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    面向人居健康的光环境循证研究与设计实践

    来源:zc9929.com 发布时间:2020-10-23 返回

           光通过视觉与非视觉生物作用,对人的视力健康、生物节律、情绪认知、代谢与免疫等方面产生广泛影响,是建筑、光学、生命科学、环境工程等学科前沿领域共同聚焦的人居健康关键技术。文章分析了光在人居空间中的疗愈作用,阐述了循证研究与设计在营造人居健康光环境中的价值与必要性,并展示了作者团队基于循证理论,以问题为导向、建成环境为载体、实现人居健康为目标,面向全龄人群和各类人居空间,在南极科考站及医养建筑中开展的一系列光与健康的探索与实践。

      一、引言——光与人居健康

      2019年5月16日——第二个“国际光日”,教科文组织总干事奥德蕾·阿祖莱(Audrey Azoulay)女士以“对光的理解和运用惠及全人类”为主题致辞,她指出从宇宙的起源到各种新技术,从X射线到无线电波,在医学、农业、能源、光学等诸多领域,光塑造了人类的世界,成就了科学和技术的飞跃,其所具备的天然功用及其在科学技术方面的应用,是人类社会日常生活中不可或缺的元素,也是实现联合国《2030年可持续发展议程》各项目标的关键所在[1]。

      从古埃及时代人们在室内设置彩色玻璃,利用透过玻璃的不同色泽太阳光线照射身体来治疗疾病,到127年前丹麦医生尼尔斯·芬森(Niels Ryberg Finsen)凭借应用光辐射疗法治疗寻常狼疮、天花等皮肤病的开创性贡献获得了诺贝尔医学与生理学奖,人类对光健康的探索历史悠久。然而光健康真正作为人居环境学科的重要研究内容则是近20年来的事件。

      一方面,半导体照明技术突飞猛进的跨越式发展,使便于调光、易于实现场景定制的LED光源获得了大规模应用;另一方面,随着2002年美国学者大卫·伯森(David Berson)等人发现了人眼第三类感光细胞——内感光视网膜神经节细胞“ipRGCs”[2],光照视觉与非视觉作用机制日渐清晰,人类步入了健康光环境研究的细分领域,将光的研究与设计实践从空间营造、视觉功效拓展到生理调节、情绪干预与认知改善等多个方面,并尝试将空间中的光作为积极的环境要素,来提升人居健康福祉。

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    联合国教科文组织“国际光日”图标

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    1906年英国伦敦的一家医院使用“芬森灯”进行狼疮治疗

      二、光在人居空间中的疗愈作用

      快速城市化使社会经济发展、人民生活水平提高的同时亦带来了严峻的人居健康挑战。人口结构的深度老龄化,社会生活节奏的不断加快,工作学习竞争压力的日益加重,以及电子智能设备的频繁使用,在导致一系列视觉健康问题的同时也加剧了各种身心疾病的发病风险。

      从健康促进源头入手,对失衡状态进行主动调节的各种健康干预技术、手段和方法亟需探索与发展。光是人居空间物理环境的主要构成要素,具有“视觉—生理—心理”的多维度健康作用。健康建筑领域普遍认同的WELL标准与哈佛大学公共卫生学院气候、健康和全球环境中心提出的健康建筑九大基础要素,都将光环境作为重点内容。

      可以肯定,通过对光照数量、空间光分布、光源光谱、光照策略的合理设定,以及光照景观、光艺术媒体界面的定制设计,将光作为直接有效、安全无副作用的人居环境主动健康干预手段来消除环境致病因素带来的负面影响,有着相当重要的研究意义。

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    光照的疗愈效应及其在健康建筑中的应用

      2.1 光环境与视觉健康

      光对人的健康影响分为视觉和非视觉两个方面。人类获取的外部世界信息中80%以上是通过视觉途径获得的[3]。因此,视觉质量影响着工作、娱乐、交往、休闲等绝大多数的行为与活动,与生活质量密切相关[4]。眼睛是最为精密的人体器官,光照不足、阴影、眩光、频闪、过多视觉信息刺激等不良光照条件,不仅会导致视功能下降、视觉疲劳、作业绩效降低,还妨碍活动的顺利进行,其长期累积的作用更会引起近视、加速黄斑病变,带来难以逆转的视觉损伤。中国每年投入大量人力与经济资源用于国民视觉健康防护,改善人居空间的用光环境是其中的一项关键工作。

