Проектные соотношения яркостей элементов ансамбля выражаются как ft\: ftT- ft У- ft л: : „/05-0,1:0,7:0,4:0,2:0,5-1:7:4:2:5.
По табл. 4.43 находим нормируемую среднюю яркость дорожного покрытия Li — 0,8 кд/м и фасада театра Li - 6 кд/м2.
Натурное отношение нормируемых яркостей дорожного покрытия и театра L\:Li - 0,8:6 - 1:7,5.
4. Строим график, выбирая масштаб осей с расчетом не менее 7 равных делений по оси орди- нат (отношение ft г. Ftz - 1:7) и 8 делений по оси абсцисс (отношение Ьу.Ьг - 1:7,5).
Глава 4. Архитектурное освещение 311
5. Через точку 7 на оси ординат проводим горизонталь, через точку 7,5 на оси абсцисс — вертикаль. Полученную точку пересечения этих линий соединяем прямой с точками х - 0 и у - 0.
Определяем по известным проектным соотношениям J3\: J3„ яркость элементов светового ансамбля в натуре: на оси ординат отмечаем точки 4, 2 и 5 (соответственно из соотношений J> i: Jii --l:4,j0i: J^a- 1:2 и Jiy. Jib -1:5), проводим через них горизонтали до пересечения с построенным графиком и находим следующие соотношения: Ly.Li— 1:4,26; отсюда средняя яркость фоновой застройки в натуре Li - 4.26 0,8 - 3,4 кд/м2; L\:1a --1:2,12, соответственно La - 2,120,8 - 1,7 кд/м2; L;:Ls - 1:5,37, следовательно, Li - 5,370,8 - 4,5 кд/м2.
Светотехнический расчет установок архитектурного освещения объектов может быть приближенным при выборе принципиального варианта или точным при окончательном решении. Приближенный расчет освещения заливающим светом прожекторов, например, может производиться по методу светового потока или удельной мощности, компоновки изолюкс или квадрата расстояния. Исходной величиной для такого расчета является требуемая по проекту или по нормам яркость (или освещенность) объекта, которая определяется при расчете яр-костной композиции изложенным выше способом или по результатам фо-тометрирования освещаемого макета или проекционного изображения (см.п. 4.9).
А. Расчет заливающего освещения объектов по методу светового потока осуществляется по формуле
N-EpS/iQnC)
или N- 3,14LPS/(4I лсу)), (4.36)
где N — число прожекторов выбранного типа ■табл. 4.47); Lp - LHk, кд/м ; Lp — расчетная яркость фасада, кд/м2; L" — нормируемая яркость фасада, кд/м (по табл. 4.46); к — коэффициент запаса, равный 1,5 для прожекторов с лампами накаливания и 1,7 — с газоразрядными лампами; 5 — освещаемая площадь фасада, м2; J) — коэффициент отражения фасада (принимается по габл. 4.46); Ф л — световой поток лампы прожектора, лм (см.табл. 4.34—4.38); с — коэффициент, учитывающий КПД прожектора и неравномерность освещения, принимается по табл. 4.48.
Рассчитав требуемое число прожекторов, определяем общую установленную мощность Ро осветительной установки, Вт, по формуле Ро - NPn, где N — число прожекторов; Рп — мощность лампы принятого типа прожектора, Вт.
От способа, определяющего число прожекторов, легко перейти к выражению удельной мощности прожекторного освещения на 1 м2 площади.
Зная площадь 5 освещаемого фасада, можно определить общую установленную мощность установок прожекторного освещения Ро - pS, Вт, а затем и общее число прожекторов N — pSlPn.
Рассмотрим пример расчета заливающего освещения фасада театра по методу светового потока.
Дано: площадь освещаемого фасада S-860 м2, театр расположен на городской площади категории Б (по СНиП), отделка поверхностей выполнена из желтого песчаника средней светлоты (j° - 0,4), среднее расстояние от прожекторов, устанавливаемых на опорах уличных светильников, до фасада/-20 м.
