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建筑光学

来源:大科普网 | 时间:2013-06-05 | 关注度:44

建筑光学,研究内容主要有与建筑有关的光的性质和光的视觉性质、天然采光和人工照明。建筑光学是研究天然光和人工光在建筑中的合理利用,创造良好的光环境,满足人们工作、生活、审美和保护视力等要求的应用学科,是建筑物理的组成部分。

建筑光学是研究天然光和人工光在建筑中的合理利用,创造良好的光环境,满足人们工作、生活、审美和保护视力等要求的应用学科,是建筑物理的组成部分。
 

建筑光学 - 研究简史

(图)太阳神庙太阳神庙

在一个相当长的历史阶段,人类利用天然光和火光照明,曾在建筑中创造了不少有效的采光和照明方法,例如中国传统建筑中的南窗北墙的采光方法,古埃及太阳神庙中的高侧窗采光方法等。但天然采光受季节、昼夜、地理位置和气候变化的影响很大。火光照明效果差,烟尘大,且容易引起火灾。自从大量生产玻璃,特别是19世纪发明白炽电灯以后,才使建筑采光和照明技术的理论和实践进入一个新的阶段,并逐步形成建筑光学。

现代建筑光学理论日趋完善,天然光的变化规律逐步为人们所掌握,各类建筑的采光方法和控光设备相继研究成功,各种新型电光源和灯具也在建筑中得到广泛的应用,从而使这一学科在建筑功能和建筑艺术中发挥日益重要的作用。

建筑光学 - 研究内容

 

建筑光学的研究内容主要有:与建筑有关的光的性质和光的视觉性质、天然采光和人工照明。

 
研究光和视觉的关系,了解同建筑有关的可见光的主要性质。可见光辐射的波长范围是380~780纳米,眼睛对不同波长的可见光产生不同的颜色感觉。一般光源如天然光和白炽光源等是由不同波长的光组成的。这种光源称为多色光源或称复合光源;有的光源如钠灯,只发射波长为583纳米的黄色光,这种光源称为单色光源。在建筑光学中用光通量、发光强度、照度和亮度等参数表示光源和受照面的光特性(见光的视觉性质),用光影深浅、立体感强弱来表示建筑物表面和被观察物体的亮度差别,用光的吸收、反射、散射、折射、偏振来表示光线从一种介质进入另一种介质(空气、液体和固体)时的变化规律,用发射(或反射)光谱、亮度、色度坐标来表示光源色和物体色的基本特性。建筑采光和照明技术就是根据建筑物的功能和艺术要求,利用上述光、影、色的基本特性,创造良好的光环境。

(图)光的吸收光的吸收

光和视觉的关系

天然采光  
简称采光。在研究光气候的基础上,制订建筑物的采光标准,确定采光方式,进行采光计算。包括:眩光特性和限制眩光的方法;采光和照明的结合;建筑物室内获得稳定光照条件及天然光的利用方法和装置;建筑物外部和建筑群的阳光造型技术等。天然光的光谱是连续的,人们长期在天然光条件下工作和生活,喜爱天然光照明,而且天然光是一种丰富的光能资源;因此,研究建筑物的天然采光,在技术上、卫生上和经济上都有重要意义。

人工照明  
简称照明。人工照明的主要内容有照明用的人工光源和控光器具(见照明光源、照明灯具);各类建筑的照明标准;照明设计和计算方法(见照明标准、照明方式、照明计算);照明眩光特性和限制眩光的方法;照明均匀度和室内表面亮度分布比例的确定(见照明质量);在各种照明条件下人的视功能特性;照明效果的评价方法和指标;颜色在照明中的应用;照明效果的测试技术(见建筑光学测量);照明的节能措施以及从建筑艺术等因素综合研究室内外光环境等。

建筑光学 - 测量

(图)光电传感器光电传感器

以光度测量技术为基础进行各项参数的测量,主要包括光源和灯具的光度测量,采光、照明的数量和质量评价指标的定量测量,光学材料的参数测量。光度测量系统是由光电传感器、检流计、导轨和被测光源或标准光源组成。在光电传感器前配有滤光片,使传感器对各种波长的光的相对灵敏度与光谱的光视效率一致。 用一标准光源对光度测量系统的光电输出电流进行标定,并求出光电转换系数K,Φ为光电传感器所接受的光通量;Ω为光电传感器与被测光源所形成的立体角;S为光电传感器的光接受面(S面垂直被测入射光);r为被测光源到传感器表面的距离;i 为检流计读数。根据上述原理已制成光度计、积分光度计、照度计等光度测量装置。

