Category Archives: АРХИТЕКТУРНАЯ ФИЗИКА

Глава 4. Архитектурное освещение 117

Таблица 4.28. Значения коэффициентов отражения р внутренних поверхностей интерьера

Поверхность

Коэффици­

Ент отра­

Жения р

Побелка

0,75-0,65

Желтая, голубая окраска

0,45-0,4

Светлая клеевая окраска (лимон­

0,60—0,5

Ная, светло-серая и т. п.)

Светло-коричневая окраска

0,35

Натуральный дуб и бук

0,3

Паркет светлый

0,25-0,3

Релин светлый

0,3-0,4

Темный

0,2-0,15

Таблица 4.29. Рекомендуемые предельные соотношения яркостей поверхностей в производственных помещениях

L : L

L : ї

L : L

?

Пт р

Ст р

П р

1:20

1:5

1:5

Пр и м е чан ие. яркость окна;

Ьоб : їp 1:20

: L

О

1:40

^пт ~~ яркость потолка; ?п — яркость пола; ? _ яркость стен; — яркость оборудова­ния; ?р — яркость рабочей поверхности.

Пределению яркостей на основных по­верхностях интерьера и к определен­ному пространственному впечатлению (табл. 4.28—4.29). Для характеристи­ки этого впечатления В. В.Вороновым средней и нижней зон поля зрения (потолок, стены, пол). Располагая ма­териалы разной светлоты в той или иной зоне и выбирая нужную систему освещения, можно расчетным путем

Типы

ГЛУБИННОЕ

ЗАМКНУТОЕ

СКВОЗНОЕ

ПРОСТРАНСТВА

LC3 >LУ3 и LH3

LC3 < Lб3 ь LH3

I i i i и II 1

¦ ¦•¦¦¦•«¦a llIMIIiiiiti ni •¦AflflASBBIIttieilffllftl

ОТКРЫТОЕ

9ШШШШШМШШШЛШ9т*шляшя9\

LB3 ‘ L»3

L63>LC3 >LH3

ЗАКРЫТОЕ

L Вз « LH3

Ld3 <LC3<LH3

(МАрхИ) предложена классифи­кация типов пространства интерь­ера (рис. 4.37), основанная на со­отношениях яркостей верхней,

Рис. 437\ Классификация типов пространства интерь­ера по характеру ею восп­риятия /-вз, ?сз, ?нз — яркость соот ветственно верхней, сред­ней и нижней зон

118 Часть П. Архитектурная светология


Получить требуемый эффект. При этом для некоторых типов пространства по­лезно помнить природные аналоги по распределению и соотношению яркостей.

Рис. 4.38. Проект универ­сального магазина "Гале­рея Лафайет* в Берлине. Схематический разрез зда­ния. Архитекторы Ж. Ну — вель, Е — Ката ни. Для ес­тественного освещения по­мещений в массиве много­этажного здания использован принцип свето­вых воронок или конусов, раскрытых к небу Или к центру объема, что дает доступ природному свету в интерьеры надземных торговых залов и офисов и частично — в помеще­ния подземного гаража

Рис. 4.39. Разрез реконст­руированного здания в Миннеаполисе, СШЛ обору­дованного системой пассив­ной солнечной оптики (ар — хит. Д. Бен нет, 1985). Солнечные лучи "прорисо­вывают" фор. чу атриума

Для производственных помещений, где превалируют функциональные тре­бования к освещению, разработаны бо­лее конкретные рекомендации (см.

Табл. 4.29).

Необходимо еще раз подчеркнуть, что эмпирически найденная в прошлом органичная взаимосвязь света и архи­тектурной формы не утрачена и в на­ши дни в лучших произведениях со­временного зодчества.

Формообразующее действие света в новейшей архитектуре представлено такими интересными примерами соо­ружений, как проект универмага "Га­лерея Лафайет" в Берлине с ориги­нальной системой "световых воронок" для естественного освещения помеще­ний (рис. 4.38) или как проекты зда­ний, где применена новая технология освещения интерьеров с использовани­ем прямого солнечного света — гелио — осветительные установки (рис. 4.39).

Рис. 4.40. Схема системы пассивной солнечной опти­ки

Архитектурные формы в этих со­оружениях (фонари, световые шахты и воронки, светящие подвесные потол­ки и т. д.) не являются лишь вырази­тельными элементами формально за­думанной композиции, а служат кон­кретным функциональным целям. Ос­новная светотехническая задача в таких случаях — поиск наиболее ра­циональной оптической схемы концен­трации естественного света, ввода его внутрь здания и распределения в по­мещениях. Главной архитектурной за­дачей при этом является выбор выра­зительных и конструктивно оправдан­ных форм здания и элементов осве­тительной установки, рациональное объемно-планировочное решение.

