CN109487943A - 一种自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统 - Google Patents

Abstract

一种自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统，包括穹顶主体、光照系统、蓄水减重系统和投影系统，光照系统包括采光装置和灯光装置，采光装置包括开设在穹顶主体的顶部的若干个采光孔，灯光装置包括若干个圆周式均布在采光孔内周的安装孔、以及安装在安装孔内的彩灯；采光孔下方嵌设有蓄水减重系统，蓄水减重系统包括若干个中空夹层的蓄水装置，蓄水装置设有进水口和出水口，相邻蓄水装置通过软管相连；蓄水装置与供水装置连通，且其进水口、出水口分别与供水泵和排水泵连通，蓄水装置的中心孔内设有投影系统。该穹顶系统可以安全稳定地提供全天候的照明需求，蓄水减重系统降低了穹顶的承重负荷，便于投影系统形成仿静动态的投影效果，采用彩绘转轮投影，便于低成本更换不同的水晶宫主题图案。

Description

一种自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统

技术领域

本发明涉及灯光投影设计领域，特别是动态彩绘灯光投影设计，尤其是涉及一种自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统。

背景技术

目前，我国大跨度的穹顶结构的建筑越来越受设计师的青睐，穹顶结构给予室内人员宽敞舒适的感觉，而传统穹顶的美化设计主要通过在穹顶装饰各种灯具，通过灯光颜色，灯光的排列等手段营造各种视觉灯光效果，但该方法局限于光源的单调性和穹顶承重局限性，往往无法满足一些建筑的穹顶美观要求，也不足以满足不同功能性建筑的需求，且不能充分利用自然采光。

采光设计是穹顶水晶宫关键，直接通过灯具照射方式适用于比较正式的场所，对于比较商业性的场所，如游乐园，为满足一定的主题，在穹顶上布置相应的主题背景是市场趋势，相对于直接在穹顶喷涂主题背景或张贴装饰灯手段，自然采光投影主题技术更加方便美观。

其次，穹顶结构添加装饰设计的困难之一还在于穹顶的承重局限性，尤其对于大跨度的穹顶结构，由于无法承重过大，穹顶无法承受太高负荷的设计因此，急需提供一种质量轻便的投影装置，便于用于大跨度的水晶宫穹顶内大面积的投影光影。

因此，本发明突破传统的直照式的灯光穹顶设计，为穹顶结构建筑提供了更加丰富多彩的选择，市场需求高，应用前景广阔。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、穹顶承重较小，观影动态效果良好、安全稳定的自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统，满足不同功能建筑的穹顶美观要求，同时为解决自然采光不稳定，充分利用当地自然采光资源难度大的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统，包括穹顶主体、光照系统、蓄水减重系统和投影系统，所述光照系统包括采光装置和灯光装置，所述采光装置包括开设在穹顶主体的顶部的若干个采光孔，所述灯光装置包括若干个圆周式均布在采光孔内周的安装孔、以及安装在安装孔内的彩灯；所述采光孔下方嵌设有蓄水减重系统，所述蓄水减重系统包括若干个中空夹层的蓄水装置，蓄水装置设有进水口和出水口，相邻蓄水装置通过软管相连；蓄水装置与供水装置连通，且其进水口、出水口分别与供水泵和排水泵连通，所述蓄水装置的中心孔内设有投影系统。

所述灯光装置由数个主彩灯和副彩灯组成，所述主彩灯和副彩灯交替、圆周均布在采光孔外侧；所述主彩灯由电力系统提供电源，所述副彩灯由蓄电池提供电源，进而确保灯光装置的安全稳定运行，使光照系统满足穹顶采光的光照需求。

根据采光孔内太阳光的直射光照强度高低，选择是采用单独的采光装置或者采光装置和灯光装置同时开启，进而条件穹顶的光照强度，如白天日照充足时，自然光通过采光装置中的采光孔进入穹顶，通过蓄水减重系统中淡蓝色透明的蓄水后会发生折射、反射，再散射为较为柔和的光线，且由于蓄水装置中的水体本身的流动，光线投射后具有光影晃动的效果。

在夜间或者外界阳光的光照强度不足时，通过开启采光孔周围的灯光装置，根据光线的强弱可调节灯光装置中开启的彩灯数量，保证照明要求。

当电力系统供电出现故障或电力系统供电的主彩灯全部开启，光照强度仍然不能满足要求时，则可以人工或通过控制器开启副彩灯，确保穹顶对光照的需求。因此，通过自然光与灯光光照系统的耦合，不仅保证了充足的光线照明，还将较为强烈的自然光散射为较为柔和的散射光。

