夜景照明技术在城市雕塑场景中的应用

2024-03-20李德俊

设备管理与维修 2024年4期

李德俊

（厦门市市政工程中心，福建厦门 361004）

0 引言

城市雕塑反映了一个地区的经济文化发展状况，包括雕塑、浮雕等，有的是单独的，有的是附在建筑物上的[1]，有的是放在公共场所，有的是隐藏在小路上，使用的材料包括石材、水泥、青铜等。为了提高城市雕塑夜景环境在夜间昏暗光线环境中的清晰度，提出了城市雕塑夜景空间的照明方法。在夜景环境中，城市雕塑场景空间的照明主要表现为满足外部观赏效果。夜间照明设计应注重体量、造型、风格、层次、细部装饰等，是反映人们夜间视觉感受的主要景观元素。

根据城市夜景照明的设计原则，应该了解和掌握城市雕塑设计师的创意和灯光设计。城市雕塑照明设计应综合考虑内外因素，把握城市雕塑的结构类型，研究雕塑材料，综合考虑雕塑照明对人们心理的影响，探讨雕塑照明的安全性，分析光污染等内在因素，考虑雕塑照明周边光环境等外部因素以及季节性气候变化的影响[2]。因此，整体的思考和把握是城市雕塑景观空间照明设计的基础。应用夜景照明技术后，为了解决现阶段城市雕塑场景空间照明中整体效果差、能耗高的问题，提高城市雕塑的照明效果，研究夜景照明技术在城市雕塑场景空间照明中的应用。

1 城市雕塑场景空间夜景照明技术设计

夜景照明技术在城市雕塑场景空间的设计中应遵循生态化、整体性、节能性和安全性的原则，力求做到人文与自然生态环境的有机结合。从整体上，梳理照明系统与城市雕塑场景空间环境之间的关系，使其具有整体性和连续性[3]。图1 为城市雕塑夜景环境照明设计流程。

图1 城市雕塑夜景环境照明设计流程

1.1 城市雕塑场景空间的组成要素

1.1.1 城市雕塑分类

从艺术手法和表现形式来看，城市雕塑可分为圆雕、抽象雕、静态雕、具象雕、写意雕、浮雕、动态雕塑等。根据功能的不同分为纪念雕塑、主题雕塑、装饰雕塑、互动雕塑和展示雕塑5 种类型[4]。主题雕塑以某种故事性、情节性等内容，以象征与寓意的手法，揭示特定空间环境的内涵。装饰雕塑更注重象征、寓意、概括等表现手法。互动雕塑增强了人们的主体参与性，具有娱乐性和实用性的功能，具有整体性和艺术价值。展示性雕塑是城市雕塑的一种特殊类型，是在适当的空间环境中的一种陈设形式，它不包括临时摆在户外展出，而是指永久陈列在户外的雕塑。

1.1.2 城市雕塑夜景的构成要素

城市雕塑夜景场景空间的构成要素主要有城市雕塑本体、城市灯光景观和城市环境行为等3 个方面。根据不同的地面、垂直界面和主题内容，城市雕塑作品在空间环境配置形式上可以分为单点式、聚合式、环形式、阵列式和群象式，综合城市雕塑的基本结构，从美学角度确定城市雕塑的空间布局，形成城市雕塑的本体[5]。都市灯光景观即雕塑场景的空间内容，作用于雕塑上的灯光照明景观，这一部分的作用是通过艺术与光影的结合，提高城市夜环境质量，成为城市特色的体现，它还反映政府机关、城市居民、商业企业的政治、经济、文化活动，以及城市形态的影响和作用。

1.1.3 影响城市雕塑场景空间的因素

影响城市雕塑场景空间照明效果的因素有内部因素和外部因素两个方面，内在因素是城市雕塑场景空间的照明技术与整体结构的运用，外在环境是周边原景和季节变化的影响。城市雕塑建设中景物空间的宽高比直接关系到景物宽度和两侧建筑界面的高度，宽高比越大，空间的开敞程度越大，封闭感越弱。宽高比并没有优劣之分，只是为了达到不同的空间体验，来选择合适的宽高比，以达到舒适的尺度。灯具应用技术具体包括照度与亮度、光色与显色指数等。但随着季节的温度变化影响地面照明时间，气候景观特征也会随之发生变化。因此，本文研究利用自然季节变化和自然景观特征对城市夜景主体进行调整和优化。

