水立方灯光景观吸引世人目光

变幻无穷的灯光，制造出水天焕彩的景观，营造出如梦如幻的气氛……

随着北京奥运会一天天临近，奥运场馆纷纷揭开了面纱。而"水立方"更是以带有一丝神秘气息的灯光景观吸引着世人的目光。

但很少有人知道，在这梦幻般美景的背后，凝聚着河北人的智慧。

（1）"一个最有挑战性的项目"：特别建筑提供光影载体

“我最近也一直在回忆当时的情况：为什么一下子就看中了‘水立方’呢？”回忆起当时的情景，中国电子科技集团公司第十三研究所高级工程师朱晓东不由微笑起来。

2006年8月，科技部选派了包括朱晓东在内的4名专家，考察我国所有的奥运场馆建筑，看哪一座最适合使用LED照明———“十一五”初期，国家科技部专门就“半导体照明为国家大型工程服务”立项，而奥运比赛场馆，随后被作为这一项目的重点。而几乎就在看到水立方的钢架结构的同时，朱晓东就“感觉”到：就是它了！

与传统建筑的先立墙面，然后靠墙划分区域不同，水立方是一座典型的现代建筑，它用20000个杆件、10000个球做结点支撑，形成一个框架，然后大面积应用ETFE(聚乙烯-四氟乙烯共聚物)材料在整个建筑外部做了一个“壳”。

ETFE膜是一种透明膜，能为场馆内带来更多的自然光，水立方的内部是一个多层楼建筑，对称排列的大看台视野开阔，馆内乳白色的建筑与碧蓝的水池相映成趣。

而在设计理念上，建筑设计师为“方盒子”包裹上了一层建筑外皮，上面布满了酷似水分子结构的几何形状，表面覆盖的ETFE膜又赋予了建筑冰晶状的外貌，使其具有独特的视觉效果和感受，轮廓和外观变得柔和，水的神韵在建筑中得到了完美的体现。

“建筑的特殊性为我们的景观照明设计提供了良好载体。”朱晓东说出了选中水立方的第一个条件。

然而这是一个极具挑战性的项目。在世界范围内，LED还处于大规模实验当中，而膜建筑在世界范围内也只有德国安联体育场等少数几处，几乎没有可资借鉴的经验。

“让膜结构建筑使用LED景观照明，是一个极具挑战的课题。”朱晓东说，也正是如此，没有现成框架，没有定势，这一建筑为LED景观照明设计提供了足够的想象空间。

经过多次多方案论证，克服了建筑景观照明领域、大功率LED应用领域和LED分布式控制领域里程碑式的一个个技术难点，课题组最后决定采用空腔内透光的照明方式，在水立方的膜结构中装上LED灯，通过定制开发的一次、二次光学透镜，在不影响灯具整体光通量的情况下，对光束进行重新分布、整理。

针对这个工程，国家下达了863计划重大科研课题“国家游泳中心半导体照明规模化系统集成技术研究”项目。作为国内最早进行半导体照明研究的科研院所，也是唯一参加“水立方”半导体照明项目的专业所，十三所组织了两组、30余人的攻坚团队，在“水立方”景观照明项目中主持了LED光源及灯具、可靠性研究两个子课题，参与研究了景观照明技术、照明控制系统两个子课题，并承担了最后的质量检测任务。

（2）“一个‘误会’解决了大问题”：2000平方米实景屏展示比赛全景

“‘水立方’的灯光能使小鱼嬉戏水中。”这样的词汇屡见报端，然而，这条传说中的小鱼，究竟怎样才能在“水立方”这座大型建筑里轻松游弋呢？

这一看似轻松有趣的设计，足足花去了研究团队整整6个月的时间。

为了达到设计要求，大家先后设计、试验了多种方案，却始终无法得到理想的效果。“我们几乎把能够想到的办法都用过了，始终也无法解决问题。”朱晓东说，要用灯光做出一条鱼并不困难，难就难在必须要有物理景深，必须要让这条鱼看上去真是在水中嬉戏一样。

