光科技馆——从城市人因工程学视角下重新定义地下空间健康光环境

梁辉妙/LIANG Huimiao

1 引言

1.1 城市地下空间发展趋势

随着我国经济高速发展，城市化面临着人口密集、交通堵塞、能源消耗增大、房价上涨等诸多问题，城市空间需求急剧膨胀与地面空间有限这一矛盾也日益突出，有效地开发利用地下空间越来越迫切。综观世界发达国家和我国城市建设空间的现状，向地下要空间、要土地、要资源，已成为现代化城市发展的必然趋势之一。

住房和城乡建设部在2021年1月6日印发的《关于加强城市地下市政基础设施建设的指导意见》指出，各地要加强城市地下空间利用和市政基础设施建设的统筹，实现地下设施与地面设施协同建设，地下设施之间竖向分层布局、横向紧密衔接。各地要根据地下空间实际状况和城市未来发展需要，合理部署各类设施的空间和规模，推广地下空间分层使用，提高地下空间使用效率。依照政策指导和发展趋势，利用地下空间将成为包括北京在内的许多城市在未来发展中满足空间增量需求的重要方式，因此地下空间高品质化是必将面对的议题。

1.2 城市人因工程学视角下的地下空间研究

城市人因工程学是一个跨学科综合研究领域，为研究实现人和空间、环境的相互作用并使之相结合，使空间环境、产品设计等适合人的生理、心理等特点，从而达到高效、安全、健康和舒适的目的。

城市人因工程学在探索高品质地下空间的研究过程中，对已有地下空间开发利用的研究表明，相较于地上，由于地下空间隔绝自然、密闭、无日光、无自然风感等固有空间特质容易使人感到冷寂、恐慌、气闷、消极，甚至进一步产生幽闭恐惧感和消极心理，从而会对人们工作、生活状态及生理状态产生影响[1-5,7]。城市人因工程学视角下，以建筑学为依托，融合光环境、声环境、空气环境、环境生理和智能系统等诸多学科，我们提出“地下空间地上化”的概念，试图通过局部改变地下空间物理环境来改善使用者在地下空间中的听觉、嗅觉、视觉、触觉、动觉等感受，比如：通过引入天然采光、模拟自然光线、色温试验等方法重塑地下空间光环境[8-10]；通过地下空间声级域研究、声景评价等改善地下空间的寂静状态[6,11,12]；通过自然通风技术、空气质量研究缓解地下空间自然风感的缺失和闷塞感[13-14]；通过引入自然景观、绿色植物及水体等方法增强地下空间与自然的接触[15-17]。

通过理论结合实验收集数据形成的解决方案，实现了集成性空间原型，从而改变人们对地下空间的传统认知，赋予人们高品质的空间体验，使地下建筑的生活品质不仅可以与传统意义上的地上建筑比肩，甚至在一些方面可能超越地上建筑的舒适度，进而既显著提高存量空间的质量，又保证高标准增量空间的质量。

1.3 光科技馆

1 光科技馆园区外景

光科技馆是良业科技集团股份有限公司打造的国内唯一以光科技为主题的科技馆（图1），全区面积为2720m2，位于北京北宫门中央党校南门附近。光科技馆被定位为“未来智慧城市馆”，是一个通过科技赋能各行各业技术创新的展示、体验、营销平台。它是对未来光科技应用于城市生活、展现智慧城市生活方式、打造“地下空间地上化”开展的创新科研项目。展馆中展陈的产品方向包括“智慧、健康、生态”的光环境前沿产品。园内的智慧灯杆照明设备集单灯控制、视频监控、信息发布、环境监测、无线基站、积水监测、一键求助以及充电桩等功能，形成园区一体化智慧监测管理。

光科技馆整体空间规划由6个馆构成：光科普馆、光生活馆、光文化馆、光艺术馆、光室外馆、智慧家居馆，重点体现光在城市生活的各个应用场景，包括光与文化、光与品牌、光与城市、光与生活、光与康养、光与办公、光与商业等领域，基于城市人因工程学，推出全球领先的光智慧整体解决方案和独家体验空间，呈现实验室级别的核心成果，助力智慧城市发展、智慧人居生活品质的提升。

良业以光科技服务商为定位，依托光科技打造产品，研发出智慧照明系列产品用于光科技馆的建设，一方面是站在全球高度，展示中国光科技重大研发成果和突出应用案例，让更多的人了解光、理解光、用好光，代表了企业的社会情怀和责任担当；另一方面，作为光科技创新研发基地，持续推进基础研究和创新运用。

