航站楼高大空间地面反射眩光主观评价实验研究

黄星月，张肖肖，李俊民，裴元杰，马霄鹏

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

引言

我国新建机场航站楼的显著特点是空间高大，在航站楼高大空间中采用点状光源灯具直接下照的照明方式是最为典型的照明方式之一[1]，然而选用这种照明方式，由于地面材料选择的不可控，导致许多交通建筑高大空间地面在旅客视野范围内出现了密密麻麻的反射光斑，严重影响使用者在交通建筑中的出行体验(见图1)。不舒适眩光会在一定程度上削弱视觉功能，影响视觉绩效和工作效率，长期作用则会造成心理不适感和视觉疲劳，所以不舒适眩光是照明设计中的一个重要指标[2]。国际照明委员会(CIE)对于直接眩光一般采用统一眩光值(UGR)方法进行评价，而针对于反射眩光，英国采用CIBSE LG3方法进行评价[3]，但这种方法基本用于评价计算机显示屏的反射眩光。国内对于反射眩光的研究多集中在自然光源造成的反射眩光[4,5]，对于人工光源造成反射眩光的研究较少且没有系统的评价标准。为了研究地面反射眩光的成因和对使用者的主观感受影响，本研究建立了一个灯光实验室，用于评价室内高大空间地面反射眩光对使用者的主观感受影响。

图1 现场调研拍摄国内机场地面反射眩光现象照片Fig.1 On-site investigation of ground-reflected glare phenomenon in domestic airports

1 高大空间人工照明地面反射眩光成因分析

机场高大空间地面反射眩光产生的因素根据其属性的不同可分为观察者、照明方式、地面材料三类。

1.1 观察者因素

首先需要进行分析的是观察者因素，包括观察者的视线高度、观察位置、头部俯仰角度和视野界限，这些因素直接影响反射光进入观察者眼睛的方向及亮度。我们通过几何分析可以看出在均匀布置直接下照灯具的高大空间环境中，距离观察者远处的灯具眩光源经过地面反射后进入到人眼，在地面中看到的反射光斑主要集中在靠近视线的一小片区域，这时整个视野范围内看到的地面的反射光斑其实是汇聚了整个空间顶棚灯具的眩光源(见图2)。人在移动的过程速度不匀，这些光斑难以避免也随着人视线移动，容易干扰视觉任务的完成。

图2 地面反射光斑位置示意图Fig.2 The position of the ground-reflected glare spots

1.2 照明方式的因素

通常产生反射眩光的区域一般采用直接照明，灯具安装顶棚，眩光源可通过光泽地面表面反射进入观察者视线，灯具数量越多，产生反射的光斑越多；灯具亮度越高，反射光斑的亮度越高。

1.3 地面材料的因素

地面饰面材料表面的反射率、光泽度与反射眩光的成因相关，反射率越高，反射的能量就越高；光泽度越高，发生镜面反射的比例就越高。

2 实验测试及分析

眩光是由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，以至于引起不舒适感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象，反射眩光是由视野中的反射引起的眩光，特别是在靠近视线方向看见反射像所产生的眩光[6]，对反射眩光的研究包括了对光环境物理量和人的生理心理反应两方面的研究。为了研究反射眩光成因与受到不同因素影响的相关性大小，我们以改造灯光实验室为测试空间，选用4种市面常用的地面饰面材料分别铺设地面，设定两种场景模式并通过控制灯具调光使地面照度分别达到3种设定值，一方面测量4种地面饰面材料的亮度值，另一方面通过问卷调查方式对受试者进行主观评价，调查受试者在该光环境中对于4种饰面材料产生的反射眩光亮度对比度及舒适度的主观感受。实验设置了两种场景下照度水平的变化，通过客观实测数据和主观评价结果，定性分析各参量造成反射眩光成因的相关性大小，从而提出优化建议。

2.1 实验条件

2.1.1 实验材料

1)地面饰面材料。本实验在收集材料时应主要考虑国内交通建筑常用的地面饰面材料，大多数机场采用浅色石材饰面，因此确定出4种用于现场实验的地面饰面材料(见图3)。

图3 地面饰面材料样品Fig.3 Ground finish material samples

2)灯具材料。本实验采用两种灯具选型(灯具参数见图4)，灯具有调光功能。

图4 灯具参数Fig.4 Luminaire parameter

2.1.2 实验设计

本次实验租赁了北京某影视文化产业基地影棚作为实验场地，无采光窗，关闭灯具及通过黑色遮光帘遮挡可达到全黑的环境，可避免自然采光对实验造成的误差影响。影棚内空间高6 m，长14.8 m，宽11.7 m。距地4.9 m处有钢架，可安装灯具，选取白色抹灰空间的部分即6 m×11.7 m×7.7 m的空间为实验空间。将该空间改造为灯光实验室(见图5)。

