趙 樂(lè)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化處，西安 710043)

基于BIM建模的站房大空間照明設(shè)計(jì)節(jié)能研究

趙 樂(lè)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化處，西安 710043)

在高速鐵路站房大空間建筑電氣照明設(shè)計(jì)中，如何合理模擬燈光與環(huán)境及建筑結(jié)構(gòu)間的連鎖關(guān)系是一項(xiàng)不可忽視的多模型復(fù)雜課題，特別在針對(duì)舒適度和節(jié)能有高要求的綠色生態(tài)建筑設(shè)計(jì)中。在實(shí)際BIM設(shè)計(jì)過(guò)程的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外軟件特點(diǎn)，研究BIM建模照明仿真計(jì)算并合理利用自然資源，實(shí)現(xiàn)模擬站房大空間光環(huán)境。前瞻性地利用BIM全生命周期特點(diǎn)從前期設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確把握光環(huán)境效果、照明系統(tǒng)性能和運(yùn)行情況，能夠在保證設(shè)計(jì)滿(mǎn)足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與實(shí)際使用舒適度，最終真正做到三維BIM一模多算整體設(shè)計(jì)，為站房照明與節(jié)能提供方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，并為BIM電氣設(shè)計(jì)未來(lái)深化推廣打下堅(jiān)實(shí)理論依據(jù)與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

鐵路客站;站房;照明;節(jié)能設(shè)計(jì);BIM

1 概述

隨著能源消耗日益加重同時(shí)人們對(duì)健康舒適要求不斷提高，建筑照明設(shè)計(jì)合理化尤其如火車(chē)站房類(lèi)大空間照明設(shè)計(jì)，在建筑后期長(zhǎng)遠(yuǎn)運(yùn)營(yíng)維護(hù)耗能中占很大部分，因此如何更好利用自然資源節(jié)約能源費(fèi)用，同時(shí)合理設(shè)計(jì)照明光源參數(shù)，并保護(hù)人體健康獲得較高視覺(jué)功效，是大空間照明設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

然而其中的自然采光設(shè)計(jì)一方面因其動(dòng)態(tài)性、地域性等諸多不穩(wěn)定因素致使設(shè)計(jì)難度加大，另一方面，大空間照明設(shè)計(jì)需與建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相結(jié)合，僅憑經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)分析設(shè)計(jì)既耗時(shí)耗力又無(wú)法滿(mǎn)足準(zhǔn)確性可靠性的要求，因此為優(yōu)化方案結(jié)合不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助設(shè)計(jì)在建筑業(yè)的應(yīng)用研究［1］，可更好解決站房大空間照明綜合設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

2 輔助設(shè)計(jì)軟件的分類(lèi)與應(yīng)用

現(xiàn)有的光環(huán)境模擬軟件主要沿兩條技術(shù)路線發(fā)展而來(lái)，一是以標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)文件中提供的計(jì)算方法或圖表進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算分析;二是以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)提高仿真模擬圖像渲染的質(zhì)量和速度。目前國(guó)際上應(yīng)用較多的光環(huán)境模擬軟件包括WINDOW 、Sunshine、Radiance、Rayfront、Lightscape 和 Daysim 等［2－3］。比較分析常用輔助設(shè)計(jì)軟件如表1所示。

表1 不同輔助軟件的比較分析

此類(lèi)軟件雖都可分析計(jì)算光環(huán)境并能夠部分模擬仿真現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，但都因軟件與實(shí)際設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立操作，沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)字格式，不同應(yīng)用方向仍需接口跨平臺(tái)多軟件互通，無(wú)法在設(shè)計(jì)時(shí)完成一體化分析，設(shè)計(jì)出圖易用性相對(duì)薄弱。

針對(duì)上述難點(diǎn)問(wèn)題利用不斷深化發(fā)展的BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術(shù)，BIM是建筑全生命周期的參數(shù)化模型，具有多維性、多動(dòng)態(tài)性的數(shù)據(jù)庫(kù)，縱向上包含多專(zhuān)業(yè)類(lèi)型、模型屬性等信息，橫向上包含材料特性和數(shù)量等物理信息，空間上包含各專(zhuān)業(yè)空間組織關(guān)系［4］。利用由AUTODESK公司基于BIM的Revit可視化三維設(shè)計(jì)軟件，以CAD為基礎(chǔ)平臺(tái)，可輸出目前CAD同樣的二維施工圖紙，保證原有站房大空間照明正常設(shè)計(jì)工作順利進(jìn)行，同時(shí)能夠仿真分析空間照度和自然環(huán)境等重要參數(shù)，也同目前CAD平臺(tái)一樣具有良好的二次開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展性。

