“南海一号”古沉船考古照明设计研究

孙 晴,李明海

(1.西安建筑科技大学建筑设计研究院，陕西 西安 710055；2.西安建筑科技大学，陕西 西安 710055)

引言

“南海一号”古沉船是南宋初期一艘在海上丝绸之路向外运送瓷器时失事沉没的木质古沉船，沉没地点位于中国广东省台山市海域。“南海一号”古沉船目前存放在广东海陵岛的海上丝绸之路博物馆三号舱内。相对于普通博物馆的展示文物，“南海一号”古沉船体积庞大，而且内部文物众多，包括瓷器、金器、银器、铜钱及大量动植物标本等。基于保护发掘与展示的目的，三号舱沉箱区沉船陈放顶部照明是整个博物馆电气照明设计中的重点与难点。本文根据现场实勘结合考古发掘与展陈需求，通过研究现场实际环境条件及开展考古工作对光环境的客观技术要求，利用模拟仿真设计制定电气照明方案及措施。

1 照明设计难点分析

在海上丝绸之路博物馆内的“南海一号”古沉船沉箱区的照明不仅仅要求将沉船船体照亮，更要求能达到考古照明的标准，能兼顾大量考古学家在古沉船船体上参与细致的考古工作。这就对博物馆沉船区照明要求提出了更高的标准需求。

1.1 照明空间分析

沉箱区域底部标高为-8.5 m,沉箱上部工作平台标高为-0.198 m。工作平台与钢结构上人观察平台底部面层机构距离6.8 m。沉箱区域为47.44 m×18.58 m空间范围。具体空间布局如下建筑剖面图1所示。

图1 三号舱沉箱区剖面图Fig.1 Section of the caisson area of module 3

1.2 照明要求分析

1.2.1 考古发掘照明要求

沉箱部分设有考古工作平台(标高为-0.198 m)，此平台根据考古要求，需要与保护修复标准一致。另外，顶部钢结构上人面设有观察窗，考古平台外侧设有游客观察区，因此需结合文物陈列展示照明要求。根据《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)规范中的要求，博物馆文物修复室应在其实际工作面达到750 lx标准，UGR=19,U0=0.7,Ra=90。同时，对光不敏感的展品：陶瓷器、宝玉石器、岩矿标本、玻璃制品、珐琅器等照度标准值为展品面小于等于300 lx，UGR≤19，Ra≥90。由于沉船处于海水埋设区域内，发掘工作稳步进行中。暴露在海水外供游客参观部分基本为对光不敏感的材料。另外，低感光度的木材、骨骼等等有考古价值的一经发掘会转移至博物馆考古工操作间内。因此，基于以上因素，结合考古队提出的考古工作面照度需求，沉箱区照明设计指标定为800 lx, UGR≤19,U0=0.7,Ra>90。

1.2.2 展示保护照明要求

对于博物馆的文物保护来说，光学辐射尽管不能造成最严重的破坏，但是已经证明光学辐射与考古文物及博物馆藏品的兑变有着明晰的关系。

1)光辐射的热效应控制。辐射热效应是指由于获得入射的辐射能量而造成物体表面温度升高，超过环境温度，为光化学提供动力。同时，随着热环境的改变，材料发生空间上的形变。红外光是热辐射线，文物被红外光照射,使被照物表面及内部温度急剧上升,产生内应力，出现翘曲、龟裂现象。

红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1 000 μm。红外线可分近红外线，中红外线，远红外线。对于目前各种类照明光源而言，少量的780～1 400 nm近红外线是照明光源中需要尽量减少或剔除的光辐射。显然，控制光源的红外辐射(IR)是选择合适光源的必要条件。沉箱区顶部照明需选择红外波段输出低的光源，或者使用红外滤镜。

2)光源的紫外线含量控制。对于“南海一号”沉船考古发掘保护而言，多数文物属于矿物质或无机物材料(石头、金属、玻璃、瓷器等)；及少部分属于有机物(木材、骨骼、象牙、漆器、纺织品等)。沉船内考古发掘的小部分是以有机物形式存在的文物，此类有机化合物分子是由碳氢原子以共价键的形式相互连结而成，若键断裂就会造成有机物的分解。紫外光具有足以使有机物化学键断裂的能量，使有机质地文物损坏。紫外线分为UV-A(315～400 nm，长波紫外线)、UV-B(280～315 nm，中波紫外线)、UV-C(100～280 nm，短波紫外线)。

对于博物馆，CIE 2003的技术报告建议光源的最大紫外线含量为10 μW/lm，其中每流明的UV微瓦数(μW/lm)表示相对于光源光通的UV辐射能量。根据以往工程测试结果可知穿过玻璃辐射，可以认为315 nm以下的辐射(UV-B和UV-C)已被过滤，因此，可以选择能够完全控制UV-A波段的光源灯具，该波段范围是315～400 nm。

