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申報單位：清華大學美術學院
此項目為2016阿拉丁神燈獎工程類參評項目
本案例是2016年阿拉丁神燈獎工程類參評項目2015年意大利米蘭世博會中國館照明設計。本次世博會中國館是一個綜合性的整體設計項目，正因為有這樣難得的機會，在組織設計之初，就開始嘗試突破各專業(yè)之間的界面，將各專業(yè)放在同一個平臺上進行討論，甚至技術性的問題都會拿出來進行跨專業(yè)討論。正是在這樣的機制下，中國館光環(huán)境設計在建筑設計之前就確定設計目標和方向，這一目標和方向也成為建筑設計遵守的原則，也正因為遵循了這樣的原則，光與建筑、光與麥田才有了高度的契合。
項目名稱：2015年意大利米蘭世博會中國館照明設計
項目地址：意大利米蘭世博園區(qū)
設計單位：清華大學美術學院
施工單位：北京永一格展覽展示有限公司
業(yè)主單位：中國國際貿易促進委員會
項目簡介
2015 年米蘭世博會的主題為“滋養(yǎng)地球，生命的能源”，旨在體現(xiàn)世界對人與自然和諧均衡發(fā)展的關注，為合理利用資源、保護環(huán)境、滋養(yǎng)人類、反哺地球探尋有效途徑。本次世博會中國首次以自建館的形式在境外世博會中亮相，并以占地4590 平米成為除德國館以外的最大國家館。中國館的主題是“希望的田野，生命的源泉”，圍繞著與世界可持續(xù)發(fā)展方向相一致的“天、地、人和”的思想理念，通過建筑設計、建筑技術、展陳設計等，向世界展示中國的過去、呈現(xiàn)中國的現(xiàn)在、描繪中國的未來。
中國館凝練了中華民族偉大的農業(yè)文明與民族希望。建筑設計采用場域的概念，室內與室外空間相互貫通，通過建筑的屋頂、地面和空間，將“天、地、人”的概念融入其中。自然天際線與城市天際線交融的屋頂，似祥云飄浮在空中，象征自然與城市和諧發(fā)展;室內田野裝置與景觀綠化完美呈現(xiàn)，意喻中國廣袤而生機勃勃的土地;“天”和“地”之間的展陳空間，向世人展現(xiàn)中國人的勤勞智慧和中國古老燦爛的農業(yè)文明。中國館前區(qū)景觀，是中國960 多萬平方公里土地所構成廣義的“田野”，引導參觀者去探究中國的過去、現(xiàn)在和未來。
本次世博會中國館是一個綜合性的整體設計項目，正因為有這樣難得的機會，在組織設計之初，就開始嘗試突破各專業(yè)之間的界面，將各專業(yè)放在同一個平臺上進行討論，甚至技術性的問題都會拿出來進行跨專業(yè)討論。正是在這樣的機制下，中國館光環(huán)境設計在建筑設計之前就確定設計目標和方向，這一目標和方向也成為建筑設計遵守的原則，也正因為遵循了這樣的原則，光與建筑、光與麥田才有了高度的契合。
對于光環(huán)境設計來說，“低碳環(huán)保、綠色節(jié)能”是我們當代設計價值觀的重要指標，也是本次中國館光環(huán)境設計的主要出發(fā)點之一。還有一個方面，就是照明不僅僅是滿足視覺功能的作用，光還具有情感，具有敘事性，具有美學價值，如何在滿足功能的同時實現(xiàn)美學價值，同樣是我們追求的目標。
照明技術指標
2015 意大利米蘭中國館總占地面積為4590 平方米，照明設計包括了景觀照明，建筑照明和室內照明三個部分，全館使用的所有燈具均為LED 光源。在滿負荷運行時，景觀部分的燈具總功率的設計值為2820W，建筑照明部分的燈具總功率的設計值為2647W，室內照明的燈具總功率的設計值為8634W，因此中國館人工照明部分的總功率的設計值約為14000W。