Гелиоосветительные установки можно условно разделить на два ти­па — одноступенчатой и двухступен­чатой трансформации солнечного света внутри здания. Оба типа имеют при-

1 — первичный (внешний) двухфацетный конденсор

22.06

(гелиостат) из отражающих линзовых элементов; 2 — внутренний линзовый отра­жатель; 3 — прозрачное за­щитное стекло

Емно-концентрирующее устройство, состоящее из гелиостата (подвижного в системах активной солнечной оптики и неподвижного в пассивной оптике) и зеркального отражателя, который в установках первого типа направляет прямой солнечный свет непосредствен­но в архитектурное пространство ин­терьера (рис. 4.40), а в установках второго типа эта трансляция света осу­ществляется в световых шахтах, у ко­торых выходное отверстие, как прави­ло, снабжено устройством вторичной трансформации солнечного света. В частности, это может быть плоский клиновидный световод в виде светового потолка с зеркалированной отражаю­щей (невидимой в интерьере) и све — торассеивающей (светящей) поверхно­стью (рис. 4.41).

В конструкции этого световода си­стема прямого солнечного освещения совмещена с установкой искусственно­го освещения с автоматическим регу­лированием, которая из-за непостоян­ства солнечного освещения является основной, а естественное освещение рассматривается как дополнительное. Проведенные в Москве (ВНИСИ) ис­следования эффективности таких сис­тем показали, что использование сол­нечного света позволяет сэкономить 40—70% электроэнергии, затрачивае­мой на освещение.

Оптические установки являются постиндустриальной технологией. С их помощью не только прямой солнечный свет, но и диффузный свет от наиболее яркой зенитной части неба может кон­центрироваться, расширяться, прелом­ляться, трансформироваться и делить­ся до бесконечности, направляться в заданное место, обеспечивая при этом более интенсивное естественное осве­щение локализованного объекта, чем если бы оно создавалось прямым све­том неба.

Глава 4. Архитектурное освещение 119

В оптических установках может использоваться и электрическое осве­щение, получаемое с помощью фото-

?20 Часть II. Архитектурная светология

О)

Рис* 4.41. Схемы гелиоосве- тительных установок со световодами (разрезы зда­ний)

А — установка оконного и шедового типов; б — уста­новки шахтного типа (одно — и двухплечевые) в много­этажных зданиях; / — фацет — ный гелиостат с автоматиче­ской системой слежения за Солнцем; 2 — прозрачное стекло в окне или фонаре; 3 — плоский клиновидный световод; 4 — источники ис­кусственного света; 5 — зер­кальная поверхность; 6 — светопропускающая и диф — фузно рассеивающая повер­хность — световой потолок; 7— световая шахта; 8 — зер­кальные отсекатели света

Глава 4. Архитектурное освещение 121


Электрических батарей, заряжаемых солнечной энергией. Если управляемое фотоэлектрическое освещение объеди­нить с оптически управляемым есте­ственным освещением, то в результате получится полностью децентрализо­ванная эффективная система. Остается только одно важное ограничение, свя­занное с необходимостью накопления электроэнергии. Оно может быть уст­ранено, например, использованием ветровых двигателей при отсутствии солнца. Комбинация фото — и ветроэ­лектрического и оптического естест­венного освещения является преддве­рием надежной системы энергонезави­симого освещения, не требующей цен­трализованной сети питания и не причиняющей вреда окружающей сре­де.

Новая энергосберегающая техноло­гия естественного освещения может со­ставить реальную альтернативу при­вычному электрическому освещению. Она основана не на потреблении не — возобновляемых природных ресурсов и связанном с ним экологическом за­грязнении среды обитания, а исполь­зует естественные возможности. По за­рубежным данным, значительно более экономично передавать дневной свет во внутренние (в том числе подзем­ные) помещения, чем сйздавать для них электрическое освещение. Наи­большую выгоду от применения новых гелиоосветительных систем получат наименее развитые в индустриальном отношении страны.

