人工窗景对VDT办公人员视疲劳的缓解效果研究

罗 媛，严永红

(1.重庆大学建筑城规学院，重庆 400045；2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

引言

大进深空间等少窗办公空间由于缺乏日光以及与自然的联系，加剧了VDT办公者的心理、生理疲劳。Heschong等[1]倡议设计师应充分重视窗户设计。人们将窗户对人体健康的影响归因于有天然光的进入与窗外良好的景色。天然光被广泛证明对人体健康有益，天然光照射不足容易导致季节性情感障碍[2]，其症状包括悲伤、焦虑、易怒，对日常活动失去兴趣，退出社交活动，无法集中注意力等[3]；相较于人工光，人们也更偏好天然光[4，5]。合理利用天然光不仅能提升视觉功效与舒适度，还能缓解疲劳、调节情绪。研究发现，人眼在天然光环境下的视觉功效优于人工光环境，较高照度的天然光照射能有效阻止近视的进一步发展[6]。Leather等[7]调查发现，窗户(特别是能看到自然景观)能降低员工的辞职意愿，距离窗户更近能提升工作满意度与幸福度，减小压力。Ko等[8]对比研究得出，与在相同尺寸、环境条件但无窗景下办公的受试者相比，靠近窗景的被试在认知测试中表现更好、视疲劳更少、情绪更积极、困倦更少。以自然景观为主的窗景对办公人员有着更有利的影响。Sop[9]通过问卷调研了931名办公人员面对不同的窗景(拥有森林景观和没有森林景观)的工作压力状况和对工作的满意度发现，拥有森林景观窗景的员工有着较高的工作满意度和较小的工作压力值。Chang等[10]通过测量人的肌电图、脑电图、脉搏等生理指标，发现拥有自然景观窗景比无自然景观窗景更有利于降低办公室员工的紧张和焦虑。Kaplan[11]提出的注意力恢复理论(Attention Restoration Theory，ART)和Ulrich等[12]提出的压力舒缓理论(Stress Reduction Theory，SRT)解释了自然景观对人体生理、心理的有利影响。

为缓解少窗环境带来的负面影响，国内外在两方面都进行了积极探索，一是通过现有技术对真实窗口、室外景观进行一些模拟实践，包括人造天窗(artificial skylight)、人造窗口(artificial window)等；二是在室内进行景观造景。

人造天窗(artificial skylight)是一种通过人造光源模拟自然天窗的照明技术，是对自然天窗的模拟。其光谱类似于天然光的可见光谱部分，光谱分布无明显的波峰波谷。人造天窗能够在无窗或者少窗的室内环境中提供类似自然光线的照明效果，从而为室内空间带来一种接近自然的感觉[13]。人造天窗还能够模拟出不同的天气和季节，如晴天、多云、阴天等，以及日出、日落等自然现象，从而营造出更加逼真的自然天窗效果。Canazei等[14]通过对比人造天窗和传统人工照明场景(图1)下被试的情绪发现，人造天窗对无窗办公环境中消极和积极情绪状态都有有益影响，能够显著提高无窗办公环境中被试的情绪状态，从而改善工作效率和提高生产力。Yasukouchi等[15]通过大脑唤醒水平、自主神经活动、褪黑素分泌水平对比人造天窗和传统荧光灯在模拟办公环境中的非视觉效果，发现在人造天窗下进行工作，被试产生的生理、心理压力更小，且更有助于改善睡眠。李伟[16]通过对比在三组光模式下休息后被试的视疲劳和情绪发现，人造天窗能够显著缓解被试进行普通纸质作业后产生的视疲劳和调节被试情绪。李鑫[17]从个体差异出发，以中医体质分型理论为依据，探索通过人造天窗对VDT作业后高危体质人群进行疲劳阻断的可能。通过对比被试视疲劳、情绪、头部疲劳状态发现，VDT作业后在人造天窗下进行10 min休息，可以提高被试的正向情绪、清醒程度、降低视疲劳和头部疲劳，且对高危人群气郁质作用更加明显。目前市面上相继出现了内容更为丰富的模拟真实窗口(包含天窗及侧窗)的灯具一体化产品，其叫法多样，如天窗灯、LED日光模拟、仿日光情景照明等。不仅能仿日光，还能模拟室外天然光下的自然景色，包括但不限于天空、森林、海洋，被广泛用于医疗康复、学校、办公、居家等空间以改善居住者情绪，减小压力。