1. Определяем по табл. 4.43 L" - 6 кд/м2.
В соответствии с формой и цветом фасада выбираем по табл. 4.44 прожекторы типа ПКН-1000-2 с галогенной лампой накаливания КГ 1000 Вт (см.табл. 4.31, Фл - 22 клм), имеющие рациональные в данном случае углы рассеяния 40° в вертикальной и 90° в горизонтальной плоскостях. Для
ламп КГ коэффициент k - 1,5; Lp - L" - 6'1,5--9 кд/м2.
По табл. 4.45 находим с - 0,15.
2. Определяем по формуле (4.36) общее число требуемых прожекторов:
лг-3,14[9-860/(22000-0,150,4)] - 18.
Для обеспечения равномерного освещения фасада распределяем их по 9 штук на двух опорах уличных светильников перед театром.
3. Общая установленная мощность освети- тельной установки Ро - 18"1000 - 18 кВт.
Рассмотрим пример расчета по удельной мощности при тех же исходных данных.
1. Зная - 6 кд/м2, к -1,5, fi- 0,4, опреде- ляем по табл. 4.45 т - 0,3 и по формуле (4.37) удельную мощность:
р-3,14(0,3-61,5/0,4) -21 Вт/м2.
Общая установленная мощность Ра - 21 '860 -18 060 Вт.
Общее число прожекторов ПКН-1000-2 с лампой КГ 1000 Вт N - 18 060/1000 - 18.
Этот расчет можно провести также с помощью номограмм, устанавливающих зависимость между коэффициентом использования осветительной установки и расстоянием до освещаемого объекта.
Приведенными выше методами светотехнического расчета может воспользоваться архитектор, выполняя эскизный проект. На стадиях технического и рабочего проектирования расчет производится, как правило, на ЭВМ специалистами-светотехниками с применением точных методов проверочного расчета в тесном контакте с архитектором — автором проекта.
4.11. Моделирование архитектурного освещения
Моделирование — одна из основных категорий теории познания: на идее моделирования по существу базируется любой метод научного исследования — как теоретический, при котором используются различного рода знаковые, абстрактные модели, так и экспериментальный, использующий предметные модели.
В проектировании световой среды как естественной, так и искусственной
применяются оба метода. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки и выбирается исходя из поставленных задач и имеющихся возможностей. Выбор наиболее эффективного метода имеет важное значение.
Теоретический метод применяется в архитектурном проектировании освещения городов, ансамблей, интерьеров в виде концептуальных моделей для решения функциональных и художественно-образных задач с использованием определенного набора критериев оценки. Концептуальные модели, излагаемые обычно в пояснительной записке к архитектурному проекту, в процессе его детальной разработки конкретизируются экспериментальным • графическим, макетным) и расчетным 'светотехническим) методами.
Светотехнический расчетный метод основан на использовании математических моделей и формул, полученных эмпирическим или аналитическим путем, и применяется для определения выбранных (нормируемых) параметров освещения.
В проектной практике широко распространены табличные способы светотехнического расчета прямого и отраженного света (например, расчет КЕО), которые для стандартных помещений дают хорошие результаты, но хтя помещений сложной формы трудоемки или недостаточно точны. Этот недостаток светотехнического моделирования успешно преодолевается с помощью ЭВМ, что делает расчетный метод все более перспективным в связи с совершенствованием методик расчета и возможностей ЭВМ, их широким внедрением в практику.
Светотехнические расчеты обычно являются необходимым этапом экспериментального метода проектирования световой среды.
Расчетный метод моделирования освещения имеет существенный недостаток — он не позволяет наглядно представить результат моделирования, т.е. получившееся распределение яркостей (или светлот), которым определяются зрительное впечатление и оценка качества освещения объекта. Однако современная техника позволяет преодолеть и этот недостаток: на экране дисплея может быть воспроизведен результат светотехнического расчета в виде яркостного (черно-белого или цветного) перспективного изображения освещаемого объекта, и в этом случае можно говорить о непосредственном переходе от теоретического к экспериментальному методу моделирования.
