计算机模拟改变建筑日光照明设计（上）-专栏作家-云知光

阳光可使空间变得更为丰富多彩。这是建筑设计的一大要素。近年来，环保建筑和被动式住宅备受关注，从节能角度也获得了高度评价。对日光照明设计的关注度日益提升。

随着计算机处理性能的不断升级、全球各大主要城市的气象数据趋于完善及3D建模软件的普及等，计算机模拟开始被广泛用于日光照明设计。本文将为大家介绍充分利用太阳光的典型建筑事例，以及具体模拟事例。

阳光充足的美国北卡罗来纳美术馆

北卡罗来纳美术馆是建在美国东南部北卡罗来纳州罗利市的州立美术馆。这里展出了5000多件古典及现代作品，还有点缀着户外艺术品、绿意盎然的公园，极具魅力。2010年，一栋建筑面积约为1.2万平方米的新馆在此建成。

北卡罗来纳美术馆的外观。眼前的新建筑是西馆（West building）。周围是通往点缀着艺术品的广场、景观池及树林的步行道。露天舞台用于举办音乐会及交响乐演奏会等活动。（图片提供：奥雅纳）

这栋新建筑由美国建筑师托马斯·菲弗主持设计，奥雅纳公司负责照明相关技术支持。在天花板上颇为大胆地设置了椭圆形天窗，造型极为独特。该天窗具有调整光射入量、将过强的直射光线转变为柔和扩散光的作用。

北卡罗来纳美术馆最初计划所有照明全部采用显色指数较高的卤素灯泡，但卤素灯泡需要消耗大量电力，因此，最终采用了显色指数同样出色但却不会耗费电力的太阳光。

展示空间内观。从天花板打开的椭圆形天窗射入经过扩散的太阳光。可在室内感受到亮度和云彩随着时间和季节而发生的变化。天窗之间的细缝中嵌入了用于安装照明器具的配线组件。（摄影：奥雅纳）

充分利用太阳光的美术馆并不少见。这是因为太阳光可以使展示空间变得更为丰富多彩，激发参观者的想象力。而且，这还是一种无需电力的节能型照明方式。

不过，在让太阳光照耀展示空间时，必须充分考虑阳光入射量和光质。这是因为紫外线和红外线（热）会损坏美术品。特别是直射光中含有大量紫外线和红外线，因此需要对其进行控制。由于金属、石材、玻璃及陶瓷等耐光性较高，因此采用这些材料制成的雕塑作品能够承受较强的光线。而染色皮革、植物标本、丝绸及报纸等对光则较敏感。绘画方面，水彩画和版画相对于油彩和壁画，更不宜暴露在光照下。

还需要考虑美术品的展示方法。直射光直接照射展示空间后，眼前的亮度很强，这样就不易看清作品的微妙色彩和浓淡。另一方面，太阳光的显色指数很出色，可真实地再现展示品的原有色彩。光色和亮度会随着时间和天气发生变化。比如，晴天和阴天两种不同的光色，可让参观者感受到作品的不同魅力。通过窗户看到的室外景色变化也可提升作品意境。

大天窗衬托展示空间

雕塑展区。具有扩散效果的白色百褶窗帘使光柔和射入。大窗户完全展现了庭院中的景色，使展示空间看起来更具魅力。

北卡罗来纳美术馆共有5个大小不一的庭院。面对庭院的空间从外部射入太阳光，离庭院稍远的空间则通过天窗从上部射入稳定的扩散光。天窗的形状是根据当地的气象数据设计的。北卡罗来纳州的纬度与日本的关东地区和近畿地区几乎相同，气候及各时间段的太阳年运行轨迹也非常相似。

天窗分层重叠使用了多种可减弱光线强度或者改变光射入方向的材料。首先，用顶部并排安装的百叶窗遮挡直射光。然后用其下面的特殊玻璃遮挡紫外线。再用其下方的透镜扩散光线，利用膜材控制光照量。最后利用深深的椭圆形白色凹陷扩散光线，为展示空间送入均匀的光线。

天窗的构成截面图。分层重叠可调节光的材料。

北卡罗来纳美术馆利用传感器实时测量从窗户射入多少直射光。天气不好时，以及冬季傍晚和夜间等太阳光较少的时段，通过与传感器联动，会自动启动人工照明。在射入直射光的时间段，幕布会自动降落进行遮蔽。幕布缝隙漏出的光则利用安装的百褶窗帘扩散。从长期保护的角度来看，采用这一机制后，美术品的受光量保持在了可以承受的范围内。

室内亮度分布实现“可视化”