СпецкурсПГС

2

Лекция № 1

ВВЕДЕНИЕ

Влияние систем естественного освещения на здание.

Строительная светотехника – это наука, изучающая приемы оптимизации световой среды в зданиях на основе законов распределения естественного излучения Солнца.

Предметом изучения в данной дисциплине являются прежде всего системы естественного освещения зданий.

Значение световых проемов в зданиях велико и многогранно.

Сархитектурно-художественной точки зрения окна и фонари, витрины и витражное остекление существенную роль играют при формировании композиции интерьера и экстерьера здания, определяя ритм и масштабность, зрительно могут раздвигать или сдвигать внутренние стены, удлиняя или расширяя, таким образом, пространство в помещениях.

Сфункциональной точки зрения через светопрозрачные ограждения освещается внутренний объем помещения, создавая определенные условия зрительной работы. Через окна и фонари также осуществляется естественная вентиляция помещений, что очень важно для создания благоприятного температурно-влажностного режимов внутренней среды.

Нельзя недооценивать и санитарно-гигиеническое значение остекления, через которое проникают солнечные лучи, создавая определенные инсоляционный и температурнорадиационный режимы помещения. При этом резко сокращается количество болезнетворных организмов, возбудителей различных инфекционных заболеваний.

Следует особенно отметить и психологическую роль светопроемов. Именно они являются связующим звеном между окружающим здание пространством и замкнутой внутренней средой. При наличии этого звена человек в здании чувствует себя спокойным и уверенным, т.к. сохраняется множество положительно действующих на человека природных факторов.

Светопрозрачные ограждения оказывают большое влияние на стоимость здания, особенно значительными являются эксплуатационные расходы. И, наконец, велика их роль в энергетическом балансе здания, потому что через глухие части ограждения проходит тепла в двачетыре раза меньше, чем через остекленные поверхности.

Данная дисциплина рассматривает приемы оптимизации среды в зависимости от различных условий и позволяет специалисту инженеру-строителю придти к единственно правильному решению.

Исторические примеры решения световой среды и их анализ.

Мастера прошлого широко использовали формообразующие качества света, что способствовало благоприятному восприятию архитектурного сооружения, как целиком, так и его деталей. В различные эпохи выработался ряд традиционных архитектурных приемов, основанных на этих качествах. Высокое стояние солнца и почти полное отсутствие облачности в Египте определили, например, мелкий рельеф египетских орнаментов и профилировок. На многих греческих зданиях можно заметить различную глубину профилировки деталей на северных и южных фасадах. Этот прием применялся также и в древней русской архитектуре. Формообразующими свойствами света были продиктованы и утолщения крайних колонн портиков, и легкая выпуклость центральной части пола, и некоторые другие приемы греческой архитектуры, способствовавшие ее высокому совершенству. Глубокая профилировка готических соборов Европы и в особенности силуэтный характер северных русских храмов являются классическими примерами решений, продиктованных условиями естественного освещения.

Как видим, те зодчие, которые наряду с другими качествами, смогли подчинить свои решения характеру естественного освещения, создавали высокохудожественные и функционально полноценные архитектурные сооружения. И наоборот, пренебрежение этим фактором и

3

отсутствие в арсенале архитектора приёмов световой архитектуры часто приводит к существенным недостаткам даже в весьма известных произведениях. Достаточно привести только два примера.

Знаменитые здания улицы Росси в Санкт-Петербурге имеют неудовлетворительное естественное освещение в верхних этажах. Небольшие полукруглые окна, расположенные у самого пола, способны осветить только собственные подоконники, оставляя в темноте все помещения; даже в летние дни в большинстве помещений приходится пользоваться искусственным освещением.

Плохое естественное освещение Исаакиевского собора явилось результатом неудачных, хотя и многократных, попыток Монферрана найти способ освещения, не выходя за рамки принятого им архитектурного решения. Полукруглые окна в верхней части основного объёма собора выходят на так называемую «световую галерею» с верхним световым фонарем. Поэтому в собор попадает через эти окна только свет, отраженный от стены галереи. Интересно отметить, что повышение яркости оконных проемов с помощью люминесцентных ламп (1957 г.) показало возможность использования выбранной Монферраном системы освещения собора и совершенно неудовлетворительное ее первоначальное конструктивное решение.

Нет надобности приводить примеры многочисленных неудачных решений естественного освещения в современных архитектурных сооружениях, когда не только нарушались элементарные правила устройства светопроемов, но и понижалось качество архитектуры в целом. Единство архитектурного и светового решений всегда способствует наилучшему восприятию сооружения и обеспечивает выполнение функциональных и технологических требований.