В архитектурном проектировании освещения экспериментальный метод нашел более широкое применение благодаря определенным преимуществам перед теоретическим, в первую очередь наглядности процесса моделирования и его результата, которым является изображение (плоскостное или объемное), подобное по зрительному ощущению проектируемому объекту. Экспериментальный метод позволяет произвести поиск и сопоставление вариантов светового решения, исследовать, например, правомерность постановки и реализации задачи образной ассоциативности этих вариантов с природными аналогами солнечного и пасмурного освещения или с представлениями о праздничности и будничности, раскрытое™ и замкнутости, статичности и динамичности световой композиции.
Экспериментальный метод моделирования освещения основан на использовании плоскостных (рис. 4.73) и объемных моделей, а также на их комбинациях. Все плоскостные модели двухмерны, поэтому моделирование третьего, очень важного в реальной действительности измерения — глубины архитектурного пространства — носит иллюзорный, а потому не вполне достоверный характер. Даже в объемных моделях, особенно моделях интерьеров или многоплановых ансамб-
плоскостное моделирование архитектурного освещения может осуществляться графическим или светопроек-ционным способами.
моделирование, плоскостное или объемное, в котором основным элементом является управляемый свет, в целом наиболее эффективно с точки зрения достоверности результата и может быть объединено по этому признаку термином "светомоделирование".
графический способ моделирования освещения наиболее привычен для архитектора (рис. 4.74). он применяется в различных вариантах — от условных черно-белых ортогональных изображений на темном фоне до перспектив, выполненных светящимися красками. последний вариант предложен Всесоюзным светотехническим институтом: фасад или перспектива объекта (рисунок или фотография) раскрашивается специальными красками, светящимися под ультрафиолетовым излучением. Цветность каждой краски зависит от состава входящего в нее люминофора, а яркость — от мощности ультрафиолетового облучения и свойств и концентрации люминофора в той или иной точке изображения.
Определенным неудобством, ограничивающим применение этого способа, является необходимость выполнять и рассматривать изображение под лампой, излучающей ультрафиолетовый свет, небезопасный для зрения. Преимущество рисунка, исполненного светящимися красками, перед обычным (тушь, акварель, гуашь и т.п.) в том,
Поэтому на обычном графическом рисунке освещение решается условно, з первую очередь из-за сложности воспроизведения светящих элементов; здесь нередко для достижения необходимого эффекта применяются иллюзорные приемы, позаимствованные у живописцев. Однако и в этом ограниченном диапазоне яркостей в принципе возможно выразить замысел архитектора в виде светлотной композиции, воспроизводящей соотношение светлот. Критерием подобия в этом случае может служить постоянство отношения светлотных контрастов в натуре и на изображении.
Расширенный диапазон яркостей светящегося рисунка вызывает иллюзию его большего правдоподобия и по-
зволяет непосредственно на нем измерить яркомером величины и распределение яркостей, необходимые для расчета осветительной установки. Этот способ дает хорошие результаты в особенности при моделировании освещения фасадов зданий и панорам, т.е. при низких уровнях яркости и значительных расстояниях наблюдения, когда стереоскопическое восприятие глубины пространства понижено и форма воспринимается за счет геометрии изображения и распределения яркостей.