1.1.4 城市雕塑场景色彩特征

雕塑的材料和色彩、照明有着密切联系。由于材料本身的原色对光的吸收和反射率不同，反射率决定了在给定照度下表面的亮度，雕塑的材料种类多样，对于反射性能好的表面，反射率越高，给定照度下的亮度越高；相反，反射率低的材料要达到相同的亮度，则需要较高的照度。一般雕塑材料为石材类和金属类，石材类包括花岗岩、大理石、砂岩等；金属类材料包括铜、不锈钢等。每种材料对光的照射反应表现都不一样，城市雕塑不同颜色和材料对应的光学特征如表1 所示。

表1 雕塑材料及其光学特性

1.2 光源照明的灯源选择

雕塑夜景光源一般是照明光源，主要用于照明，是人类视觉可见光谱中的一种电光源；辐射光源是一种能辐射大量紫外线和红外线的光源。综合考虑光源色温、显色指数、发光效率、正常使用寿命等因素，如绿化带植物景观照明应首先选择金属卤化物灯、高压钠灯、荧光灯，颜色性能好、性能稳定的LED 白光灯和RGB 芯片灯等[6]。常用的夜景照明光源及其相关参数如表2 所示。

表2 夜景照明常用光源相关参数

考虑到城市雕塑场景的照明范围，且光源的数量是影响是否能达到预期照明效果的关键因素之一，光源的数量与雕塑的具体尺寸、所需亮度有关：一般体量小的城市雕塑，所需光源的数量较少，结构复杂体量大的雕塑，需要较多的光源[7]。因此，传统照明光源的颜色、寿命等的市场检验时间长，性能稳定性更高，且成本上下波动性较小，因此，结合表2 中不同传统照明光源的自身特性，选择具体的光源设备。

多种光线组合的照明方式在理想状态下可满足大多数雕塑的照明要求。采用这种照明方式后，通过计算射灯盏数来确定光源向某一方向的辐射光通量密度，式（1）表示雕塑立面所需的射光强度。

其中，E 是光源在立面上的垂直照度，L 和D 分别为投光灯的投射高度和与城市雕塑之间的距离，而α是立面上的入射角，可以表示为：

由此得出城市雕塑场景空间内需要安装的光源和照明灯具数量为：

其中，参数I0为单个光源的发光强度，将式（1）的计算结果代入式（3）便可计算出具体的安装数值。

1.3 确定照明灯具安装位置和投射角度

在城市雕塑场景空间配置上，夜景照明要以城市雕塑场景空间的总体规划为基础，充分发挥城市雕塑各功能区的功能，努力实现照明灯具等设施的和谐统一。根据城市雕塑场景空间的纵横比，结合城市雕塑的关键照明部位，确定城市雕塑灯杆高度。图2 所示为具体的安装过程。

图2 空间宽高比对应雕塑重点照明部位示意

除照明灯具的安装位置外，还应确定照明灯具的投影角度，以避免夜间照明时产生眩光。究其原因，不仅是有些光源太亮，还与光线对人眼的位置和角度有关。角度越小、眩光越强，光损失越大[8]。灯的布置仰角不能超过15°，灯的最大光强方向和垂直夹角不能超过65°。若设定光源位置较低，向四周照射的光线大致相同，则控制向上光通量比大于25%。

1.4 确定照明方式与照度

夜景中的城市雕塑应选择合适的照明形式、光源、照明设置和规划设计方案。在夜景中，城市雕塑的空间环境照明形式多种多样，给人们带来了不同的视觉和心理感受。通过研究总结，夜间照明大致可分为泛光照明、向上照明、向下照明、内部穿透照明和侧面穿透照明[9]。其中光照法是直接用灯光照射雕塑的立面，可以展示全景造型的效果，普遍用于超大雕塑和建筑。使用提升照明可以减少阴影，多个雕塑和标志可以通过机械和风力控制移动。与向下照明相比，产生的光线更柔和，其光线是伞形投影，这是一种大型雕塑夜景照明。室内透光照明是指当雕塑内部被照亮时，光线从半透明材料中溢出，使雕塑夜景焕发光彩。该灯具只能用于特殊的雕塑材料，采用玻璃材料的灯具使光从外部透入，形成雕塑夜景观。综合性城市雕塑高度及光源安装位置，选择特定的照明方式。

城市雕塑的重点照度系数可以表示为：

其中，Bi和Bj分别表示基础照明的亮度和聚光的亮度。综合考虑城市雕塑的材料确定对应的照度值，如表3 所示。

表3 不同被照面材料的最佳照度值 lx

1.5 选择夜景照明色调

城市雕塑夜景照明是由光、影、色等丰富的内容组成的。在照明中使用色光时，首先要考虑其色彩特性，并考虑其变化，把握色调的色彩空间[10]。

然而，在应用色光对比度时，需要考虑不同颜色的光强比是否与周围环境相协调。灵活运用各种灯光色彩、灯光等手段，以达到不同夜景氛围的目标效果。城市雕塑场景空间最常用的光源是介于冷光和暖光之间。雕塑立面大面积采光时，应选用浅不饱和色彩。当两个光源在同一空间使用时，会产生不同的对比效果。光的颜色对比度越大，可以获得亮度级别，也可以获得光颜色级别。

