月球建筑宜居性光环境与照明设计的前瞻性研究

张冠华，谭 柯，杨 彪

(哈尔滨工业大学(深圳)，广东 深圳 518055)

引言

康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基说过地球是人类的摇篮， 但人类不可能永远生活在摇篮中[1]。1959年，人类首枚月球探测器成功发射，踏上了人类探索月球的征程[2]，1969年阿姆斯特朗成为了第一个登月的人[2]。1959—2017年，人类共发射132个月球探测器，获取了大量科学数据[3]。进入21世纪，欧洲、中国、印度先后完成对月球的首次探测。“美国太空探索新构想”和美国国家航空航天局发布的报告[4]、欧洲空间局的“曙光计划”和中国国家航天局颁布的《2016中国的航天》白皮书中都表明在未来几年[5，6]，人类还将开展多次更深入的探月活动。

1 月球建筑

孙家栋院士指出，当我们掌握了一定的航天技术以后，人类的探索必然要向深空发展，第一步应当是月球[7]。目前距离人类首次登月已经过去了50多年，人类在探月事业中已经取得了巨大的成就，但是对于月球表面是否可以营造出可供人类中长期居住的适宜性建筑环境，还需要在空间科学与技术的基础上，对月球建筑设计的基础科学问题进行综合性和整体性的探索和研究。相比地球环境而言，月球上的重力、温度、材料、资源、自转周期和公转周期等基础条件都大不相同，其建筑设计范式和设计准则具有颠覆性，是地球环境下建筑设计概念和理论体系不能套用和解释的。因此，月球建筑应是未来建筑中最具代表性的部分，集所有前沿理论与技术于一身。在适用方面，月球建筑应是互动建筑的典范；在坚固方面，月球建筑是建造技术的集合体；在美观方面，月球建筑是“航空美学”的载体。由此看来，月球环境中的建筑很可能属于孟建民院士定义的“奇点建筑”[8]，成为太空建筑乃至人类建筑的“引爆点”。

目前对于月球建筑的研究主要集中在两个方面。一方面是对月球建筑材料及结构进行的研究，塞巴斯蒂安·威廉(Sebastian Wilhelm)对近年来有关月球建筑材料的研究进行了综述[9]；另一方面是以建筑设计竞赛或探月研究机构与建筑设计事务所合作的模式对月球建筑进行的概念设计。例如，诺曼·福斯特(Norman Foster)的工作室Foster+Partners与欧洲空间局合作，基于3D打印月球建筑材料技术提出了月球殖民(Lunar Habitation)的设想[10]。来自波兰、德国和意大利的Monika Lipinska、 Laura Nadine Olivier 和Inci Lize Ogun所设计的“月球试验基地”(Lunar Test Lab)深度探索了未来月球生活和空间的可能性[11](图1、图2)。来自中国团队的设计方案“月亮之眼”(LOOKING THROUGH THE MOON)则是在月球上创造一种“穹顶之下”的生活方式[11](图3、图4)。本研究对近年来月球建筑的概念设计进行了总结(见表1)。在目前月球建筑概念设计中，除了对采光窗做出简单的探索之外，对月球建筑宜居性光环境的整体性设计的探索和研究非常有限。本研究首先对比了地球表面和月球表面上日照和光环境条件的不同之处，提出了初步的设计范式；然后分析了地球人对建筑适宜性光环境的基本生理心理需求，寻找基本的设计准则。

图1 月球实验室(https://www.archdaily.com/803985/9-visions-for-lunar-colonies-selected-as-winners-in-moontopia-competition)Fig.1 Lunar test lab

图2 月球实验室(https://www.archdaily.com/803985/9-visions-for-lunar-colonies-selected-as-winners-in-moontopia-competition)Fig.2 Lunar test lab

图3 月球之眼(https://www.archdaily.com/803985/9-visions-for-lunar-colonies-selected-as-winners-in-moontopia-competition)Fig.3 Looking through the moon

表1 月球建筑概念设计统计表Table 1 Statistical table of conceptual design of lunar architecture

图4 月球之眼(https://www.archdaily.com/803985/9-visions-for-lunar-colonies-selected-as-winners-in-moontopia-competition)Fig.4 Looking through the moon

2 月球环境与地球环境的差异

由于月球环境和地球环境有很大的不同，在建筑光环境的设计过程中需要考虑的因素也必然存在很大的差异。了解月球的概况，以居住者的视角分析地球和月球的环境差异是必要的。

2.1 月球概况

从行星卫星之间比例来看目前月球是太阳系最大的卫星[2，12]。从整体上来看月球是一个南北稍扁、赤道略微鼓起的扁球体，其总质量为7.35×1022kg，是地球的八十一分之一；平均直径为3 476 km，是地球的27%；表面积约为3800万 km2，是地球的十四分之一；体积约为2.2×1010km3，是地球的四十九分之一；平均密度为3.34 g/cm3，而地球的平均密度为5.52 g/cm3。从月球表面上来看月球正面表面相对平坦，地势较低；月球背面表面崎岖不平，地势较高[13]。从月球内部结构上来看，月球内部结构与地球类似具有分层结构，可分为月壳、月幔和月核，越深层的结构温度越高[14]。