图1 传统人工照明(左)和天窗照明(右)的测试环境[14]Fig.1 Two test environments with conventional(left)and skylight illumination(right)

室内植物景观设计是指在室内空间设计中，通过人为控制，将室内环境中富有生命力的室内植物及相关附件艺术科学地组合在一起，从而创造出具有美学感染力、功能完善、洋溢着自然风情的空间环境[18]。随着室内环境与健康的关系日益引起关注，室内环境的室外化和园林化成了一种流行趋势[19，20]。在室内植物对人体影响方面，国外研究发现，在室内观看/放置植物可以改善视疲劳、提升积极情绪，缓解压力，有利于心理健康[21-24]。我国早期研究中，傅徽楠等[25]对比室内微环境有绿化前后人体的机能指标发现，室内绿化可以提升人体的警觉性和注意力，从而提高人的反应力，并且平均提升被测对象的明视持久度达11.75%。设计手法上，对比中西方建筑传统文化差异发现，我国传统做法通常注重利用通透开敞的门窗向室外借景，从而实现室内外景观的交融，而西方较重视在室内仿造自然景观，创造室内的人工花园[26]。为让植物更好地生长以及更生动地表现出室内空间的室外化效果，此类人工花园往往借助中庭、天井等引入自然光线，但仍然以表现“景”为主，“景”占用了大部分的空间。比如在商业建筑大厅玻璃天窗下布置高大的观叶植物，配合树下座椅营造室外商业街氛围。随着现代室内光照、温度和湿度等控制技术的增强，室内植物几乎可以生长在室内任何场所，建筑室内、阳台、游廊、层顶、天井与庭院都可视为室内植物景观设计范围中的一部分[27]。在缺乏自然光照条件的封闭空间，往往通过人工光照进行补光，满足植物生长所需。同时，采用高照度的人工光源，可以模拟在自然天井下的室内小型庭院或窗外景观(图2)，如今被广泛应用于商业建筑、住宅建筑、办公建筑中。

图2 采用人工光模拟自然天井或窗户的造景设计[28]Fig.2 Use artificial light for indoor plant landscaping

该手法是否能充分发挥人工光以及植物造景对人体的作用，产生何种影响尚不得知。本文基于此，采用高照度光环境下小型植物造景设计，在少窗空间模拟自然天井下的植物造景景观(下文简称人工窗景)，对比该做法与人造天窗对VDT办公者视疲劳的缓解效果，从而探索推广人工窗景的可能性。

1 实验方法

1.1 实验场景

(1)实验室布置。实验室为位于重庆大学虎溪校区的建筑光学实验室，图3为该实验室二楼的平面布置图。该实验室装有遮光帘以避免室外天然光进入，从而营造完全可控的人工光环境。实验室安装空调，以维持恒定、合适的温度、湿度。用遮光帘、实墙将该实验室分为三个区域，包含VDT办公区域、人造天窗休息空间(A)和人工窗景休息空间(B)。

图3 实验室平面布置图Fig.3 Laboratory layout design

① 人造天窗休息空间(A)。人造天窗休息空间采用LED日光模拟系统Ewindow 2-120灯具(长×宽×高=1 170 mm×570 mm×73 mm)进行照明，如图4(a)所示，通过墙壁与遮光帘围隔出一个1.5 m×2 m的空间。Ewindow 2-120又被称为“智能天窗”，该灯具通过改变“阳光量”、“云量”和色温、照度等参数，自动模拟一天内的天然光变化，也可以通过控制面板、APP、DALI系统，手动调节光参数。

图4 (a)人造天窗休息空间A；(b)人工窗景休息空间B Fig.4 (a)Artificial skylight rest space A；(b)artificial view window rest space B