3 BIM模型參數(shù)算法

3.1 AEI照度計(jì)算

利用Revit程序建立符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的燈具族庫(kù)模型，如圖1所示，設(shè)計(jì)照明設(shè)備及光源參數(shù)如表2所示［5］。

圖1 燈具族庫(kù)模型

表2 照明設(shè)備和光源參數(shù)

輸入照明燈具族參數(shù)，結(jié)合光域網(wǎng)IES文件定義燈具空間具體光源亮度分布表現(xiàn)形式，利用AEI平均照度算法如下式所示，計(jì)算空間工作面照度。

式中 L(i)——每個(gè)照明設(shè)備綜合貢獻(xiàn)流明值;

Area——空間面積;

Param——模型參數(shù)。

每個(gè)照明設(shè)備所貢獻(xiàn)的工作平面流明L(i)的計(jì)算公式為

式中 WL——工作平面的總流明;

II——初始亮度;

LLF——光損失系數(shù);

CU——使用系數(shù)。

3.2 光損失系數(shù)計(jì)算

光損失系數(shù)(LLF)可測(cè)量燈光從光源發(fā)出后在傳播過(guò)程中的減少量?？臻g設(shè)置照明設(shè)備仿真時(shí)，燈光會(huì)在光源(燈或鎮(zhèn)流器)和照明設(shè)備(如燈罩或透鏡暗燈槽)中穿行，直到達(dá)到需要的工作平面為止［6-7］。在此過(guò)程中，傳播的光線數(shù)量將會(huì)根據(jù)光源、照明設(shè)備和其他環(huán)境因素逐漸減少，并逐漸變模糊。設(shè)計(jì)光損失系數(shù)及其參數(shù)如下式和表3所示。

表3 光損失系數(shù)參數(shù)

3.3 使用系數(shù)計(jì)算

確定每個(gè)設(shè)備使用系數(shù)(CU)的過(guò)程較為復(fù)雜。照明設(shè)備決定著其所處的空間。如果照明設(shè)備不在某個(gè)空間中，就不能確定CU值，該設(shè)備就不會(huì)對(duì)空間的AEI算法有所貢獻(xiàn)。CU值的確定要根據(jù)空間的反射屬性(天花板、墻和樓板)以及空間的房間空置率(RCR)來(lái)計(jì)算［8-9］。

CU={Pf，Pc，Pw，RCR}

式中 Pf——空間樓板反射率;

Pc——空間天花板反射率;

Pw——空間墻反射率;

RCR——房間空置率。

RCR根據(jù)房間空置高度(RCH)和照明計(jì)算工作平面來(lái)計(jì)算，照明計(jì)算工作平面在Revit平臺(tái)中是每個(gè)空間實(shí)例的一個(gè)屬性。

房間空置高度(RCH)的計(jì)算公式為

RCH=LP－LCW

式中 LP——照明計(jì)算光源平面(空間光源的高度)，如果存在多個(gè)不同高度的光源，則使用最低高度;

LCW——照明計(jì)算工作平面;

房間空置率(RCR)的計(jì)算公式為

RCR=2.5×RCH×P/A

式中 RCH——房間空置高度;

P——房間周長(zhǎng);

A——房間面積。

在手動(dòng)確定使用系數(shù)時(shí)參考照明設(shè)備數(shù)據(jù)表，通過(guò)指定光域網(wǎng)文件來(lái)描述燈光亮度的分布狀況，體現(xiàn)光源亮度分布的三維表現(xiàn)形式［10］。IES光域網(wǎng)文件所描述的照明設(shè)備的部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表4。

樓板反射、墻反射和天花板反射都是Revit空間實(shí)例的屬性，在pw相應(yīng)列間做差值計(jì)算，可算出與其對(duì)應(yīng)的CU值;在RCR相應(yīng)行間做差值計(jì)算，可算出與其對(duì)應(yīng)的CU值。

表4 光域網(wǎng)文件數(shù)據(jù)

針對(duì)站房大空間中有多個(gè)照明設(shè)備，則先根據(jù)每個(gè)照明設(shè)備的高度計(jì)算平均的房間空置率RCR，再計(jì)算每個(gè)設(shè)備實(shí)例的使用系數(shù)CU，綜合考慮每個(gè)設(shè)備的工作平面的總流明WL值，然后結(jié)合數(shù)字模型多種參數(shù)，利用AEI照度算法計(jì)算實(shí)際空間照明指標(biāo)。