4

Лекция № 2

ГЛАЗ И ЕГО РАБОТА.

При восприятии объектов наблюдения глаз человека затрачивает определенные усилия. Эти затраты тем значительнее, чем хуже условия зрительного восприятия. и наоборот, чем более световая среда приспособлена к работе глаза, тем меньше зрительная система затрачивает биологической энергии.

Создание световой среды, наиболее приспособленной к потребностям глаза, к деятельности человека - основная задача архитектурной светофизики. Чтобы сознательно подходить к решению такой задачи, архитектуру необходимо иметь хотя бы общее представление о строении глаза и функционировании его систем.

Глаз – удивительный орган со сложным строением и очень сложной и важной функцией. В задачи органа зрения человека входит обнаружение различия в яркости, различать мелкие детали, воспринимать цвет, форму, величину, характер поверхности, движение и мерцание. Полученная таким образом информация передается в мозг, где происходит ее глубокая переработка и анализ. В результате у человека возникают соответствующие ощущения, т.е. происходит чувственное познание внешнего мира. Человек работает, отдыхает, любит, радуется, грустит – все эти состояния возможны благодаря органам чувств, среди которых зрение играет основную роль.

Однако значение зрительного органа для человека гораздо важнее, чем просто орган, подобно «почтальону» передающий информацию.

Так например, ученные провели такой опыт. Детенышей шимпанзе выращивали в темноте и лишь на короткое время включали слабый рассеянный свет. В результате сдвиги в худшую сторону касались не столько зрения, сколько самого мозга. Условные рефлексы у таких животных возникают намного медленнее, чем у животных, живших в обычной обстановке. А причина в том, что «у животных лишенных зрительных ощущений, соответствующие нейроны не развивались в биохимическом отношении», - как следует из интереснейших исследований работы мозга видного физиолога Хозе Дельгадо.

Следовательно, зрение не только связано с нервной системой человека и влияет на ее функционирование, но и имеет большое значение для нормальной работы мозга. Физиология второй половины ХХ века на основании многочисленных экспериментов четко определила: «Глаз – это часть мозга, выдвинутая на периферию», т.к. уже на уровне сетчатки глаза происходит очень эффективная переработка информации. Итак, от состояния световой среды окружающего пространства, ее качества зависят мыслительные способности мозга.

Строение глаза

Внешняя оболочка глазного яблока, имеющего близкую к сферической форму, - склера (греч. – твердый) – представляет собой твердую, белую, почти непрозрачную оболочку (рис. 1). Склера обеспечивает глазу сохранение формы и защищает его внутренние среды от внешних воздействий.

В передней части глазного яблока склера переходит в более выпуклую и совершенно прозрачную оболочку, называемую роговицей. От нее в основном зависит оптическая сила глаза благодаря ее большой изогнутости и тому, что ее передняя поверхность, обычно соприкасающаяся с воздухом, является той единственной поверхностью раздела, на которой происходит заметное изменение показателя преломления.

Как видно из рис. 1, следующим за склерой внутренним слоем является сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих веществами глаз. В передней части сосудистая оболочка переходит в радужную оболочку, состоящую из кровеносных сосудов,

5

Височная сторона

Носовая сторона.

Рис. 1. Горизонтальный разрез правого глаза человека.

мышечных волокон и пигментных клеток. От цвета большинства пигментных клеток зависит «цвет» глаз.

Вцентре радужной оболочки имеется отверстие, называемое зрачком, который играет роль, подобную диафрагме в фотографическом аппарате. Система радиальных и кольцевых мышц радужной оболочки изменяет диаметр отверстия зрачка, что, в свою очередь, регулирует яркость оптического изображения на сетчатке.

Здесь следует отметить интересную деталь – радужная оболочка тесно связана нервными волокнами с центрами головного мозга, которые руководят работой всех внутренних органов и систем организма. Их функционирование (нормальное - ненормальное, здоровое – нездоровое) посредством этой связи отражается на характере рисунка и пигментации радужной оболочки, что позволяет довольно-таки точно определить вид заболевания, т.е. поставить диагноз. Это направление в медицине называется иридодиагностикой.

Непосредственно за радужной оболочкой по оси зрачка расположен эластичный хрусталик, который подвешен к внутренним стенкам глазного яблока специальными цилиарными мышцами, изменяющими его кривизну и фокусирующими взгляд на различно расположенные предметы. Хрусталик представляет собой прозрачную двояковыпуклую, упругую линзу и имеет назначение, подобное системе линз в объективе фотоаппарата.