Примером проекционного светомо-делирования является методика, разработанная в ЦНИИЭП инженерного оборудования на созданной там по принципу мозаичного полиэкрана ус-
тановке (Г.В. Каменской). Изображение и стыковка его фрагментов в целостную картину осуществляется на экране из специальной светопропуска-ющей пленки. Контуры каждой проекции, излучаемой автономным диапроектором с соответствующего диапозитива, тщательно совмещаются с контурами соседних проекций. Напряжение на лампе каждого проектора и, соответственно, яркость изображения проецируемого фрагмента на экране могут изменяться в широких пределах с пульта управления наблюдателем или оператором, который ведет таким образом поиск желаемого результата. Применение цветных светофильтров обеспечивает многовариантность светоцветовых решений, ярко-стный диапазон которых существенно превосходит диапазоны, достигаемые графическими способами, и практически удовлетворяет требованиям эксперимента. Предпочтительные варианты могут быть детально профотометриро-ваны и сфотографированы.
Установка позволяет осуществлять статистические исследования по выявлению закономерностей построения светоцветовой композиции, а также моделировать различные режимы освещения, в том числе динамического. Этот способ достаточно трудоемок и, как и графические способы, дает картину статического положения наблюдателя в пространстве и плоский фиксированный зрительный кадр.
К светопроекционному моделированию можно отнести и создание рисованных динамических проекционных изображений — мультфильмов, предложенных в 1970 г. в Моспроекте-2 как способ разработки светорекламных установок.
Вариантом плоскостного светомо-делирования как результата проведенного на ЭВМ светотехнического расчета является изображение освещаемого объекта на экране дисплея. Возможность обратной связи с компьютером и изменения параметров изображения (величин и распределения яркостей, цветовых характеристик, а также "перемещения" наблюдателя в архитектурном пространстве и связанные с этим изменения перспективы в зрительном кадре) непосредственно по визуальному впечатлению значительно упрощает выбор окончательного решения. В недалеком будущем, с появлением голографического телевизионного изображения, очевидно, будет преодолен недостаток компьютерного свето-моделирования, связанный с физическим отсутствием глубинности пространства на телеэкране, и этот способ может стать преобладающим в архитектурном проектировании световой среды.
Объемное светомоделирование осуществляется на трехмерных макетах, изготовленных, как правило, специально для решения задач освещения. Оно может преследовать несколько целей: визуальную реализацию концептуальной модели через поиск светового образа, фотометрическую и зрительную проверку и оценку проведенных светотехнических расчетов и эскизных графических разработок, апробирование светотехнических решений отдельных элементов осветительной установки.
В соответствии с этим все светотехнические макеты можно разбить на три группы.
Первая группа предполагает создание геометрически и светотехнически подобных проектируемому объекту макетов этого объекта и его осветительной установки в случае, если расчетный и графический способы не дали достаточно ясной картины. По существу этот метод является методом масштабного светомоделирования. Изготовление уменьшенных моделей осветительных приборов, например, представляет определенные трудности, поэтому подобный метод применяется в основном для моделирования естественного освещения помещений под искусственным небосводом, а также для моделирования условий инсоляции и солнцезащиты помещений и застройки на установках различного типа.
Ко второй группе можно отнести модели уменьшенного масштаба, создающие изображение, подобное по зрительному ощущению проектируемому объекту. На этих моделях осуществляется, как правило, эмпирический творческий поиск предпочтительного варианта освещения. В практике известны случаи моделирования архитектурного освещения крупных градостроительных ансамблей для проверки и иллюстрации концептуальных разработок этой проблемы. Например, в состав генерального плана Москвы 1971 г. была включена схема светового художественного оформления, в которой получили отражение общие задачи и основные композиционные средства, характер и объемы работ по архитектурному освещению главных объектов города, по решению световой рекламы. Концептуальные положения, предусмотренные в схеме, иллюстрировались макетом центрального района столицы в масштабе 1:1000, выполненным с применением светящихся красок и оборудованным системой ультрафиолетового облучения.
Для решения более конкретных вопросов освещения как светотехнических (распределение и соотношение яркостей в пространстве, их изменения во времени, качество цветопередачи и др.), так и архитектурных (выявление силуэта, объема, пластики, цвета и т.п.) предпочтительно изготовление макетов более крупного масштаба.
