博物馆的自然采光攻略

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　　 随着近年世界对绿色环保的提倡，自然采光凭借其可再生资源的明显优势，再一次成为设计师的宠儿。从建筑技术角度来看，自然采光有着其独特的经济和美学价值，正确的自然采光策略可以节省照明能源，降低空调负荷，提高舒适性和用户满意度。博物馆是城市的标志性建筑，也是建筑师可以发挥最大创作的理想工程项目，但自然采光在博物馆设计中经常受到质疑。由于对展品保护在温度、照度及UV等方面有严格控制，这使得博物馆与商业建筑不同，设计时需要考虑超过自然采光经济价值更多的定性问题。那么，在博物馆中只采用人工照明就可以解决所有问题了吗？答案是否定的，国内许多的案例证明人工可调控照明不仅浪费能源、造成污染，而且无法完全替代自然采光的艺术价值。本文以研究过往的博物馆自然采光经验，分析自然采光在博物馆中的潜在优势，提出合适现代博物馆设计的自然采光攻略。
　　 自然光分为直射阳光和天空的漫射光，它们都会不同程度地损害展品，特别是直射阳光还使建筑本身变得过热和产生眩光，必须要严格控制。纵观历史上的博物馆采光设计，建筑师们在这方面进行了长期不断的研究和摸索。早 在17世纪，自然采光就以窗的形式进入博物馆的展示空间了。
　　 从建筑的角度定义，传统的自然采光就是以建筑开洞的形式把自然光引入建筑内部，通常分为侧采光和顶部采光，侧采光就是指窗。有些历史建筑中，窗被设计成特殊或不对称的布置，以满足展示采光需要，自然获得的光线变化把室内展品表现得十分漂亮。正如哥本哈根蠕虫博物馆1655年的印刷插图所示，自然采集的蠕虫标本当时在自然光里陈列展示。
　　
　　
　　 除了窗这种侧采光方式，最常见的建筑手段还有顶部采光。顶部采光是指任何从视线上方进入室内的自然光，包括高侧窗和天窗。在加农布鲁克斯（Cannon Brookes）的《博物馆画廊中的日光》中，他定义了5种顶部采光方式：顶点采光、 气窗采光 （也有些观点认为它属于侧采光）、 间接顶棚采光、 围合顶棚采光和厂房采光 (Fig.2)。
　　
　　
　　顶点采光：这种采光的展厅基本形式是由顶棚中心狭长的矩形采光天窗和二边深拱形的天花顶棚组成的。正如它的名字一样，日光透过屋顶顶点的天窗照射到中央走道或由二边的拱顶反射形成展厅上空的缓冲光区。顶点采光的方式不会产生眩光，但一次性造价高，并且采光率小，所以现代建筑中已较少采用。
　　气窗采光：也可归为高侧窗采光，日光通过垂直或稍有倾斜的玻璃窗进入室内，并照亮对面的墙体。在历史建筑改建的博物馆中常见这类采光方式。
　　平顶采光：通常是水平玻璃顶加上少许的弧形顶，是顶点采光的后续形式，但对所用玻璃有技术要求。这种形式不需要顶点采光的高度，节约了成本，却同样最大限度地利用了自然光。
　　围合顶棚采光：采光定向到室内的墙上而不是地板上，用墙面反射达到采光效果。要使光线过参观者的视线以上，天窗的倾斜角度较大越好。这种方式看似不错，但室内的中央会有一大块低平顶，直接影响空间效果。
　　厂房照明：顾名思义，就是类似于大型工业厂房的采光，目的在于提供高质量的大空间照明，同时避免阳光直接照射。这种形式的采光因为它对日光的高利用率，在当代的雕塑艺术博物馆中很收欢迎。
　　 直射光会产生热辐射，使展品温度升高 ，湿度下降，从而导致纸张、纺织品等弹性减弱、变脆，纸张变黄、颜料变色、粉化剥落等。光氧化反应使展品的强度和耐久性降低, 字迹、颜料等也会产生褪色现象。上述五种博物馆设计中常用的顶部采光形式，可以发现它们都是通过建筑的开洞尺寸和角度控制光照，并利用墙体反射避免直射光对展品的伤害。但是这局限了建筑形式的设计，对于眩光、光强照度、紫外线等有害因素也无法精确控制。