由于蓄水装置为中空夹层的结构，蓄水减重系统还可以减小穹顶的承重压力，当出现紧急情况时，可以关闭供水泵，全部开启排水泵，使蓄水减重系统内的水快速排出，进而减小穹顶的承重压力。

所述穹顶系统还包括安全维护系统，所述安全维护系统包括安全丝网、应急快速排水断电开关和防爆网，所述安全丝网铺设在穹顶主体的底部，所述应急快速排水断电开关与控制器电连接，所述应急快速排水断电开关与投影系统的驱动电机、供水泵、排水泵电连接；所述防爆网固定在安装孔的下端面，使灯光装置的彩灯位于防爆网和穹顶之间，避免彩灯在使用时发生爆炸，彩灯采用低电压彩灯。

所述采光孔的孔径≥100mm，相邻采光孔之间的间距≥采光孔孔径的2倍；优选，所述采光孔的孔径为300~800mm，相邻采光孔之间的间距为1500~2000mm。

采光孔的孔径和相邻采光孔之间的间距根据穹顶所处地的天气工况（即全年的光照强度变化范围）和建筑物的采光需求进行确定。

所述穹顶系统还包括光照强度测量仪，所述光照强度测量仪与控制器连接，并安装在采光孔内，并向控制器发送采光孔内实时的光照强度，控制器根据光照强度，调节供水泵和排水泵的开度以及灯光装置中的主彩灯、副彩灯的开关，进而调节蓄水装置内的蓄水量和穹顶的光照强度。

所述投影系统包括蒙版区域透光转轮和隔水箱，所述隔水箱安装在蓄水装置的中心孔内，所述蒙版区域透光转轮安装在隔水箱内，并与低电压驱动电机（如24V低压驱动电机）连接。

所述蒙版区域透光转轮包括不透明的上固定部和可透光且由多幅彩绘拼接组成的下转动部，下转动部与上固定部轴接，且下转动部相对固定部可低速转动，下转动部的转动速度为5r/s~20r/s。

本发明一种自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统的有益效果：

充分利用自然采光，且光照柔和稳定，通过灯光装置对采光装置的互补，实现对穹顶安全稳定、全天候的照明需求，大跨度水晶宫穹顶系统的光照不再受天气、时间等外界因素的干扰，稳定性良好。

蓄水减重系统可以在意外紧急情况或水晶宫停运时，将蓄水装置内的水快速排空，降低了穹顶的承重压力，显著降低了穹顶的承重负荷，且独立蓄水装置设进出水口，便于清洗和蓄水装置内水流流速的调控，便于投影系统形成仿静动态的投影效果。

投影系统中的蒙版区域透光转轮通过隔水箱支持，24V低电压驱动，提供了投影系统的安全性；且蒙版区域透光转轮可以模拟不同的投影形状，形成仿静动态海洋生物投影效果，蒙版区域透光转轮可拆卸式地安装在隔水箱内，便于低成本更换不同的水晶宫主题图案，转轮采用彩绘投影，能为穹顶添加丰富多彩的投影色彩。

光照强度测量仪通过对采光孔的光照强度进行检测，控制器接收到光照强度测量仪的检测信号，再根据设定值，对供水泵和排水泵的开度以及灯光装置中的主彩灯、副彩灯的开关进行调节，实现对蓄水减重系统中蓄水厚度的自动化控制调节，且确保了水晶宫穹顶的光照效果。

穹顶主体底部设安全丝网，在不影响投影效果的前提下降低系统故障等安全隐患，可以实现对采光孔内蓄水减重系统和投影系统的防爆防坠落；以及在灯光装置的安装孔出设防爆网，实现灯光装置与蓄水装置的隔离，起到防水漏电作用；应急快速排水断电开关，可以对蓄水减重系统内的水快速排水，降低了穹顶的承重压力，显著降低了穹顶的承重负荷；隔水箱实现转轮的水电隔离安装，以及采用低电压驱动转轮和低电压彩灯，实现防水、防漏电及防爆等安全性保护。

