基于功能属性的城市灯具设计策略研究

刘梓成，干 静，周艳丽

（1.四川大学 艺术学院， 四川 成都 610200； 2.四川大学 机械工程学院， 四川 成都 610041）

0 引言

营造优美的城市环境，会让生活在其中的人们感到愉悦和舒适。 除了利用气候、动植物、土壤等生态环境因素之外， 城市照明环境的规划和具体照明灯具的设计是塑造城市视觉景观环境过程中的重要一环。

1 城市照明灯具出现的问题

随着城市扩张的进程加快，建筑、人口、交通工具的数量在不断增加，群众的夜间出行活动趋于频繁，户外夜间照明的需求在增加，照明的质量要求也随之提高。目前城市灯具的所呈现的问题主要聚焦在照明设计和造型设计两方面。

1.1 灯具照明设计问题

城市照明灯具的设计和排布不合理会造成光污染，主要体现在两个方面：①失能眩光。 失能眩光会让行人和驾驶员陷入短暂的视觉丧失状态， 无法对即时交通情况做出迅速的反应，极易造成事故；②干扰光。 光源功率、色温、显色性等参数设置与灯具布置方位设计不当，可能会造成视觉不适、疲劳等降低视觉可靠度的情况。

干扰光带来的直接危害虽然不如眩光严重， 但它会长期侵扰群众的夜间生活， 造成夜间活动人员精神紧张程度上升，破坏了夜间城市环境的生活舒适度。

1.2 灯具造型设计问题

首先是“拿来主义”严重。 如图1（a）所示，某些国外和国内的设计方案常常被多个城市拿来照搬和生硬仿制，造成“千城一面”的现象；第二是创作者过于追求个性化和标新立异的效果。 某些创作者自身的表达欲和主观情感比较强烈，致力于追求猎奇效果，难以使作品让群众产生归属感与认同感。 如图1（b）所示的夸张的大型立柱灯具指代意义并不明确； 最后是设计元素的应用层次和手段较为肤浅和单一。 近年，灯具造型设计上对民族文化、传统文化和历史文化的探索一直在开展， 但大多设计依然执着于符号与图形类的直接移植， 设计元素浮于产品表面。 如图1（c）所示的佛文化灯具取材手段极其扁平化和直接粗暴。

图1 在造型设计或选型上的具有问题的灯具案例

2 城市照明灯具的功能需求

目前在城市灯具的造型设计上缺乏针对性和系统性的思想指导， 某些城市的灯具呈现出来的景观效果不尽如人意；某些城市在灯具群的排布设计上，缺乏科学性的检验和对照明舒适度的考虑， 可能达不到或者超出国家标准规范，增加群众夜间出行的不安全性。要解决这两种问题，需要构建城市灯具设计的功能需求，进而通过具体的需求来提出相对应的解决策略。

2.1 亮化需求

（1）保证夜间环境的照度。 从灯具的定义上来看，它首先要实现城市的亮化，为城市夜间暗部环境提供光照，压缩犯罪活动的滋生空间，方便人民群众夜间生活。这也是照明灯具的核心功能需求。

（2）创造无污染、舒适的视看环境。 夜间城市的照明质量关系着道路交通的安全水准。 对于参加夜间户外活动的行人和驾驶员来说， 照明灯具仅仅提供夜间活动的可辨识度是远远不够的，还要考虑如何避免光污染、保障夜间视觉作业能力与改善行人和驾驶员的视觉舒适度。

2.2 造景需求

要营造出和谐、舒适、宜人的城市生活氛围，塑造富有人文气息的城市景观体系， 那就不能仅靠灯具的基本功能来实现， 还需要思考如何创作具有显著意义的外在视觉形式，来赋予灯具产品以象征性语义。

塑造照明灯具的景观感， 首先需要明确城市照明灯具的造景性体现在白昼和黑夜两个主要方面。

在白天，由于天空日光的存在，灯具基本不需要自身光源运作，所以它在白天所呈现的形式就完全由本身的造型、排布形式和所处环境来综合表现。 处于白昼的城市灯具更像是作为一个具有雕塑感的城市景观设施呈现在公众面前，其造型美感的优劣将主导大众对其的美学评价。

在夜晚，在失去了大部分天然光源之后，人工照明将对身处黑夜的城市居民提供主要的光环境。 在灯具的照明作用下，城市的白昼景观虽不能被完全展现，但人工制造的光线会为群众提供感官视觉的同时， 还对城市各类设施和建筑进行不充分的照射， 被映照物体出现了从白天完全的立体状态到夜间点、线、面的解构状态的转变；在夜间，城市灯具这种具有雕塑感的发光体，与被映照的物体会共同营造一种浑然一体的光环境， 实现了跟白昼景观截然不同的装饰感和氛围感。 当灯具造型与排布设计的主题明确且富有针对性和象征性时，还会具有烘托、传达城市自身独特主题的作用， 与其他城市形象形成差异化的展示，打造自身独有的精神文化名片。

