《城市户外照明设计的底层逻辑》

 

 

 

 

  1.0 引言 

 

户外照明设计是一门超越简单空间照明的复杂学科，它深刻影响着公共安全、视觉舒适度、能源消耗以及自然环境。对光线进行精确控制和分布是实现这些多方面目标的关键。

本文旨在对关键的光分布概念进行全面分析——特别是截光型灯具（包括全截光型、截光型和半截光型）、非截光型灯具以及蝙蝠翼配光——并将其与北美路灯照明的既定标准［主要由北美照明工程学会（IESNA）制定］进行严格比较。

通过剖析每种类型的技术定义、特性和典型应用，本文将阐明它们之间的区别和协同关系，为城市规划、土木工程和照明设计领域的专业人士提供宝贵见解，以开发可持续、合规且高质量的户外照明解决方案。

 

2.0 灯具截光分类的理解

灯具截光分类定义了光线在水平面以上发射的程度，在管理光污染、眩光和光侵扰方面发挥着关键作用。这些分类，历史上由照明工程学会（IES）定义，为控制向上光线发射提供了一个框架。

 

2.1 全截光型灯具

全截光型灯具的光分布被定义为满足两项严格标准：首先，在天底（正下方）90度或以上的光强（坎德拉）为零，这意味着灯具不会向上方直接发射任何光线。其次，每1000裸灯流明在天底80度或以上的垂直角度，其坎德拉值不超过100（即10%）。这些限制适用于灯具周围的所有横向角度。

 

全截光型灯具的设计旨在将所有光线向下引导，从而有效地最大限度地减少天光（夜空变亮）和光侵扰（不必要的光线溢出到相邻财产）。这一特性使其成为遵守暗夜保护规定和保护夜间环境的关键。此外，通过严格控制高角度光线，它们显著减少了直接眩光，提高了驾驶员和行人的视觉舒适度和安全性。它们在仅需照明区域内精确引导光线的效率，也有助于节约能源。因此，北美许多地方法规和环境法规都强制或强烈推荐使用全截光型灯具。

 

 

 

 

2.2 截光型灯具

截光型灯具的光分布由特定的坎德拉限制定义：每1000裸灯流明在天底90度角处的坎德拉值不超过25（2.5%）。同时，每1000裸灯流明在天底80度垂直角处的坎德拉值不超过100（10%）。这些限制适用于所有横向角度。尽管允许少量光线高于90度，但截光型灯具与半截光型或非截光型灯具相比，仍能显著控制向上光线，有助于减少光污染。

 

 

 

2.3 半截光型灯具

半截光型灯具的光分布对向上光线的限制更为宽松：每1000裸灯流明在天底90度角处的坎德拉值不超过50（5%）。同时，每1000裸灯流明在天底80度垂直角处的坎德拉值不超过200（20%）。这些限制适用于所有横向角度。与全截光型或截光型灯具相比，半截光型灯具在高角度发射更多光线，增加了眩光和天光的可能性。在环境敏感区域或需要严格控制光污染的场合，通常不推荐使用此类灯具。

 

 

 

2.4 非截光型灯具

非截光型灯具的特点是其最大光强区域上方没有光强（坎德拉）限制。这些灯具向所有方向发射光线，包括大量直接向上和水平方向的光线。这种缺乏控制导致了严重的光污染（天光）、大量光线侵扰到相邻财产，并通常产生令人不适的眩光。由于日益增长的环境问题以及控制光污染的法规努力，其使用在许多司法管辖区受到越来越多的限制或禁止。

 

 

 

从非截光型到全截光型灯具的演变，代表了照明工程和法规制定上为减轻户外照明负面影响而进行的深思熟虑的进展。这种趋势强调了现代照明设计中对环境责任和视觉质量提升的日益重视。无限制的光线（非截光型灯具的特点）会带来诸如眩光、光线溢出到相邻财产以及普遍光污染等问题。

 