附图说明

图1—为一种自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统的结构示意图；

图2—为一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统的工作原理图；

图3—为一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统的光照系统的工作原理图；

图4—为实施例2中一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统的结构示意图；

图5—为实施例3中一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

下面以长沙市某建筑穹顶结构为例，详细说明本发明的大跨度穹顶彩灯水晶宫系统设计如下。

参照图1：一种自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统，包括穹顶主体、光照系统、蓄水减重系统和投影系统，所述光照系统包括采光装置和灯光装置，所述采光装置包括开设在穹顶主体的顶部的若干个采光孔，所述灯光装置包括若干个圆周式均布在采光孔内周的安装孔、以及安装在安装孔内的彩灯；所述采光孔下方嵌设有蓄水减重系统，所述蓄水减重系统包括若干个中空夹层的蓄水装置，蓄水装置设有进水口和出水口，相邻蓄水装置通过软管相连；蓄水装置与供水装置连通，且其进水口、出水口分别与供水泵和排水泵连通，所述蓄水装置的中心孔内设有投影系统。

根据采光孔内太阳光的直射光照强度高低，选择是采用单独的采光装置或者采光装置和灯光装置同时开启，进而条件穹顶的光照强度，如白天日照充足时，自然光通过采光装置中的采光孔进入穹顶，通过蓄水减重系统中淡蓝色透明的蓄水后会发生折射、反射，再散射为较为柔和的光线，且由于蓄水装置中的水体本身的流动，光线投射后具有光影晃动的效果。

在夜间或者外界阳光的光照强度不足时，通过开启采光孔周围的灯光装置，根据光线的强弱可调节灯光装置中开启的彩灯数量，保证照明要求。因此，通过自然光与灯光光照系统的耦合，不仅保证了充足的光线照明，还将较为强烈的自然光散射为较为柔和的散射光。

由于蓄水装置为中空夹层的结构，蓄水减重系统还可以减小穹顶的承重压力，当出现紧急情况时，可以关闭供水泵，全部开启排水泵，使蓄水减重系统内的水快速排出，进而减小穹顶的承重压力。

所述穹顶系统还包括安全维护系统，所述安全维护系统包括安全丝网、应急快速排水断电开关和防爆网，所述安全丝网铺设在穹顶主体的底部，所述应急快速排水断电开关与控制器电连接，所述应急快速排水断电开关与投影系统的驱动电机、供水泵、排水泵电连接；所述防爆网固定在安装孔的下端面，使灯光装置的彩灯位于防爆网和穹顶之间，避免彩灯在使用时发生爆炸，彩灯采用低电压彩灯。

根据大跨度穹顶的力学结构特性，计算出承重节点的安全距离与对应的承重上限。如穹顶主体为400m²的椭圆穹顶结构，承重节点间的安全间距在1.5-2.5m，承重上限为4kg-6kg。

采光孔的孔径和相邻采光孔之间的间距根据穹顶所处地的天气工况（即全年的光照强度变化范围）和建筑物的采光需求进行确定；再根据采光孔内太阳光的直射光照强度高低，为实现稳定且充足的自然采光，根据长沙市气候特点，以最不利天气工况选择自然采光孔大小与间距，综合建筑采光需求，采用直径为300mm的圆形采光孔，自然采光孔间距为1500mm，采光孔的内周均布有6盏24V，25W彩灯，10-20mm，外壁蓄水厚度为20-40mm。

所述投影系统包括蒙版区域透光转轮和隔水箱，所述隔水箱安装在蓄水装置的中心孔内，所述蒙版区域透光转轮安装在隔水箱内，并与低电压驱动电机（如24V低压驱动电机）连接。

所述蒙版区域透光转轮包括不透明的上固定部和可透光且由多幅彩绘拼接组成的下转动部，下转动部与上固定部轴接，且下转动部相对固定部可低速转动，下转动部的转动速度为5r/s~20r/s。

实施例2

与实施例1相比，本实施例的全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统，存在以下不同：

参照图4，所述灯光装置由数个主彩灯和副彩灯组成，所述主彩灯和副彩灯交替、圆周均布在采光孔外侧；所述主彩灯由电力系统提供电源，所述副彩灯由蓄电池提供电源，进而确保灯光装置的安全稳定运行，使光照系统满足穹顶采光的光照需求。

在夜间或者外界阳光的光照强度不足时，则通过开启蓄水池周围的灯光装置，根据光线的强弱可调节灯光装置中开启的灯光数量，保证照明要求。当电力系统供电出现故障或电力系统供电的主彩灯全部开启，光照强度仍然不能满足要求时，则可以人工或通过控制器开启副彩灯，确保穹顶对光照的需求。因此，通过自然光与灯光光照系统的耦合，不仅保证了充足的光线照明，还将较为强烈的自然光散射为较为柔和的散射光。

实施例3

与实施例1相比，本实施例的全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统，存在以下不同：

参照图5，所述穹顶系统还包括光照强度测量仪，所述光照强度测量仪与控制器连接，并安装在采光孔内，并向控制器发送采光孔内实时的光照强度，控制器根据光照强度，调节供水泵和排水泵的开度以及灯光装置中的彩灯的开关，进而调节蓄水装置内的蓄水量和穹顶的光照强度。

