基于机场候机厅渲染图像的光环境调查

刘艳雯，王呈瑜，张 昕

(清华大学建筑学院，北京 100084)

引言

机场候机厅的视觉任务包括空间定向、寻址、交流、阅读(纸媒和电子媒体)[1]等。光环境设计首先应保证乘客可以安全高效地完成基本视觉任务，具体体现为：合理的地面照度保障安全行走；合理的工作面照度和统一眩光值保障舒适的等候环境；合理的标识/屏幕与背景亮度比保障轻松的阅读信息。

国标现行指标包括地面照度、地面照度均匀度、统一眩光值和显色指数[2]，借鉴了国外的机场标准体系。我国新建机场候机厅的显著特点是空间高大(见表1)，天花板、地面和墙面之间的亮度比会影响人对空间尺度的判断[3]，进而影响空间定位和寻路能力。对于高大空间，高度、地面照度、光分布如何影响舒适性评价，本研究通过收集手机用户(乘客)对典型机场候机厅渲染图像的评价进行大样本调查。

基于虚拟现实[4]和渲染图像[5]的评价实验是目前已应用于机场视觉环境研究的方法。虚拟现实是基于屏幕自发光的场景构建技术，渲染图像是基于光线追踪原理计算静态图像，建成环境为真实光环境下的物体反射场景。无论虚拟现实还是渲染图像，在研究照度、亮度、眩光等定量环境参数时，均存在原理性误差，更适用于比较相对关系以及对光分布(照明方式)等做定性的评价研究。

表1 国内典型大型航站楼值机/候机厅的净高值

1 研究方法

1.1 模型建立

由SketchUp建模，利用DIAlux软件渲染出不同参数组合的机场候机厅图像。候机厅研究模型的平面设计参考中国建筑西南设计研究院有限公司提供的标准机场航站楼平面和首都T2航站楼，为通道17 m宽、100 m长的标准候机厅空间(见图1)。依据《建筑设计资料集》[6]建议的候机厅高度，将最高点高度设置为7 m、10.5 m、14 m三档。为降低功率密度，地面材料采用白色地板砖(反射比70%)、墙面采用砂岩砖(反射比70%)、天花板材料采用浅色铝板(反射比60%)、玻璃透射比70%(反射比15%)。通过对国内机场的文献调研和实地考察，整理出四种典型照明方式用于研究模型(见表2)。

图1 候机厅研究模型平面图(局部)

表2 机场航站楼的四种典型照明方式

续表2

1.2 评价指标的模拟复现

参考《建筑照明设计标准》(GB 50034)的规定，将研究模型的地面照度设置为100 lx、200 lx、300 lx三档，并依次在DIALux软件中进行模拟复现(见表3)，并生成36个研究模型的渲染图像(见图2)。标识与背景的亮度比影响标识的清晰度和易读性，色温影响寻路过程中的记忆力和反应速度[4]，灯具和广告牌的眩光也是影响舒适性的重要因素，这些因素受限于研究方法，均未纳入本研究的范畴。

表3 四种照明方式的模拟结果

续表3

图2 渲染图像

1.3 问卷设计

调查问卷通过网络平台向航空出行乘客定向发放。基础问题包括年龄、性别、出行频率。偏好题是由被试在两张不同指标组合的渲染图像中选出更舒适的照明环境(见图3)，问卷结构见表4。以照明方式偏好为例，受访者需要在两张空间高度和地面照度相同，只有照明方式不同的图像之间做选择。四种照明方式两两组合为6种组合形式，在三种高度和三种照度的条件下，生成54个比较组。为保证每个比较组获得30份比较数据，即总计1620份有效数据，如每位受访者完成2次比较，共需要回收810份问卷。因此，每位受访者需完成6次比较，并对12张图像采用7级语义差别量表(色温、明亮度、光分布均匀度、舒适性)进行评价。

图3 偏好题举例(空间高度和地面照度相同，照明方式不同)