На кафедре архитектурной физики Московского архитектурного института при разработке в 1970—1974 гг. экспериментальных предложений по архитектурному освещению древнего центра г. Владимира1 на макетах мас-
!В 1980-е гг. эти предложения были частично реализованы.
штаба 1:50, 1:150, 1:250 моделировались программы праздничного, воскресного и будничного освещения ан самбля памятников архитектуры и со оружений XII—XX веков (рис. 4.75), а также программа "Звук и Свет" для Дмитриевского собора (руководитель проф. Н.М. Гусев, архит. Н.И. Щепетков, студенты К.В. Худяков, А.С. Шапин и др.).
Макеты были оборудованы автономными для определенных групп и частей зданий системами освещения, имитировавшими уличные осветительные установки, установки прожекторного освещения фасадов, внутреннего (видимого через остекление) освещения зданий и местного подсвечивания архитектурных элементов (аркад, портиков и т.п.). Эти системы выполнялись из миниатюрных ламп, соединенных в цепи, а также с помощью диапроекторов, снабженных светофильтрами и масками. Они включались в сеть через регуляторы напряжения, позволявшие изменять интенсивность светового потока и соответственно яркость элементов световой композиции.
На этих макетах, как и на другой установке — моделирования световой композиции городской застройки (рис. 4.76), проведены статистические исследования с привлечением широкого круга студентов, аспирантов, преподавателей по изучению закономерностей построения световой композиции ансамбля, в частности иллюзорной трансформации глубины пространства, созданию ощущения праздничности или будничности светового ансамбля. Непосредственно на освещенных макетах осуществлены фотометрические измерения, необходимые для расчета осветительных установок и для количественной характеристики выявленных закономерностей.
Широкий круг исследовательских задач был решен архитектором В.В. Вороновым на созданной им в МАрхИ установке "искусственное небо
Методы объемного и плоскостного моделирования освещения, а также их комбинации по принципу диорамы (предметный первый план и изображенные дальние планы), усиливающему иллюзорный эффект многоплановости, применялись в институте и в студенческом проектировании. Рисованные ночные панорамы и перспек-
тивы объектов, объемные макеты с регулируемыми системами освещения, установленные в отдельных случаях на фоне диапроекций с изображением вечерних ансамблей, выполнялись студентами как часть их курсовых и дипломных архитектурных проектов, а также как учебные задания по светотехнике на реальных ситуациях и объектах Москвы и других городов. При этом решались главным образом творческие задачи создания выразительного светоцветового образа объекта, нередко обладающего рядом специфиче-
Процесс светомоделирования и предпочтительные варианты могут быть зафиксированы фото-, видео- и киносъемкой, в том числе цветной и стереографической, с разных точек наблюдения. При этом предоставляется возможность широкому кругу лиц за пределами лаборатории оценить качество освещения по его проекционным изображениям. Способ моделирования и оценки освещенного интерьера по цветным диапозитивам с макета, воспроизведенным на экране в масштабе, близком к натурному, использовался, например, в качестве наглядного метода обучения и проектирования в ар-
хитектурных институтах в Нью-Йорке, Берлине, Париже и других городах.
Методы светомоделирования применяются многими архитекторами и светохудожниками, работающими в содружестве со светотехниками и другими специалистами, при проектировании и реконструкции установок освещения существующих объектов, при решении освещения проектируемых сооружений, при создании произведений кинетического или светового искусства, светомузыки, а также динамических светоцветозвуковых систем для театрализованных представлений "Звук и Свет".
Один из самых эффективных методов — метод объемного светомоделирования, помогая решить многие творческие задачи, требует немалых затрат труда и специального оборудования. Если руководствоваться при оценке результатов требованиями строгой науки и светотехническими критериями, то надо отметить, что зрительные впечатления от освещенного макета и освещенного реального объекта не будут тождественны по трем причинам: из-за уменьшенной величины макета, несоответствия восприятия глубины макета и глубины объекта, отсутствия равенства или прямого подобия уровней яркости макета и натуры.