而更严格的截光分类，如全截光型，则被设计为解决这些问题的工程方案，旨在“减少光污染”、“最小化天光”、“减少眩光”、“提高视觉舒适度”和“提高能源效率”。这种分类的演变是行业和监管机构（如暗夜国际、IES RP-33）对光污染和眩光作为重要问题日益认识的直接回应，推动并制定了更严格的标准，以促进更负责任和可持续的照明实践。

 

这表明照明设计已从仅仅提供照明转向提供考虑其更广泛环境和人类影响的“高质量”照明。

 

值得注意的是，传统的“截光”分类系统正在被BUG（Backlight-Uplight-Glare，背光-上射光-眩光）评级系统取代。这一转变标志着照明性能评估正朝着更细致、更全面和更具可操作性的方向发展，认识到上射光仅是光污染和侵扰的一个组成部分。

 

传统的截光系统主要关注光线在天底80°和90°以上（上射光）的发射。然而，BUG评级将球形光分布划分为三个不同的区域：“上”（Up）、“前”（Front）和“后”（Back），并量化每个区域内的光量。这意味着它不仅评估上射光，还评估溢出到后方的光（背光，导致光侵扰）和眩光（以高角度向前发射并可能引起不适的光线）。这种取代表明，仅控制上射光虽然重要，但不足以实现真正全面和负责任的户外照明。

 

背光可能导致对邻近物业的显著光侵扰，而眩光则直接影响视觉舒适度和安全性。BUG评级提供了一个更全面、更细致的框架，供设计师和监管机构解决所有主要形式的光污染和侵扰。这使得灯具选择和设计更加精确，从而带来更好的整体照明质量、增强的安全性以及通过从简单的通过/不通过系统转向分级、多维评估来改善环境管理。

 

表1：灯具截光分类比较特性

 

 

3.0 蝙蝠翼配光

蝙蝠翼配光代表了一种独特的光学设计策略，旨在优化照明区域内的光线质量和均匀性。与控制向上光线的截光分类或定义光线在表面上整体形状的IESNA类型不同，蝙蝠翼配光侧重于照明的均匀性。

 

3.1 定义与独特轮廓

蝙蝠翼配光的特点是其能够在宽光束角范围内产生异常均匀的光输出。其名称“蝙蝠翼”来源于其独特的光强轮廓形状，当在极坐标图上绘制时，它类似于蝙蝠展开的翅膀，在天底两侧有两个光强峰值。

 

这种独特的分布通常通过在灯具内部集成专门的扩散器或先进的光学元件来实现。这些光学元件通过将LED光源发出的光线分解成一系列小而间隔均匀的光束来工作。这种工程化的扩散过程将更常见的“热点”分布（光线在中心最亮，向边缘迅速减弱）转化为显著更均匀的光输出。

 

此外，一些蝙蝠翼设计利用光学薄膜来实现“双面角度弯曲的光强”，以满足特定的照明需求。

 

3.2 优势与应用

蝙蝠翼配光相对于传统光模式具有多项显著优势：

 

更均匀的光输出：它确保了整个光束角范围内照明水平的一致性，最大限度地减少了亮度的变化，并减少了暗点的出现。

减少热点：通过消除光线集中的区域，蝙蝠翼配光减轻了视觉不适，并创造了更具美感的照明环境。

改善视觉舒适度和无眩光环境：光线的均匀分布显著减少了强烈对比和直接眩光，为使用者带来了更舒适和符合人体工程学的视觉体验。

提高生产力和情绪：研究表明，舒适、无眩光和均匀照明的环境可以积极影响各种环境中（如办公室、零售空间、教室和图书馆）使用者的生产力和整体幸福感。

 

蝙蝠翼配光是需要均匀、无眩光条件的广泛应用的绝佳选择：

 

商业和工业空间：办公室、零售环境、教室和图书馆受益于无阴影和无热点的照明，这可以增强注意力并减少眼睛疲劳。

住宅照明：它有助于在家庭中创造更舒适和温馨的氛围。

间接照明：当与悬挂式间接灯具一起使用时，它特别有效，光线被引导到天花板上以间接照亮空间。这创造了一个宽广、均匀的反射光模式，进一步增强了均匀性并减少了直接眩光。

 