表4 大样本调查问卷结构

2 数据分析

通过问卷星平台共发放1024份问卷，回收855份有效问卷。对问卷进行信度校验，其可靠性Cronbach’α系数接近90%，可以接受。受访者平均年龄为32.8岁，主要分布在28岁～38岁之间，基本符合正态分布。其中男性为72.4%，女性为27.6%。被调查者乘坐飞机出行频率以0.5～2次/月为主，占总人数的61.75%；其次是3～4次/月，占总人数的27.84%。对空间高度、地面平均照度和照明方式偏好中任一变量与性别、年龄、出行频率的关系采用卡方分析，结果表明不同人群对光环境的偏好没有显著差异(p>0.001)。

对主观量表题采用方差分析。先用单因素方差分析的方法找到不同组别之间是否存在显著性差异，再对有差异的组别进行两两比较，符合方差齐性的组别用LSD检验，不符合方差齐性的用Tamhane检验。如果事后检验发现所有组别之间都有差异的，则再利用Kendall的tau-b和Spearman的rho进行相关性分析。

2.1 空间高度偏好

考察与高度相关的偏好选择(见图4)，对于被试而言，在较低空间与较高空间之间做偏好选择时，并不知道图像对应的实际空间高度，因此数据统计时计为“较高空间”和“较低空间”，结果如下：

1)直接照明条件下，高度对于偏好没有明显影响；间接照明条件下，偏好于较高空间。

2)在地面平均照度为100 lx、200 lx、300 lx的条件下，均偏好于较高空间。随照度升高，偏好更为明显。

从主观评价结果(见表5)可知，尽管在DIALux软件内的色温、地面照度、均匀度没有差异，但被试仍然认为高大空间更温暖、更明亮、光线分布更均匀，舒适度更高。

2.2 地面照度偏好

被试在较低照度与较高照度之间进行选择，并不知道图像对应的实际照度，因此数据统计时计为“较暗空间”和“较亮空间”。结果表明，89.3%的被试偏好较亮空间，并在各种照明方式和空间高度下，都偏好于较亮空间(见表6)。

2.3 照明方式偏好

在不考虑空间高度和地面照度的情况下，数据表明855位受访者对四种照明方式没有明显偏好。合并为直接照明和间接照明后，选择偏好结果为(见图5)：

1)相同高度条件下，随着照度增加，对于直接照明的偏好提高；

2)相同照度条件下，随着高度增加，对于间接照明的偏好提高。

图4 不同照度和照明方式下的偏好饼图

表5 高度的主观量表方差分析

表6 地面照度偏好统计结果

图5 照明方式偏好统计结果

3 设计启示

1)基于图像做设计判断的局限性。图像呈现的光环境不能准确反映实际光环境，体现为眩光、黑洞效应等真实亮度感受的缺失，以及寻址、信息识别等真实视觉任务的缺失。

本研究中三种不同高度间的地面照度均匀度几乎没有区别，但被试仍认为高空间的均匀度高，舒适度好。使用DIALux模拟时采用的都是3 000 K光源，空间色温从图像渲染层面没有区别，但被试仍认为高空间更温暖。对于空间明亮度与高度的关系，尽管地面照度相同，本研究中被试认为高空间更明亮，而虚拟现实实验的结果表明7 m空间比高空间(10.5 m和14 m)的视觉感受更明亮。以上偏差发生于基于图像做判断的设计决策中，也从侧面解释了我国机场设计为何偏爱高空间。

2)通过高度与照明方式的综合考量优化设计。本研究发现高空间与间接照明的设计偏好相关联，在地面照度满足规范要求的条件下，两个设计偏好均导致照明能效增加。反之，若降低空间高度，并采用直接照明的方式，对乘客的舒适度和满意度影响不大，但却大幅降低了照明能耗。可以根据此类规律在设计实践中综合优化空间高度、照明方式以及地面照度的组合。例如，在较高的机场空间中采用局部间接照明+低地面照度的组合，在较低的机场空间中采用直接照明+高地面照度的组合。