上海世博會照明科技的創新設計與應用

郝洛西 楊 秀

(同濟大學高密度人居環境生態與節能教育部重點實驗室，同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092)

1 前言

歷屆世博會最令人嘆為觀止的無不是那些具有創新理念的現代科技新成果，其中不乏許多科技成果也正是通過世博會被世人第一次認識，并逐漸走進人們的生活。中國2010年上海世博會已經成功舉辦，在過去的半年時間里，世博會以其非凡的創意設計以及對技術理念極富魅力的演繹，給參觀者以前所未有的視覺體驗，讓參觀者充分享受照明科技帶給人類的創意生活。同時，世博會的多項照明科技也必將引領未來城市照明步入低碳照明時代。

本文嘗試通過對在上海世博會中的各項照明科技的創新設計與應用的總結和回顧，挖掘各項創意設計和精彩視覺效果背后的照明科技，把眾多成功的經驗案例再次展示出來，為未來城市的夜景照明建設發展提供借鑒，以期改善和提高人類的生活環境品質，延續“城市，讓生活更美好”這一不變的主題。

2 世博會與科技

科學技術的根源可以追索到古代的美索不達米亞、埃及、中國、印度等國家，幾千年來的技術與文明推動著人類緩慢地向前發展。然而，從18世紀末的第一次工業革命開始的短短兩百多年間里，科學技術發展的日新月異，快速推動著人類文明的變革與進步。而世博會也正是在伴隨著這個時期各個國家所取得的豐碩科技成果的基礎上應運而生，它成為了展示人類文明發展成果的重大舞臺。

從1851年倫敦第一屆國際性的“萬國工業博覽會”開始到2010年的上海世博會的159年歷史里，世博會正日益成為全球最重要的經濟、科技和文化領域的盛會，擔負著傳播人類的智慧成果、引領未來生活理念的社會使命。世博會先后促進了蒸汽機、電燈電話、電視機與攝影機、電報與無線電話、激光、人工智能與機器人和計算機網絡等等重大科技發明的傳播和應用，這無疑使世博會成為科技創新展示和交流得天獨厚的平臺和渠道。每一屆成功、精彩、難忘的世博會都承載著厚重的科技內涵，世博會的歷史也正是一部彰顯人類文明和科技創新的演繹史。

3 世博會照明新技術的創新應用

繼1866年西門子發明發電機之后，1876年貝爾發明了電話，1879年愛迪生發明電燈，這三大發明照亮了人類實現電氣化的道路，也促進了照明科技的發展。從法國巴黎世博會開始，到美國舊金山巴拿馬太平洋世博會，先后應用了“白熾燈”、“熒光燈”等光源來照亮與裝點世博會。這不僅使世博會成功延續到了日落之后，且還通過照明的規劃與設計，使得世博會更加精彩和亮麗。而2010年中國上海世博會則讓人類體驗到了半導體照明的魅力，首次形成了目前世界上規模最大的LED照明技術的集成應用。

2010年上海世博會與此前數屆世博會一樣，通過各種照明新技術來展示各個主題。各場館通過設計的創新以及科技的亮點來展示企業、城市乃至國家的技術實力與文化特色。無論是對展品的展示與體驗，還是場館建筑的設計、材料的選擇與建造，或是公共環境歡樂氣氛的營造，照明及其相關技術的創新應用已成為了最重要的表現手段之一。創意的巧妙構思，技術的創新應用，恰如其分地演繹了“用技術的手段展示藝術的效果”的照明科技真諦。

3.1 新材料的創新應用

世博場館不只是一個單純的展覽類建筑，它也同樣是展示內容的重要組成部分，而建筑材料的創新應用則是其中一個重要的出發點。近來有許多建筑師熱衷于對光線具有獨特傳輸特性的新材料，作為建筑設計中的創意元素和技術亮點。這些材料可以改變光線的傳輸方向，對人工光或者自然光進行擴散、透射、折射、反射等，使得整個設計工作更具挑戰性和藝術性。

