人造天空

人造天空（artificial sky）是一个模拟天穹顶光线的模拟装置。一个建筑比例模型或1：1的全尺寸飞机置于人造天空下，以预测日光渗透到不同情境、复杂几何形状或严重阻塞窗户的建筑物或飞机内。人造天空的概念源自于日照仪在评估漫射天光成分时提供稳定照明环境的限制。

## 描述

人造天空主要应用于建筑领域，用以分析建筑物与空间中的日光。建筑学生、建筑师、研究人员、照明设计师、照明工程师、汽车及航空太空（航空航天）工程人员会将模拟装置用于各种用途。该仪器的多种版本被用于建筑学校的实验室及实务中，用于日照的学习与研究。照明工程师与设计师利用人造天空来测量照明的水准。该仪器用于检视汽车与航空工程中驾驶舱内工具的可见性，以提升行车与飞行安全。

自1914年起，建筑师与照明工程师使用人造天空来寻找模拟天空的方法，从而测量建筑物的物理模型以实现室内照明。

一般而言，建筑内部日照会在设计阶段透过物理模型观察与评估，来分析真实天空下的光线强度，但亮度持续变化，且难以获得稳定结果，因此人造天空是预测日光穿透的理想方式。

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人造天空可以不受自然天空天气条件的限制，复制标准与统计的天空。一般来说，人造天空可使用照度计、资料记录系统、微型摄影相机，并可以是手动或电脑化系统。拱顶部分可以部分或完全复制天空的光照。复制天光有三种方式：直接光照、反射或扩散。透过反射，聚光灯照射到模型下方照亮白色圆顶，圆顶上的反射会照亮模型。如果真实天空发出漫射光，最现实的原理是天空透过扩散来运作。通常，人造天空呈现球体形状。最实用的系统是将人造天空与机械化日照仪整合，以重现阳光。

透过利用人造天空测量与估算日光穿透，建筑设计师与工程师可透过控制照明来降低能源，模拟能提供一种降低建筑环境影响的日光设计，减少对照明、暖气和冷却的需求。透过分析建筑照明模拟的问题，使用人造天空的模拟模型能提供宝贵的建议，以达成建筑与空间的最佳设计方案。日光研究有助于设计被动式节能屋、零碳建筑及生态建筑设计。

为了解决汽车显示器在环境光下因眩光和萤幕褪色所产生的可读性问题，人造天空提供一个明亮环境，让设计师与工程师能处理任何问题。

主要归功于创新的设计形式，模拟的运用有助于避免建筑立面产生的眩光与反射热。由于强烈的阳光影响周遭城市环境，热度与眩光也影响到附近街道和建筑物内的人们。该模拟装置将让设计师避免在对讲机和华特·迪士尼音乐厅因反射热和眩光而造成损害。为避免户外区域及建筑物因反射阳光过热，设计阶段使用人造天空模拟此类建筑形态，能避免高昂的后续装修成本及损害。

人造天空类型包括镜盒、全圆顶天空、虚拟圆顶及反射器。

## 人造天空的类型

### 镜盒

镜盒是一种人造天空，由明亮的天花板和镜面墙壁组成，用来模拟均匀或阴天的天空。在镜面盒中，透过镜面墙反射的光线产生一致的亮度分布，并模拟CIE（国际照明委员会）标准的阴天天空估算。光源是白色漫射材料，由多盏灯从后方照射，借由感测器将光线扩散到整个房间。房间四周的墙壁环绕着垂直排列的平面镜，透过反射与相互反射，呈现出明亮天花板的影像

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典型的镜盒是长方形或八角形的盒子，可安装在任何实验室中。镜盒是一种简单、紧凑且价格低廉的人造天空。但它只能模拟标准的阴天天空；因此，它适用于采光系数（Daylight factor，缩写为“DF”）的分析。

镜盒人工类型在大学中被使用，例如：

- 在环境规划与技术中心（CEPT大学），在建筑与能源先进研究中心（CARBSE）的实验室安装了一台镜盒式人造天空，用于分析日光。在大学的净零能耗大楼（NZEB）生活实验室中，测试室设有一个镜盒式人造天空，供学术研究与产业测试使用。
- 在西敏大学（University of Westminster）的客制化人造天空制作实验室，设计了一个客制化的镜面盒人造天空。在内部尺寸2.5mx2.5m的空间，该工具包含大型建筑模型以测量采光系数。

