幕中的“水立方”如同一座方方正正的水晶宫殿，静静地依偎在“鸟巢”旁边，通体散发着深沉水蓝的魅力。而成就这美丽的“夜幕丽人”的，正是LED景观照明工程。

LED，又称发光二极管，是一种半导体二极管。不同半导体材料的LED，可以产生不同颜色的光。“水立方”的顶面加立面，一共装有上百万根LED发光二极管，可以显示超过1600万种颜色，这甚至超过了大部分的液晶显示屏。“水立方”墙体上的每个“泡泡”里都装有数十个LED灯，通过这些灯的颜色变化组合成各种图案，造就了一个流光溢彩的建筑魔方。

LED作为一种新型光源，有着寿命长、能耗低、亮度高等优点，广泛应用于建筑景观照明，并已融入我们的日常生活。此外，LED还广泛用于户外大屏幕显示，纽约时代广场上就有这样一块“中国屏”。这块大屏幕由新华社租用，高约19.5米、宽约12.2米，由一个个LED点阵构成，每个LED独自担任一个显示像素，众多LED构成了近240平方米的巨形屏幕。它在“世界的十字路口”传播着来自中国的声音。

玻璃幕墙抵御强光照射

迪拜塔的魅力不仅在于它的高度，还因它是沙漠中傲视群芳的现代繁华。超过10万平方米的玻璃幕墙，让迪拜塔在沙漠的阳光下熠熠生辉。然而，它的玻璃幕墙是如何经受住沙漠阳光的重重考验的？

原来，迪拜塔的玻璃幕墙具有防辐射性。它的玻璃幕墙分成外表面和内表面，各涂有特殊的涂层。外表面涂有一层薄薄的金属，其作用是反射每天太阳直接照射到建筑物表面的光线，如同“防晒乳液”的作用一般。金属涂层可以抵挡可见光和紫外线的辐射，但挡不住火热沙漠中沙粒辐射的红外线。因此，它的玻璃内表面有一层薄银用来阻挡红外线的热辐射。在两层玻璃之间，还有一层空气层用来隔热。因此，迪拜塔光鲜的玻璃幕墙，就这样把沙漠过多的辐射和热量拒之门外了。

 LED广告屏

不可不防的光污染

高层建筑的玻璃幕墙外表新奇美观，既可反射太阳辐射，又有良好的保暖隔热性能。但是玻璃幕墙的过度使用却带来了光污染。有时候，一些强光束甚至直冲云霄，使得夜晚如同白天一样，被称为“人工白昼”。

光污染与其他环境污染一样，会对人类产生危害，影响人们正常的工作和生活，甚至容易引发火灾。瞬间的强光照射会危害人的眼睛，使人们出现短暂的失明，对人眼角膜、虹膜和视网膜造成伤害。由玻璃幕墙反射的强光以及机动车前灯产生的眩光，会严重危害司机和行人的视觉功能，易导致交通事故的发生。而紫外光的污染则会引发人们生理上的疾病，严重的甚至会致癌。

 人工白昼

光污染不仅影响人类，还会产生生态破坏。比如，鸟类的迁徙容易被人工光所干扰，它们在夜间靠星星来识别方向，城市的照明光却常令它们迷失方向。据统计表明，每年约有400万只候鸟因撞上高楼的广告灯而死去。海龟也容易受到光污染的影响，刚破壳的小海龟会根据月亮和星星在水中的倒影而游向水中，但由于地面光远远亮于月亮和星星，刚出生的小海龟会误把陆地当海洋，最终因缺水而丧命。除此之外，光污染还会妨碍天文观测，带来能源的浪费，给人类带来潜在的威胁。因此，防治光污染需要全社会倡导低碳生活，减少强光的使用，杜绝照明上的过度浪费。