借光 - 改善无日照光环境的妙法

借光——改善无日照光环境的妙法

张慧

摘要：

阳光是人类生活不可或缺的。但是，当城市某一区域或建筑物某一局部，因自然环境、地理位置或空间布局所限而长期甚至终年不能获取阳光时，怎样才能改善光环境条件呢？本文通过实例阐述了一种利用镜面反射及其光学原理解决这一新颖课题的方法。 关键词：

阳光、镜子、定日镜、日光反射装置、光环境

人类的生存离不开太阳。如果没有阳光，生活也会黯然失色。然而由于特定地理位置或特殊地段条件的限制，城市空间或建筑物的某些区域并不总能置身于阳光的照耀之下。如何为这些阴影或是地下空间中的人们争取更多的阳光以创造舒适的光环境，就成了建筑师进行建筑创作的目标之一。

巧借镜子、构建日光反射装置是一种行之有效的方法。 采集日光

阳光能人工“采集”吗？奥地利的西部小镇拉滕贝格（Rattenberg）以新近出台的“第二个太阳”计划向这项看似不可能完成的任务提出了挑战。

素有玻璃之城美称的拉滕贝格是阿尔卑斯山南麓著名的旅游胜地，始建于十三世纪。当年为抵抗外来入侵者的掠夺，人们选择了这处背山临水（北临茵河）相对隐蔽安全的山区定居下来。然而在此后数百年的时间里，一旦冬季来临，小镇南面海拔三千多米的高

山就将阳光完全遮挡，使得小镇在整个冬季都处在阴影的笼罩之中（图1）。久而久之，小镇居民的身心受到极大伤害变得忧郁、沉闷。据当地医生彼得艾哈德称，小镇上460位居民中，有1/5的人因此患上季节性情绪失控症，许多病人在冬季经常出现失眠、情绪低落、沮丧和自卑等症状。越来越多的居民不堪忍受当地昏暗的冬季，开始逐渐向光照充足的地区迁移，当地的人口统计表明，在过去十年内约有20%的居民迁出了拉滕贝格镇。更让人担忧的是，这个奥地利最小的村镇还在不断地缩小规模。

为了扭转这个局面，小镇于去年最新出台了“第二个太阳工程”计划，希望借助由电脑控制的“超级镜子”来驱除冬日的阴霾，将阳光重新引入小镇生活。（图2）

图2 拉滕贝格“第二个太阳工程”计划示意图。图片来源：作者绘制。

这套精密的日光反射装置将60面、每面2.5米x2.5米见方、在电脑精确计算控制下可自由旋转角度的日光镜分为两组，通过一组安装在拉滕贝格镇上方山腰处的30面镜子捕捉来自其北部0.5公里、位于向阳面的克拉姆萨赫村（Kramsach）内另一组日光镜装置反射过来的阳光，并最终将这些来之不易的冬日阳光投射到拉滕贝格镇。尽管反射而来的阳光无法照遍小镇的每个角落（若要照亮整个拉滕贝格，每面反射镜都必须达到一个足球场的大小），但至少有10个重点区域可以保证在一天的不同时段内分别沐浴到阳光。例如小镇的几条主要街道和数幢15世纪的古建筑，借助这些场所和住家前院大小相当的“热点区”，小镇居民从此在冬天也可以享受“日光浴”了。

当然，小镇拉滕贝格要想真正享受冬季的阳光，也得付出不菲的代价。据悉整个装置耗资将约二百万欧元，欧盟目前已表示将为其提供其中一半的预算支持，承担该项目的巴登巴赫实验室（Bartenbach LichtLabor）也愿意承担50万欧元的设计规划费用，整个工程预计可在2007年上半年完工。

无独有偶，同样坐落于阿尔卑斯山脉一处山谷中的意大利北部小镇魏格内拉

（Viganella），也在尝试用镜子将冬日阳光反射到镇上。与拉滕贝格镇的情况相似，魏格内拉的居民也在一年中有三个月的时间只能望“阳”兴叹，不过他们引入冬季阳光的装置似乎要简单许多。作为试点，小镇在距其不远处的山坡上竖起了一面宽8米、高5米的反射镜，直接将阳光反射到小镇中心的教堂上。此外，通向小镇的穿山隧道也采用这个借光方法解决了隧道内的采光需要。

其实，在欧洲大陆阿尔卑斯山脉蒂罗尔（Tyrol）地区，还有大约60多座类似的村落存在与上述拉滕贝格镇相同的情况，一到冬季，这些被戏称为“失望村”的地方就无法享受温暖阳光的照射，如果这两个小镇的尝试确实行之有效的话，巧借镜子、人“造”太阳的方法颇有推广的价值。 间接采光

日光反射装置依据的是几何光学原理。简单说来，就是利用平面镜、凹面镜（或反射板）的多次反射来改变光线的传播路径。在建筑设计中，也可采用这种方法弥补某些房间天然采光不足的缺憾。特别是大型建筑、坡地建筑、覆土建筑以及地下空间可设立专门的采光竖井，利用镜面反射或辅以棱镜折射来实现间接采光的目的（图3）。 图3 利用平面镜或多种光学镜组合实现间接采光。引自：《覆土建筑》。