1.2.3 灯具安装及保护要求

沉箱区古沉船由于整体打捞放置于博物馆内，浸泡于海水中，随着考古工作的进行，海水逐渐被抽出。大量的海泥挥发有具有一定浓度的汞蒸气。汞在室温下(29.76 ℃和28.44 ℃)也呈液态，其在常温下即可蒸发。汞蒸气和汞的化合物多有剧毒(慢性)。汞很容易与几乎所有的普通金属形成合金，包括金和银，但不包括铁。博物馆沉箱区外侧及顶部参观区应用封闭玻璃隔离。内部采用主动抽排风设备在沉箱区(灯具安装部位)收集汞蒸气并处理排放。因此，对于长期直接暴露于汞蒸气环境下的灯具，应具有防水、防尘和防腐的功能。另外，灯具安装于沉箱区顶部钢结构上人面底板，一方面需要保证考古工作人员的人身安全，另外一方面需要保证考古发掘文物的完整性，灯具还需具有防震、防跌落措施。

2 光源选择

基于考古发掘需求，沉箱区顶部照明需要有较高显色性。LED灯具经过多年发展显色性有所提高，但是与白炽灯的显色指数相比，还是有一定差距，而且其效率会受到影响。目前用黄色荧光粉和蓝光产生的白光LED，其显色性指数约为80。通过增加适当红色荧光粉等方法，可以使显色指数提高到90。通过红、绿、蓝(RGB)混色处理也可以提高显色性，但由于(RGB)LEDs中三个独立发光体随时间的推移具有不同的光谱漂移，且具有不同的热降解率，使得其颜色稳定性较差。因此，由额外电子元件提供混色功能(可动态改变输出色彩的基调)是提高LED灯具白光显色指数的技术重点。

图2 LED光源光谱强度图Fig.2 LED light source spectral intensity chart

LED照明光源光谱相比其他发光光源灯具具有较好的光谱窄带性。以飞利浦白光源LED光源为例，其光谱强度如图2所示。能够看出，LED光源光谱能量强度集中在400～780 nm之间。因此，选择此种窄带性LED灯具可以避免紫外线与红外线对于文物的破坏。

据此，拟采用70 W明装LED灯具，防护等级IP65，光束角为30°，Ra>90，色温4 000 K～6 500 K，光通量6 000 lm，安装高度5.0 m(原考古平台至灯具底部)，灯具间距2 m×2.5 m布设于沉箱区顶部。

由于拟采用光源发光面积介于0.005～1.5 m2之间，统一眩光值(UGR)根据下式计算：

(1)

其中：Lb为背景亮度;ω为每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角；Lα为每个灯具的发光部分在观察者眼睛方向上的亮度;P为每个单独灯具的位置指数。

因而建立沉箱区空间模型，将参考平面定位在沉箱区中心点，坐标为(0,0,0)。确定观察者角度坐标为(±9 539，±9 413～±23 889,+0.45)利用计算机建模并模拟灯具照明效果。灯具布置平面如图3所示。

图3 沉箱区灯具布置图Fig.3 layout plan for caisson lamps

根据计算机仿真结果，模拟三维立体照明效果图，并确定各项参数符合设计标准，立体模拟图如图4所示。灯具布设规则，位置参数，悬吊高度，维护机构确定后，沉箱区顶部LED灯具照明曲线图如图5所示。

图4 沉箱区照明三维模拟图Fig.4 Three-dimensional simulation of caisson lighting

图5 沉箱区照明照度曲线图Fig.5 Chart of illumination in saisson area

由图5可知，平均照度819 lx满足预设800 lx工作面水平照度要求。最小照度为600 lx,因而可计算出U0=0.7,同时，计算机仿真结果UGR=19亦满足预设要求。

3 沉箱区LED灯具安装措施

根据灯具安装环境及安全措施要求，沉箱区顶部灯具安装还应注意以下施工安装措施：

1)灯具采用预埋接线盒、吊钩、膨胀螺栓固定方法。

2)灯具固定应牢固可靠，每个灯具固定用的螺丝或螺栓不少于2个。

3)潮湿及有腐蚀气体的环境安装，加设橡皮垫圈、固定底座四周刷一遍防水漆。

4)观察窗处灯具角度调整为中心垂直线夹角30°照射。

5)灯具安装于顶部槽钢上。在槽钢下部翼缘中部位置开孔，采用M10不锈钢螺栓，孔径为12 mm。

施工过程中，因为底部为沉船文物，灯具安装与吊杆施工均采用防跌落设施，以避免文物损失。施工采用桥式吊车定位安装吊件。完成后保留桥式吊车用于考古作业。作业面完成如图6所示。

图6 沉箱区照明实景图Fig.6 Caisson lighting scene

4 结语

本文通过对考古现场环境及照明规范研究，结合考古专业人员照明需求的分析，制定设计出符合满足此类考古、展示需求的照明方案及施工设计。结合计算机仿真技术及施工现场的具体踏勘，利用LED照明光源创建出较为满意的一种考古现场光环境。