2.2 居住者视角下地球月球环境差异

1)昼夜周期。地球上的昼夜交替的周期为24 h。月球自转和绕地球公转的周期相同，以约27.32 d为一周期围绕地球沿一椭圆轨道运行。月球的恒星周期为27.321 661个地球日，由于地球同时绕太阳运动，所以月球的朔望月为29.53个地球日，因此月球上的一昼夜是29.53个地球日[12，15]。昼夜周期的巨大差异使我们对月球建筑光环境的设计需要做出新的适应性调整。

2)表面大气层。地球表面的天然采光主要来自两个方面，一方面是太阳的直射，另一方面是地球大气层对太阳光的散射。在月球表面也存在着大气层，氩、氦和氖是构成月球大气层的主要成分。地球大气层的总质量约为5.15×1018kg，相当于地球总质量的0.86%。月球的大气层总质量低于104kg[16]，非常的稀薄。这导致了月球表面只有太阳直射而没有大气层对太阳光的散射，从而导致月球建筑采光及遮阳设计方式的变化。

3)主要天然光源。不同于地球的地表充满着植被或河流等自然景观，月球表面充满着被称作月壤的风化层[17，18]。由于月球表面没有大气对太阳光的散射，更加突显了月壤对太阳光的反射，月壤反光也是月球表面的主要天然光源之一。不同于地球上大气对太阳光的散射，月壤对太阳光的反射方向是自月表向上的，光源照射方向上的差异要求我们在设计月球建筑时进行合理的处理或运用。

4)重力加速度。月球的重力约为地球重力的六分之一[12]，这会给人类生理系统带来不利影响，如骨质疏松和免疫系统异常等，也会导致地月建筑在形式上有很大的差异。如果人类在月球搭建建筑，要考虑到由于重力的不同，建筑表面和建筑内部需要被照亮的各个界面的位置及高度也会与地球建筑不同。

5)昼夜温差。月球的地形地貌以及气候条件跟地球有着巨大的差异，其表面上不同地区的昼夜日光条件及昼夜温差可能是截然不同的，月球赤道周围的大部分地区昼夜温差极大，而极区大部分地区昼夜温差比赤道地区小，这要求我们对月球建筑的选址进行思考和研究。目前已有对月球基地选址所进行的研究，考虑到月球极区昼夜温差相对较小，会使基地结构因昼夜温差产生较小的形变，通常会选择月球的极区作为基地位置的首选目标。例如美国计划将月球南极的马利普特陨石坑和沙克尔顿陨石坑作为月球基地选址的候选地[19]。

6)季节变化。月球的赤道面与黄道面夹角仅为1.54°，远远小于地球的23.44°[12]。所以月球上不会像地球上一样因太阳光照射的变化导致季节的不同。而月表地形对月表季节有所影响。Ben Bussey在研究1994年克莱门汀探测器的月球探测图像时发现月球北极存在常年处于盛夏的极昼地区[20]。极区存在很多撞击坑底部一直没有太阳光的照射，形成了永久黑暗并处于严冬的地区。截然不同的日照条件和季节变化要求我们在月球建筑设计阶段对采光遮阳及保温隔热进行重新考虑。

本文从居住者的视角将地球和月球的建筑背景差异以表格的形式整理总结出来(见表2)。

表2 居住视角下地球与月球环境差异表Table 2 Environmental difference between the earth and the moon from the perspective of habitation

3 月球建筑光环境设计范式

3.1 月球与地球建筑光环境设计原则差异

所谓设计范式是在建筑设计过程中的表层结构，是由设计基本原则及其变化规律等深层结构所决定的[21]。梳理清楚地月建筑光环境设计原则上的差异是提出月球建筑光环境设计范式的关键所在。

地球建筑的光环境设计从光源的选择来看主要分为两个方面：一方面是以人工照明为采光光源的照明设计[22]；另一方面是以太阳光为采光光源的采光及遮阳设计[23]。通常在地球建筑光环境设计的过程中这两个方面是被综合考虑的。用月球建筑设计的视角来总结地球建筑光环境设计的原则主要有基本功能性原则、舒适性原则、生理健康原则和心理健康原则等[24-26]。本研究通过整理并分析在居住者视角下月球与地球的差异，得到月球与地球建筑光环境设计原则的差异。

1)昼夜周期。月球的朔望月为29.53个地球日，即月球上的一昼夜是29.53 d。人体的生理节律周期已经适应了地球上的昼夜变化规律，在月球建筑光环境设计中应首先考虑如何将光环境营造为适应人体节律的变化模式。

