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天然光环境设计的历史划分与趋势讨论

  • Update:2015-07-15
内容摘要
本文基于建筑历史、乡土建筑、天然光设计、采光技术与照明技术等领域的文献综述,汇总归纳天然光环境设计的历史,并基于度量、设计分析工具、技术动力、代表建筑与文脉等方面的特点归纳,提出了天然光环境设计的历史划分方式——经验性阶段与实证性阶段。通过对各时期天然光环境设计的阐释,本文讨论天然光在客观性和主观性之间,照明艺术与照明科学之间,浪漫主义与实用主义之间的模糊性与二元性,并对其发展趋势进行预测。
一、品质与参数
詹姆斯·贝尔认为,“整个天然光的历史是建筑设计的核心部分”。对于天然光的赞美,常见诸于建筑大师们的论述:
“于我而言,光越来越多地用于建筑的美化,阴影也一直是传统建筑师的画笔。”——富兰克·劳埃德·莱特
“建筑是精巧的、恰当的、高尚的体量在光中的演出。建筑的历史就是为光而努力的历史。”——勒·柯布西耶
“于我而言,天然光是唯一的光,它提供了我们共识的基础,它使我们能接触到永恒。结构是光的赐予者。”——路易·康
这些传承数千年的赞美掩盖了天然光背后的精彩故事,本文所讨论的是“天然光环境设计”的历史,将暂时搁置形而上层面的崇敬和歌颂。对于今日的天然光环境设计而言,视觉品质也只是品质的一部分。
回到路易·康的经典作品金贝尔美术馆,广为人知的天然光设计理念包括:展厅由窄带型天窗提供自然光,人字形剖面且具有镜面属性的穿孔板对于天然光进行再分配,由混凝土反射形成的银色光芒溢满空间,阳光不会直达展品表面并伤害展品,观众在室内不受眩光干扰并能够感知室外的时间。照片、文字和现场感受共同界定了其超高品质,但很少有人关注其如何预判,如何实现,如何在其他空间加以复制。陆续出版的著作表明,该项目是由路易·康与光学顾问凯利(现代照明设计之父)历时两年,不断尝试、分析,并基于足尺模型实验最终实现的。模型实验是当时最为可靠的天然光设计方法,但其并未随着名作而广为建筑师所知,而是被铺天盖地的存在主义(existential)和神秘主义(mysterious)倾向的建筑评论所掩盖。
对于建筑声学而言,其经典难题是设计参数的复制无法实现经典厅堂音质的再现:而对于建筑光学而言,品质可被设计参数所解释的正比例逐渐提高,代表了天然光环境设计历史发展的宏观趋势。
 
二、划分原则
对于文中所指的“天然光环境设计”(daylighting design)需做如下界定:
1. 天然光(daylight)包括天空光(skylight)与日光(sunlight)。
2. 光环境(lighting)与具体的空间和视觉任务相关。
3. 天然光环境设计是对于建筑内和建筑外的天然光的可控制的使用,为更好地服务于相关“视觉任务”,依托具体的指标、方法和工具,有“目的性”地设计天然光。视觉任务的规划、空间形状与进光路径的设计、反光/ 透光材料的选择等都包含在其范畴之内。
基于天然光的客观性和理性视角,笔者回顾了天然光环境设计的历史。(参见文后附表)历史阶段划分的首要原则是天然光的度量(metric)参数,以及相关的设计分析工具和方法;次要原则是作品的设计特点归纳,以及相关的技术背景与设计脉络。
 
三、二元性
由于光的非视觉生物效应在本世纪的发现,天然光环境设计的未来发展必将沿着视觉生物效应和非视觉生物效应两条线索。天然光的具体数量不仅限于视觉问题,基于使用者舒适和能源节约的原因,其数量既不能过高也不能过低,是多指标权衡的结果(详见表1),其中“使用者的行为和控制”是目前的研究热点,聚焦在用“客观性”的方法量化并阐释“主观性”的特征。(图1)