從材料對于光線傳輸的影響以及呈現的效果方面來看，可將材料分為透光材料與非透光材料。本次世博會建筑中采用的透光材料主要有白色亞克力材料、彩虹板、ETFE膜、PTFE膜、光柵板、由回收光盤做成的可再生高分子材料、透光混凝土、LED玻璃、PVC膜、PC管道、陽光板以及一些織物材料等等。在德國館中應用了LED玻璃，它是在玻璃之間夾入LED芯片，采用透明的電路，由此產生了發光點懸浮在玻璃中的效果。在50米長的“動感隧道”展廊兩側安裝有9000個發光LED點的LED玻璃 (圖1)，并在進入室內展廳的入口處構成了“和諧都市”的字樣。另外，德國館的展示中還運用了光柵板 (圖4)，它是結合數碼科技與傳統印刷的技術而做成的，能在同一膠片上通過調節視看角度而顯現不同的內容或特殊的視覺效果。該場館中應用的光柵板可以從不同角度視看，呈現出三種不同的文字內容。上海企業聯合館的外立面是由高分子塑料管構成的立體建筑表皮。而這些高分子塑料管是由回收的廢棄光盤做成的聚碳酸酯塑料顆粒所制成 (圖2)。在每一根豎管中按照一定的間距嵌入LED，形成了一張帶有LED點陣的立體建筑外表皮，這種材料對光線具有很好的擴散和透射作用，降低了LED表面亮度的同時也創造出了柔和的三維視覺效果。意大利館建筑外墻采用了透光混凝土(圖3)，這種可透光的混凝土是由4%的光學纖維和96%的混凝土配比而成，且兩個表面之間的纖維是以矩陣的方式平行放置，是一種透光不透視的材料。白天建筑室內可以減少人工照明并增加趣味性，而夜間則整個建筑呈現出通體發亮的視覺效果。

圖1 德國館的LED玻璃

圖2 上海企業聯合館的由回收光盤做成的可再生高分子材料

圖3 意大利館的透光混凝土

非透光材料主要有 UPMProFi木塑復合材料、藤板材料、木條與鏤空復合板、竹片、磚、石板、秸稈壓縮板、附有鐳射智能膜的金屬板材、鋼板網、銹蝕處理的耐候鋼板、鋁板、銅板和GRC混凝土等等。主題館外墻采用了鏤空的金屬板材，開口尺寸自上而下逐漸變大的方形孔洞，形成了建筑表面的肌理，并在背后安裝LED燈具，形成了一片帶有照明效果的建筑外墻 (圖5)。法國館建筑由斜向交叉的白色GRC混凝土網格構成 (圖6)，在交叉點的上方放置有用燈具模擬的“蠟燭”燈，利用這種材料構成的形式和它表面的漫射特點，表達了“感性城市”的浪漫情調。芬蘭館外墻是由無數白色魚鱗狀片構成，這些白色鱗片通過不同角度折射出光線，這種外墻材料是一種叫做 UPMProFi的新型高科技環保材料，利用廢紙和塑料特殊加工而成的復合板，移動和拆卸也都很方便，全部可以回收再利用。民營企業聯合館外墻材料采用的是附有鐳射智能膜的金屬板材，這種材料具有特殊的光學特征，可隨著觀看角度以及太陽照射方位的變化，產生不同的視覺效果，呈現出豐富的色彩變化 (圖7)。

圖4 德國館中采用可以顯示三種內容的光柵板

圖5 主題館外墻的鏤空金屬板

3.2 半導體照明技術的集成應用

圖6 法國館的GRC混凝土

半導體 (LED)照明是繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈之后照明光源的又一次革命。近年來半導體照明技術的迅速崛起，促進了LED在建筑中的應用，給創新設計帶來更大的空間。LED元器件的小尺寸、多色彩、可控性、長壽命等優點，以及現代人對光線的審美訴求，在情景照明中可謂得天獨厚。半導體技術應用于照明將主要有三個發展方向:(1)傳統光源的替代品;(2)個性化的照明燈具與產品;(3)建筑化設計與應用。在本屆世博會中，世博場館的半導體照明技術應用也主要集中在這三個方面。

圖7 民營企業聯合附有鐳射智能膜的金屬板材

3.2.1 傳統光源的替代品

由于半導體照明技術的快速發展，光效的不斷提高、散熱技術不斷完善、驅動電路設計更加合理，其必將替代傳統燈具進入通用照明領域。但回顧當前半導體照明技術的現狀，LED替代傳統燈具還主要集中在景觀性照明領域，真正走入通用照明領域還需要一個過程。但本次世博會也有所嘗試，在世博中心功能性照明中應用了大功率LED功能性照明。一個建筑面積達1800m2高度為14m的高規格會議廳的功能性照明全部使用了半導體照明技術，共安裝有2000多套LED條狀燈具，每套燈具內都安裝有2700K和6500K色溫的LED光源，通過照明控制實現從低色溫到高色溫的變化，營造出不同的會議氣氛，以滿足不同類型會議的需要。