图5 影棚改造灯光实验室Fig.5 The lighting laboratory altered from photostudio

实验准备阶段在顶棚均匀布置两种灯具，其中筒灯TD01在顶棚均匀布置16套，筒灯TD02在顶棚均匀布置42套，地面采用4种600×600规格饰面材料以4×11的形式分别铺设。实验设计两种场景模式：场景一下只开启16套灯具TD01；场景二下只开启42套灯具TD02(实验布置平面图见图6)。

2.1.3 实验仪器

本实验所用仪器设备精度符合国家标准，能保证实测的有效性。主要仪器设备型号如下(见图7)：① TES1339数字照度计，测量样品材料表面的照度及材料反射系数；②CS-160色彩亮度计，品牌为柯尼卡美能达(KONICA MINOLTA)，测量样品材料表面的亮度； ③YS3010分光测色仪，品牌为3nh,测量材料表面反射率；④光泽度仪，品牌为3nh,测量材料光泽度。

2.2 实验方法

采用客观测量及主观评价相结合的实验方法进行实验。客观测量的实验方法是采用实验仪器对地面饰面材料表面的亮度、光泽度和反射系数进行测量[7],主观评价的实验方法是采用5点语义差别量表评价法对受试者进行地面反射光斑的对比度和舒适度主观感受评价。

2.2.1 客观测量

1)亮度值测量。手持CS-160色彩亮度计站立于实验场景中4种样品前用固定视角分别测量两种场景下不同照度条件的地面反射光斑中心的亮度值及反射光斑周围的亮度值并记录。

2)光泽度测量。使用仪器品牌为3nh的光泽度仪根据国标[8]规定的方法对所选择的4种地面饰面材料样品进行表面光泽度的实验室测量。

3)反射系数测量。使用仪器品牌为3nh的YS3010分光测色仪根据国标规定的方法对所选择的4种地面饰面材料样品进行反射系数的实验室测量，测得4种样品光谱反射系数。

图6 实验布置平面图Fig.6 Experiment layout plan

图7 实验仪器Fig.7 Experiment instrument

2.2.2 主观评价

本次实验中，选取非相关专业的、且使用交通建筑空间较频繁的20名不同年龄段的人士为受试者，其中男性受试者12名，女性受试者8名。引导受试者根据其视觉感受，分别为不同场景模式不同照度水平下的主观感受打分，对反射光斑的亮度对比度进行主观评价(见表1)；对反射光斑的光环境舒适度进行主观评价(见表2)。

表1 反射光斑对比度评价表格

表2 反射光斑舒适度评价表格

2.3 实验步骤

步骤1：实施场景一灯光模式，一名实验人员负责调光(调光设备见图8)，另一名将照度计置于地面上负责实时读取照度计数据，分别调试地面照度为100 lx、200 lx、300 lx三种模式；

图8 调光控制器及控制面板Fig.8 Dimming controller and control panel

步骤3：工作人员利用亮度计对场景一的三种照度水平下地面的亮度值进行测量，保证色彩亮度计设备在同一受试者观察角对4种样品地面材料表面亮度进行测量，分别在三种照度条件下对地面反射的高亮度光源中心位置进行多次测量，到反射光斑中心亮度值的数据并记录；对地面无高亮度光源的位置进行多次测量，得到光斑周围亮度值的数据并记录；

步骤4：将灯光模式调整到场景二并重复步骤1到步骤3(场景二模式下地面反射光斑图片见图9)。

图9 场景二4种样品饰面材料地面反射光斑图片Fig.9 Scene II ground-reflected glare spots from 4 finish materials samples

2.4 实验分析及结论

2.4.1 客观测量数据汇总及分析

1)亮度值测量数据总结。对反射光斑中心亮度值整理得到平均值Lo的数据；对光斑周围亮度值整理得到平均值Lb的数据，整理得到两种场景三种照度值对应的亮度值及亮度对比(见表3、表4)。

2)光泽度测量数据总结。根据测量要求分别对4种样品材料进行了5个点的测量并计算每块光泽度材料的算术平均值，见表5、表7。

3)反射系数测量数据总结。测量可直接得到4种样品的反射系数测量曲线图(见图10)。

表3 场景一地面饰面材料亮度测量值表

表4 场景二地面饰面材料亮度测量值表

表5 地面饰面材料光泽度测量值(20°)

表6 地面饰面材料光泽度测量值(60°)

表7 地面饰面材料光泽度测量值(85°)