2.3 亮化与造景功能两种需求之间的关系

在城市照明工程的建设中，灯具的亮化需求与造景需求是一种相互关联的共生关系，缺失任何一方都不能构成完整的城市灯具设计要素。

首先，从灯具的发展历史来看，灯具亮化环境是基础层级的需求。在满足了低层次的照明需求后，必然会产生更高阶的、能够传达城市精神属性、尊重大众情感体验的景观需求。所以，造景需求本身就是亮化需求的一种延伸和扩展。

然后，从理性与感性认识的视角来看，城市灯具的景观性建设在寻求设计要素过程中，往往会偏向于感性的设计表达。 这种表达途径具有发散性、跳跃性和偶发性的特点。 维克多·帕帕那克指出：“设计是为了达成有意义的秩序而进行的有意识而又富有直觉的努力。 ” 这句话中的“秩序”意味着既定标准和规则，“意识”意味着定义、归纳、分类、辨别、剖析等一系列抽象思维活动。 因此，在整个城市照明灯具的功能需求的实现路径里， 仅靠造景需求来实现情感和人文关怀是不够的， 其设计过程必将受到一定框架内的约束。 在体现照明基本功能的硬性数据指标的支撑下，亮化需求需要保证灯具设计中最根本的机能价值的准确性、规范性，从而不逾越科学的边界。 所以，亮化需求反过来对造景需求的实现过程定义了规范和底线。

2.4 智能需求

自从智慧城市的概念被提出且通信技术的取得了一定的进展，城市智能灯具的新型功能被接连开发出来，如图2、3 所示。 目前的主流智慧灯具一般具有以下功能模块：基于GPRS/CDMA/Zigbee 的智能照明控制、监控摄像、通信 （包括RFID 识别设备以及通信基站设备）、 集成传感、信息发布、新能源模块等。

图2 位于成都市双流区的智慧路灯

图3 国内厂商提供的智慧灯杆方案

总之，集成了智能照明控制、信息采集传输发布以及其他物联网和通信技术的多功能智慧灯具， 将会为人们带来更多的出行上的便利，并且能够降低能耗，具有更实际的应用价值。

3 满足城市灯具功能需求的实现策略

在具体解决城市灯具所呈现的问题的实际操作中，满足灯具亮化和造景需求的重要性是等效的。在实践中，需要根据所在城市的具体环境、政策规划、财政预算情况来具体判断实际的操作次序。

3.1 基于亮化和造景需求的城市灯具设计策略

（1）亮化需求分析。 对于选定的城市区域，首先需要对其光环境进行测量评价来进行亮化需求提取， 分析现状的不足之处。

检测选定区域的照明评价指标。 对于城市不同的区域（不同等级的道路、公园绿地等）的照明数据指标，需要依据中华人民共和国住房和城乡建设部颁布的照明设计标准来制定。 对于城市道路照明的评价，分为机动车道、交互区和人行道及非机动车道照明三类， 需要在路面面平均亮度或路面平均照度、 路面亮度总均匀度和纵向均匀度或路面照度均匀度、眩光限制、环境比和诱导性等参数中选取不同分组作为评价指标； 对于城市景观照明的评价，分为建筑物、步行街、广场、公园和特殊景观元素等类别，需要在照度、亮度、颜色、均匀度、对比度、立体感、眩光限制和照明功率密度等参数中选取不同分组作为评价指标。对于光环境的光度数据进行测算量化的过程，传统手工照明测量方法可以按照国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管委会共同发布的GB/T 5700-2008 《照明测量方法》的指导进行照明测量。但传统的手工公式计算往往在实施成本、 适应情况和计算效率上具有诸多局限性。 目前，可以借助各类照明设计软件进行场景模拟，在导入的照明标准的规控下， 适当代替传统人工计算方法，进行更高效、精细的计算。

（2）检测选定区域的人眼视觉功效和照明舒适度指标。这一部分需要评估其照明效果对夜间活动人员的生理和心理机能的影响。 对于人眼的夜间视觉功效受到照明灯具的影响情况，一般用小目标的可见度、辨认的精确度、视觉反应时间差的长短以及能够保持高水平视觉可靠性的时间段等数据指标来衡量， 这可以评价其在照明情况下的视觉作业能力； 对于人眼的夜间视觉舒适度的研究方法，带有比较强烈的主观色彩，但仍可以将测试对象主观评分结合其眨眼频率（视疲劳指标）、闪光融合频率（视疲劳指标）、瞳孔测试数据（视敏度指标）进行综合评价。

3.2 造景需求分析

对于特定城市区域，完成亮化需求分析之后，需要参考当地城市近年的总体规划文件来进行景观需求的判定。 在当地政府颁布的总体规划文件所指定的整体性的规划方向上，把握不同区域所侧重的特征。

（1）区域景观形象定位。 依据选定区域的环境条件，如区域定位、照明等级、道路位置、横断面类型、所处区域、人流量、车流量等，对道路进行初步的形象定位，为之后选择合适的地域特征元素和产品语义与之匹配作准备。