### 反射器

反射圆顶天空模拟器采用反射不透明圆顶表面，以重现均匀与非均匀的天空。圆顶内部的照明系统设计用以产生与标准阴天不同的天空分布。人工圆顶利用反射面照射天空分布，并在放置在可旋转桌面上的比例模型上评估日光效果。此外，它也能与人造太阳整合，以模拟阳光。与镜面盒相比，反射圆顶天空的使用更为可调整，且其变体在市场上广泛贩售。

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人造天空反射技术可在大学及研究实验室中取得，例如：

- 斯洛伐克布拉迪斯拉发的斯洛伐克科学院：该学院于1973年在建筑与建筑研究所建造了一座柔性反射圆顶。直径8米的半球形人造天空，并搭配直径1.2米的抛物面镜太阳，能完全调整均匀与非均匀的阴天。人造天空是一个管状结构，由石膏灰泥覆盖金属网，设计于一个圆形的“水平”管上，悬挂于实验室天花板上，宛如大型白色吊灯。美国加州的劳伦斯柏克莱国家实验室于1981年建造了直径7.32米的反射圆顶，设计用以模拟均匀天空、阴天天空及各种晴空的亮度分布。使用直径1.5米的太阳模拟器。金属圆顶维持在一面七英尺高的圆柱形夹板墙上，使大型模型能透过大型门进出。由于内部喷涂高反射率的白色油漆，反射率可达80%。高输出萤光灯与压舱物的照明系统，在均匀天空下可提供约5000 lx的照明水平，在阴天时为3500 lx，在一般晴朗天空下超过6000 lx。可容纳宽度达6英尺的大型建筑模型，并可让整个平台旋转。
- 俄罗斯莫斯科佩罗沃区的中央工业建筑研究所：在中央建筑物理研究所新实验室的人造天空与照明工程设施下，评估研究项目。一座直径9米、配备16盏均匀亮度灯泡的天穹顶，并在天空外设有抛物面镜边，还有直径0.9米的太阳模拟器。
- 美国密歇根州安娜堡的密歇根大学：使用直径9.2米的人造天空，利用直径1.5米的抛物面圆盘太阳模拟器，测量与评估阴天、均匀且晴朗的天空条件。

### 虚拟穹顶

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虚拟穹顶透过扫描流程复制天空拱顶，用于模拟地球上任何时间、地点的精确天空亮度分布。因为它能模拟任何类型的天空，因此这种人造天空具有弹性。为了降低成本与空间，虚拟穹顶采用重型机器人及精细控制系统。模拟结果仅透过电脑萤幕，经过多次模拟组合的过程来测量。它利用人造天空和太阳模拟器，在旋转平台上提供比例模型的日光模拟。人造穹顶于90年代初被发明，因此是最新型的人造天空。

虽然它是最精确的工具，但无法直接感知模拟结果。由于虚拟穹顶无法直接感知，此工具主要由科学家使用，而非为设计师设计。

虚拟穹顶人造天空可在大学及研究实验室使用，例如：

- EPFL太阳能与建筑物理实验室LESO-PB，沃州（实验室制造的人造天空），该研究实验室开发了扫描天空模拟器，能够精确复制各类天空的亮度分布，作为其它天空模拟器的基础。该工具利用扫描程序，从半球的六分之一开始，重建整个天空半球。整体半球基于特雷根扎的145个光区模型，透过六步扫描重建。照度的定量资料与数位影像的质性资料会被补充至程序结束时。它是一种精确的工具，适用于任何时间与地点，能在物理比例模型中取得漫射光测量，以评估创新建筑解决方案与采光系统。实验室打造此仪器旨在透过高效利用降低采光来节能并提升使用者舒适度。
- 除了人工太阳外，杜林理工大学杜林理工学院（Politecnico di Torino）（IT）、的杜林（Turin）日光实验室制造了人工扫描天空。天空扫描模拟器是在天空半球的细分模型上进行描述。穹顶细分为145个圆形区域，每个区域均具均匀亮度。这些区域是利用设置在半球形表面上的圆形灯具来复制的。该结构由25座灯具组成，占整个直径7米半球的六分之一。模拟的各种天空条件，包括阴天、晴天和介于两者之间的天空，对应标准模型和真实亮度值。天空扫描模拟器与太阳模拟器使得在研究与设计成果中所用的比例模型产生模拟的日光成为可能。所获得的成果包括光度测量数据与发光空间的数位影像。穹顶是为建筑师、工程师、照明设计师及研究人员建造的。
- 新加坡柏克莱教育研究联盟（BEARS）、新加坡（商业人造天空）专注于永续与低碳解决方案的实验室，采用 Betanit.com 制造的商业虚拟穹顶。该装置评估可在有限实验室空间内，透过建筑比例模型复制的建筑的视觉与照明表现。人造天空可利用145个区块模拟任何天空分布。
- 艾哈迈达巴德CEPT大学（商业人造天空）使用由 Betanit.com 在其CARBSE研究实验室制造的虚拟穹顶Kiwi造天空的组件，其光源由CARBSE团队开发。这些建筑比例模型置于转盘平台上，进行采光