Пространство за хрусталиком заполнено студенистым, совершенно прозрачным веществом – стекловидным телом.

Роговица, глазные среды и эластичный хрусталик образуют эффективную систему фокусировки, создающую четкое изображение на внутреннем слое оболочки глаза, называемого сетчаткой. Именно в сетчатке формируется информация о цвете, размерах, движении и других характеристиках изображения. Эта информация, в сочетании с другими сенсорными данными, поступающими в данный момент и хранящимися в памяти, обеспечивает зрительное восприятие.

Всетчатке глаза имеется 127 млн светочувствительных клеток – фоторецепторов. От них

кмозгу идут 800 тыс. нервных волокон. Следовательно, на каждые 150 клеток одно волокно – это значит в сетчатке осуществляется анализ информации. По нервам сигналы поступают в различные отделы мозга, а затем в зрительную кору полушарий. Из визуального сигнала на каждом этаже извлекается самое существенное, чтобы потом на более высоком уровне с этой информацией удобно было оперировать.

6

Строение сетчатки чрезвычайно сложно. Обычно в ней различают десять абсолютно прозрачных слоев, в которых расположены структуры, производящие первичную обработку информации. Во втором от сосудистой оболочки слое находятся два вида фоторецепторов – палочки и колбочки, осуществляющие преобразование световых сигналов в электрическое и химическое возбуждение. Это преобразование заключается в следующем. Кванты света поглощаются специальным веществом – зрительным пигментом, находящимся в палочках (родопсин) и

вколбочках (иодопсин). При этом происходит химическая реакция, в результате которой появляется электрический сигнал. Затем вещество меняет свою структуру и обесцвечивается. Через некоторое время с помощью элементов, поступающих извне, зрительный пигмент возвращается

висходное состояние – иными словами, происходит его регенерация.

Палочки и колбочки распределены по сетчатке очень неравномерно. В центральной части (в районе пересечения оптической оси с задней стенкой глазного яблока) преобладают колбочки, которые обеспечивают цветовое зрение. В месте пересечения зрительной оси и сетчатки (рис. 1) расположена центральная ямка (точка фиксации) – область максимальной остроты зрения (или наилучшего видения). В точке фиксации формируется изображение при движении глаза и головы, когда детали объекта должны быть рассмотрены с наибольшей точностью. В центральной ямке сосредоточены только колбочки.

На периферии преобладают палочки, которые очень чувствительны к свету, но не различают цветов. Поэтому в период сумерек и в ночное время, т.е. когда уровни освещенности ма-

Реакции глаза на внешние раздражители.

Одной из реакций глаза на внешние раздражители является зрачковый рефлекс – изменение диаметра отверстия зрачка под воздействием различного количества света. Это изменение происходит благодаря сокращению и расслаблению мышц радужной оболочки, представляющих, как было уже отмечено, систему радиальных и кольцевых волокон. Таким образом, глаз настраивается на определенный уровень яркости. Расширение зрачка при снижении яркости поля зрения и его сужение при повышении уровня яркости способствует большей устойчивости зрительного восприятия. По этому поводу Леонардо да Винчи писал в «Трактате о глазе и видению»: «Природа пришла на помощь зрительной способности, которая, будучи поражаема чрезмерным светом, имеет возможность сокращать зрачок глаза и, поражаемая различной тем-

7

нотой, шире раскрывать это светлое отверстие, наподобие отверстия кошелька. Природа поступает здесь как тот, у кого в помещение слишком много света, смотря по надобности, и когда приходит ночь, открывает он все окно, чтобы лучше видеть внутри названного помещения» (Леонардо да Винчи. Избранные произведения. Рус. пер. Изд. «Академия», М.-Л., 1935, т. I, стр. 209).

Следует отметить, что системы настройки обоих глаз на определенный уровень яркости взаимоувязаны, т.к. световое раздражение одного глаза вызывает соответствующую реакцию на данное раздражение зрачка другого глаза.

Расширение зрачка может наблюдаться и при других раздражениях наших органов чувств (боль, сильный звук, щекотание), а также при различном эмоциональном состоянии человека (от страха и ужаса).

Диаметр отверстия зрачка уменьшается также при увеличении углового размера светового раздражителя.

Приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов называется аккомодацией глаза (лат. «комодус» – удобный, приспособленный).