　　 随着现代建筑的发展和智能化技术的进步，节能辅助设备的种类越来越多，功能也越来越广。节能辅助设备的设计原则是阻挡和引进，阻挡紫外线和温度，引进可利用自然光并使之均匀分散到整个空间。一名设计师，不应该在建筑上简单地堆砌节能辅助设备，而应该根据不同的建筑和地理环境采用不同的辅助手段，从而把高质量的采光作为博物馆建筑设计的重要部分。建筑外壳的巧妙设计加上节能辅助设备的合理运用是博物馆设计中控制直射阳光的最重要策略。
　　1．历史保护建筑+低透光率夹层玻璃
　　 低透光率夹层玻璃既保留了玻璃的透光性，又可以过滤掉对展品有害的紫外线，是博物馆自然采光的基本元素。特别有许多的博物馆是利用历史建筑改建的，这些建筑丰富的历史背景和文化底蕴使其本身就成为一件无价的展品。这类改建的挑战在于如何最大化地保持建筑本体，又满足其新的使用功能。在博物馆改建设计中，最常见的是建筑侧窗占用了宝贵的立面显示空间。例如苏格兰的圣芒戈博物馆为现有历史建筑物改建，在其主要展览空间有若干原建筑上的大彩釉玻璃窗。设计师佩吉和帕克建筑事务所（ Page & Park Architects）和彩釉玻璃专家合作为双层玻璃窗制作了一种中密度彩色玻璃，并由这种玻璃由内遮住原建筑彩釉玻璃。这使外界光到达在画廊空间时减少约80％强度，又保留了对外部景色观赏。另外还设计附加了一个过滤层使UV含量降低到可接受的水平，保留了日光的空间感觉。低透光率夹层玻璃把紫外线挡在了室外，避免阳光对展品的损害，同时保护原建筑的独有风格。除了历史建筑改建的博物馆，低透光率夹层玻璃在新建博物馆也是不可缺少的技术手段之一。
　　2．玻璃幕墙建筑+智能化遮阳系统
　　 在玻璃幕墙林立的城市，智能化遮阳系统的研发是绿色环保建筑技术的必然趋势。智能化遮阳系统由遮阳百叶(帘)、电机及控制系统组成，根据自然条件的变化,自动调整帘片角度或作整体升降,既阻断辐射热、减少阳光直射、避免产生眩光,又充分利用自然光,节约能源。智能化遮阳系统可以随时调节入室的光照，保证室内功能需求，同时也保留了符合人体舒适度的日光变化，适合现代建筑地上部分的新建和改建。例如位于在美国洛杉矶的杰.保罗盖蒂博物馆建筑主体的顶部有一个17 英尺宽 35 英尺长的天窗，可提供充足的自然光源 ，但也带入了不受欢迎的直射光，这样一个大面积的天窗必须进行辅助设计(Fig.3)。首先，35%透光率的中性色玻璃被用来减少流明量使照明达到最适合艺术品的效果。然后，利用玻璃透光特性及外部智能化遮阳百叶的有效结合提供展示所需的照度和减低太阳辐射。为了规范日光并保护展品免受阳光直射，博物馆的每个天窗都安装了智能化遮阳百叶，百叶是东西轴向安装，南北方向开启。面积超过 26000 平方英尺的智能化百叶安装在中性色玻璃外，形成了展厅一把透光的遮阳伞。另外，特制的时间控制器会根据不同的季节和时间设置百叶的开启角度。随着太阳升起，室外的感应器观察天空，并统计和分析数据。百叶开启到一个预设角度，停留 1-2 个小时允许日光在空间中有些许变化，但永远不会允许阳光直射进入展厅。设计小组用实体模型多次进行采光实验，最终找到了平衡点，使自然光成为整年营运的主要光源。
　　
　　
　　3．地下室展示空间+光导照明系统