巴登巴赫光学实验室在奥地利茵斯布鲁克（Innsbruck）的基地可谓是间接采光技术的综合展示。该基地地下室的采光运用了多种光学镜引入日光，充分展示了利用光学技术解决采光问题的优越性和可行性。这个采光系统由定日镜、转向镜、聚光镜和日光管组成。定日镜由电脑调控，可以随太阳运动轨迹自动调整镜面角度，并保证不断朝室外转向镜的方向反射日光；室外的转向镜则负责将定日镜反射来的日光射向位于其下方的采光竖井；日光在进入采光竖井前，还要先要经过井口的两面菲涅耳透镜（Fresnel lens），这两面透镜实际上起聚光镜的作用，可以将垂直入射的平行光束准确地汇聚到中空光导

管的管口；日光在垂直段的光导管内继续向下传播，直到再次遇到一面转向镜后，进入地下测试室内的日光管（图4）。

图4 巴登巴赫光学实验室采光系统分析及实景图。图片来源：作者根据该实验室提供的资料绘制。

再如，由著名建筑师福斯特改建的德国国会大厦(Reichstagsgebaeude)被视为生态节能建筑的经典作品，大厦中心高23.5m、直径40m的玻璃穹顶已成为柏林市的新标志。穹顶内悬挂有一个由360面镜子组成的锥体，这个“枝形日光吊灯”能将自然光引入穹顶下方10米深的会议厅，从而改善厅内的光环境（图5、6）。锥体表面的反光镜共30组，每组由12面、大小为4.2米x0.6米的镜片组成，这些成角度设置的特殊玻璃镜相当于独立的自然光反射器，并可由电脑调控的遮阳板避免产生眩光。

图5 锥体插入下层的会议厅，引入自然光。图片来源：自然游影网。 图6 柏林国会大厦穹顶内的由镜面组成的倒锥体。图片来源：自然游影网。

改善光环境

在城市中心、特别是老城区的更新改造过程中，由于苛刻的现状条件限制，新建筑物常常要在已有建筑的“夹缝”中求生存。如何解决这部分空间的采光问题？而且，能否在满足了自然采光基本要求的基础上，进一步为使用者创造更为舒适、宜人的光环境？

奥地利建筑师彼得·劳伦斯（Peter Lorenz）在其主持的一个改造项目中，以新颖的“捕光”和“补光”手法，对如何改善光环境的问题做出了巧妙的应答。

这个项目的主要任务是改造位于茵斯布鲁克老城区中心的一幢16世纪的老建筑，该建筑面朝老城的主要街道——玛丽亚·特雷西亚大街(Maria-Theresien-Strasse)、背向

一个新近建成的大型商业建筑群，南北两侧则分别紧邻原市长府邸（现改建为商业中心）和一家小型旅馆，建筑的临街面窄而进深大。为了延续特雷西亚大街的历史风貌，建筑师将“古茵斯布鲁克”的沿街立面完整地保留了下来（图7），并对临街的老建筑部分加以整修和改造、使其符合新的使用要求；而老建筑靠近新商业建筑群的部分则被拆除，取而代之的是一个采用钢结构的新的建筑体块（图8）。在新老建筑之间，建筑师通过一个半室外的庭院空间解决新、老建筑的自然通风和采光问题，同时也藉此巧妙地实现了新老部分的过渡（图9）。

（左）图7 沿玛丽亚·特雷西亚大街立面（中部灰色的老建筑为“古茵斯布鲁克”的沿街部分）。图片来源：吴锦绣提供。

（右）图8 从新建商业街区一侧看“古茵斯布鲁克”。图片来源：吴锦绣提供。

图9 “古茵斯布鲁克”改造后的三层平面图（根据Lorenz事务所提供的资料改绘）。 1——庭院；2——老建筑改造部分；3——连廊；4——新建建筑部分。

由于南侧毗邻的建筑物较高，中心庭院基本上处于阴影区中。为了为使用者创造更为舒适的光环境，建筑师还特别加设了一套采光装置来“捕光”和“补光”。这套附设的装置由1个定日镜（Heliostat）和6面圆形反光镜组成（图10）。计算机调控的定日镜架设于庭院上方的玻璃顶屋面上，这面半径为1.6米左右的凹面镜可以追随太阳的运动轨迹转动，从而尽可能多地捕捉太阳光，并把光线定向反射到庭院侧墙上；竖向排列于南侧墙上的5个反光镜（图11）负责接收由定日镜 “捕捉”来的日光，再将其反射到连接新老建筑的连廊部分，以弥补狭长空间的采光不足；一层连廊的侧面也设有一个反光镜（图12），它可以使由侧墙镜面反射来的光线再次转向，进一步加强旧建筑部分的采光效果。这一组镜子的运用克服了庭院空间高而狭长所带来的下部光线不足的欠缺，使两个老建筑之间的这个庭院空间成为明亮的宜人场所。

图10 茵斯布鲁克旧市政厅改造项目的剖面示意图。左图为南北向剖面，右图为东西向剖

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