      人眼视觉功能、视觉作业与光环境之间存在着相辅相成的作用关系。大量研究围绕着匹配青少年、成年人、老年人等各类人群视觉能力与纸面、视频显示终端(VDT)、精细加工等不同作业条件,实现最  佳视觉绩效和视觉舒适所需要的光环境参数而开展。在以国际照明委员会(CIE)、美国学者彼得·博伊斯(Perter Boyce)[5]为代表的学术组织和研究人员共同的不懈努力下,人们就照度、亮度、视野亮度分布、光源光色和显色性等个光环境要素对视觉质量的影响作用不断形成共识,国内外各项行业标准、规范陆续出台也指导着建筑光环境的设计实践。

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    人眼视觉功能、视觉作业、光环境间的相互关系

      2.2 光照与生物节律

      人体内存在着一个被称作为“生物节律”的特殊时钟,调控着睡眠、进食、新陈代谢、激素分泌以及免疫应答等大多数生理过程,维持着机体的健康稳态[6]。

      生物节律紊乱在引起肥胖、癌症、神经退行性病变等多种疾病的同时也影响着疾病的治疗与康复。光照是人体生物节律最重要的授时因子,在视锥细胞和视杆细胞之外,哺乳动物视网膜上存在的第三类感光细胞——视网膜特化感光神经节细胞(ipRGCs)具有光敏性,能够直接感受光刺激并将光信号投射到节律的控制中枢——视交叉上核(SCN)[7],形成光的非图像视觉作用通路,影响松果体褪黑激素以及皮质醇等人体重要激素的分泌,从而实现对生物节律的调节[8]。

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    光的视觉与非视觉作用通路

      光的节律效应是人因健康光环境研究实践的核心聚焦点。教室、办公室、医院以及地下空间等各类人居场所纷纷引入了全天候的动态节律照明系统来改善人员夜间睡眠质量与日间觉醒状态下的精神注意力及警觉性。节律刺激已成为衡量健康光环境的关键指标,其影响效应的定量评估是目前国内外相关领域关注的新重点。

      2.3 光的情感效应

      一方面,美国执业医师约翰·辛德勒(John A. Schindler)在其著作《病由心生》(How to Live 365 Days a Year)[9]中指出,高达76%的疾病与不良情绪相关。通过合理的方法调理情绪,保持乐观积极心态是防治疾病、促进身心健康的关键。明亮白光疗法在20世纪80年代被引入季节性情感障碍的治疗并效果显著,后续临床研究结果亦表明光照对于治疗产后抑郁症、经前综合症、非季节性情感障碍具有积极作用。

      另一方面,光、色彩与空间共同形成的视觉环境传递着情感语言,让光与人类的认知和情感体验产生了紧密联系。照明心理学研究的开拓者约翰·弗林(John Flynn)证明了光环境的变化将引起人们对空间感、视觉清晰度、隐私、愉悦感、放松感、复杂性的不同反应。光与色彩产生的视知觉影响,经常被用来营造空间情境和氛围从而调动情绪并引起特定的心理感受。譬如詹姆斯·特瑞尔(James Turrell)的一系列沉浸式光艺术作品通过情境中的感官共鸣,建构了从迷幻到超现实的情感体验。

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    詹姆斯·特瑞尔的沉浸式光艺术作品

      三、健康光环境的循证研究

      3.1 循证研究的价值与必要性

      尽管光健康实践背后有着强力的科学基础支撑,然而它的示范应用却困难重重。一方面,由于研究对象的个体特征显著,处于生命不同阶段的各类人群——儿童、青少年、老人、孕产妇、病患有着不同的生理、心理特点及各自的健康光照需求;另一方面,由于人与建成环境各个要素间存在着错综复杂的交互作用,在实验室中了解到的光健康机制很难被直接应用在建筑空间中,设计方案取得实际健康改善效果难以预测。

      循证研究(Evidence Based Research,简称“EBR”)及循证设计(Evidence Based Design),是在循证医学和环境心理学基础上诞生的跨学科设计思想,它强调通过科学研究方法和统计数据来获得实证依据,从而进行决策,以实现最 佳效果。