По общепринятому мнению аккомодация всецело обусловлена эластичностью хрусталика, т.е. изменение его формы с помощью так называемых цилиарных мышц (рис.1). При расслаблении этих мышц кривизна передней поверхности хрусталика уменьшается и соответственно уменьшается оптическая сила, что позволяет глазу фокусироваться на более отдаленных предметах. Нормальный глаз в ненапряженном состоянии способен хорошо видеть бесконечно удаленные предметы, а при полной аккомодации - на расстоянии около 15 см от роговицы.

Однако американский врач Уильям Бейтс, на основании значительного опыта лечения глазных болезней утверждает другую позицию в этом вопросе. Он считает, что аккомодация обусловлена не эластичностью хрусталика, а изменением формы глазного яблока [12]. Удлинение или укорочение глаза вдоль его оптической оси происходит под воздействием мышц, находящихся снаружи глаза, и аномалии зрения связаны с функциональным расстройством действия мышц.

При воздействии на глаз света, по уровню резко отличающегося от предыдущего воздействия, системы глаза настраиваются на новый уровень. На этот процесс необходимо определенное время и затраты биологической энергии.

Перестройка зрительной системы для наилучшего приспособления к данному уровню яркости называется адаптацией. Глазу приходится работать при яркостях, меняющихся в чрезвычайно широких диапазонах, примерно от 104 до 10-6 кд/м2, т.е. в пределах десяти порядков. При изменении уровня яркости поля зрения автоматически включается ряд механизмов, которые и обеспечивают адаптационную перестройку зрения. Если уровень яркости длительное время существенно не меняется, состояние адаптации приходит в соответствие с этим уровнем. В таких случаях можно говорить уже не о процессе адаптации, а о состоянии: адаптации глаза к такому-то уровню яркости.

При резком изменении яркости происходит разрыв между яркостью и состоянием зрительной системы, разрыв, который и служит сигналом для включения адаптационных механизмов.

В зависимости от знака изменения яркости различают световую адаптацию – перестройку на более высокую яркость и темновую – перестройку более низкую яркость.

Световая адаптация протекает значительно быстрее темновой. Выходя из темного помещения на яркий дневной свет, человек бывает ослеплен и в первые секунды почти ничего не видит. Глаз отказывается нормально работать в течение короткого промежутка времени. Чувствительность его автоматически и достаточно быстро падает. Прежде всего, сужается зрачок. Кроме того, под непосредственным действием света выцветает зрительный пурпур палочек, в результате чего их чувствительность резко падает. Начинают действовать колбочки, которые, по-видимому, оказывают тормозящее действие на палочковый аппарат и выключает его. Наконец, происходит перестройка нервных связей в сетчатке и понижение возбудимости мозговых центров. В результате уже через несколько секунд человек начинает видеть в общих чертах ок-

8

ружающую картину, а минут через пять световая чувствительность его зрения приходит в полное соответствие с окружающей яркостью, что обеспечивает нормальную работу глаза в новых условиях (светочувствительная функция колбочек полностью восстанавливается в течение приблизительно 5-7 минут).

При темповой адаптации процессы в глазе человека протекают в обратном направлении, но значительно медленнее. После сильного освещения в первые минуты темновой адаптации, палочковый аппарат сумеречного зрения совершенно выключен, функционирует лишь колбочковый аппарат. Спустя 5-7 минут пребывания в темноте частично восстанавливается чувствительность палочек.

Функция светочувствительности палочек восстанавливается полностью в течение приблизительно 30 мин. Однако рост чувствительности наблюдается в течение 1 часа. Затем этот процесс прекращается, хотя некоторыми учеными было прослежено нарастание чувствительности в течение темновой адаптации, длившейся 24 часа. Увеличение чувствительности при темновой адаптации по мере регенерации зрительных пигментов частично обусловлено изменениями в нервных слоях сетчатки.

Восприятие при движении глаза и его проявление в архитектуре.

Удивительную особенность в работе светоприемников глаза заметили ученые. Так советский исследователь А.Л. Ярбус [28] создал оригинальное приспособление в виде располагаемой на роговице присоски с миниатюрной лампочкой. Естественно, эта присоска двигалась вместе с глазным яблоком, и потому изображение источника света падало на одно и тоже место сетчатки, на одни и те же рецепторы. При этом было замечено, что у человека ощущение света возникает только в момент включения и выключения лампочки, но когда она горит постоянно, человек не видит ее. Весьма своеобразный факт! Ведь мы привыкли непрерывно видеть предмет при его рассмотрении. Оказалось, что рецепторы сетчатки работают по он-, оффтипу, т.е. реагируют только на включение или выключение светового раздражителя. Непрерывность же наших ощущений связана с тем, что глаз постоянно совершает микро движения, благодаря которым изображения перемещаются по сетчатке, «включая» и «выключая» при этом всякий раз новые рецепторы или изменяя их потенциал.