3.2.2 個性化照明燈具與產品

圖8 主題館室外燈柱

基于LED光源的體積小、色彩豐富、控制簡單等優點，使得以LED為光源的燈具更具形態和功能方面的個性化。主題館外的不規則多面體的LED燈柱 (圖8)、澳大利亞館入口處的裝飾性吊燈 (圖9)等等各具特色，另外，世博文化中心室外半導體步道燈具也是其中一例 (圖10)，該戶外燈具“飛碟”的造型構思來源于文化中心的建筑形態，很好地烘托出了文化中心場地的整體氛圍。燈具內部的LED光源垂直于水平面布置，并排列呈環形向內出光，燈具表面出光口采用白色聚碳酸酯材料，減低了燈具出光口的亮度，使得出光更加柔和，避免了LED燈具常見的眩光問題。還有位于世博園浦西片區的景觀裝飾型火焰燈 (圖11)，燈具外觀造型模擬造船用的氣焊槍頭，燈具總高13m，光源由近300個1W LED組成的RGB整列，外加半透明的PC燈罩，并通過程序來控制光源顏色的轉換，以達到火焰的跳動效果。

圖9 澳大利亞館入口裝飾燈

圖10 世博文化中心“飛碟”燈

3.2.3 半導體照明的建筑化設計與應用

半導體照明的建筑化途徑主要表現在與建筑構件的一體化和媒體界面的模式兩個方面。LED光源的小體積特征，較容易實現照明燈具與建筑構件的整合，從而使照明燈具與建筑構件融為一體，消除暴露的燈具在空間視覺內的干擾。另外，隨著半導體技術的快速崛起，特別是其在數字化與顯示方面的獨特優勢，使得基于LED的數字媒體更容易實現。LED光源色彩的豐富性、顯示的數字化及控制的模塊化等特點是傳統媒體與顯示技術所無法比擬的?；贚ED的數字媒體界面是一種媒體藝術傳播的載體，它通過軟件程序的數字化編排和智能照明控制，以及與LED顯示模塊的結合，對圖形、視頻等視覺內容進行顯示和表達，更具藝術性和技術性。

圖11 浦西沿江火焰燈

世博會的大量場館建筑的照明都實現了照明一體化設計，同時配合一定的數字媒體界面，展示動態的視覺效果。如英國館將LED嵌入到亞克力棒中，瑞士館建筑表皮的LED智能帷幕，石油館、電信信息館、國家電網館等場館將LED燈具襯在PC材料正后方，香港館、波蘭館、韓國館、比利時館、愛爾蘭館、俄羅斯館等場館建筑在表皮材料之后進行LED燈具投光而形成光影效果。而世博軸則是直接把LED燈具安裝在世博軸陽光谷結構構件的外側(圖12)，共計采用了8萬多套LED燈具，通過大規模LED分布式控制系統——LED BusY總線技術，對陽光谷每個鋼構節點處的全彩全色溫LED星光燈以及整個大范圍的景觀區域各類燈具實施同步控制，其延時小于25毫秒，并結合LED的實時媒體播放技術和三維曲面顯示圖像技術，實現了良好的夜間效果。在世博文化中心西、南兩個入口大廳的帶有“光介質層”的LED數字媒體藝術是一個自主創新的亮點 (見圖13)。它不同于現有的媒體界面，該設計采用低像素、大間距LED為基層，并增加一個中間構造層次—— “光介質層”以及表面的成像材料，共計三個構造層次。設計中克服LED燈點直接暴露于屏幕表面、表面亮度高、容易產生眩光等缺點，且打破了平面媒體LED顯示屏單一的界面模式，使屏幕造價更經濟，制造工藝和系統控制更便捷，顯示內容更豐富，能創造出更加富有藝術氣息的視覺效果。

圖12 世博軸陽光谷一體化安裝的LED燈具

圖13 世博文化中心入口數字煤體界面

3.3 展示與體驗的照明技術

世博會是人類展示技術實力與文化特色一個盛會，是人類智慧成果的交流平臺，場館的設計與建設始終圍繞著如何展示各項科技與文明成果而展開。在本次世博會上出現了多種的展示與體驗方式，如平面的二維展示與投影展示、實物場景與視覺的三維感受、燈光秀、基于聲學與機械學原理的互動裝置、基于空氣動力學的浮球矩陣、IMAX巨幕、720度沉浸式體驗、身臨其境的四維電影體驗以及網絡虛擬的數字展示與體驗等等。