② 人工窗景休息空间(B)。人工窗景休息空间内主要有自行设计的人工窗景装置，及墙壁、遮光帘构成一个与人造天窗休息空间大小相近的空间，长2 m、宽1.5 m，如图4(b)所示。人工窗景装置由灯具和景观组成，采用万能角钢搭建灯具安装支架，灯具为欧司朗特制可进行调光的LED灯具。该灯具的色温调节范围为2 700～7 000 K，照度调节范围为5～2 500 lx。可通过OSRAM DALI Professional 软件设置程序并通过调光器对该灯具进行调试。

(2)光环境参数。相对于固定光环境，被试在偏好光环境下工作表现有所差异。Juslén等[29]对比固定光环境和偏好光环境下被试的视疲劳状况，发现在偏好光环境下，被试视疲劳表现更少。在开始本实验前，基于本团队李伟[16]、李鑫[17]前期实验结论，对两种模式下被试偏好光环境参数进行了调研，最终选定人造天窗休息空间光参数为E=4 920 lx(桌面高度水平方向)、CCT=4 630 K，人工窗景休息空间光参数为E=1 200 lx(桌面高度水平方向)、CCT=4 000 K。

1.2 实验流程

被试在实验前一天不熬夜、不可饮茶、咖啡等刺激性饮品，合理作息。要求被试提前10 min到达实验室，以适应实验室环境。实验流程如图5所示，进行10 min的测试一(数据记作A1/B1)后被试进行2 h的VDT办公，之后进行测试二(数据记作A2/B2)，完成测试二后分别进入人造天窗休息空间(A)或人工窗景休息空间(B)，休息10 min后完成测试三(数据记作A3/B3)。为减少实验误差，被试均被提前告知相关测量仪器使用方法。为抵消先后顺序对被试反应的影响，采用拉丁方实验抵消平衡法，即一组被试的第一个下午在人造天窗休息空间(A)休息，第二个下午在人工窗景休息空间(B)休息，另一组与它顺序相反，第一个下午在人工窗景休息空间(B)休息，第二个下午在人造天窗休息空间(A)休息。为测得两种方式疲劳缓解的明显效果，本实验增加对疲劳的刺激量和累积量，选取2 h作为VDT办公的时间。

图5 实验流程图Fig.5 Experimental flow chart

1.3 测试内容

本研究主要探讨人造天窗与人工窗景对VDT办公者视疲劳的缓解效果，从主观评价、客观测量两方面对比休息前后被试的视疲劳状态。视疲劳主观测试采用视疲劳主观评价表，客观测量采用远视力测试、闪光融合频率值(CFF值)测试。

2 实验结果

2.1 视疲劳主观评价

(1)视疲劳主观评价。如图6所示，VDT办公2 h后，11名被试的主观视疲劳都显著增加，在人造天窗(A)和人工窗景(B)模式下进行休息，主观视疲劳都得到显著改善。通过SPSS统计学分析对两者改善效果进行显著性分析，两种模式都能显著缓解VDT办公后的视疲劳，且具有统计学上显著性(表1)。

表1 A组、B组疲劳缓解前后视疲劳主观评价配对样本t检验

图6 A组(左)、B组(右)各被试视疲劳主观评价变化图Fig.6 Changes in the evaluation of visual fatigue of the subjects in group A (left)and B (right)

对人造天窗(A)、人工窗景(B)改善VDT办公后视疲劳主观评价效果的差异性进行进一步分析。采用SPSS对VDT办公前的两组测试一的视疲劳主观评价得分数据A1和B1进行基线测量分析，被试在两次不同实验条件前不存在统计学差异(表2)。两种模式的主观视疲劳平均累积值(A2-A1，B2-B1)与主观视疲劳平均缓解值(A2-A3，B2-B3)的四组数据符合正态分布，采用两独立样本t检验进一步对四组数据进行差异性检验(表3)，累积组、缓解组数据p值均大于0.05，证明A、B模式主观视疲劳累积值、缓解值无统计学上差异。在主观视疲劳方面，两组视疲劳缓解效果不具有统计学上差异性。