蝙蝠翼配光是一种可以集成到灯具中的光学设计特性，而不是像截光型或IESNA类型那样的独立分类系统。它解决了照明区域内部的光线质量和均匀性问题，作为对更广泛分类系统的补充功能。

 

这种区别至关重要：蝙蝠翼不是IESNA或截光的替代品，而是一种复杂的光学工程解决方案，可以集成到符合特定截光和IESNA要求的灯具中。例如，一个为停车场设计的全截光型灯具（例如，IESNA Type V）可以采用蝙蝠翼光学元件，以确保圆形光模式在整个区域内均匀明亮，而没有令人不适的热点。

 

这突出了有效的照明设计涉及多个重叠的考虑因素：控制溢出光（截光）、塑造照明区域（IESNA）以及优化该区域内的光线质量（蝙蝠翼）。

 

蝙蝠翼配光的发展和采用反映了一种设计理念，即已超越单纯的定量照明（例如，达到一定的照度水平），优先考虑照明的定性方面，如视觉舒适度和整体用户体验。这标志着照明设计的成熟，其中人体因素越来越多地被整合到技术规范中。传统照明设计主要关注达到最低照度水平。

 

然而，“热点”和“眩光”被认为是导致“不适和疲劳”、“视觉疲劳”和创造“不吸引人”环境的问题。蝙蝠翼的优势（均匀性、眩光减少、生产力提高）直接解决了这些定性缺陷。这表明照明设计优先级的转变。

 

虽然满足定量光线水平仍然很重要，但人们越来越认识到光分布的“质量”——光线如何均匀、舒适地传递——对于人类福祉、任务表现和照明空间中的整体满意度同样至关重要。这代表了一种更全面、以人为本的照明设计方法。

 

4.0 北美路灯照明标准：IESNA分类

北美照明工程学会（IESNA）开发了一套基础分类系统，用于规定光线在水平表面上的分布方式，这对于北美各地道路、停车场和其他户外区域的设计至关重要。该系统为描述灯具性能提供了一种标准化语言。

 

4.1 IESNA分类系统概述

IESNA分类系统主要基于灯具产生的照明区域的形状和范围。它为包括道路、人行道和停车场在内的各种户外照明系统的设计和安装提供了重要的指导。

 

该分类通过测量大部分光线落在标准化网格上的位置来确定，特别关注最高和50%的坎德拉强度点（光强分布）。该系统同时考虑了横向光分布（跨越道路）和垂直光分布（沿道路方向）。

 

北美地区道路和停车设施照明的综合标准是ANSI/IES RP-8（道路和停车设施照明推荐实践）。该文件汇编了先前IES的众多独立标准，并为各种道路和行人应用的设计、维护、节能、环境影响和安全性提供了详细指导。

 

4.2 横向光分布类型（Type Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ, VS）

这些分类定义了光线如何沿着道路或照明区域横向散布，其特点是灯具光强达到50%的点。

Type Ⅰ：

特点：提供窄而对称或不对称的椭圆形光模式，通常主光强锥角约为15度。50%坎德拉轨迹落在灯具位置的房屋侧1倍安装高度（MH）和街道侧1倍安装高度之间。

应用：最适合狭窄、细长的区域，如人行道、窄小路径、边界照明和单车道道路。

 

 

 

Type Ⅱ：

特点：具有窄而不对称的模式，优选横向宽度为25度。50%坎德拉轨迹落在灯具位置的街道侧1倍安装高度和1.75倍安装高度之间。此类型通常适用于位于相对狭窄道路侧面或附近的灯具，其中道路宽度通常不超过设计安装高度的1.75倍。

应用：适用于1-2车道道路、主干道、高速公路、宽阔人行道、小型支路、慢跑道和自行车道。

 

 

 

Type Ⅲ：

特点：提供宽而不对称的模式，优选横向宽度为40度，旨在向外和向侧面投射光线。50%坎德拉轨迹落在灯具位置的街道侧1.75倍安装高度和2.75倍安装高度之间。此类型通常安装在待照明区域的侧面，照明区域宽度与杆高之比通常应小于2.75。