（2）地域特征元素的选取。 通过确定好的区域形象，来选取与之匹配的地域特色元素。一般来说，对于偏向现代形象的街区类型，应选取现代性的本土文化元素，或者将传统特色元素转化为符合现代大众审美的符号， 使之表现出现代感和科技感；对于偏向传统特色的街区类型，需要缩小范围、精准选取区分度大的、唯一的文化符号；对于偏向山水风光现的街区， 需要选取跟山水元素相关的地域元素特征， 诸如从山间的蜿蜒叠嶂和水流的流动感来进行筛选和提炼。

3.3 设计灯具造型

（1）基于地域化特征进行灯具单体造型设计。 在造景的层面具有生命力的灯具产品， 一定是对受众施以人文关怀且使其产生归属感和认同感。 在之前街区地域特征元素的选取步骤里， 通过确定区域形象来匹配地域特色元素， 就是一个获取具有归属和认同感的设计元素的过程。在完成地域化特征元素的采集之后，要从造型、色彩、材料三方面进行进一步提炼。有以下几个方面：①排除干扰元素和无用细节来保留元素对象的轮廓特征； 分析目标对象的结构层级， 抽取具有一定主次关系和比例关系的造型元素和设计符号。 对于地域特征元素中蕴藏的色彩语言，可以划分为自然色（土壤、植物、岩石、水域等）和人工色（民间器具、建筑、服饰等）；②从灯具自身的结构特性入手，诸如底座、灯杆、灯头、悬臂、支撑架等机电产品设备的基本结构， 使用第一步提取的造型元素去处理这些各功能部分及其交汇连接处的造型和材质。

（2）利用灯具群的排布来形成立体感。照明系统的自身组合形式，与城市道路或者其他公共设施、建筑共同形成一个具有立体感和景观感的有机体。 照明系统结合着透视感强的线性道路系统排列组合会形成动态的指引感和节律感，这两种感受会加强街区的景观辨识度。整体照明设施结合着建筑或者其他公共场所、 设施会形成主次关系清晰、主题特色明确的静态空间氛围。

图4 井架和以之为蓝本创作的抽象平面作品

城市照明系统和城市环境系统之间存在着一定的空间几何关系，其几何关系就主要靠灯具间距、安装高度、布灯方式等参数来决定，进而影响照明和景观效果。对于道路照明来说，一般有五种布灯方式：双侧对称、中心对称、单侧布置、双侧交错和横向悬索。 每种布灯方式的安装高度和间距也不同， 还会根据灯具的配光种类做出进一步的调整。

3.4 光环境模拟

使用DIAlux 照明仿真软件的室外和道路照明模式，导入建立道路和绿地模型，通过设置光源类型、功率、灯杆间距、发光点位置等照明参数，设置根据国家照明标准规定的（照度值、亮度值、均匀度和眩光值等）的照明参数，对已设计的灯具的照明效果进行优化和校验。

软件可以直接测算出该参数下的照明情况是否符合标准要求，若不符合要求，则可以更改其中的某几项参数或者使用软件自动优化的功能， 软件会自动计算出最优解。 最后，根据模拟的最优排列参数对灯具光源的位置、灯具组合方式、排列方式进行调整，使之符合安全舒适的光环境需求。

4 基于亮化和造景需求的设计策略的实例应用

此研究以自贡市的亮化改造工程为实际案例， 采用上文讨论的设计策略， 为自贡市长征大道进行照明灯具设。 为之搭配设计的路灯通过地域化设计的手段进行外观设计满足了造景需求， 同时经过光环境的模拟分析迭代，也满足光环境照明标准，满足亮化需求。 设计方案已经获得相关公司的采纳和实施。

首先根据对长征大道的光环境需求分和形象分析，主照明在满足标准要求之外，色彩需要以浅黄色为主，并增加若干具有点缀作用的装饰性光源，采用稳重大气、现代的、具有盐文化地域特色的设计风格。

基于盐文化自贡特色地域文化为灵感来源的设计方案：“天车岁月”路灯。 其渲染效果如图5 所示。 灯具以具有金属感材质，路灯造型采用盐场天车元素，并以几何体与线条组合为主。

图5 “天车岁月”路灯渲染效果

图6 长征大道夜晚灯具效果

最后，使用DIAlux 照明仿真软件，导入建立道路和绿地模型，通过设置灯具类型、功率、灯杆间距、发光点位置等照明参数， 对已设计的灯具的照明效果进行了优化和校验。 根据CJJ45-1991 《城市道路照明设计标准》和JGJ/T-2008《城市夜景照明设计规范》进行调整优化，最终的灯具光源参数和布置方案达到了道路的照明要求。

5 结束语

本文论述了城市灯具设计的两大功能需求——基础功能和造景需求，并进一步提出了一套城市照明灯具设计的策略，并经过了自贡亮化工程案例的设计实践的检验。

在道路照明灯具的设计过程中， 在理性与感性因素的作用下， 通过一定的设计策略将各种设计要素进行合理的调配和运用，满足亮化和造景两重功能属性，使产出方案作为城市公共设施有效地帮助构建城市灯光环境，兼具合理性与美感，体现出当地城市亮化景观的特色，保证社会、经济与文化效益。