2 地下空间地上化实践

2.1 光科技馆二期、三期

光科技馆二期、三期的建造大量使用了地下空间，二期地下空间面积近2400m2，三期近1300m2。为符合“地下空间地上化”的趋势、提升地下空间赋能能力，在建筑设计和光环境设计过程中，针对光、水、植物在地下空间的运用，以及各自然元素之间的关系进行研究实践，致力于实现地下空间健康建筑。光环境设计在地下空间的影响因素尤为重要，光健康也是良业的光环境设计目标。

2.2 光健康场景设计和技术实践

2.2.1 光健康场景理论和概念

人们对照明的要求主要分为3个方面：（1）功能性要求；（2）装饰性要求；（3）生理健康和心理健康要求。人类的健康标准是基于太阳光照环境形成的，生理方面主要以阳光中的紫外线杀菌作用和红外线促进体内新陈代谢等作用为主，心理方面主要强调自然光带给人的积极情绪。光环境质量影响人们感受舒适性、工作生活状态，对人体健康有潜在影响[18],“光健康”强调的是一种更加科学的照明方式。现代人们更多生活在各种室内空间，并不能时时刻刻享受到健康阳光的照射，在这种情况下，人们更需要健康的照明灯光，需要光健康。

2.2.2 光健康环境分类

（1）昼夜节律与色温

“日出而作日落而息”是自然生命节律，2002年美国布朗大学的贝尔森（D. M. Berson）等人[19,27-30]发现了第三类非视觉感光细胞，即视网膜感光率神经节细胞（ipRGC），研究表明非视觉感光系统能感知光环境，调节人体生理节奏，会影响褪黑素（melatonin, MT）和皮质醇( Cortisol）[25-26]等激素分泌，并对人体生理机能产生影响。光节律通过在室内环境还原模拟出户外节律光环境，仿照一天24小时内的光照及色温变化，对身体内褪黑素和皮质醇激素引起变化，光照充足时，皮质醇会升高，人的注意力会更专注；光照减弱的时候，褪黑素升高，会让人困意来袭，进入更好的睡眠状态。

（2）色彩心理

光环境中不同的光色会对人的心理情绪产生很大的影响，光的7种色彩氛围都会让人有不同的心理感受和情绪反应[23-24]，合适的光色能够抚慰人的心理情绪，比如蓝光环境可以让人平静，但容易产生忧郁情绪，所以不适合神经衰弱的人群；红光环境让人亢奋，但容易引起躁动情绪，不适合有狂躁症的人群。

2.2.3 光健康场景技术实践

光科技馆二期、三期的光环境设计利用包括自然光源、仿自然光、人工光营造“地下空间地上化”的氛围。通过定制开发的仿自然光及自然光导入技术，营造出地下自然光环境空间（图2、3）。

科技馆运用的自然光导入技术分为光导照明技术和太阳光纤导入技术。光导照明技术利用定日镜反射技术，将太阳光反射照进室内，这种方式导入的太阳光线柔和无眩光，引入隔离了大量紫外线的安全健康自然光线，色彩鲜艳不失真。太阳光纤导入技术通过传感器（图4）感知太阳位置，微电脑控制系统输出指令，通过多维机械运动系统调整采光装置朝向，使得采访镜片始终精密垂直太阳光线，并将阳光压缩15,000多倍汇聚到光纤中，自然的太阳光顺着光纤传输转弯，随心所欲到达任何位置。太阳光导入技术，通过太阳自动精密跟踪及高科技透光集光等技术将纯粹的自然光导入空间之中，在营造自然光的同时还能够改善地下环境的空气及湿度。导入的自然光还可以使地下空间的植物正常进行光合作用，自然生长，让人们在地下也能感受到户外大自然风景（图5）。此外，结合绿植补光系统，在阴天的情况下植物同样可以拥有充足的光照。

2 光科技馆天空灯

3 地下空间绿植

仿自然光系统可以利用光的反射原理模拟出自然光环境，在光科技馆设计中我们运用了“天空灯”和昼夜节律控制技术。“天空灯”利用完美模拟大气层“瑞利效应”的天空衍射板，可实现模拟太阳距离感和运动感的“无限视野”光学效果，利用LED太阳模拟器实现在地下创造各种地上景观的可能性（图6）。

光科技馆的设计建造过程中，不断研究和探索城市人因工程学“地下空间地上化”的科研课题，开展对光环境、光健康、智慧光的研究实践，明确“智慧、健康、生态”的空间定位，光科技馆总平面布局分为智慧办公、智慧康养、城市大脑等多个智慧区域划分（图7），以日光导入、仿自然光、生命节律、动态模拟和软膜天花五大空间维度设计建造（图8）。