4,6. Оптическая теория

Естественного светового

Поля

Изложенные выше прибли­женные методы расчета КЕО позволя­ют легко решать практические задачи проектирования, но не дают достаточ­но глубокого и цельного представления о природе и закономерностях распре­деления света в помещениях. В 1991 г. Д. В.Бахаревым [2] была предложена оптическая теория светового поля, со­гласно которой световое поле в поме­щениях представляет собой нерезкое (размытое) и засвеченное многократ­ными отражениями оптическое изобра­жение внешней среды, проецируемое светопроемом в пространство и на по­верхности помещения. Помещения "видят" внешний мир примерно так же, как его видит камера "обскура" или глаз человека. Понимание свето­вого поля как оптического изображе­ния объединяет абстрактные аналити­ческие методы расчета освещенности с наглядной геометрией обычного пер­спективного изображения объектов. Такой подход к светотехническим за­дачам должен быть особенно близок и понятен архитекторам, профессиональ­но владеющим методами перспектив­ной проекции.

Согласно оптико-геометрическим представ­лениям изображение светящего объекта, возника­ющее при прохождении света через достаточно большое (по сравнению с длиной волны) отверстие, есть непрерывное множество проекций отверстия на плоскости изображения, образованных расходя­щимися гомоцентрическими пучками лучей, испу­скаемых точками поверхности объекта. В частно­сти, изображениями вершин прямоугольного фа­сада ABCD (рис. 4.42) противостоящего здания на вертикальной плоскости задней стены помещения •будут гомоцентрические проекции светопроема А\АгАъАл, В\ВгВъВА,… и т. д., проецируемые и з то­чек-оригиналов Л, Ву С и D. Для построения кон­тура размытого и перевернутого перспективного изображения фасада достаточно соединить эти проекции отрезками прямых A\D\> АгОг и т. д. Та­ким образом, в размытом изображении светящая точка изображается плоской фигурой, соответст­вующей форме отверстия, светящая линия — псев- допространственным телом A\AiAzAaD\I>iDiD^ образованным сдвигом этой фигуры, светящая фи­гура — замкнутой комбинацией таких тел.

Стягивание отверстия 1234 в точку О перево­дит размытое изображение фасада в его четкую перспективную проекцию abed, поэтому для раз­мытого изображения в принципе остаются спра­ведливыми все законы и методы построения обыч­ной перспективной проекции. Так, размытое изо­бражение параллельных прямых сходится в раз­мытом изображении Г2’3*4′ точки схода /’, представляющем собой косоугольную проекцию отверстия 1234 на плоскости изображения, т. е.

Предел гомоцентрической проекции отверстия из бесконечно удаленной натурной точки схода светя­щих прямых АИ и ВС. Зона схождения }’2’ЗЧ* этих горизонтальных прямых принадлежит размы­тому изображению горизонта, ширина полосы ко­торого равна высоте светопроема. На рис. 4.42 можно обнаружить также и ряд других соответст­вий между размытым и четким изображениями

Фасада.

122 Часть //. Архитектурная светология

В показанном на рис. 4.42 нормальном изо­бражении фасада действительной является только его центральная часть, ограниченная прямоуголь —

Рис. 4.42. Геометрия нор — ний элементов внешней

Мольного и анаморфирован — среды на поверхностях по­ною размытых и зоб раж е — метения

Ником задней стены помещения. Периферийная область изображения, проецируемая на перпенди­кулярные отверстию поверхности пола, потолка и стен, претерпевает на них анаморфотные искаже­ния, порождаемые не параллельностью плоскостей отверстия и изображения. Анаморфотные искаже­ния нарушают подобие изображений светящих то­чек фигуре отверстия. Изображениями вершин В и

Глава 4. Архитектурное освещение 123

С фасада на полу помещения будут перспективные проекции В\ВгВъВ4 и С1С2С3С4 отверстия, точки схода которых есть ортогональные проекции на плоскость изображения светящих точек В и С. Ана­морфированные изображения вертикальных ребер АВ и СЭ фасада сходятся в размытой зоне схожде­ния 1234, представляющей собой ортогональную проекцию отверстия на плоскость изображения, т. е. предел его гомоцентрической проекции из бес­конечно удаленной натурной точки схода прямых АВ и СО. Таким образом, анаморфотные и перс­пективные искажения изображений имеют одина­ковую оптико-геометрическую природу и опреде­ляются одинаковыми методами проецирования.