光电传感器经过改进,使响应时间缩短,测量范围扩大,测量精度提高。例如硅光电池可使响应时间达到纳秒量级,在8个量级的光度动态范围内,线性度可达0.05%,测量精度可达0.01%。特别是测试装置带有模数转换电路时,可把测量所得的量以数字形式输出,并可配以微型计算机,直接得出测量结果。

光源和灯具的光度测量  
评价光源和灯具的光度特性的主要指标是光通量、光强分布曲线或曲面、发光效率。光通量可以用球形光度计以一次比较法直接测量,也可用分布光度计先测量光源和灯具的光强分布,再用计算方法求出光通量,进而确定光源和灯具的发光效率。球形光度计和分布光度计配用微型计算机后,可直接给出所测光源的光通量。

采光、照明评价指标和定量测量  
建筑采光的数量评价指标是采光系数(见采光标准),可用测量照度的方法计算求得,也可直接用采光系数测量仪测量。

建筑照明的数量评价指标主要包括:
①平面照度。即照射到某一表面上的光通量与被照面的面积之比,可用照度计测量。②平均球面照度。指被测点为球心的“小球”面上的平均照度,可用平均球面照度计测量。③平均柱面照度。指轴线通过被测点的圆柱面上的平均照度,可用平均柱面照度计测量。

建筑采光和建筑照明的质量评价指标有:
①采光照明均匀度。指被测面上的最低采光系数或照度与该面上的平均采光系数或平均照度之比,可用照度计测量后计算得出。②被照面的亮度和亮度分布。可用亮度计测量并计算确定。③眩光。视野内的亮度分布不均匀和亮度差过大引起的眩光,常用眩光指数或限制照明器的亮度进行评价。眩光指数和照明器的亮度可通过亮度测量和计算确定。

光学材料的参数测量  
一般建筑光学材料的主要参数有:反射系数、吸收系数、透光系数。常用单功能的反射系数仪或透光系数仪进行测量,也可用多功能的材料光学特性测量仪器进行测量。建筑光学材料的主要作用是控制和调整发光强度,调节室内照度、空间亮度和光、色的分布,控制眩光,改善视觉工作条件,创造良好的光环境。

古代的建筑光学材料大多是天然的,如牛角片、大理石等,后来发展使用丝绸、纸张和玻璃制品。据唐代冯贽 《云仙杂记》记载,中国唐朝纸窗已颇流行,而且已有防水窗纸。玻璃在建筑中的应用,大约有2000年历史,初期为不透明的彩色玻璃,主要用于宫殿、府邸和教堂建筑。19世纪以后,广泛应用玻璃对现代主义建筑的发展产生了深远影响。20世纪中叶,有机玻璃、聚氯乙烯、玻璃钢等在建筑中应用日益广泛。

建筑光学 - 学科进展

 

(图)建筑设计建筑设计

建筑光学利用相邻学科的研究成果,同时又为相邻学科服务。如建筑光学的测试技术是以光度学和色度学为基础的;建筑采光照明设计需直接利用大气光学、应用光学、建筑电气和建筑学的研究成果;在研究光和视觉关系时需利用心理和生理光学的评价方法和试验结果。建筑光学还直接或间接为建筑设计和建筑电气系统等提供数据资料。

在中国,建筑科学的研究、教学、设计等部门都有规模不同的建筑光学研究机构和试验设备。建筑光学在研究剧场建筑、展览馆建筑、体育建筑、精密仪表厂生产车间和地下工程的采光照明问题以及编制中国工业企业采光照明标准、探讨光气候规律、提高建筑光学测试技术等方面都取得较显著的成效。

建筑光学 - 研究方向

建筑光学的主要研究方向是:综合研究建筑物室内外光环境的理论和综合评价建筑采光、照明的设计方法;天然光的利用技术;研制和使用功率小、光效高、寿命长和显色性能好的气体放电灯;发展电子计算机技术在采光照明计算、设计和设备控制上的应用;研究采光照明测试仪表和测试方法等方面。

建筑光学 - 相关学科

建筑学、建筑物理学、建筑热工学、建筑构造学、建筑声学、建筑经济学、建筑设计学、室内声学、室内设计学、园林学、城市规划、土木工程、工程力学、水力学、土力学、岩体力学、滨海水文学、道路工程学、交通工程学、桥梁工程学、水利工程学。