為了表現(xiàn)建筑的主體，突出中國館夜間景觀的整體效果，整體的照明設計中盡量減少了景觀照明部分的燈具種類和光環(huán)境的布置。景觀照明主要是通過LED 線性燈帶來強調和勾勒出主通道所表達的江河的形態(tài)，引導參觀者進入中國館的內部去探究中國的過去、現(xiàn)在和未來。臺階上布置的線性燈帶既能夠表現(xiàn)主通道的河流形態(tài)，又避免了眩光的產(chǎn)生，還為路面和臺階提供了一定的照度，從而滿足了該區(qū)域照明的基本功能需求。此臺階部分所使用的LED 硬質線性燈帶的功率是12W /m，3000K 的色溫與建筑主體照明光色相呼應。為了保證景觀區(qū)域的安全，景觀照明設計還考慮了穿插在景觀區(qū)域中的疏散通道，該疏散通道以抽象的方式詮釋了北京的胡同，由于胡同的寬度限制，照明設計方面緊選擇了正對主流線方向的一側，通過線性地埋燈洗亮疏散通道內該側的胡同矮墻，地埋燈同樣選擇了色溫3000K，功率為10W/m 的LED 光源燈具。為了減少眩光同時還能夠保證較好的照明效果，通過多次模擬實驗，最后將此款定制的地埋燈內增加了防眩光光柵，該地埋燈運行時的總功率為約為400W。
通常情況下，建筑照明和室內照明分開獨立設計，可減少相互之間的干擾，有利于對光的控制。對于中國館建筑的照明設計，我們首先想到的是在建筑周邊及屋頂設置泛光照明燈具，這樣對光的控制比較容易，也使屋頂?shù)男螒B(tài)和竹編表皮肌理更具有表現(xiàn)力。但很快我們就決定取消該設計方向，原因有兩方面：一是建筑照明與室內照明是兩套系統(tǒng)，這樣不夠節(jié)能;二是無論在建筑周邊設置燈桿，還是在屋頂安裝燈具，都會對建筑外觀構成一定的影響，甚至會破壞建筑的完整性。
最終的照明設計方案中，基于低碳節(jié)能這一大的設計目標，我們大膽地提出室內照明與建筑照明相結合，用一種照明形式來解決兩個方面的問題，做到一箭雙雕，因此屋頂所使用的投光燈不僅能夠用來表現(xiàn)建筑屋頂造型和屋內頂部梁架結構，同時還為主展廳提供基礎功能照明。在該方案的設計中我們把注意力放在了內透光的可行性研究上。如果按照一套照明燈具同時解決建筑照明和室內照明的設想，室內燈具的安裝位置、投射角度，以及燈具的參數(shù)雖然至關重要，但對于建筑內透光起決定作用的不是燈具，而是建筑屋頂防水膜的材質。當采用半透光材料時，竹編的影子映射在PVC 膜上，會形成水墨畫一樣的光影肌理，藝術表現(xiàn)力好于全透光材料，且夜晚室內燈具對屋頂?shù)姆汗庹彰鳎约胞溙锼l(fā)出的泛光，使屋頂PVC 膜形成一個完整的發(fā)光體，發(fā)光體的完整性有益于竹編呈現(xiàn)完整的剪影效果。
該建筑照明設計方案所使用的燈具是位于建筑室內頂部梁架上的91 只LED 可調光的投光燈，其最大額定功率15W。用于表現(xiàn)兩個側峰輪廓的室外投光燈具LB-05 共10 只，被分別設置在建筑竹編屋頂和側峰的梁架之上，其最大額定功率為25W。該部分LED 燈具均使用的是高光效的COB 光源，輸出功率可根據(jù)光環(huán)境和現(xiàn)場情況進行調節(jié)。燈具外形及顏色則根據(jù)建筑的表現(xiàn)需求定制而成，且燈具的投射角度可以根據(jù)建筑頂部的形態(tài)任意調節(jié)。通過前期的照明模擬計算，使用DIALux evo 模擬照明效果，最終確定選擇配光曲線為36°光束角的投光燈來表現(xiàn)該建筑得屋頂造型，并根據(jù)建筑木制梁架結構的顏色和中國館“希望的田野，生命的源泉”的表達主題，確定了3000K 色溫的光色，該部分滿負荷運行時的總功率為1615W。在室外東西兩側和麥田內，用于投射建筑檐口的投光燈，根據(jù)建筑檐口的高度和燈具布置位置的限制分別選擇了12W 的LG-01A 和36W 的LG-01B 兩種燈具，為保證檐口的最終照明效果、減少向上投射的溢出光，燈具的配光設計為20°×60°的帶狀光斑，運行時的總功率為1032W。