開閉幕式上的空氣動力浮球表演、沙特館的IMAX巨幕電影、石油館的4D電影、民營企業聯合館1020顆上下飛舞的“三維浮球矩陣”和慶典廣場上的壓力感應LED地磚等等的展示與體驗技術為世博會創造了諸多亮點。還有德國館最具互動性的帶有磁力感應的“金屬球”互動裝置 (圖14)，這個球直徑達3米，由40萬顆LED構成?！敖饘偾颉毙Ч臓I造利用了機械和聲學原理以及半導體照明的光學特征。在參觀者熱情的掌聲和呼喊聲中，這顆懸垂的金屬球即會擺動并發光顯影，而且掌聲和呼喊聲越熱烈，金屬球擺動的幅度越大、旋轉得也越快。國家電網館的“魔盒”是一個六面體全屏幕空間，由112塊LED模塊組成，包圍的720度幻象空間給參觀者帶來“沉浸式”的觀賞體驗 (圖15)。在全屏幕空間“魔盒”里，LED屏幕的物理尺度在視覺上被無限擴展到更深的虛擬空間中，產生了一種更廣更獨特的影像。羅阿大區館為城市最佳實踐區設計的燈光秀 (圖16)，它是把人們的互動參與、情景氣氛的營造、景觀燈飾的裝扮、動態燈光的表演等等綜合起來，是一種注重視覺沖擊力的展示藝術，并借助各種照明技術來實現，如LED照明技術、照明控制技術、數字媒體技術、實時感應技術等等。燈光秀運用不同燈光顏色組合，為一些展館的外立面設計特別的燈光圖案，并配以曼妙的音樂，為夜晚的世博園送上全方位的視聽盛宴。網上世博會是本次世博會所特有的展示與體驗方式，它通過一個專門開發的NCITY三維在線展示引擎平臺，以虛擬與現實相結合的方式將世博會現場展示到互聯網上。其中應用了三維數字平臺、三維虛擬現實、多媒體等技術，實現在普通寬帶環境下流暢的三維體驗。全球網民足不出戶即可漫游世博會及各展館。

圖14 德國館的“金屬球”互動裝置

圖15 國家電網館沉浸式體驗的“魔盒”

圖16 城市最佳實踐區的燈光秀

除了上述提到的新材料技術、半導體照明技術、展示與體驗的照明技術等在本次世博會上大放光彩，還需眾多其他相關新技術與之配合。大規模的實時照明控制技術與互動情景式照明控制技術、全息技術應用、太陽能光電技術、低輻射涂料與熱變色涂料等的技術，都為保障最終的視覺效果發揮著不可或缺的作用。

4 總結與展望

歷時184天的2010年中國上海世博會業已閉幕，其中各具創意的展覽展示、精彩紛呈的文化活動、智慧迭出的論壇研討讓我們充分享受了一屆成功、精彩、難忘的世博會，與此同時，我們也深深地認識到了這些精彩背后的創新理念與科學技術的力量。而照明科技作為其中一項重要的技術內容，在世博會中發揮著舉足輕重的作用，它不但將引領未來城市照明的新方向，還將促進未來照明產業的新發展。世博高峰論壇上宣讀的 《上海宣言》是作為本次人類大事件活動的總結，匯集各國城市發展的寶貴經驗和人類探索城市發展的共同智慧，它必將對“世博后”城市的發展和人類的生產和生活方式產生深遠影響。上海世博會謝幕了，但也意味著一個新的開始。

［1］上海宣言.2010年10月31日

［2］郝洛西，楊秀.世博之光:從技術到藝術.時代建筑，2010，3:50～55

［3］林怡.2010年上海世博會主題館的設計營建.時代建筑，2010，3:60～65

［4］郝洛西，林怡，胡國劍，楊秀，吳維聰.世博文化中心照明設計.照明設計，2010，39(3):38～41

［5］郝洛西，林怡，胡國劍，李勛棟，楊秀.世博園區夜景照明總體規劃.照明設計，2010，39(3):30～33

［6］中國照明電器協會，上海市照明學會.2010上海世博會照明應用論壇論文集

［7］中國2010年上海世博會官方網站www.expo2010.cn