建築光學

光是一種電磁輻射能。光可作為建築整體因素的重要語言，還有人認為光是一種“建築材料”，英國著名建築師羅傑斯把建築看作捕捉光的容器。建築光環境是由光與顏色和不同建築體量、形式、空間結合形成的生理和心理環境。因此，光和顏色是顯示建築空間，表現建築藝術，美化光環境的重要手段，建築師常常會利用光和顏色創造出優秀的建築造型。美國建築師埃羅·沙里寧利用光與影產生的特殊效果來誘導觀察者的想象力，把人的思維引入神秘的意境，產生震撼的光影效果，例如他在麻省理工學院小教堂設計中，使教堂內部光線暗淡，而在聖壇的正上方設置一個圓形天窗，天然光照射到聖壇上方用細金屬絲懸吊的反光薄片，反射出神秘光芒，使人浮想聯篇。光也是塑造現代建築的重要手段，合理處理光與空間、光與形態、光與色、光與質感的關係，充分利用天然光變化無窮的特性，可造成虛與實、強與弱、靜與動的特殊視覺效果。總之，光是現代建築的靈魂，光與建築密不可分，有了光就可以使建築得以升華；處理好建築光環境，能為現代建築創造出更加絢麗迷人的效果。為此，需要解決好大量照明技術問題。

在一個相當長的歷史階段，人類利用天然光和火光照明，曾在建築中創造了不少有效的採光和照明方法，例如中國傳統建築中的南窗北牆的採光方法，古埃及太陽神廟中的高側窗採光方法等。但天然採光受季節、晝夜、地理位置和氣候變化的影響很大。火光照明效果差，煙塵大，且容易引起火災。自從大量生產玻璃，特別是19世紀發明白熾電燈以後，才使建築採光和照明技術的理論和實踐進入一個新的階段，並逐步形成建築光學。

現代建築光學理論日趨完善，天然光的變化規律逐步為人們所掌握，各類建築的採光方法和控光設備相繼研究成功，各種新型電光源和燈具也在建築中得到廣泛的應用，從而使這一學科在建築功能和建築藝術中發揮日益重要的作用。

建築光學的研究內容主要有：與建築有關的光的性質和光的視覺性質、天然採光和人工照明。

研究光和視覺的關係，了解同建築有關的可見光的主要性質。可見光輻射的波長範圍是380～780納米，眼睛對不同波長的可見光產生不同的顏色感覺。一般光源如天然光和白熾光源等是由不同波長的光組成的。這種光源稱為多色光源或稱複合光源；有的光源如鈉燈，只發射波長為583納米的黃色光，這種光源稱為單色光源。在建築光學中用光通量、發光強度、照度和亮度等參數表示光源和受照面的光特性(見光的視覺性質)，用光影深淺、立體感強弱來表示建築物表面和被觀察物體的亮度差別，用光的吸收、反射、散射、折射、偏振來表示光線從一種介質進入另一種介質（空氣、液體和固體）時的變化規律，用發射（或反射）光譜、亮度、色度坐標來表示光源色和物體色的基本特性。建築採光和照明技術就是根據建築物的功能和藝術要求，利用上述光、影、色的基本特性，創造良好的光環境。

簡稱採光。在研究光氣候的基礎上，制訂建築物的采游標准，確定採光方式，進行採光計算。包括：眩光特性和限制眩光的方法；採光和照明的結合；建築物室內獲得穩定光照條件及天然光的利用方法和裝置；建築物外部和建築群的陽光造型技術等。天然光的光譜是連續的，人們長期在天然光條件下工作和生活，喜愛天然光照明，而且天然光是一種豐富的光能資源；因此，研究建築物的天然採光，在技術上、衛生上和經濟上都有重要意義。

簡稱照明。人工照明的主要內容有照明用的人工光源和控光器具(見照明光源、照明燈具)；各類建築的照明標準；照明設計和計算方法（見照明標準、照明方式、照明計算）；照明眩光特性和限制眩光的方法；照明均勻度和室內表面亮度分佈比例的確定（見照明質量）；在各種照明條件下人的視功能特性；照明效果的評價方法和指標；顏色在照明中的應用；照明效果的測試技術（見建築光學測量）；照明的節能措施以及從建築藝術等因素綜合研究室內外光環境等。