图10 材料表面光反射系数测量曲线图Fig.10 Curve of reflection coefficient of material surface

4)数据分析

平战结合，实现战备效益、社会效益和经济效益相统一，这是人民防空追求的目标，也是军民融合战略对人民防空高质量发展提出的新命题和本质要求。只有加快形成全要素、多领域、高效益的军民深度融合，才能激发人民防空高质量发展的内生动力。我们要以军民融合战略实施为契机，积极探索融合范围，提高融合层次，健全融合机制，实现人民防空事业和经济社会协调发展。

①分析表3、表4可以看出样品2、样品3的表面亮度对比很高且样品3比样品2表面亮度对比高，样品1、样品4的表面亮度对比很低，其亮度对比可忽略不计；

②分析表5、表6、表7三表可以看出不论是20°、60°还是85°，样品2、样品3的光泽度较高且数值接近，而样品1、样品4的光泽度较低且数值接近；

③由图10可知，样品1、样品2反射系数较高且数值接近，样品3、样品4反射系数较低且数值接近；

④样品2、样品3材料表面反射光斑中心亮度平均值随照度增加且增加明显。

综上，反射光斑亮度对比度与光泽度相关性大，与反射系数相关性小。

2.4.2 主观评价数据汇总及分析

1)问卷数据总结

2)数据分析

①相同场景相同照度条件下：样品1、样品4比样品2、样品3的整体主观评分高；由此可见，地面饰面材料光泽度是影响主观评分的因素之一；

②相同场景相同材料下：样品2、样品3随照度增加主观评分降低明显，在一定的条件下为了达到更高照度，灯具表面亮度会越高，反射光斑的光点亮度就越高，由此可见眩光源的亮度和环境照度是影响主观评分的因素之一；

③相同照度相同材料下：场景一相比场景二的整体主观评分较高，由此可见，眩光源的数量是影响主观评分的因素之一。

综上，反射光斑主观评价受饰面材料光泽度、环境照度、反射光斑的亮度及数量的影响较大。

照度场景一下受试者主观感受评分场景二下受试者主观感受评分

图11 两种场景下受试者对地面反射光斑主观感受评分统计结果Fig.11 Statistical results of subjects’ feelings about ground-reflected glare spots in two different scenarios

3 总结与建议

高大空间地面反射眩光产生的因素为观察者、照明方式、地面材料三方面。对地面饰面材料展开的客观测量结果说明反射光斑中心亮度与光斑周围亮度对比值与地面饰面材料的光泽度相关性大，与反射系数相关性小。在60°几何条件下镜像光泽度为90左右的地面饰材表面易产生反射眩光；在60°几何条件下镜像光泽度为15左右地面饰材表面不易产生反射眩光。

通过主观评价实验统计结果发现，最优组合为场景一下100 lx照度水平下的样品4，主观舒适度评分为1.65。分析两种场景下的灯具排布形式，场景一下的灯具间距与高度比为0.49，场景二下的灯具间距与高度比为0.33，对比两种场景下整体主观评价结果可以看出在照度相同的条件下采用直接照明方式布置灯具时，受试者更能接受灯具间距与高度比为0.49的排布方式产生的地面反射眩光。分析三种照度水平下的评分结果发现场景一中100 lx、200 lx的照度下舒适度评分为正值，300 lx的照度下舒适度评分为负值；场景二中100 lx的照度下舒适度评分为正值，200 lx、300 lx的照度下舒适度评分为负值，因此控制环境照度在100 lx以下，反射眩光对人主观舒适度几乎没有影响。

航站楼高大空间照明优化建议：

1)机场航站楼高大空间的实际场景中较多使用高光泽度饰面材料进行装饰，尤其由于空间大，人视线范围内地面占领的视野的面积大，地面反射眩光问题尤为明显。选择低光泽度地面材料可避免反射眩光的产生。

2)在满足空间照度和均匀度的条件下，灯具的排布间距尽量大，顶棚眩光源的数量会减少，视野中的反射眩光数量也会减少。延伸可推测出采用几个灯具为一组的灯具排布方式进行大空间的灯具布置能够降低不舒适感。

3)低照度环境下产生的反射眩光对舒适性影响小，建议航站楼高大空间中提供有差别的照明，基本照明的照度适当降低，各重点区域再适当提高其照度。

受限于实验条件，该实验室空间的高度和广度不能与实际机场空间一致，且研究中参与主观评价的受试者数量较少，结论是否具有适用性应进行大量的人群调查后以统计层面的结果形成确定的结论。人工照明反射眩光的成因复杂且目前业内还没有成熟的评价方法，对反射眩光的研究也需要业内人士有更多的关注和重视，这将对航站楼室内高大空间光环境的提升有积极作用。