实施例4

与实施例1相比，本实施例的全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统，存在以下不同：

参照图4，所述灯光装置由数个主彩灯和副彩灯组成，所述主彩灯和副彩灯交替、圆周均布在采光孔外侧；所述主彩灯由电力系统提供电源，所述副彩灯由蓄电池提供电源，进而确保灯光装置的安全稳定运行，使光照系统满足穹顶采光的光照需求。

所述穹顶系统还包括光照强度测量仪，所述光照强度测量仪与控制器连接，并安装在采光孔内，并向控制器发送采光孔内实时的光照强度，控制器根据光照强度，调节供水泵和排水泵的开度以及灯光装置中的主彩灯、副彩灯的开关，进而调节蓄水装置内的蓄水量和穹顶的光照强度。

实施例3和实施例4中的全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统，控制器通过接收光照强度测量仪检测的自然光的强度，和穹顶光照强度的设定值进行比较分析，再想供水泵、排水泵以及彩灯的开启开关发送控制指令，实现对蓄水装置内蓄水量和彩灯开关的自动化调节，确保穹顶的光照强度满足需求。

根据穹顶所处地的天气工况（即全年的光照强度变化范围）和建筑物的采光需求进行确定采光孔的孔径和相邻采光孔之间的间距，采光孔的孔径还可以为100mm、200mm、300mm、450mm、600mm或800mm，相邻采光孔之间的间距还可以为1000 mm、1200 mm、1350 mm、1600 mm、1800 mm或2000mm；以上技术特征的改变，本领域的技术人员通过文字描述可以理解并实施，故不再另作附图加以说明。

Claims (8)

1.一种自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统，其特征在于，包括穹顶主体、光照系统、蓄水减重系统和投影系统，所述光照系统包括采光装置和灯光装置，所述采光装置包括开设在穹顶主体的顶部的若干个采光孔，所述灯光装置包括若干个圆周式均布在采光孔内周的安装孔、以及安装在安装孔内的彩灯；所述采光孔下方嵌设有蓄水减重系统，所述蓄水减重系统包括若干个中空夹层的蓄水装置，蓄水装置设有进水口和出水口，相邻蓄水装置通过软管相连；蓄水装置与供水装置连通，且其进水口、出水口分别与供水泵和排水泵连通，所述蓄水装置的中心孔内设有投影系统。

2.如权利要求1所述自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统，其特征在于，所述灯光装置由数个主彩灯和副彩灯组成，所述主彩灯和副彩灯交替、圆周均布在采光孔外侧；所述主彩灯由电力系统提供电源，所述副彩灯由蓄电池提供电源。

3.如权利要求1或2所述自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统，其特征在于，所述穹顶系统还包括安全维护系统，所述安全维护系统包括安全丝网、应急快速排水断电开关和防爆网，所述安全丝网铺设在穹顶主体的底部，所述应急快速排水断电开关与控制器电连接，所述应急快速排水断电开关与投影系统的驱动电机、供水泵、排水泵电连接；所述防爆网固定在安装孔的下端面，使灯光装置的彩灯位于防爆网和穹顶之间。

4.如权利要求1或2所述自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统，其特征在于，所述采光孔的孔径≥100mm，相邻采光孔之间的间距≥采光孔孔径的2倍。

5.如权利要求4所述自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统，其特征在于，所述采光孔的孔径为300~800mm，相邻采光孔之间的间距为1500~2000mm。

6.如权利要求1或2所述自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统，其特征在于，所述穹顶系统还包括光照强度测量仪，所述光照强度测量仪与控制器连接，并安装在采光孔内，并向控制器发送采光孔内实时的光照强度，控制器根据光照强度，调节供水泵和排水泵的开度以及灯光装置中的主彩灯、副彩灯的开关。

7.如权利要求1或2所述自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统，其特征在于，所述投影系统包括蒙版区域透光转轮和隔水箱，所述隔水箱安装在蓄水装置的中心孔内，所述蒙版区域透光转轮安装在隔水箱内，并与低电压驱动电机连接。

8.如权利要求7所述自然采光与彩灯耦合的大跨度水晶宫穹顶系统，其特征在于，所述蒙版区域透光转轮包括不透明的上固定部和可透光且由多幅彩绘拼接组成的下转动部，下转动部与上固定部轴接，且下转动部相对固定部可低速转动，下转动部的转动速度为5r/s~20r/s。