      因此,循证研究与设计是光健康理论研究向应用实践转化的必经之路。它以问题为导向,通过在应用场景下的实证研究,确定最 佳光照设计参数组合,并在投入使用过程中不断进行修正与优化,从而使各项具体的光环境健康目标得以实现。贯穿于研究、设计、应用、评估整个过程的循证策略成为一把标尺,帮助设计者走出迷雾,让设计方案的各个节点有理可述、有据可循,亦增加了设计的独特性与针对性,让每项决策都能带来最大化的健康效益。

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    光健康理论研究、应用实践和循证研究与设计间的关联

      3.2 全链程健康光环境设计循证实践

      健康光环境的循证研究与设计是一个基于观察和实验研究,收集证据、检验假设、寻求最 佳解决方案的系统性过程,它包括调研与需求分析、循证实验研究、采光与照明系统研发、检测认证、示范应用和使用后评估(POE)五个关键环节。

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      ●调研与需求分析

      调研与需求分析是光健康循证实践的重要基础工作,旨在通过文献研究、数据实测、纵向跟踪观察以及问卷采访等多种途径全面、系统地了解目标空间的光环境现状以及使用者的行为、生理、心理特点,从而梳理现状问题和健康光照调节需求,明确光健康的干预目标。

      ●主客观循证实验

      光健康循证实验在大量已有理论研究的基础上展开,旨在通过主客观结合、相互验证的实验研究方法量化不同光照条件下人员视觉绩效及生理、心理指标的变化,获得对身心健康状态具有改善作用的光照参数组合,为后续采光与照明系统的研发和光环境设计工作提供科学依据。

      为了创建具有临场感的高保真实验场景,获得具有生态效度的研究结论,在应用实践中进行指导,笔者团队(以下简称“团队”)搭建了足尺实验间,室内空间布局、界面材料、装饰陈设按照目标应用环境真实还原,同时招募目标使用者作为被试人员。以失智老人、癌症病患等特殊群体为对象的实验研究,则引入了虚拟现实(VR)技术作为光照场景的展示手段,沉浸式的实验场景呈现,赋予被试者身临其境的主观体验,使以往由于被试行动障碍无法开展的实验研究得以照常进行。

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    心内科CICU重症监护病房光环境循证实验研究

      为了尽可能科学、准确地量化光环境对人体健康产生的影响,取得可靠参数,团队改进了单纯采用主观评价的传统实验方法,尝试将褪黑素、皮质醇激素时间生物分析、脑电生理信号的检测等客观手段与主观量表结合使用,通过“多方法同时测量、相互印证”来收集涉及节律震荡、情绪认知、绩效和疲劳等多个复杂生理、心理过程的人体性能数据。

      ●系统研发与测试认证

      基于多项循证实验成果,团队完成了“旨在情绪与节律改善的健康型光照系统”研发,将各项健康光照干预技术系统集成,形成标准化、系列化、模块化和通用化的产品在各类人居空间中的灵活应用。

      系统由节律调节、情绪干预、智能控制三个模块组成。节律模块同时满足高品质的室内功能照明和节律调节的双重光照需求。在不改变视觉舒适光环境光源色品坐标与照度的基础上,通过光谱调整提供具有节律效应的光照刺激。情绪模块则应用了“光介质层以及基于该光介质层的媒体界面构造技术”和“光照情感效应媒体界面显示技术”两项专利技术,在低像素LED基层上呈现出高质量艺术化图像,并实现了针对特定人群、特定环境的情感性光照媒体图像定制。智能控制模块内置可编程控制器,能够精准控制光照强度、光照时间、光照时长、光源色温以及空间光分布等各项技术参数,实现人工健康光照目标的靶向动态控制。

      检测认证同样是光健康循证实践的必要环节以保证采光与照明系统的长期安全性与可靠性。研发完成的灯具产品、附件和控制设备需要委托国家授权的第三方检测机构进行测试,在通过光生物安全评估,取得检测合格证书,并经过相关单位的项目工程验收、竣工验收后方投入使用[10]。

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    健康光照系统在心内科CICU重症监护病房中的应用(左图)、健康光照系统在眼科手术室中的应用(右图)