1.6 合理运用光影关系

因为城市雕塑中有凸凹，所以在夜晚可以用光影来反映不同的视觉效果。优秀的城市雕塑夜景照明设计需要光影的完美结合。合理利用光影也是照明中队照明应用的重要组成部分。由于光线被遮挡，物体在光线照射下形成的阴影称为阴影，在日常照明中大致可分为投影、阴影和透射三种阴影[11]。光与像是相互矛盾的。光与像相互作用的意象基础是辩证关系。光线越强，图像越明显。阴影的清晰度和与背景的对比度受光照强度的影响，光使物体产生投影，光的颜色可以从两个方面产生图像：图像本身的颜色和环境的背景色。光的位置和方向以及阴影的成像介质改变了阴影的轮廓形状。雕塑的轮廓线是通过光影的关系来表现的。光线角度的变化，即光线角度的不同，会产生各种物体的阴影形状[12]。另外，通过光影的关系，可以形成空间形态的错觉。空间反转错觉是指当光线照射到形体上时，后面的空间形状和轮廓会产生正面或反作用的错觉现象。一种是形状透视反转，另一种是凹凸空间反演。利用光与光、光影和空间视觉之间的关系来调整夜间的照明方式和位置。

1.7 分级控制

根据城市雕塑场景空间对光照强度、色温、显色性和节能的不同要求，实现了城市雕塑场景空间夜间照明的分级控制。调光器可以安装在城市雕塑场景空间中。调光器采用复杂的场景布局系统，通过计算机控制器控制多条照明线路，并通过调光器中的传感设备实时检测外部环境的变化，从而控制和调整城市雕塑场景空间的适宜色温和亮度。

城市雕塑是公共景观中的一部分，夜间照明与节能环保密不可分，提倡绿色设计是一项长期计划[13]。综合分析雕塑作品的空间特征、文化特征、经济特征等因素，使城市雕塑夜景照明以城市文化特色为基础，为绿色照明提供依据。在城市雕塑景观照明设计过程中，通过设置照明电源的功率限制，实现绿色节能控制。

2 应用效果测试实验说明

为验证夜景照明技术在城市雕塑场景空间照明中的使用成果，安排了应用效果测试实验，分别从城市雕塑场景空间照明和节能照明两个方面进行量化对比。

2.1 实验场地和对象的选择

此次实验选取了某市中央公园雕塑场景空间作为测试对象，该中心公园总面积为116 公顷，其中雕塑场景空间以16 公顷左右的面积分布在中心公园的多个区域中。测试时，场地尽量避免其他光源的干扰，影响测试照明效果的准确性。选取测试点周围环境尽可能空旷，不要让周围环境的反光影响雕塑，给实验结果带来误差。

2.2 测量使用仪器

应用效果的量化测试指标设置为雕塑场景空间照度、照明面积及用电数据，因此需要分别准备照度计、照相机和电量采集器。仪器选用TES-1332A 型照度计，其具有量程大、分辨率高等优点。相机主要是用来辅助照度计测量和计算照明区域，电量采集器主要安装在电源位置，通过电功率计算和数据采集得到最终测试结果。

2.3 应用效果测试过程

将准备好的测量仪器分别安装在实验场地的指定位置，并与主测量计算机相连。根据夜景照明技术的应用模式，确定具体的照明方案，安装具体的照明设备。夜间照明系统能自动控制城市雕塑场景空间的夜景照明，并获得相应的测量数据。

（1）照度值：以表3 结合式（4），经过实际光源的选择，即可获得照度值。

（2）照度均匀度：以立面上的入射角α为最小照度值约束，根据式（1）、式（4）获取重点照度系数与单个光源的发光强度I0，获取其与光源个数的比值，即可获取照度均匀度=最小照度值/平均照度值。

（3）照明功率密度现行值：指在达到规定的照度值情况下，每平方米所需要的照明灯的功率，在光源和照明灯具数量n 的约束下，使用电量采集器获取过电功率计算和数据采集得到最终测试结果。其中，亮度比的计算方法是雕塑照明照度与背景亮度之间的比值，在背景不变的情况下，照度值越大对应的亮度比越大，越可能发生眩光现象。通过亮度比最大门限值的设置，可以判断当前的照明方案是否发生眩光情况。

为了形成实验对比，在实验中设置了一个对照组，即不采用夜景照明技术的城市雕塑场景照明方案，并利用准备好的设备得到了相应的定量测试结果。