研究评估。为了进行分析，转盘可将模型至两个不同的轴向上旋转，并提供用于学术及研究目的的采光研究测量。

### 全穹顶

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全穹顶是一种人造天空，能利用可调光灯具模拟任何形式的天空分布。模拟与采光量的取得皆透过电脑进行。当与日照仪整合时，该装置能在全球的 任意位置复制直接的阳光。全穹顶是目前最先进的人造天空类型。它们是最快速、最强大且价格最高的模拟器。学生与研究人员利用此方法优化建筑空间中的采光研究。

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全穹顶人造天空可在大学、研究实验室及大型照明公司使用，例如：

- 威尔士的卡迪夫大学（客制化人造天空）：威尔士建筑学院使用配备640盏萤光灯，直径8米的人造天空。这些灯泡被分段控制，模拟阳光和太阳路径，研究放置在旋转桌上的比例模型。
- 巴滕巴赫，提洛邦（客制化人造天空）：该照明公司使用直径6.5米、配备393盏灯泡的人造天空，进行采光设计，并结合可视化模型与计算。
- 艾因的阿联酋大学（商业人造天空）：大学在其由 betanit.com 设计制造的采光模拟实验室中安装了整合机器人日照仪的全穹顶人造天空。直径4.5米的半圆顶利用电脑控制模拟多种天空条件。阴天天空的照度为20000 lx，晴空时超过60000 lx。人造工天空的精确与弹性来自于热监测的光斑，这些光斑由电脑控制，能以稳固且稳定的光分布层次重现在任何地点、任何时间与天空。人造天空被用于教学，如照明与采光设计，以及大学在永续建筑设计与技术的其它研究领域。
- 伦敦巴特利特的伦敦大学学院（UCL）（订制人造天空）：巴特利特建筑环境学院、建筑学生利用直径5.2米的测地半球圆顶，在概念比例模型上模拟多种天空条件。该装置由伦敦大学学院的彼得·雷纳姆（lengx|en|Peter Raynham）及研究助理订制。810个独立控制的LED模组与850mm宽的抛物面反射器置于拱形内部，可模拟太阳的轨迹。该系统提供比CAD 3D模型更互动的学习体验。
- 马耳他大学（商业人造天空）：该大学利用 betanit.com 制造的日照仪人造天空进行采光研究，主要用于教学、研究及设计目的。
- 吉隆坡玛拉工艺大学（UiTM），（商业制造的人造天空）：该大学在吉隆坡的采光实验室引入了betanit.com的杜里恩人造天空制成的全穹顶人造天空。杜里恩人造天空穹顶被用于设计温度、光强、建筑朝向与位置，以及马来西亚环境中热带气候建筑的照明区域。它透过都市模拟提供场地情境的通用建模，并判定场地各位置的天空强度资料。模拟有助于设计模组的配置，使其分散，从而决定场地的光强度。此外，模拟有助于实现位于热带气候建筑的能源效率

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- NIISF：俄罗斯银松莫斯科的建筑物理研究所：使用直径16.8米的半球体天空模拟器，配备2,000个光模组及五个固定高度的抛物面稳定太阳反射器。
- 斯图加特的斯图加特应用科学大学的采光规划实验室使用直径4.20米的半透明半球体，配备30盏萤光灯，以及带有抛物面反射器的卤素灯泡人造太阳模拟器。该装置能精确复制天空亮度及环太阳辐射。它能重现晴天、阴天或多云天空的分布。
- 奥克拉荷马州立大学（Oklahoma State University，缩写为 OSU）：使用了建于2007年，包含一个透地测地圆顶的透光人造天空，该穹顶由半透明扩散的“莱克珊”（Lexan）塑胶组成，并置于法兰式自承板中。