При соответствующем выборе масштаба модели и точки наблюдения можно подобрать равные угловые размеры макета и реального объекта. Но весьма трудно, а часто невозможно достичь в макете эффекта присутствия наблюдателя в моделируемом пространстве, эффекта, который является с точки зрения психофизиологии восприятия решающим в оценке реальной среды. Здесь архитектору приходится опираться на свой опыт, интуицию, воображение. Без специальных оптических приспособлений, уподобляющих восприятие макета восприятию натуры по законам стереоскопического зрения, невозможно добиться тождества и в ощущении их глубины. В некоторых случаях жертвуют этим качеством, заменяя бинокулярное зрение монокулярным, но изучая качества моделируемой светопространственной композиции в движении.
Например, чтобы оценить условия восприятия пространства интерьера, городского ансамбля, отдельного объема на модели относительно мелкого масштаба с высоты человеческого роста, как и с любой другой высоты, применяют специальные устройства — макетоскопы, выполненные по принципу перевернутого перископа. Через макетоскоп можно осуществлять как непосредственное наблюдение, так и фото-, видео- или киносъемку, а также транслировать изображение на телеэкран. С помощью такой установки французские архитекторы нашли решение знаменитой стеклянной пирамиды во дворе Лувра. Однако при переходе к плоскостному телеизображению теряется непосредственность ощущения пространственности.
В некоторых случаях, например, при моделировании освещения интерьеров рекомендуется создавать полуобъемные макеты, построенные по законам линейной перспективы и обеспечивающие стереоскопическое восприятие глубины пространства.
Как указывалось выше, идентичность восприятия освещенного объекта и его модели зависит и от уровня яркости того и другого. Некоторые исследователи утверждают, что при проектировании освещения интерьера уровень яркости макета может отличаться от натуры примерно в 3 раза в большую и меньшую стороны, при этом принцип подобия не будет нарушен, если соблюдено подобие светлотных контрастов (выражающихся в частном случае в равенстве отношений яркостей в интерьере и на его макете). Однако сложность количественного определения светлотных характеристик, особенно для условий наружного освещения, а также более осторожные оценки других ученых, свидетельствующие об отсутствии прямого подобия светлотных соотношений на реальном объекте в реальной среде и на его модели в лаборатории, не позволяют с уверенностью назвать значение коэффициента яркостного подобия модели и натуры.
Несмотря на свои достоинства, методы светомоделирования на макетах уменьшенного масштаба не могут дать ответы на все вопросы. В частности, не затрагиваются экологические про-
блемы, связанные с взаимным влиянием человека и окружающей среды.
В этом может помочь третья группа светотехнических макетов, к которым относятся модели объектов в натуральную величину (или сами реальные объекты), освещаемые с помощью реальных светильников и источников света. На них проверяется правильность принятого конструктивного и светотехнического решения, оценивается распределение светового потока и яркости, определяется более точное значение КПД отдельных частей осветительной установки, удобство и приемлемость размещения осветительных приборов с точки зрения их обслуживания и размещения в архитектурном ансамбле.
Такой способ моделирования, по существу являющийся частным случаем метода масштабного светомоделирования, целесообразен, например, для исследования и разработки элементов светящих потолков со сложной конфигурацией отражающих поверхностей и недиффузными покрытиями, для выбора приема освещения скульптур, малых архитектурных форм, зелени или фрагментов пластически сложных фасадов, для отработки программ цвето-динамического освещения объектов. В частности, он был применен в 1987 г. проф. Н.В. Оболенским и группой специалистов при реализации программы "Звук и Свет" в Дмитриевском соборе во Владимире.
Отечественный и зарубежный опыт показывает, что моделирование освещения в натурных условиях по предварительным светотехническим расчетам и эскизным проектным разработкам нередко предшествует выбору окончательного варианта освещения и является целесообразным и весьма эффективным приемом.