应用：常用于主干道、高速公路、停车场以及其他需要更广泛覆盖的大型开放区域。

 

 

 

 

Type Ⅳ：

特点：呈现不对称前向投射模式，优选横向宽度为60度，提供90到270度范围内的强烈均匀照明。50%坎德拉轨迹落在灯具街道侧2.75倍安装高度和3.75倍安装高度之间。它发出椭圆形光模式，前向投射更多，但宽度小于Type III，其最小背光使其非常适合控制光溢出。它旨在用于宽阔道路的侧面安装，其中宽度不超过安装高度的3.7倍。

应用：最适合墙壁安装或杆安装的周边应用，例如停车场、广场和建筑物外部，需要将光线主要向前引导并严格控制向后溢出。它以半圆形模式发光。

 

 

 

Type Ⅴ：

特点：产生完全对称的圆形光模式，在所有横向角度上光强均等。50%坎德拉轨迹围绕灯具呈圆形对称。

应用：最适合从中心安装点照亮大型开放区域，例如停车场、交叉路口、公园中央岛屿以及需要光线均匀向所有方向投射的一般工作或任务区域。

 

 

 

 

Type VS：

特点：类似于Type V，但产生对称的方形光模式，在所有横向角度上光强一致。

• 应用：适用于需要均匀方形照明的大型区域，例如停车场和公共广场。

 

 

 

 

表2：IESNA横向光分布类型（I-V/VS）

 

 

 

4.3 垂直光分布类型（极短、短、中、长、极长）

这些分类定义了光线如何沿着道路纵向分布，基于最大坎德拉点的位置。它们对于确定合适的杆距和确保道路沿线的均匀照明至关重要。

极短（VS）：最大坎德拉点落在道路沿线0到1.0倍安装高度之间。建议杆距约为1倍安装高度。

短（S）：最大坎德拉点落在道路沿线1.0到2.25倍安装高度之间。具有“S”分类的灯具通常适用于杆距小于2.25倍安装高度的情况。

中（M）：最大坎德拉点落在道路沿线2.25到3.75倍安装高度之间。此类型适用于杆距在2.25到3.75倍安装高度之间的情况。

长（L）：最大坎德拉点落在道路沿线3.75到6.0倍安装高度之间。具有“L”分类的灯具适用于较大的杆距，具体为3.75到6.0倍安装高度。

极长（VL）：最大坎德拉点落在道路沿线6.0倍安装高度之外。

 

表3：IESNA垂直光分布类型（VS, S, M, L, VL）

 

 

 

 

 

IESNA分类虽然是基础性的，但它们更多地作为指导方针而非僵硬的规则。它们的有效应用需要考虑众多的现场特定变量，这突显了先进照明设计工具和专家判断在实现最佳照明方面的关键作用。

 

多份资料明确指出，IESNA类型是“指导”或“并非明确规则”，并受到“灯具安装高度、倾斜角度、灯臂长度和灯具与路肩距离”以及“灯具布置和道路条件”等因素的影响 。

 

资料还提到“光度数据”和“模拟”对于优化光分布的重要性 。

 

理论上由IESNA类型定义的光分布可能会因具体的安装参数而显著改变。例如，不正确的安装高度或倾斜角度可能导致均匀性不足、过度眩光或低效的光分布，即使选择了“正确”的IESNA类型。

 

资料中提到的“T2M53007的横向光分布为TypeⅡ，未能充分将光线从灯具引导到车道，导致均匀性不足”就说明了这一点。这种复杂性要求进行详细的光度分析和模拟。这表明有效的照明设计是一个迭代且复杂的过程，它不仅仅是从目录中选择一种灯具类型。

 

设计师必须将理论知识（IESNA标准）与实际现场条件相结合，并通过先进的模拟工具验证其选择。这强调了专家照明专业人员在驾驭这些复杂性以提供真正优化和高性能照明解决方案方面的价值。

 

IESNA系统通过全面分类横向和垂直光分布，为优化光覆盖和杆距提供了坚实框架。这种双重分类直接有助于提高道路照明项目的能源效率和安全性。

 