кунду при попытке фиксации взора на какой-либо точке; дрейф – медленные, также хаотически меняющиеся по скорости и направлению поворо-

ты глаз между саккадами. Скорость движения при дрейфе от 0 до 30 угловых минут в секунду,

9

средняя скорость примерно 6 минут в секунду. Продолжительность одного дрейфа может доходить до двух секунд , но чаще всего лежит в пределах от 0,2 до 0,8 с. Изображение фиксируемой точки перемещается по центральной ямке, но не выходит за ее пределы.

Эти микродвижения глаза помогают нам видеть окружающий мир. При помощи этого процесса взгляд переводится с более ярких элементов на менее яркие и наоборот. Все это происходит с большой частотой. Таким образом, изображения с различными яркостями, перемещаясь по различным участкам сетчатки, «включают» или «выключают» соответствующие рецепторы. После каждого такого взаимодействия в мозг посылается определенная информация, которая формирует наши ощущения.

Природная среда также «помогает» этому процессу. Листочки, травинки, ветки просто на фоне светлого неба или темной земли, плюс это все приводиться в движение потоками ветра, плюс неравномерная яркость небосвода, плюс, постоянно изменяющаяся освещенность – все это способствует нормальному восприятию. Мы еще не успеваем осмыслить всю прелесть увиденного, а саккады, одна за другой посылают в центр сигнал «сцепка произошла, все нормально». И человек чувствует себя комфортно.

Представим теперь, что перед нами огромная равнояркая плоскость. Глаз сделал скачок, а сигнала об изменении яркости в мозг не поступило. Зрительная система вводится в заблуждение: действие есть, а подтверждения нет. Это все равно, что сделал шаг, а нога не ощутила твердой поверхности. Неудивительно – подобное приведет человека в замешательство, утомляет зрение, а может и на состоянии здоровья, в том числе на психике, сказаться.

К сожалению, подобные плоскости часто имеют место в современной архитектуре, на производстве. Стекло и бетон, однояркие стены больших размеров, огромные панели «под дуб» или другое модное дерево в кабинетах. Это усиливает дискомфорт и отрицательно отражается на нервной системе.

Наша беда в том, что год от года размеры строительных плит и плоскости стекол растут, гомогенизируя среду, делая ее все более однородной. Возьмем электронную или приборостроительную промышленность. Стены, халаты, шапочки - белые; столы, инструменты – светлосерые. Плюс к этому напряженная зрительная работа в основном при постоянном искусственном освещении. И результат – 80% работающих на подобных предприятиях уходят домой с головной болью. Видимая среда как экологический фактор, к сожалению здесь не учтена.

Поэтому предлагается все раскрашивать в разные цвета. А на стол каждой монтажнице поставить телевизор, по специальному видеоканалу которого показывать приятные для глаза пейзажи в сопровождении мягкой негромкой музыки. При каждом предприятии создать комнаты психологической разгрузки.

Почему мы любуемся творениями Растрелли или других архитекторов барокко? Да потому, что у них на каждом квадратном метре столько элементов, сколько необходимо для автоматии саккад, и расположены эти элементы по эстетическим законам. У нас же кругом сплошные стены, порой без единого декоративного элемента.

Индустрия строительства сводит порой на нет интересные задумки архитекторов. Так например, в Москве неподалеку от Свято-Данилова монастыря расположен огромный Монетный двор. Целый квартал – и весь из ребер. Стоишь перед ним, и возникает исключительно неприятное ощущение. Театр на Таганке – стена, обращенная к Садовому кольцу, - сплошь гомогенное полотно.

У немецкого художника Гюнтера Юккера, имеется произведение в виде серого полотна размером 2 1,5 м. В него на половину длины квадратно-гнездовым способом (каждые 2 см) вбиты гвозди. Художник назвал это произведение «Агрессивное поле». Обеспечить глазом фиксацию точки (шляпки гвоздя) невозможно. Куда ни кинь взгляд – одни гвозди. Все одинаковы. Смотришь на один, и нет уверенности, что видишь именно его. Зрительная система приходит в полное заблуждение: саккада наслаивается на саккаду, невозможно ничего выделить, отделить одну от другой – состояние неприятное.

Вот такие агрессивные поля заполонили нашу архитектуру. Окна, подобно гвоздям на полотне, располагаются равномерно. И не парадокс ли, 70% жителей новых микрорайонов, по