      ●示范应用与使用后评估

      光环境对健康的长期累加影响及健康效应评价在示范应用和使用后评估(Post Occupancy Evaluation,简称“POE”)中完成。POE通过问卷、访谈、工作会议以及环境监测等客观手段,科学、严谨地对完成应用且经过一段时间运营的健康光环境工程进行评估。开展POE工作不仅是为了构成完整的信息反馈系统,全面客观地评价研究与设计成果,更是为后期其他循证研究项目的进行和相关标准规范的制定提供理论与数据支持。

      四、光与空间的健康设计

      4.1 针对极端环境的健康支持光照技术-南极科考长城站、中山站健康光环境改造

      南极洲严寒、暴雪、强紫外线的恶劣自然环境与封闭、隔绝、行动受限的特殊社会环境为考察队员身心健康带来双重挑战,越冬综合症、极地T3综合症、睡眠质量差等生理与心理症状严重影响了科考队员的生存质量,阻碍了科考任务的顺利进行。南极大陆光与视觉环境的显著特征更是科考队员出现节律和情绪问题的主要诱因。

      极昼极夜导致人类进化的生物节律与环境的光-暗周期完全“失同步”;“白色荒漠”元素单调、缺少色彩造成的感官剥夺促使各种负面情绪产生;高亮环境眩光强烈、视觉舒适度差给生活作业带来诸多不便[11](见表1)。

    表1. 南极长城站生活栋实测亮度

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    注:表中的数据为作者郝洛西教授在南极长城站生活栋实测(亮度计型号为XYL-Ⅲ全数字亮度计)

      2013年在国家“863”高技术研究发展计划等重大课题的支持下,笔者参加了第29次南极科学考察,在为期3个月的度夏科考期间完成了“LED照明的非视觉生物效应及其对人体生理节律的影响”实验研究。基于在站实验研究结论,以改善昼夜节律失调症状、丰富视觉体验、调节情绪为目标,制定了人工健康光照干预策略来弥补南极洲特殊环境对人体身心健康的不利影响;并从科考队员日常任务执行和生活状态出发,提出了适宜极地站区建筑的光环境设计方法和导则,完成了长城站生活栋的健康光照改造。

      南极中山站地处东南极大陆的拉斯曼丘陵,相对于长城站生存环境更为艰苦、隔绝,越冬队员的生理心理变化更加显著。团队与中国极地研究中心合作,继续以应对极端环境生命挑战的人因健康支持为主线,在中山站进一步探究极夜期的健康光环境策略。

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    南极中山站科考队员在进行健康光照实验(左图)、疗愈光照在南极长城站的应用(右图)

      4.2 旨在疗愈的医养空间健康光环境营造——温州医科大学附属眼视光医院医教楼健康照明工程

      团队承担的“十三五”国家重点研发计划——《面向健康照明的光生物机理及应用研究》的项目科研成果在合作单位温州医科大学附属眼视光医院中实现了落地应用。该院成立于1998年,是目前国内规模最大、层次最高、最早开展眼视光科学研究的医疗科研机构。光与视觉健康关联紧密,此项在国际一流水平专业眼科医院中开展的健康照明工程实践是光照疗愈理念的最 佳宣传与展示窗口。

      视觉健康问题带来的疾病负担不仅是视力损失,还涉及到影响生活质量的诸多方面。眼睛是心灵的窗户,异常情绪是多种眼疾的典型症状表现,也是青光眼等视觉疾病发病的主要原因[12]。基于此,团队确定了阳光多巴胺、健康光“视”界的疗愈设计主题,关注低视力人群的视觉与情感特殊需求,针对眼科医疗全流程进行健康光照的循证研究与设计,提出了低视觉负荷情感性光环境设计理念,即通过环境调整,减少空间中需要处理的复杂视觉信息、消除视觉干扰要素,营造出符合眼科病患视觉能力与认知水平的空间环境,从而借助光照的疗愈力量,提升患者的就医体验。

      该院门诊大厅采用气候响应式的光环境设计,根据室外气候状况与光线变化来平衡室内人工光和自然光的光照强度,践行节能减排目标;通过逼真的自然光光谱与光色模拟,来激发人员积极的情绪响应。设计实践创新性地将医疗大数据置入门诊智能照明控制系统,发光天棚中心彩色光圈大小随门诊量增减而变化,使医院的运营信息得以艺术化、可视化地呈现;周一至周日的主题色彩变换,更为患者和医护人员创造了多样的空间氛围体验。原本静态稳定的建筑空间转化成为与人互动的动态环境,大大增强了体验感。