IESNA根据“横向”（跨越道路，与道路宽度和覆盖范围相关）和“垂直”（沿道路方向，与杆距相关）光分布对光线进行分类。

 

横向类型（I-V/VS）与道路宽度相匹配（例如，TypeⅠ用于单车道，TypeⅡ用于双车道，Type Ⅲ用于高速公路，Type Ⅴ用于大面积）。

垂直类型（S、M、L）则直接与“建议杆距”和“杆距”相关。

 

通过精确定义光线在道路横向和纵向的传播方式，IESNA使设计师能够选择最大限度减少光线重叠（浪费能源）并消除暗点（影响安全和视觉舒适度）的灯具。

例如，选择“长”垂直分布可以实现更大的杆距，这可以显著减少给定路段所需的杆和灯具数量。这直接影响初始安装成本和长期能源消耗。相反，错误判断垂直分布可能导致过度照明或杆间覆盖不足。横向和垂直的综合分类允许高度优化的照明设计，既功能有效又资源高效。

 

这种优化对于实现ANSI/IES RP-8-22等标准中概述的目标至关重要，这些目标包括“最小化能源使用”、“提高驾驶员视觉质量”和“提供高质量光线并增加危险可见度对比”。它代表了一种系统化、科学化的方法，旨在平衡照明需求与经济可行性、安全性和环境影响。

 

5.0 比较分析与设计考量

北美地区有效的户外照明设计是各种分类系统和光学特性之间复杂相互作用的体现。理解截光型灯具、非截光型灯具、蝙蝠翼配光以及IESNA分类如何相互作用，对于开发最佳、合规且可持续的照明解决方案至关重要。

 

5.1 截光分类与IESNA类型之间的相互作用

截光分类（全截光型、截光型、半截光型、非截光型）主要控制水平面以上的光线发射量，是光污染和眩光控制的关键机制。相比之下，IESNA类型（I-V/VS）描述了地面上光线的形状和分布，决定了道路或停车场等区域的照明效果。

 

在当代北美路灯照明中，压倒性地强调使用全截光型灯具。这种偏好是由严格的暗夜保护倡议、环境保护目标以及最大限度减少光侵扰和眩光的愿望所驱动的。这些全截光型灯具随后被精心设计，以具有特定的IESNA横向和垂直分布（例如，全截光型TypeⅢ中等配光灯具）。

“截光”方面通过防止光线向上溢出确保了环境责任，而“IESNA类型”方面则确保光线在功能上被引导并分布到目标区域（例如，多车道高速公路或大型停车场）。

这两个系统协同工作：截光解决了“光线不应去向何处”，而IESNA则解决了“光线应去向何处以及如何分布”。

 

5.2 蝙蝠翼配光与IESNA分类的整合

蝙蝠翼配光本身既不是IESNA分类，也不是截光分类。相反，它是一种专门的光学设计特征，旨在提高照明区域内光线的“质量”和“均匀性”。其主要目的是消除热点并提供无眩光、舒适的照明环境。

 

蝙蝠翼光学元件可以无缝地集成到具有各种IESNA分布的灯具中，特别是那些为大面积覆盖而设计的灯具。例如，产生对称圆形模式的IESNA TypeⅤ灯具可以配备蝙蝠翼光学元件。

这种组合将产生一个不仅对称而且异常均匀且没有不舒适热点的圆形光模式，使其非常适合需要一致照明的大型广场、中心交叉路口或开放式工业区域。同样，它也可以在TypeⅢ分布中找到。这表明蝙蝠翼如何在IESNA的定量框架内作为一种定性增强。

 

5.3 北美路灯项目的整体考量

北美地区路灯项目的灯具选择是一个多维度的优化问题，需要一种整体方法，平衡法规遵从性（截光/BUG）、功能要求（IESNA横向/垂直）和光线质量（蝙蝠翼、眩光控制），以实现最佳安全性、效率和环境管理。这很少是单一、孤立的选择。

 