（1）智慧办公

智慧办公区域设计目标主要体现在：（a）为办公人员提供舒适稳定的办公环境；（b）通过辅助设施提高工作效率和员工情绪；（c）有益于办公人员生理和心理健康的设计；（d）智能照明网络化设计。根据办公型建筑光环境需求分析（表1），结合“商用空间照明设计照度对照表”（图9、10）所示，不同光源色温对心理状态有不同影响效果，随着照度的增加，越高的色温给人的视觉感受越明亮，所以色温和照度的搭配应按照不同商用空间的应用场景来确定。根据“普通照度水平与适用色温表”（表2）与办公区域人员调查及大数据收集分析，得出照明目标分析参考（表3）。我们根据不同的办公需求将智慧办公区域划分为专注办公区和灵活办公区，并采用智能光控制系统针对气候、时间、办公区域人数等因素实时自动调节光照参数，达到智慧动态调节。同时，通过仿真窗景模拟系统（图11）和灯光系统打破地下空间的沉闷，通过交互设置，人们可以随心随时切换不同情景的城市窗景，还可以在夜晚模拟白天的环境，改善工作状态。在夜晚工作时，灯光系统还会通过探头判断员工所在位置并自动给出其所需要的最合理的光线状态。

4 太阳传感器

5 太阳光导入环境中的绿植

6 天空灯（1-6摄影：良业科技集团股份有限公司品牌营销部）

表1 办公型建筑光环境分析

表2 普通照度水平与适用色温

8 总体空间维度（7.8图片来源：良业科技集团股份有限公司品牌营销部）

7 未来智慧城市馆总平面布局

9 商业照明设计照度及色温对照表1

10 商业照明设计照度及色温对照表2（9.10图表来源：良业科技集团股份有限公司室内照明部）

表3 办公区域照明目标分析

（2）智慧康养

以人为本的照明是为了提高人员的舒适度、心情和健康状况，健康的光环境可以在人们不规则的日常生活和康养医疗的过程中起到预防慢性疾病和促进疾病治疗的作用。

目前，己知的受光生物效应影响的激素为两种，即皮质醇和褪黑素。褪黑素是一种主要由松果体细胞分泌的肽类激素，作为一种时间信号调节生物的昼夜节律。褪黑素在傍晚和夜晚早期时段产生，相当于“睡眠激素”；而皮质醇恰好相反，它是压力激素，使人注意力集中，增强免疫力。皮质醇与褪黑素的交替作用控制人体睡眠和工作周期，外界光中蓝色光谱范围内的光会对褪黑素的分泌起到抑制作用，影响着生理节律（图12、13）。

我们经过大量的光照数据和人体生理状态跟踪数据分析，制定人因照明解决方案：在早上和下午开始的时候提供1200lx左右的冷白光；在傍晚提供暖白和低照度的光环境；同时集成交互桌的智能节律旋钮，人们可以自主控制自己想要设定的时段光氛围（图14）。

3 人因工程光智慧技术趋势和展望

11 仿真窗景模拟系统（摄影：良业科技集团股份有限公司品牌营销部）

光科技馆开馆以来吸引了无数业内人士来访、参观及洽谈，随着科技发展，人们对光的需求不仅仅停留于功能性照明，对于光健康、智慧光的需求日益增多，对光环境设计需因地制宜，智能调控，从而满足各种商业空间应用。光科技馆中的城市大脑收集整个场馆的 “温度、湿度、天气、光照度、声音等”实时监测人因工程数据，为光环境智慧化提供数据基础，目标是作为国内最先进的人因工程远体实验室的存在。

“十四五”规划《建议》提出的12个方面重大任务中，对增进民生福祉，改善人民生活品质提出了重要要求和重大举措，规划建议中的一切发展政策都以人民利益为出发点和落脚点。城市地下空间开发利用与人民高品质生活面临的技术挑战随着城市人因工程学的研究探索会不断解决，良业的光科技智慧研发仍然在继续，针对人因光健康与智慧化管控科技相融合，力求实现多场景、多行业的智慧服务建设与发展，助力未来智慧城市建设的追求。□

12 蓝光光谱图

13 皮质醇、褪黑素、体温24小时周期规律（12.13图表来源：良业科技集团股份有限公司室内照明部）

14 智慧康养（摄影：良业科技集团股份有限公司品牌营销部）