夜景工程中点光源阵列媒体立面设计研究

王德毓

(福州惠光照明设计工程有限公司 福建福州 350001)

0 引言

在现代夜景工程中，不再追求传统的泛光照明及轮廓勾勒等简单手段，随着LED灯具及其控制系统的成熟以及社会信息化的不断深入，媒体立面逐渐成为夜景工程中最重要的表现手段之一。

媒体立面，是指以艺术性审美为主要目的，同时兼具商业宣传作用，将信息媒体系统(主要是电子媒体系统)和建筑设计、立面技术、灯光照明(在特殊情况下，也包含自然光影)有机结合的综合性建筑立面形式。

夜景工程中，为达到媒体立面的效果，主要采用的灯光手段有如下几类：①利用LED点光源进行矩阵排列，以达到模拟屏幕效果；②利用LED线型灯具进行平行紧密排列，以达到模拟屏幕效果；③利用LED泛光灯或洗墙灯的投射光，达到动态光影效果；④其它非常规手段。

本文针对夜景工程以点光源阵列为手段实现的媒体立面在设计中出现的各种问题进行讨论。为方便下文讨论，本文对点阵媒体立面的表现效果及使用功能作如下等级区分：

Ⅰ级媒体立面：能呈现复杂的视频画面；

Ⅱ级媒体立面：能辨识汉字及稍微复杂的图形动画；

Ⅲ级媒体立面：能表现动态光影变化及较简单的图形变化效果。

1 点光源阵列密度分析讨论

点光源阵列密度是达到媒体立面表达效果要求的关键。从上述分级中显而易见，Ⅰ级媒体立面的实现要求有高密度的点光源阵列，Ⅱ级媒体立面对点光源阵列的密度要求次之，Ⅲ级媒体立面对点光源阵列的密度要求最低。但出于工程成本控制的考量，阵列密度并不是越高越好。基此，本文将从几个方面对点光源阵列密度的合理值进行讨论。

1.1 从人眼视觉敏感程度分析

I级媒体立面要求能呈现复杂的视频画面，如视频、广告、动画等。因此，理论上点阵密度应达到人肉眼无法区别点光源间距的程度。

一般而言，视力达到标准对数视力表1.0为正常视力，表示其视力恰好可以分辨视角α=1′的两个物体A与B之间的间距[1]，如图1所示。

图1 视角示意图

因此，点光源间距D正好达到人肉眼无法分辨的距离时，屏幕效果最佳。根据三角函数，此时点光源间距D与观赏距离L间的关系如下：

由于媒体立面并不是专业的显示媒介，在成像精度上不能要求特别精细，因此此处按照视力为0.8的人群对媒体立面的观感来计算。根据《标准对数视力表(GB 11533-2011)》[1]取α=1.259′，解得：D=0.000 366×L。

观赏距离L一般根据媒体立面的安装位置与高度的不同，可以简单划分为以下几类：

(1)近距离观赏：一般安装于商业街、低层建筑立面，安装高度一般在30m以下，如福州宝龙商圈的夜景照明，适合跨街道观赏，一般观赏距离在100m左右。

(2)中近距离观赏：一般安装于中高层建筑立面，安装高度在30m左右，一般观赏距离在250m左右。

(3)中远距离观赏：一般安装于高层建筑立面， 安装高度一般在30m～100m之间，如闽江两岸各楼体夜景照明，适合从江对岸进行观赏，一般观赏距离在500m左右。

(4)远距离观赏：一般安装于超高层建筑顶部，安装高度一般超过100m，如福州世茂国际中心，一般从几个街区外观赏最佳，观赏距离往往大于1km。

表1列出了对于不同观赏距离L根据上述公式计算出的理论点光源间距。

表1 Ⅰ级媒体立面的点光源间距

假设点光源直径为B，因此点光源间距(D)与点光源中心距(R)之间的关系为：R=D+B，即点光源阵列密度为每米1/R个点光源。不同直径的点光源对应的功率与发光强度不同，一般而言，直径越大的点光源其功率越大，发光强度也越大。因此，在确定了点光源间距后，应选择合适发光强度的点光源。

以上分析为对于I级媒体立面点光源间距的分析，对于Ⅱ、Ⅲ级的媒体立面，其对媒体立面精度要求依次降低，其点光源间距可按照一定比例进行逐级放大。

1.2 从控制光污染角度分析

夜景照明所造成的光污染，应根据《城市夜景照明设计规范》(JGJT 163-2008)的相关规定进行限制，媒体立面也不例外，但由于媒体立面为新生概念，该规范未明确对其作出相关要求与限制。在进行类比之后，本文将媒体立面归类为自发光广告标识。根据该规范[2]第七章对光污染限制的规定，自发光广告标识在E4区的平均亮度不得超过1000cd/m2。

以福州市区为例，根据该规范附录A可知，福州市区环境区域根据环境亮度和活动内容可划为E4区，即高亮度环境区。因此应以1000cd/m2作为媒体立面平均亮度的上限。

设单颗点光源的正向发光强度为I，点光源矩阵密度为N颗/m，即每平方米N2颗，则应满足I×N2≤1000cd/m2。

以浙江某灯具厂家所生产的LED点光源系列为例，该厂家生产规格的点光源，对应的正向发光强度如表2所示。

表2 不同直径点光源的正向光强

现举例分析当点光源阵列密度N=8时情况：当N=8时，应满足I×82/1m2≤1000cd/m2，解得I≤15.63cd。根据表1，应选择点光源直径为40mm及以下规格的产品。考虑到媒体立面的显示效果，应选择光强较高的产品，因此选择直径40mm点光源。

