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张拉膜结构设计建筑的采光和照明设计

日期:2013-11-13 9:35:17 | 阅读:737

 
建筑纤维膜材的透光性常被认为是张力膜结构设计最有价值的特性。在白天的大部分时间里,膜材的光谱透射比(一般为10%-15%)提供了不使用人工照明的可能性,从而节约了大量能源,以补偿较高的供暖能耗。
虽然室内的光照度较高,但光照仅是形成室内视觉环境的诸多因素之一。膜材的选取、结构拓扑形状以及细部构造都对视觉环境有重要影响。因此,初步设计阶段就应考虑建筑的视觉环境,除达到室内活动需要的照度要求外,还应满足使用者的感知及其他主观方面的需求。
张拉膜的光照特性
1.采光系数高
照射到屋面的阳光以漫射光的形式透射到室内。从内容看,屋面成为一个连续的光亮面,其强度因屋面与太阳的相对位置而变化。
张拉膜结构室内空间的采光系数(即室内外表面天然光日照水平之比)一般可高达10%;而在传统建筑中,光线只能从有限的采光窗进入室内,其采光系数不到3%。即使在阴天,膜结构室内的光照水平也能够满足大多数活动的基本要求。
2、没有眩光
由于进入膜结构室内的透射光都是漫射光,不太可能出现眩光,但要考虑玻璃采光区的布置及遮阳以避免其直射光造成的眩光。
3.色彩感好
在室内人们对白色或米色膜材会有很好的色彩感知,因为这两种色彩表现出对可见光具有线性光谱透射的特点。透射程度随透射光波长的增加而增加,这使得透射光比入射光还略温暖。透射光谱与纤维极其特性、涂层的厚度以及附加层面有关,生产商应给出更多的详细信息。相对于涂覆PVC的聚酯纤维膜材,涂覆PTFE的玻璃纤维膜材的透射光谱更加均匀。
影响视觉环境质量的因素及措施
1.三维视觉
对物体三维尺度的感知深受光照效果的影响,这可以用矢量-标量比来表示,矢量-标量比是指达到一点的光束强度和方向与达到该点全部光通量的比。物体被发光源(如太阳)直接照射或透光透明玻璃照射时,其矢量-标量比就较高,立体效果就较好。然而在膜结构建筑室内,透光膜材的发散特性使室内光线过渡均匀,从而减弱结构的立体感,人眼就难以辨别立体和平面。因此,在漫射光十分均匀的膜建筑室内,人对物体的方向和空间位置的感知就差。所以当建筑用于对其空间感要求很高的活动时,如体育场馆,就应对该问题给予足够的重视。
2.膜面形状的可识别性
平滑的曲面和均匀的采光使屋面亮度均与且无变化,室内人员很难感知空间的体量和屋面的形状。但膜材条元间的接缝看上去颜色要深,这对勾勒膜面三维形状有很大作用。在设计时应考虑接缝的视觉效果,使其能向使用者表达室内的几何形状。使用不透光的保温膜材会使接缝不易辨认,从而影响结构形状的辨识,也使内部空间缺少表达特征。虽然可以通过人工照明来部分弥补这一缺陷,但夜间采用室内照明时,上述情况仍可能出现。
3.可感光水平
人对光强度的感知能力很高,因为人眼可以感受的亮度范围很大(从10-150000cd/㎡)。膜面的明亮度不仅和实际的亮度有关,也与背景有关。进入室内的强漫射光的对比度较低且无阴影,用户可能会把这种现象与照度不足相混淆。这也导致了膜结构用户抱怨光照度不足情况的发生,尽管现场测试表明室内实际光照度比传统建筑内同类活动所需的光照度大得多。
4.光线分布
虽然张拉膜内的漫射光降低了物体不同侧面之间的对比度,但屋面与室内其他墙面的亮度差别巨大。尽管人眼对光强度有很强的适应性,但对光的明暗比的可接受程度是有限的(1:10的量级)。由于张拉膜拓扑形式的原因,人的绝大部分视线会集中在明亮的顶棚上。如果背景亮度比被注视物体强很多,就会产生遮蔽效应,当使用显示设备时这一问题尤为突出。
由于人眼适应了膜面的高亮度,相比之下其他墙面就显得比实际情况暗,尽管室内自然光大幅度提高了,但室内整体上还会给人一种昏暗的感觉。该问题可通过采用反光墙饰材料或开设玻璃洞口使自然光直射到室内的下部来解决。
5.直接光与间接光的均衡解决措施
上述问题可以通过平衡照明区的矢量-标量比予以避免。通过玻璃采光窗使直射光进入室内能显著提高对比度,同时保持屋顶与其他界面之间的亮度平衡。玻璃采光区的面积不必太大,但在膜面上的分布要合理,这样可以:
1)增强室内空间光线的方向性。
2)为室内界面提供直射光,减小建筑室内下部与屋顶面的对比度。
膜面周边采用透明材料在提高室内空间视觉舒适性的同时,还在视觉上弱化了膜面与周围笨重支承结构之间在交界面处的强烈对比。
人工照明
张拉膜结构室内在白天一般不需要人工照明,如果需要采用人工照明,则应加强直接照明,而不是通过膜面反射的间接照明,以便增强照明所产生的立体感和用户对光的主观识别。在工作环境中,应将人工照明聚焦到工作面上,减小发光屋顶可能引起的模糊效应。
夜间的人工照明一般将光线直接照射到面膜内侧,这样膜面可将大部分光线反射回室内,产生类似白天漫射光环境般的室内效果,同时透射到膜面外侧后的光线产生散射,外观上会产生暖光效果,因此即使建筑无人使用,张拉膜结构设计在夜间看上去也像天际线处的灯塔。
照明设计人员应均衡配置直接的和间接的(反射光)人工照明,给使用空间提供足够光照度,使工作高度范围内的三维物体具有较好感知度。对光强度的感受问题在夜间尤为突出,很多工程为了满足地光照度的感知要求,也必须提供超乎于通常使用的高光照度的人工照明。

 

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