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    温州医科大学附属眼视光医院门诊大厅建成效果

      根据空间尺度与功能特点,团队定制设计了一系列既能够传达积极情感信息又避免过度刺激的光照媒体界面,安装于该院门诊大厅、候诊厅、诊室、麻醉室、手术室、日间病房等各个区域,在患者就医全过程中提供情感支持。例如,安装在候诊厅的“世界上最美眼睛”光媒体装置,重点考虑了人员通行过程中的视野移动及空间导向需求,以五大洲不同人种的眼睛作为素材,利用特殊的光栅材料,通过多层图像和导光板叠加,在平面上展现动态效果,视看者在装置前走动便可以不借助任何设备看到界面图像上眼睛的眨动。光栅柱镜厚度、曲率半径、光栅节距的选定经过了多次对比试验,既控制眼睛眨动的快慢,同时也消除了带来眩晕视感的黑色纵纹,保证患者和家属的通行安全。

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    日间病房中的疗愈光照界面

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    “世界上最美眼睛”光艺术装置

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    眼科术后康复室情绪调节光照界面

      4.3 适老性居住空间光环境精细化设计——马桥椿山万树养老公寓老龄健康光环境示范工程

      中国养老服务业巨大的市场潜力吸引着众多机构对养老产业的加速布局,市场上养老社区产品不断涌现。医疗健康服务对于患有慢性病、失能以及半失能的老年人群来说极为重要,将生活照料和康复关怀融为一体的医养结合思想将成为养老机构设计的必然趋势。营造健康光环境是最易取得直接效果的“乐龄”设计策略,亟待通过更多的专业研究进行推广应用。

      马桥椿山万树养老公寓健康光环境示范工程根据“适老化、安全性、疗愈性、智能化”四项设计原则,提出了三项设计目标:1)打造具有适老特色的现代国际养老疗愈环境;2)树立养老空间光健康标杆形象;3)将智能与健康照明理念有机融入老年康养环境。

      在公寓的洽谈区、公共活动区等日间活动场所,针对老年人的不同日间活动设定了相应的光照场景,并关注到老年人视敏度下降、明暗适应能力退化、色彩辨识能力降低等问题,提升了各个区域的光照数量与质量水平,最大化地减少了空间中的眩光,提高了视看对象的辨识度,从而降低老人跌倒风险,创造了舒适、便捷的生活环境。老年居室光环境则着重考虑了光照的节律及情绪调节效应,增加了清晨时段的明亮光照疗愈场景,并根据护理人员工作和老人起夜活动需求设置了低色温的夜间活动光照模式。除了对空间光环境设计的精细考虑,在项目开展前期,设计团队还对老年人在渐进性老化过程中,视觉和生理功能的退行性改变与特殊心态进行了全面梳理,提出了面向健康活跃老人、半失能老人、失能失智老人的光环境设计具体目标,借助光的疗愈力量,打通健康养老的“最后1公里”。

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    健康活跃老人、半失能老人、失能失智老人的健康光环境设计目标

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    马桥椿山万树养老公寓适老健康光照工程活动室建成效果

      五、结语—人居健康光环境的创新实践展望

      健康光环境的实践与创新源于人类对生命健康的不懈追求,充满无限可能。虽然人们已了解到光照通过多条神经通路对视觉、生理、心理产生的广泛影响,但仍有更多复杂的作用机制有待探索。

      随着人们对生命健康知识了解的日渐深入,以及智能建造、大数据、云计算、无线通信、物联网等数字信息技术同建筑空间与人居之间联系的日益密切,人们健康生活的形式和内容在持续地变化,光健康的定义与研究范围也将被不断地拓展乃至颠覆。未来实践的综合性与复杂程度均已远超建筑学单一学科的能力范围,聚合公共卫生、临床医学、心理学、电气工程、信息科学等多学科集体智慧[13],构建突破学科界限的研究、设计、应用一体化平台必将成为健康光环境实践以及健康建筑实践的未来方向。