图1 呈现了实证性阶段(根据笔者提出的历史划分)的天然光环境设计的复杂性。实证性阶段与经验性阶段的分界点选为1900 年,标志性事件是照度单位勒克斯的定义和照度计的成功研制,其时代背景是光的视觉生物效应的提出、全球关于人类视觉的“光谱光视效能”的研究以及照明(illumination)科学的提出。
勒克斯和流明这两个词在文艺复兴时期就被用来描述光。与今天的精确定义不同,其历史上的定义非常含糊:“勒克斯作为发光体的自然属性,传递其自身所具有的运动性,运动是它的本质,并不依赖于其他任何内在因素,创造者在创造世界的同时创造了勒克斯;流明即照明的光,是光的形象,它的起源具有基本的属性。”在这些术语中,勒克斯强调,对光的情绪反映是不能被测量的。流明指的是可见光,是可以测量的。流明和勒克斯可以被理解为理性和感性的象征,或者是光在科学和诗意的两个方面。光在客观性和主观性之间存在着很大的模糊性。如亚里士多德认为光是在物体和灵魂之间的超自然的联系,并且光不能被认为是客观的;柏拉图认为视觉产生自缘起于眼睛的光线投射到被看见的物体上。对于天然光环境设计的这个“二元性”,一直存在着根本性的争论。
 
四、经验性阶段
在光的视觉生物效应提出之前,人类对于视觉品质的要求总体上无异于当下。在此阶段,所有关于光的度量均基于太阳几何,对于光的数量(包括日光和天空光)度量并没有相应的指标和测试方法。天然光环境设计的依据主要来自于不断传承的设计法则(如《建筑十书》和风水理论)和建筑师的个体视觉经验。维特鲁威是第一个研究天空光的数量和质量问题的建筑师作者,强调“我们必须关心所有的建筑物是否被很好地照亮了”,其所论述的由室内看到天空的角度,在现代设计法则中仍适用(概念表述略有不同)。帕拉第奥也提出了广为流传的关于采光洞口尺寸的数学规则,但其自己设计的圆厅别墅和Chiericato 别墅都没有遵照该规则,与其规则相比更暗,但也更恰当。
1. 古埃及至16 世纪
这个时期的特点可以概括为宗教建筑的探索与乡土建筑的积淀并行。
对于神庙建筑的室内,阳光经由石板间的窄缝进入幽深的平面内部,为巨大空间内的视觉定向提供指引。埃及卡纳克神庙(始建于公元前3世纪)在内部密室的屋顶开有孔洞,穿透的阳光照射到雕塑,并为室内表面提供反射光。古埃及的建筑外观与太阳、材料的交互关系密切相关,出于反射光线的目的,常选用金、银或浅色石材。金字塔或方尖碑顶端的小金字塔由贵重金属构成,以捕捉一天中第一缕和最后一缕阳光。
希腊神庙则展现了对于太阳几何的深刻理解和对日光照明效果的掌控,正门朝东以捕捉低角度的朝阳,阳光深入室内并直达神像,与唐代敦煌莫高窟的规划不谋而合(朝向东方,内窟佛像获得朝阳直射)。
古罗马的最大贡献是因结构革新而获得的巨大空间和开口,如拱门、穹顶、圆形屋顶,并开启了使用透明材料的时代。巨大拱顶天窗使光线从高处进入巴西利卡中部,令室内溢满天然光。罗马的公共浴室将午后阳光提供给热水浴室,而冷水浴室朝向北侧。万神庙是最重要的天然光建筑遗迹之一,其上方的“眼”原本有异教徒的神的象征意义,但其天然光(包括日光与天空光)的功能和美学对于今天都具有重要的先锋意义。随着太阳的移动,在室内穹顶运行了独特的光影轨迹,从外部的混乱网络进入万神庙,人们体验到的是安宁和平和。