　　 现在这项技术被应用于光导照明系统（也称为Sunpipe），其系统原理是通过采光罩高效采集自然光线导入系统内重新分配，再经过特殊制作的导光管传输和强化后由系统底部的漫射装置把自然光均匀高效的照射到室内，特别适合建筑的地下层。它的特点是照明效果好，屋面开孔面积小，无污染。在众多的案例中，最成功的例子当属加拿大国立美术馆，它的设计师也是光导天窗的发明者。加拿大国立美术馆坐落于加拿大渥太华，是加拿大的标志性建筑物之一。同样，自然采光也被设计团队列为首要任务。让自然采光进入地下室空间的想法三个组件催生了一种独特的天窗设计---光导天窗(Fig.4)。这种宽度仅限于六英尺的天窗热量损失很小，窗玻璃由三个组件组成，除了金属框架，半透明的漫射夹层和透明隔热玻璃形成一件低辐射外衣，在寒冷的冬天有效减少热量损失。宽度为六英尺的管井从屋顶到底层延伸 25 英尺，利用井壁的镜像作用把光引入底层室内。作为当时的新技术研究，设计人员做了若干1：20的模型进行实验，最终还做了一个1：1的实体模型来验证其可行性。此外，展厅上部每个天窗的内部都装有布质卷轴电动窗帘，窗台下装有感应器，可随时调节窗帘轴以维持展厅内部所需的照明水平。弧形的天花板墙通过反射均匀照度，15 分钟延迟天窗控制程序增加光影变化，整个展厅的照明被演绎得无懈可击。1988 年开业时，加拿大国家美术馆成功展示了由中庭、 天井、和光导天窗组合的舒适迷人的环境。
　　
　　
　　4．地上无窗建筑+缝隙式光导反射系统
　　缝隙式光导反射系统和光导照明系统一样有外部的采光装置把自然光导入室内，但是进入室内后是通过特殊反射装置把光反射到天花顶面，再漫射到室内。这种辅助系统可以用于气候、地理或其它原因限制开洞的建筑地上部分。缝隙式光导反射系统也有着照明效果好且无污染的优点，无论是晴天或者是阴雨天，完全利用自然光为室内提供充分的白昼照明，并且不需要配电装置和传导路线，能够有效地节约资源。典型的例子是位于德克萨斯州的坎贝尔艺术博物馆。由于炎热的夏天，坎贝尔艺术博物馆长筒状的建筑只可以留有少量的外窗，以减少外部热量的侵入。为了利用自然光，建筑师在建筑顶部开了一道缝隙式天窗，天窗的入射口有一凸弧形截面的采光装置，既允许自然光进入又滤去紫外线。在天窗内部装有一套反射板，把入射光反射到拱顶，再由拱顶漫射到室内空间。这套系统作为天窗最重要的元素，设计者实验过众多的材料后，选择了弧形铝框丙烯酸树脂，后又改为聚碳酸酯制品。厚厚的混凝土外壳是一层恒久的绝热屏障，把室内从外部的高温中隔开，同时也是和缝隙式天窗形成了一道独特的景观。坎贝尔艺术博物馆设计者对自然环境和资源的深刻理解，创造出了独有的光反射器系统，可以说是目前德克萨斯州建筑界的一个里程碑。
　　
　　
　　从以上的自然采光攻略来看，几乎所有成功博物馆的最初意向都不是单纯地把节能作为核心，博物馆建筑设计的原动力是建筑的形式和高质量的采光。当然，现在的节能辅助技术日新月异，可以弥补传统自然采光不能达到的效果，把自然采光技术推上了一个新的阶段，证明了即使在阴天，人工照明也并不是唯一的手段。
　　 综上所述，与人工电灯照明相比较，博物馆建筑中自然光更可以提供很高质量的视觉环境，提升艺术品的观赏效果。只要采用合适的节能辅助设计解决均匀照度、智能控制、紫外线吸收等技术性问题，与建筑设计相结合，自然光这一环保可再生资源必将成为博物馆的主要能源。自然采光反映了人类和太阳及自然界的共生关系，是博物馆建筑可持续发展战略的必然趋势。
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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