没有人想到，最终达到这一效果却是由于一次“误会”。

为了解决水立方照明用灯具问题，由十三所、北方工业大学、中国建筑设计研究院等科研院校组成的研究团队，向全国LED灯具生产商发布了一个邀请，谁料却有一家厂商“误会”了这一邀请的内容，提供了一个巨大的LED显示屏。

既然来了，那就试验一下吧，谁知道，用这张原来没人看好的显示屏，最终却真正模拟出了一条鱼在水中游动的效果：他们把这张显示屏放在ETFE墙后面十几厘米处，并让它显示“鱼”游动的模样，用墙上的灯光模拟出水的效果，这样一来，前面有灯，后面有屏，两者处于不同的层面，小鱼看上去就如同在水中自由游动。

现在，这张面积达2000平方米、中国最大的单体实景显示屏，就竖立在水立方的南面。

更重要的是，这张显示屏不仅仅解决了“鱼”如何游动的问题，在光影效果之外，十三所研究团队迅速发现了它的更大“妙用”。

“显示屏高20多米，长100多米。”朱晓东画了一张剖面图说，由于显示屏足够大，泳池的长度和显示屏的长度可以达成一致，当运动员在比赛时，屏幕可按照1：1的比例，实景显示奥运赛事———也就是说，人们在这面显示屏上看到的景象，完全与比赛现场一模一样。“这种场面，从来没有一个演示系统演示过。”朱晓东不无自豪地说。

（3）“一台5万平方米的大电视”：1600万种色彩再现真实世界

“水立方”建筑表现，是模拟水分子的集合体截面，在白天，这座建筑呈现淡蓝色，犹如海水般明净……但到夜间，水立方将呈现出变幻莫测的景象。

朱晓东提供了一批水立方效果图，这些图上的景观令人惊艳：深远的海水，春天里静静的湖面，晚霞中火红的水面等等，浓绿的森林……

这完全是灯光做出来的逼真效果。

朱晓东说，“水立方”景观照明系统由4万多个灯、10万个控制点、上百万个器件组成，每一个灯都是一个全色系统，利用二代互联网技术将这些灯集成为一个系统，用计算机控制各个灯发出的颜色、强度，表现出不同的效果。

然而这是一个无比巨大的工程。

灯泡的可靠性如何，会不会在关键时刻“掉链子”？如此众多的节点如何连接起来并加以有效控制？

即使在水立方工程完工之后，复杂的实验也一直没有停止。

目前，十三所开展的发光管加速寿命试验即将结束，其研发的LED光源寿命将达到5万小时。同时，景观照明的灯具也经过一次、二次光学设计，通过光学透镜使光投射到所需部位，集成了计算机、网络通讯、图像处理等技术，可纳秒级快速响应，瞬时场景变换，色彩丰富，最终能够表现出1600万种颜色。

“1600万色是一个什么概念？”朱晓东说，用这1600万色，水立方就完全可以模拟出真实世界中的一切，如果将电视转播信号连接到计算机上，四面墙加上顶部5万平方米的面积，就全部可以用来现场直播任何画面———“我们用灯光造了一台5万平方米的大电视！”朱晓东笑着说。

有了这台“大电视”，水立方将可以配合不同庆典事件的场合、季节转换及现场互动要求，呈现出丰富多彩的“表情”———不同的亮度、不同的颜色。动感水波也可以从海蓝色主题转变成其他色系，正如海水在不同时间段内可反射出不同色调的天光一样。

朱晓东举例说，比如奥运会开幕当天，广场上燃放烟花时，如果能够把信号接到水立方的灯光控制电脑上，那些绚丽的火花也将出现在“水立方”墙体上。到时候，人们在很远的地方，就可以通过水立方这台“大电视”收看到炫人眼目的壮丽景象。

“在中国所有LED应用范例里，‘水立方’是单体最大的建筑景观照明工程。而针对‘水立方’的膜建筑结构，它又是全世界最大的、在膜结构上用LED进行建筑照明的项目。”朱晓东说，有了这两点，作为一个科研机构，十三所应该感到自豪。