哥特时代的最重要贡献是因结构革新(如飞扶壁的出现)促成窗墙的使用。12-16 世纪的欧洲教堂可以称为“光的建筑”,光在高大的室内随着季节、时间的变换而改变。彩色玻璃技术也在这一时期达到高峰。充足的光线与宗教彩绘在教堂建筑中完美结合,代表作品如约克大教堂的五姐妹窗与剑桥大学国王学院的彩窗。
乡土建筑是不可忽视的平行发展线索。宗教建筑代表了信仰、权力和身份,乡土建筑则更紧密地同人们的生活相关联。乡土建筑在暖湿、干热、温暖地区各自积累并发展出相应的设计策略。暖湿气候条件下,宽大的出挑屋顶用以遮阳,维护材料的空隙用以削弱眩光,并提供用以降温的通风。干热气候条件下,维护结构由高孔隙材料构成,材料的圆截面可以柔化光线,并保证空气流通,同时由于屋内外两侧的亮度差保证了私密性与外向视觉。“mashrabiya”窗在眼高位置空隙缩小,以限制眩光,在高处位置空隙增大,令更多光线进入室内深处(这种窗也成为1987 年阿拉伯文化中心的智能窗的灵感来源)。埃及地区的密集院落组织由开小窗的厚石墙构造而成,进入居所必须经过窄街,建筑之间提供相互遮蔽。温暖气候条件下的大部分生活时间在室外,居所仅提供睡眠的功能。南欧的设计策略是对于高角度入射阳光进行遮挡,北部的设计策略是允许冬季太阳进入,并确保冷空气经由窗排出。在乡土建筑的漫长发展中,天然光不是最主要的考虑因素,而是与遮阳、防眩、通风等设计策略权衡之后的结果。
2. 17 世纪至19 世纪
这段时间的特点可以概括为天然采光的民用与普及。
巴洛克时期的光是建筑风格中重点考虑的因素,象征着雕塑艺术的发展和空间特性的品质。立体空间的接合形式使光的引进富有更多的想象力,不再是简单地在墙上挖洞,而是把光隐藏在拱顶后的空隙中,光从室内的白色或金色表面反射出来,产生了类似于水从喷泉中涌出的效果,达到间接照明的目的,体现内部空间的戏剧性和神秘性。与被视为充盈着光的天堂的哥特式教堂不同,巴洛克教堂代表了尘世和天堂之间、世俗的建筑和神圣的光之间的联系。后期巴洛克的最好例证是巴伐利亚洛可可教堂,教堂延续了光和形体的理念。
19 世纪之前,天然光仍属于富人的消费品,从英格兰对于窗(1697年)和“玻璃使用”(1746 年)进行征税可以看出。而1832 年“采光权”在英格兰的提出,对于天然光环境设计而言更是重要的标志,“获得光线无关贵贱,是公民的权利之一”。但是,“采光权”与“日照权”概念不同,英国的光气候由多云天和全阴天主导,“采光权”多指天空光的利用。
索恩爵士是当时最伟大的天然光大师之一,其作品以索恩博物馆(1837 年)最为著名,多种形态不同、配置各异的天窗,创造了一种科学性的天然光实验室的印象。索恩专注于通过绘画来提炼天然光的运用技巧,与透纳保持长期的友谊与合作。“公民性的建筑既是基本的也是装饰的,部分是艺术的,部分又是科学的。我们将正确地对待建筑奇妙的力量并将其列为一流的艺术与崇高的科学”。索恩的理念也准确地表述了其天然光环境的设计思想。
19 世纪的工业革命促成了天然采光的全面普及,如玻璃尺寸增大和制造成本降低,铸铁建筑技术和大跨结构技术的进步,恰逢欧洲社会对于温室、商业、展览建筑的热衷,需求与技术“巧遇”,出现了空间与光可以自由地流动的“透明建筑”,如伦敦皇家植物园温室、水晶宫和米兰的伊曼纽尔二世商业街廊。伴随透明建筑同时出现的是眩光风险提升、冬季热损失和夏季热增加,这些技术问题的真正解决则是一百多年以后的事情了。
江户时代,日本大批量生产“和纸”用于敞门(Shoji)。和纸是一种均匀漫透射材料,光线从室外经过和纸,在室内一侧形成球形漫透射分布,因此在室内一侧不能感知光的方向,也就无法感知时间,仅能感知明暗变化。和式建筑在去除日光影响后,人们在更为柔和暧昧的光环境中生活和思考,这种特殊的天然光环境对于日本的文化影响巨大,并从这一时期开始影响欧美的建筑文化。
 