米蘭博覽會的舉辦時間是2015 年5 月1 日至10 月31 日，地中海氣候使得米蘭的夏季炎熱干燥，但擁有充足的陽光。博覽會每天從上午10 點至晚上11 點的開放時間內，有近8-9 個多小時的日照，為引入自然光作為室內照明提供了穩(wěn)定的條件。初步估算，將人工光引入到主展館的方案在展會期間將節(jié)省人工照明電量約5040kw*h。雖然采用自然光進行室內照明會產(chǎn)生不穩(wěn)定的光環(huán)境，但全天候的自然光變化與室內光環(huán)境形成同步，所形成的交互性場景變化，更容易使參觀者獲得身處自然當中的體驗，這也是對中國人與自然和諧共生觀念的表達方式。中國館屋頂由鋼木結構梁、PVC 膜和竹編表皮組成，竹編表皮的密度越大，進光量越小;竹編表皮的密度越小，進光量就越大(參見圖)。通過對竹編表皮透光系數(shù)的指標計算，最終確定其透光系數(shù)為15%，在該標準下白天的室內照度值基本控制在800-3500lx 之間，在室內視域范圍內所呈現(xiàn)出來的各界面和屋頂結構，以及LED 麥田的影像形成了很好的亮度平衡關系，形成了麥田、屋頂、周邊環(huán)境三個層級的主次表現(xiàn)關系。
建筑室內人工照明部分，按照功能分區(qū)，對不同的區(qū)域空間選擇了不同的照明方式并給出了對應的照明設計指標，以滿足不同區(qū)域的使用需求。餐廳操作間的照明按照基本操作面為300lx 的照度進行設計，并且選擇了色溫為4000K 的白光，以保證操作間工作人員的工作效率。餐廳部分，為保證人流擁擠的點餐區(qū)域的夜間安全，此處的平均水平照度控制在了200lx 以上，并且選擇了有防眩光角度的內嵌燈具，而餐廳的其他用餐區(qū)域的水平照度則相對此區(qū)域略有降低。
參觀流線上，主出口階梯部分參照國際相關標準進行設計，選擇了四只30W 筒燈向下照射，從而滿足平均水平照度達到50lx 的標準，以確保參觀者的安全，通過模擬計算確定該向下照射的筒燈的光束角在45°，從而既保證了到達地面的有效光通量又確保了對該區(qū)域照度均勻度的要求。建筑內部的殘疾人坡道和疏散通道均采用LED 硬質燈帶作為欄桿扶手燈，該LED 燈帶的額定功率為10w/m，色溫同樣選擇的是3000K 的暖黃光，該部分總功率能耗約為1400W，此設計既可以達到對本區(qū)域內基本照度及照度均勻度的要求，還減少了空間中眩光的產(chǎn)生，且美觀、安裝方便快捷。
為了使參觀者在衛(wèi)生間內有更好的視覺體驗，此空間的光環(huán)境設計以點、線、面結合的方式進行設計，減少了眩光，增加了空間層次，并且在化妝鏡上方均配有10W 的鏡前燈，以方便參觀者整理妝容。建筑內部從一層展區(qū)通向二層的坡道采用了臺階燈處布置線性燈帶的照明方式，以減少溢出光對LED 麥田裝置的干擾，以實現(xiàn)建筑內部較好的整體光環(huán)境效果。同時為了在能夠保障坡道安全的基礎上并盡量降低線性燈帶與周邊環(huán)境的亮度對比，提高視覺舒適度，該部分的燈具選擇為3W/m 的LED 硬質燈帶，色溫3000K，燈具表面的弱光處理有效降低了該部分的峰值光強，提升了整體的視覺效果。
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節(jié)能措施及效果
節(jié)能是中國館照明設計中最主要的考慮因素。在本項目中，前期的照明設計使用了DIALux evo 照明設計模擬軟件，根據(jù)不同使用空間對光環(huán)境的需求，通過模擬計算，確定燈具參數(shù)和布燈方式，以實現(xiàn)較小的功率密度值的照明設計方案。
通過對建筑頂部的竹編板和PVC 防水膜的分析，選擇了以內透光的建筑照明手法來表達建筑，從而實現(xiàn)了建筑主體的景觀照明與建筑主展廳的基礎功能照明的完美結合，大大的降低了夜間建筑照明的能耗。并且此處選用的投光燈具的輸出功率是0-16W 的可調光燈具，因此建筑頂部的人工光可以根據(jù)日然光的變化和不同的情景模式進行調整，從實現(xiàn)而降低能耗的目的。