表2 视疲劳主观评价得分基线数据的两独立样本t检验

表3 主观视疲劳差值的两独立样本t检验

(2)闪光融合频率值(CFF值)。如图7所示，VDT办公2 h后，被试的CFF值普遍有所降低，在人造天窗(A)或人工窗景(B)模式下进行休息，CFF值得到显著改善。通过SPSS统计学分析对两者改善效果进行显著性分析，两种模式都能显著缓解VDT办公后疲劳的视疲劳，且具有统计学上显著性(表4)。

对人造天窗(A)、人工窗景(B)改善VDT办公后视疲劳CFF值降低效果的差异性进行进一步分析。采用SPSS对VDT办公前的两组测试一的CFF值数据A1和B1进行基线测量分析，被试在两次不同实验条件前不存在统计学差异(表5)。两种模式的CFF平均降低值(A1-A2，B1-B2)与CFF平均增加值(A3-A2，B3-B2)的四组数据符合正态分布，采用两独立样本t检验进一步对四组数据进行差异性检验(表6)，四组数据p值均大于0.05，证明A、B模式在CFF值的降低与增加上无统计学上差异。在CFF值方面，两组视疲劳缓解效果不具有统计学上差异性。

表6 CFF差值的两独立样本t检验

(3)远视力。采用GB/T 40230.2—2021[30]中对视锐度的计分法进行计分，以5分法表示时，远视力结果值为3～6之间的小数。如图8所示，VDT办公2 h后，11名被试的远视力普遍下降，在人造天窗(A)和人工窗景(B)模式下进行休息，远视力得到显著改善。通过SPSS统计学分析对两者改善效果进行显著性分析，两种模式都能显著缓解VDT办公后的视疲劳，且具有统计学上显著性(表7)。

表7 A组、B组疲劳缓解前后远视力配对样本t检验

图8 A组(左)、B组(右)各被试远视力变化图Fig.8 Distance vision changes of participants in groups A and B

对人造天窗(A)、人工窗景(B)改善VDT办公后远视力降低效果的差异性进行进一步分析。采用SPSS对VDT办公前的两组测试一的远视力值A1和B1进行基线测量分析，被试在两次不同实验条件前不存在统计学差异(表8)。两种模式的远视力平均下降值(A1-A2，B1-B2)与远视力平均改善值(A3-A2，B3-B2)的四组数据不全符合正态分布，采用两独立样本非参数检验进一步对四组数据进行差异性检验(表9)，远视力下降值数据p值大于0.05，证明A、B模式在远视力下降值上无统计学上差异。远视力改善值p值为0.040，小于0.05，远视力改善值存在统计学上差异，结合中位数统计(表10)，B模式对远视力的改善作用显著优于A模式。

表8 远视力测量基线数据的两独立样本非参数检验

表9 远视力差值的两独立样本非参数检验

表10 远视力差值的中位数统计

3 结论与展望

本实验采取主观视疲劳评价量表、临界闪光融合频率、远视力三个指标反映VDT办公人员办公前后及休息前后被试的视疲劳状态变化。实验发现，人工窗景与人造天窗都能改善VDT人员办公后的视疲劳。在主观视疲劳评价、临界闪光融合频率上，两者不存在统计学上差异，但在远视力变化上，两者存在统计学上显著差异性，人工窗景更有利于远视力的恢复，改善视疲劳。这可能是由于观看绿色植物有利于眼部放松和缓解视疲劳，从而促进视力恢复。

人工窗景通过高照度人工光与自然景观造景的结合，综合了高照度光暴露的益处与自然景观对人体的有利影响，有利于缓解VDT办公人员办公后的视疲劳，弥补了人造天窗的局限，成本低、安装简单、设置灵活，在一些不便于引入自然采光、设置人造天窗的空间，可以选择人工窗景缓解VDT办公人员的视疲劳，人工窗景有望在大进深办公空间中得以推广。

在后续研究中，可以进一步分析人工窗景对VDT办公人员心理疲劳的缓解效果；也可考虑延长实验时间，研究在长时间VDT办公中人工窗景对办公人员疲劳的阻断效果。