2)表面大气层。地球上有太阳光直射和大气对太阳光的散射两种主要的天然光源(图5)，而月球由于其大气十分稀薄，没有大气对太阳光的散射(图6)。首先，越来越多的研究表明将太阳光引入室内环境会对人的舒适度、健康、幸福感和生产力产生有益影响[26-28]。考虑到月表只有直射的太阳光，在月球建筑光环境设计过程中要利用对太阳光的动态追踪来满足建筑内部人员对天然光的需求。其次，太阳光直射造成的眩光会对人的生理和心理造成极不利的影响[29]，在利用太阳光的同时应考虑如何避免眩光。

图5 阿波罗12号机组人员所拍摄月球表面所观察到的太阳(NASA Image and Video Library https://images.nasa.gov/details-9407062)Fig.5 A view of the sun from the lunar surface taken by the Apollo 12 Crew

图6 地球表面所观察到的太阳(拍摄：GreatHan)(https://zh.m.wikipedia.org/wiki/File:%E4%B9%8C%E6%B5%B7%E9%BB%84%E6%B2%B3%E8%90%BD%E6%97%A5.JPG)Fig.6 The sun as seen from the surface of the earth

图7 地球表面(https://pxhere.com/zh/photo/93582)Fig.7 The earth’s surface

(3)主要天然光源。地球有大气对太阳光的散射，且地球的地表充满着植被或河流等自然景观，地表对太阳光的反射并不是地球建筑采光的主要来源(图7)；而月球表面经过漫长的撞击作用以及太阳风和宇宙射线的轰击已经高度粉碎，充满月壤和岩石。月球表面没有大气对太阳光的散射，月壤对太阳光的反射是月球建筑采光的重要形式(图8)，月壤对太阳光的反射是由下向上的，光源方向的变化导致在设计如开窗等采光方式时需注意在形式上做出适当的调整。

图8 阿波罗12号机组人员所拍摄的月壤反光(NASA Image and Video Library https://images.nasa.gov/details-9407062)Fig.8 Lunar regolith captured by the Apollo 12 crew

4)重力加速度。重力加速度限制了人在建筑中行为的高度，而建筑中经常发生的行为所处的空间或界面通常是需要被照亮的，在建筑光环境设计中被照亮位置的分布也受到重力加速度的影响。月球的重力加速度只有地球的六分之一，人在建筑中的活动范围会有所变化，需要被照亮的活动界面的高度及范围也会发生变化，在进行月球建筑光环境设计时，要对灯具高度和光线照射活动界面的角度等做出调整。

5)昼夜温差。昼夜温差从宏观上限制了月球建筑的选址。考虑到建筑技术对昼夜温差的要求以及建筑对太阳能的需求，应优先在昼夜温差较小的月球极区进行建筑选址以避免建筑结构的破坏，并避免选在常年处于黑暗的地区。

6)季节变化。由月球地貌的特征来决定的月表季节在微观上影响了光环境的设计。例如在月球极区的一些撞击坑底部无法接收到太阳光，一直处于严冬中；而顶部则因为极昼而一直处于夏天中。在做建筑光环境设计时应考虑其选址所在地区独特的季节变化来进行地域性的采光设计。

3.2 月球建筑光环境设计范式

本研究从建筑设计的角度，以从宏观到微观的设计过程为主体脉络，首先确定由太阳光照条件限制的月球选址；然后选择当地可用的天然光源，并且合理地设计采光方式来营造出一个变化模式适应人类生理节律周期的建筑光环境，通过光环境对心理的正面调节，促进人员更好地完成建筑功能所要求的行为；最后利用采光构件对有害光进行处理。

本研究针对月球与地球在昼夜周期、大气层、自然光源、重力和季节变化等物理环境方面的差异，并根据这些差异逐一分析在月球的光环境设计原则需要进行哪些必要性调整，从而得到月球建筑宜居性光环境的设计准则，从月球建筑选址、自然采光、人工光源和有害光处理等方面提出一套可供参考的月球光环境设计范式(见表3)。

表3 月球建筑光环境设计原则及范式表Table 3 Light environment design principles and normal form of lunar architecture

4 总结与展望

随着人类探月技术的不断成熟，对月球建筑光环境的研究，不仅仅对未来人类在月球长期生存居住有着实际应用的参考价值，也将为深空探索研究，特别是深空探测中人类生存环境的研究提供重要的参考。本研究以居住者的视角分析了月球与地球的差异，通过对地球建筑光环境设计原则的解读推导了月球和地球光环境设计原则的差异，并提出了一套前瞻性月球建筑光环境设计范式。

目前本研究所总结并提出的设计范式还停留在整体的原则性层面上，基于当前阶段的航空技术具有一定的前瞻性，同时也尚未进行深入和细致的技术性的探讨，难以进行实践验证。下一步将对建筑光学的标准天空模型在航空航天领域的应用进行扩展，并利用大型人工天穹系统模拟月球的太阳光照条件及其变化规律，再通过物理仿真和搭建建筑实体模型的方法模拟月球建筑光环境的设计原型，从而完善并验证月球光环境设计范式的可行性和精确性。