以光度測量技術為基礎進行各項參數的測量，主要包括光源和燈具的光度測量，採光、照明的數量和質量評價指標的定量測量，光學材料的參數測量。光度測量系統是由光電感測器、檢流計、導軌和被測光源或標準光源組成。在光電感測器前配有濾光片，使感測器對各種波長的光的相對靈敏度與光譜的光視效率一致。用一標準光源對光度測量系統的光電輸出電流進行標定，並求出光電轉換係數K，Φ為光電感測器所接受的光通量；Ω為光電感測器與被測光源所形成的立體角；S為光電感測器的光接受面(S面垂直被測入射光)；r為被測光源到感測器表面的距離；i 為檢流計讀數。根據上述原理已製成光度計、積分光度計、照度計等光度測量裝置。

光電感測器經過改進，使響應時間縮短，測量範圍擴大，測量精度提高。例如硅光電池可使響應時間達到納秒量級，在8個量級的光度動態範圍內，線性度可達0.05%，測量精度可達0.01%。特別是測試裝置帶有模數轉換電路時，可把測量所得的量以數字形式輸出，並可配以微型計算機，直接得出測量結果。

光源和燈具的光度測量

評價光源和燈具的光度特性的主要指標是光通量、光強分佈曲線或曲面、發光效率。光通量可以用球形光度計以一次比較法直接測量，也可用分佈光度計先測量光源和燈具的光強分佈，再用計算方法求出光通量，進而確定光源和燈具的發光效率。球形光度計和分佈光度計配用微型計算機后，可直接給出所測光源的光通量。

採光、照明評價指標和定量測量

建築採光的數量評價指標是採光係數（見采游標准），可用測量照度的方法計算求得，也可直接用採光係數測量儀測量。

建築照明的數量評價指標主要包括:

①平面照度。即照射到某一表面上的光通量與被照面的面積之比，可用照度計測量。②平均球面照度。指被測點為球心的“小球”面上的平均照度，可用平均球面照度計測量。③平均柱面照度。指軸線通過被測點的圓柱面上的平均照度，可用平均柱面照度計測量。

建築採光和建築照明的質量評價指標有：

①採光照明均勻度。指被測面上的最低採光係數或照度與該面上的平均採光係數或平均照度之比，可用照度計測量後計算得出。②被照面的亮度和亮度分佈。可用亮度計測量並計算確定。③眩光。視野內的亮度分佈不均勻和亮度差過大引起的眩光，常用眩光指數或限制照明器的亮度進行評價。眩光指數和照明器的亮度可通過亮度測量和計算確定。

光學材料的參數測量

一般建築光學材料的主要參數有：反射係數、吸收係數、透光係數。常用單功能的反射係數儀或透光係數儀進行測量，也可用多功能的材料光學特性測量儀器進行測量。建築光學材料的主要作用是控制和調整發光強度，調節室內照度、空間亮度和光、色的分佈，控制眩光，改善視覺工作條件，創造良好的光環境。

古代的建築光學材料大多是天然的，如牛角片、大理石等，後來發展使用絲綢、紙張和玻璃製品。據唐代馮贄 《雲仙雜記》記載，中國唐朝紙窗已頗流行，而且已有防水窗紙。玻璃在建築中的應用，大約有2000年歷史，初期為不透明的彩色玻璃，主要用於宮殿、府邸和教堂建築。19世紀以後，廣泛應用玻璃對現代主義建築的發展產生了深遠影響。20世紀中葉，有機玻璃、聚氯乙烯、玻璃鋼等在建築中應用日益廣泛。

建築光學利用相鄰學科的研究成果，同時又為相鄰學科服務。如建築光學的測試技術是以光度學和色度學為基礎的；建築採光照明設計需直接利用大氣光學、應用光學、建築電氣和建築學的研究成果；在研究光和視覺關係時需利用心理和生理光學的評價方法和試驗結果。建築光學還直接或間接為建築設計和建築電氣系統等提供數據資料。

在中國，建築科學的研究、教學、設計等部門都有規模不同的建築光學研究機構和試驗設備。建築光學在研究劇場建築、展覽館建築、體育建築、精密儀錶廠生產車間和地下工程的採光照明問題以及編製中國工業企業採光照明標準、探討光氣候規律、提高建築光學測試技術等方面都取得較顯著的成效。

建築光學的主要研究方向是：綜合研究建築物室內外光環境的理論和綜合評價建築採光、照明的設計方法；天然光的利用技術；研製和使用功率小、光效高、壽命長和顯色性能好的氣體放電燈；發展電子計算機技術在採光照明計算、設計和設備控制上的應用；研究採光照明測試儀錶和測試方法等方面。