同理，对于不同的N值重复以上分析方法，得出了不同点光源阵列密度时符合规范的最佳点光源直径如表3所示。

表3 不同直径点光源所适合的阵列密度

1.3 综合分析

根据上述，本文对光污染的控制要求得出了不同直径点光源在不造成光污染的情况下最大点阵布置密度。并根据该密度倒推出点光源间距，对照表1数据检验不同直径点光源在不同密度的阵列分布下能满足哪一等级媒体立面的表现要求，如图2所示。

图2 点光源密度

根据图2各参数间关系可知：D=1m/N-B，依据此式，表4中列出了不同直径点光源在不同密度分布下的点光源间距。

表4 不同直径点光源在不同阵列密度下的间距

将表4与表1中的结论对照，举例而言，对于直径为40mm点光源，阵列密度为每米10颗的情况下，查表4可知点光源间距为6.0cm。表1中对于I级媒体立面，要求近距离观赏时点光源间距不大于3.7cm，而中近距离观赏时点光源间距不大于9.2cm。因此，对于直径为40mm点光源，密度为每米10颗点光源阵列，适合于中近距离观赏的I级媒体立面。按照II、III级媒体立面对成像要求逐级递减的原则，可以认为直径为40mm点光源，在密度为每米8颗时适合于中近距离观赏的II级媒体立面，而在每米6颗时适合于中近距离观赏的III级媒体立面。

重复以上分析步骤，即可得出对于不同直径点光源在不同阵列密度下适宜在哪种距离下观赏的何种级别的媒体立面的所有情况。由于数据量较大，此处不一一列出，以下仅列出不同等级的媒体立面在不同距离观赏下的最佳方案，如表5所示。

表5 点光源阵列方案 颗/m

2 点光源阵列线路压降分析

大型点阵媒体立面常见于超高层建筑的外立面上，具有面积大，高度高等特点，出于建筑外立面美观以及设备维护的考量，一般不允许将开关电源或控制器等设备就近放置于所控制的灯具附近，因此，线路较长是引起压降的主要原因。LED灯具虽然功耗较低，但其一般采用12V或24V直流电供电，根据电压损失的简化计算公式[3]：

可知，∑M与S一定时，C越小则电压损失越大；对于铜芯导线而言，220V、24V、12V系统的C值分别为11.7，0.14和0.035[3]。因此，在LED灯具所采用的供电系统中，压降是不得不考虑的一个重要因素。对于LED灯具而言，在不影响灯具光强、色温及控制的情况下，允许最大电压降不超过10%。因此，在设计中，应严格控制线路压降。

对于建筑高度超过100m公共建筑，根据《建筑设计防火规范》[4](GB 50016-2014)：“第一个避难层(间)的楼地面至灭火救援场地地面的高度不应大于50m，两个避难层(间)之间的高度不宜大于50m”，而实际工程中，给LED灯具供电的开关电源常见的设备放置位置为屋面层、避难层、裙楼屋面或地面。因此，根据此规范，灯具导线沿建筑外立面的垂直距离最长为25m，考虑导线在开关电源安放位置的水平配线距离，此处以最长30m考虑。而开关电源的常见标称负载功率为350W，考虑散热等因素，实际使用中只使用其标称负载功率的80%来带负载，即只带350W×80%=280W的灯具，此时24V直流线路负荷矩为：280W×30m=8400W·m。查阅《建筑电气常用数据》[5]，截面为6mm2的铜芯导线在10%的电压损失下，24V及直流线路负荷矩为8664W·m。因此，在如上极端条件下，截面积为6mm2的铜芯线可以使灯具压降满足其要求。对于其它情况，同样使用以上分析方法来确定导线截面积，以满足灯具对于压降的要求。

3 媒体立面控制系统

控制系统是使媒体立面真正能“动”起来的核心，在选用时应充分考虑其实用性、可靠性与施工复杂程度。目前，国内LED灯具的控制系统主要采用DMX512控制系统。其采用的DMX512协议最早是由美国剧院技术协会所制定的。其信号是并联连接的，因此系统中任意一个式多个点光源损坏时，不会影响到其它点光源，相比于串行控制系统增加了可靠性。其单一接口所控制的灯具总通道数可达512个，数量丰富，因此对于媒体立面动辄成千上万个点光源来说，其拓扑结构可以最大地简化，从而降低系统复杂度以及施工难度，具有极高的实用性。

4 结语

现代夜景设计中越来越多地引入了媒体立面的设计理念，由于这个理念还比较新，因此无论在设计上、技术上，还是施工上都有很多不成熟的尝试。本文以LED点光源阵列媒体立面为切入点，从视觉角度给出了不同观赏距离下不同等级媒体立面的最佳点光源间距，之后又从控制光污染的角度给出了不会引起光污染的最佳点光源选用及密度分布，并结合以上两点对各种情况下的媒体立面给出了一个推荐设计方案。其次，本文还从LED采用低压直流供电的角度，分析了以合理布置开关电源及合理选用电线截面积的手段控制电压降的方法。最后，还简要地分析了LED灯具的DMX512控制系统。上述是对夜景工程中点阵媒体立面设计的一点体会与思考，以供参考。