Правильно размытое перспективное изобра­жение образуется только при расположении объек­та в параксиальной, т. е. приосевой облети про­странства, ограниченной параксиальным цилинд­ром А56—78В (рис. 4.43,а), когда апертурной (действующей) является внутренняя диафрагма 56—78 отверстия в ограждении конечной толщи­ны. Изображение всякой непараксиальной точки М искажается двойным диафрагмированием све­тового потока. В этом случае избражением точки М будет пересечение \fsNMyL гомоцентрических проекций М1М2М3М4 и МьМьМпМъ наружной и внутренней диафрагм, т. е. проекция апертурной диафрагмы отверстия, состоящей из действующих участков этих диафрагм. Апертурные искажения ограничивают поле изображения внешней среды телесным углом и нарушают перспективность структуры размытых изображений линий. Геомет­рия апертур но размытого перспективного изобра­жения довольно сложна. Простейшее поле апер — турных искажений нормального изображения то­чек фронтальной плоскости показано на рис. 4.43,6»

Распределение освещенности в размытом оп­тическом изображении определяется законом про­екции телесного угла, в котором виден из освещае­мой точки светящий объект. Условия ограничения видности объекта через отверстие можно опреде­лить по характеру сдвига и наложения изображе­ний контурных точек объекта. Выделим на отрезке светящей прямой АВ (рис. 4.44,а) несколько то­чек, расположенных с интервалом /, и построим на освещаемой поверхности его непрерывное (б) и дискретное (в) изображения, размытые квадрат­ным отверстием 1234. Очевидно, что точки 1—1— 1—1—1, 2—2—2—2 и 3—3—3 пересечения конту­ров изображений светящих точек отрезка, распо­ложенных с интервалами /, 2 /иЗ /, принад­лежат изолиниям видности отрезка, т. е. геометрическому месту точек изображения, из ко­торых видны одинаковые по длине участки отрез­ка. Такое преобразование дискретного изображе­ния в изолинии справедливо в зонах ВгАъА\С\ и ВлСтАгВг, из точек которых видность отрезка огра­ничивается смежными сторонами квадрата отвер­стия. Видность конечных участков отрезка из зон АхАьАлСъ С2А4А2, В\ВуС\ и В1С1В4В2 ограничива­ется одной стороной отверстия и, следовательно, изолиниями видности в этих зонах будут контуры изображений светящих точек, отстоящих от кон­цов отрезка на кратные / интервалы. Замкнутые ломаные линии О, /, 2 и 3 образуют семейство крат­ных / изолиний поля линейной видности отрезка из точек его изображения.

Допустим, что освещенность размытого изо­бражения светящей точки равномерна. Тогда ана­логичное показанному на рис. 4.44,в преобразова­ние дискретного изображения отрезка, построен­ного по точкам, расположенным с неравными ин­тервалами /», соответствующими равному приращению освещенности четкого изображения отрезка даст приближенные изолинии поля

Освещенности размытого изображения отрезка (рис. 4.44,г).

Поля видности и освещенности имеют одина­ковую зональную структуру, порождаемую неоди­наковыми условиями ограничения видности светя­щего объекта из точек изображения. Поэтому фун — кции видности и, следовательно, освещенности в каждой зоне уникальны, т. е. действительны только в границах данной зоны. Границы зон совпадают с линиями псевдопространственной структуры пло­ского изображения отрезка (см. рис. 4.44,а) и при­надлежат граничным плоскостям пространствен­ных зон, проходящим через стороны и вершины от­верстия 1234. Пространственная зональная струк­тура светового поля зависит только от формы и взаиморасположения светящего объекта и отвер­стия. Границы зон являются особыми линиями по­ля, на которых значения функций видности и осве­щенности смежных зон совпадают, но происходит разрыв градиента полей. Это обнаруживается в ви­де резкого излома графиков и изолиний видности и освещенности на границах зон.

В реальной световой среде светящие линии об­разуются разрывом яркости светящих поверхно­стей, т. е. являются контурными линиями ее ярко — стных деталей. Размытые изображения таких ли­ний составляют контурную область изображения, в которой происходит оптическое смешение (сложе­ние) изображений смежных элементов среды. Так, контурная область изображения фасада ABCD (см. рис. 4.43) состоит из зон НФ и ЗФ, в которых изо­бражение фасада смешивается с изображениями неба или земли. Размытое изображение линии го­ризонта образует контурную область НЗ, в которой смешиваются изображения неба и земли. Пересе­чения контурных областей образуют общие зоны НЗФ, где смешиваются изображения всех трех эле­ментов среды. Вне контурных областей располага­ются зоны 11>ЗиФ чистых изображений неба, зем­ли и фасада, причем в случае пересечения зон НЗФ чистое изображение фасада может отсутствовать.

Обозначения зон указывают также, участки каких элементов внешней среды можно наблюдать из точек этих зон. Например, из зоны Ф виден толь­ко фасад, а из зоны НЗФ — все элементы среды. Как и в рассмотренном выше изображении идеаль —



.