五、实证性阶段
1879 年电灯出现,到1900 年电力的供应对于城市生活而言已经成为一种普遍的事实。19 世纪的照明艺术开始让位于20 世纪的照明科学。1904 年,国际照明委员会(Commission International d'Eclairage)成立,开始发展照明科学并提出相应标准,天然光环境设计也逐渐进入实证性阶段。
1. 1900 年至1973 年
这个时期的天然光环境设计是以“采光系数”(1907 年提出)为核心的。从设计标准的制定、采光计算、采光模型实验到完工实测。采光研究的中心在英国,采光模型的方法也更适合英国的光气候条件,各种统计天空模型(如Moon & Spencer 全阴天空)也逐渐出现,用以简化并代替真实复杂的天空条件。
战前现代主义建筑的主要贡献之一是窗与结构体系的分离,此时普通平板玻璃的制造技术也趋于成熟,令天然光设计的可能性大增。格罗皮乌斯的法古斯工厂和密斯的玻璃摩天楼方案(1920 年)表达了现代主义建筑的可能性,日后环境控制技术的进步将其变得可行。幕墙技术大发展、全透明玻璃美学对于现代建筑学产生了强大的冲击。
大量新技术和革命性分析工具的出现引发了一个问题,即建筑设计无限制性的方案选择,主要的问题变得不易确认。大量因素导致了天然光被错误利用,特别是50 年代以后的北美建筑,误导性的逻辑包括廉价能源、高照度要求等。照明工业在非常“积极有效”地提升照度标准,美、日等国的人工照明能耗大增。荧光灯的普及令天然光逐渐失去了“必要性”。建筑师Raymond Steinback 回忆他50 年代在MIT(麻省理工学院)的岁月,随着气候大师(Weathermaster)住宅设计竞赛的进行,朝向和遮阳在建筑设计中的地位逐渐下降,这个竞赛需要承诺在空调系统的使用下,同样的房子可以建在任何地方任何朝向。
在主动式技术大行其道的同时,一系列探讨天然光的美学和哲学思考的建筑探索也在进行。与广大建筑师群体逐渐忽视天然光不同,柯布西耶(1953 年完成朗香教堂)、斯卡帕(1957 年完成卡诺瓦石膏雕塑陈列馆)、阿尔托(1968 年完成罗凡尼米图书馆)、路易·康(1972 年完成金贝尔美术馆)等建筑大师创造出了一批歌颂天然光的传世杰作。此时出版的谈及东方光影之美的《荫翳礼赞》也在建筑界和照明设计界产生了广泛影响。
2. 1973 年至今
能源危机(1973 年)之后,节能和促进健康的需求令天然光环境设计的重要性再次提升,天然光(特别是日光)的精细化利用是这一时期的主要特点,也推动了天然光环境设计工具(特别是模拟工具)的快速发展。
后现代主义思潮中止了建筑师对于主动式技术的盲目热衷,被动式技术兴起,天然光的重要性被重拾。一系列研究令天然光的精确量化变得格外重要,如采光因数的提出(1983 年),阳光与皮肤癌的关系得到确认(1990 年),光的非视觉生物效应的发现(2002 年)等。天然光对人类的积极作用已被认为是其他环境设计手段所不能及的。英国标准(BS 8206-2:2008)在“设计目的”部分重点强调了天然光和人类健康的关系,包括调节生理循环系统,使之保持正常的步调;调节环境气氛,保持心理健康;防治季节性抑郁;利用适当的紫外辐射,防治骨质疏松病。