中國館中所選用的燈具全部是高光效的LED 燈具，且其電源的轉換效率均為0.95 以上，二次配光透鏡發(fā)光利用率也高達0.92，結構件上的玻璃透光利用率也達到了0.9，絕大部分燈具整燈的光效可以達到80lm/w。
照明設計創(chuàng)新點
新技術與新設備：
本照明設計項目中選擇的所有燈具均為高光效的LED 光源，室內部分以COB 光源為主，且多半以上的燈具是根據(jù)建筑表現(xiàn)的具體需求，對燈具的外觀和光源的二次配光進行了研發(fā)和深入設計的：
A. 建筑主峰處使用的LED 向下的投光燈的二次配光應用的是Focus Reflection 光學系統(tǒng)(專利證書號：201210088097.7)，可以讓光得到充分利用，以至于17 米高的浪尖屋頂上使用的30W 投光燈便能為地面提供足夠的照度。并且在Focus Reflection 光學系統(tǒng)下，衍生設計出特殊的橢圓形光斑的光照效果，特別適用于過道、樓梯等債范圍空間照明使用。
B. 照明設計時在東西側的麥田中設置了向上投射建筑檐口的投光燈，但是由于東西兩側的檐口的高度變化較大，所以該部分的照明設計便根據(jù)建筑表現(xiàn)需求，采用了12W 和36W 兩種功率投光燈具(LG-01A 和LG-01B)。為了更好的表現(xiàn)建筑檐口，該燈具選擇了20°×60°的帶狀配光以求盡量減少向天空投射的溢出光。
C. 為了減少燈具的熱輻射對建筑的PVC 防水膜的影響，對于所有靠近建筑頂部防水膜部分的燈具的光源熱輻射和燈具的散熱問題都做了多個方案及多次的模擬實驗，研發(fā)團隊對產(chǎn)品針對性的增加散熱面積，加強空氣的對流，最終達到了高于CE 認證的控制指標，該部分所有燈具的表面溫度均控制在50 度以下。
D. 為了保證照明質量，消除LED 燈帶上光源的峰值光斑點在地面上產(chǎn)生的點狀光斑，中國館室內及室外所有的臺階和扶手燈的線性光源，均根據(jù)自身需求，選用了表面亮度均勻且具有一定配光角度的硬質的線性燈帶。
新材料與新工藝：
中國館室外建筑照明所使用的防水產(chǎn)品上增加了防水透氣閥，除了防水透氣外，還平衡內外氣壓，防止熄燈時產(chǎn)生負壓吸力把外部水汽吸入燈具內部凝結而影響光效及壽命。為確保該款燈具外觀的美觀，燈具研發(fā)小組還做了新的技術調整，將內部帶電件及光學件做了最小范圍的防水設計，以達到內部散熱通道保通暢。為滿足現(xiàn)場照明效果，部分燈具研發(fā)在二次配光上通過一次次的反復模擬實驗，最終創(chuàng)新性的在戶外洗墻燈上使用了窄光束的一體光學非對稱透鏡，實現(xiàn)了通過二次配光，達到較好的洗墻投射效果。部分燈具再光學設計上采用了高精密光學一體透鏡，采用模塊化結構設計。無玻璃密封防水設計，比傳統(tǒng)燈具光輸出提高15%。
在燈具安裝方面，絕大部分線性燈帶采用了3M 背膠方式，在確保了建筑材質不受到破壞的同時又提高了施工效率。
項目實際運行評價
申報單位
2015意大利米蘭世博會中國館是由清華大學美術學院與北京清尚建筑設計研究院聯(lián)合體完成整體設計。清華大學美術學院(英文名： Academy of Arts & Design , Tsinghua University)，簡稱"清華美院"。前身是中央工藝美術學院， 創(chuàng)建于1956年，經(jīng)中華人民共和國教育部批準。1999年11月20日，中央工藝美術學院正式并入清華大學，更名為清華大學美術學院。
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