能源效率：战略性地选择具有适当截光分类（尤其是全截光型）和优化IESNA类型的灯具，直接有助于节约能源。通过将光线精确引导到所需区域并最大限度地减少光线浪费（上射光、背光、溢出），可以降低总体能源消耗。LED技术的广泛应用因其固有的设计灵活性和更高的流明/瓦输出而进一步提高了这些效率。

 

视觉舒适度与安全性：最小化眩光并确保高照明均匀性对于视觉舒适度和安全性至关重要。适当的截光型灯具可减少驾驶员和行人的不适眩光，而适当的IESNA类型（可能通过蝙蝠翼光学元件增强）可确保均匀的光线水平，减少阴影并提高危险检测的可见性。这直接与夜间汽车碰撞率降低和行人安全性提高相关。

 

暗夜保护倡议与环境影响：遵守全截光原则以及暗夜国际（DarkSky International）和IES推荐实践（如RP-33《户外环境照明推荐实践》）的指导方针，对于减轻天光、保护自然夜景和保护夜间生态系统至关重要。这反映了照明设计中日益增长的环境意识。

 

法规遵从性：北美各地的地方法规、市政条例和州法规经常强制要求特定的截光分类（例如，全截光型），并通常推荐或要求各种户外照明应用遵守IESNA类型。合规性不仅是法律要求，更是对负责任的城市发展的承诺。

 

经济效益：除了环境和安全优势外，由IESNA标准和截光要求指导的优化照明设计，可以带来显著的经济效益。这包括降低初始安装成本（例如，通过优化IESNA垂直类型的杆距）以及通过节能降低长期运营费用。此外，照明良好的区域可以提升公众形象，可能吸引更多人进入商业区并促进经济活动。

 

在实际应用中，灯具必须满足多重要求，例如：

必须是“全截光型”以符合暗夜法规并最大限度地减少光污染；

必须具有适当的IESNA横向类型（例如，Type Ⅱ或TypeⅢ）以有效照亮特定宽度的道路；

必须具备适当的IESNA垂直类型（例如，中等或长）以实现道路沿线的最佳杆距，确保均匀性和成本效益；

并且可能需要结合蝙蝠翼光学元件，以确保路面光线均匀无眩光，从而提高使用者的视觉舒适度；

此外，所有设计都必须符合当地的市政条例。

 

这种多层次的要求意味着照明设计师不能简单地孤立地选择一种IESNA类型。他们必须考虑灯具的截光等级、其内部光学元件（如蝙蝠翼），以及这些特性如何共同满足项目的各项功能、环境、法规和美学目标。

 

寻找能够同时满足所有这些标准的灯具的复杂性，通常需要详细的光度分析和模拟工具。这强调了专家咨询和全面设计过程在现代户外照明中不可或缺的作用。

 

 

6.0 结论

户外照明设计，特别是在北美地区，是一个复杂而精细的领域，其核心在于对各种光分布概念的深刻理解。本文阐明了截光型灯具（全截光型、截光型、半截光型）、非截光型灯具与专业蝙蝠翼配光之间的根本区别，并将其与北美道路照明的权威IESNA分类系统进行了全面比较。

 

截光分类主要作为光污染和眩光的重要控制机制，其中全截光型灯具通过将所有光线向下引导，代表了最严格和最环保的标准。相反，非截光型灯具由于缺乏此类控制，会显著增加光侵扰和天光，导致其使用日益受到限制。

 

蝙蝠翼配光与这些更广泛的分类不同，它是一种光学工程解决方案，专注于在照明区域内实现卓越的均匀性和视觉舒适度，通常作为IESNA类型的补充，用于需要无热点照明的特定应用。

 

最后，北美地区最佳的路灯照明设计是一项复杂而全面的工作。它要求将IESNA精确的、基于区域的分布模式与严格的截光要求以及（在适当情况下）蝙蝠翼等先进光学解决方案相结合。这种综合方法不仅确保了功能性照明，还最大限度地提高了能源效率，增强了公共安全和视觉舒适度，并维护了关键的暗夜保护倡议。在这些综合标准和考量的指导下，对灯具进行知情选择和专业设计，对于为社区创建可持续、合规和高质量的户外照明环境至关重要。