与精细化利用日光相关的硬件技术发展以光导传输系统、遮阳控制系统和新型玻璃技术为代表。光导传输系统可以把天然光输送到不能直接接收天然光的空间,分为以日本的向日葵(Himawari)系统为代表的主动式系统(有追踪日光的定日镜,结构复杂,成本较高)和以导光管系统为代表的被动式系统(结构简单,进光量大)两类。遮阳控制系统的发展热点是基于动态气象参数和用户行为模式大数据的调节技术。新型玻璃技术的代表是Low-E、光致变色、电致变色玻璃。
传统的公式计算仅适用于简单的形体与开窗,过程复杂,精确度低。传统的采光设计工具,如计算尺、计算图表等已经退出了舞台。计算机工具成为了绝对的主流,模拟技术的出现令天然光环境设计的普及得以实现。建筑综合性能的模拟分析技术大幅提升了设计的精确度,并实现了从热与光的量化权衡角度优化设计。对于专门用于计算和模拟天然光的软件,主流的算法有两类:一类是辐射度算法,如Lightscape,适合于计算比较理想的漫反射表面;一类是光线追踪算法,以Radiance 为主,可以计算大部分真实环境中存在的物体面包括高光反射面。Radiance诞生于上世纪90 年代,目前已经成为无可匹敌的天然光模拟工具。
传统的采光评估出现了逐渐萎缩的趋势,尤其在建筑设计团队眼中。传统的采光系数评估在过去经常是事后进行的工作,很少对设计过程有真实直接的影响。两件同时发生且线索独立的事件正在提升采光评估的重要性:(1)如LEED 评估等建筑性能评估的需求增加;(2)采光评估正在升级为CBDM 评估。采光系数在全球已经使用了一个世纪。对于特定建筑,基于采光系数和统计天空判据的预测对于建筑的朝向和当地的光气候是不敏感的,因未能引入地域性的动态气象参数,而无法准确反映具体项目的实际采光效果。在采光因数替代采光系数这一理论前提下,CBDM 算法是基于取自于标准气象数据的太阳和天空条件对各类辐射和可见光数量的预测模型。Daysim(2010 年)即为针对这一算法而产生的软件,日光与天空光的设计也终于经由这个软件实现了统一。
 
结语
最新的挑战来自于新兴的LED 技术,2015 年LED 光效将超过同期的HID 和CFL 光源,2020 年LED 光源售价将达到同光效CFL 的平均水平。这意味着,到2020 年LED 在理论和实践层面均具备了全面替代传统人工光源的条件。天然光环境的一些优点,LED 在理论上均有实现的可能性,二者的比较分析详见表2。
再次回到前文话题——“品质与数字”,精确模拟技术与LED 的成熟似乎标志着,在未来数字问题已不再是问题。天然光环境设计也许将迈入新的轮回,回归经验性阶段积累数千年的讨论——数字是否能够回答所有关于品质的问题。
由于专业间的隔阂,对于设计师个体而言,天然光通常被认为只与美学目的有关,或者只为满足功能需求,但事实上,天然光总是能同时兼顾二者。教堂中的光是柔和、阴暗的,但如果眼睛适应了这个亮度,也能满足阅读的需要。天然光既被用来作为美学的媒介,同时也被作为一个功能手段来减少我们对于人工照明的依赖。纵观历史,天然光的角色一直是浪漫主义与实用主义的折中,因此,天然光环境设计的未来也许将一直是经验性与实证性的折中。
 
* 感谢南京大学鲁安东教授为本文提供的宝贵建议。
参考文献:
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[9] Christoph F. Reinhart, Jan Wienold. The Daylighting Dashboard - A Simulation-BasedDesign Analysis for Daylit Spaces. Building and Environment , August 2010.