4 依托工程

西安至成都鐵路客運(yùn)專(zhuān)線是國(guó)家鐵路網(wǎng)規(guī)劃中的重點(diǎn)項(xiàng)目，本研究依托工程阿房宮站房是西成客運(yùn)專(zhuān)線中的重點(diǎn)大型站房之一，位于陜西省西安西咸新區(qū)，旅客聚集人數(shù)上千人，站房面積近5000㎡。通過(guò)建立阿房宮站房BIM三維1∶1建筑信息模型，在保證原二維CAD施工圖設(shè)計(jì)的同時(shí)，輸入所需已研究的相應(yīng)大空間照明燈具模型及其綜合參數(shù)，并結(jié)合BIM平臺(tái)資源與環(huán)境信息系統(tǒng)GIS，獲取地理氣象信息進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、運(yùn)算［11］，對(duì)站房大空間照明設(shè)計(jì)進(jìn)行可視化模擬仿真研究。阿房宮站房BIM三維數(shù)字模型和地理氣象信息模型如圖2、圖3所示。

圖2 BIM三維數(shù)字模型

圖3 站房地理氣象信息模型

在已輸入地理信息及氣象參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用已研究建立220 V、70 W照明燈具族信息，包括尺寸、電氣規(guī)格、光域參數(shù)，具體可依據(jù)產(chǎn)品資料進(jìn)行詳細(xì)調(diào)整。并將燈具族文件載入已建立阿房宮建筑Revit項(xiàng)目文件，獲取空間空置率RCR所需樓板、天花板、墻面等建筑模型信息參數(shù)，如空間高度、面積、建筑材料色調(diào)等，結(jié)合燈具已有特性利用Revit平臺(tái)進(jìn)行模擬仿真渲染工作。

5 模擬仿真

站房候車(chē)廳、進(jìn)出站廳大空間設(shè)計(jì)照度200 lx，同時(shí)外墻大部分由玻璃幕墻覆蓋，自然采光充分，結(jié)合之前分析照明燈具BIM模型參數(shù)與阿房宮站房建筑模型、地理信息，利用研究AEI照度算法，同時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)定義高級(jí)渲染設(shè)置，如表5所示。

經(jīng)仿真計(jì)算及效果圖綜合模擬，輸出阿房宮站房大空間照明仿真如圖4所示，真實(shí)地反映出空間光環(huán)境視覺(jué)效果。

表5 仿真渲染質(zhì)量參數(shù)_

圖4 阿房宮站房大空間照明仿真模擬圖

可看出結(jié)合地理氣象信息及站房BIM數(shù)字模型1∶1仿真后，模擬出了大空間照明設(shè)計(jì)后的實(shí)際效果情況，不但依靠自然光及部分燈具照明可維護(hù)正常運(yùn)營(yíng)同時(shí)滿(mǎn)足規(guī)范要求，提高使用率和優(yōu)化人眼舒適度，而且在能源使用方面也有很大優(yōu)化空間。

6 結(jié)論

根據(jù)以上針對(duì)阿房宮站房大空間照明研究，在實(shí)際設(shè)計(jì)中含86套候車(chē)廳、進(jìn)出站廳照明燈具，在站房全年正常運(yùn)營(yíng)維護(hù)中，按照年平均使用電費(fèi)1元/度計(jì)算，全年僅因大空間照明用電便耗資約10萬(wàn)余元，其中還不含折舊費(fèi)、人工保養(yǎng)費(fèi)等。而利用BIM數(shù)字模型仿真的站房大空間照明研究計(jì)算，僅一處大空間照明設(shè)計(jì)節(jié)能約36.5%，平均每年可節(jié)約人民幣4萬(wàn)多元，有效降低了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本與資源浪費(fèi)，若再結(jié)合地理氣象信息利用可再生能源，則能耗更可進(jìn)一步減少。

BIM空間研究不僅能夠正常完成二維施工圖出圖要求，而且能結(jié)合燈具模型參數(shù)、地理氣象信息和站房大空間建筑信息模型進(jìn)一步對(duì)原設(shè)計(jì)綜合化模擬仿真，更可結(jié)合智能傳感照明系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)三維施工，及時(shí)調(diào)整方案完善設(shè)計(jì)，在保證設(shè)計(jì)滿(mǎn)足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與實(shí)際使用舒適度，從項(xiàng)目前期便可緊密結(jié)合能源消耗和可再生能源利用，真正做到三維BIM一模多算、一體化設(shè)計(jì)，為站房大空間建筑提供正常照明與節(jié)能減排優(yōu)化方案設(shè)計(jì)研究。

［1］ 何關(guān)培．BIM在建筑業(yè)的位置、評(píng)價(jià)體系及可能應(yīng)用［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(1):12-15．

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Research of Energy-saving Illumination Design for Large Space of Station Building Based on BIM Modeling

Zhao Le

(Electrification Engineering Department of China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an 710043，China)

In the design of illumination for large space of high-speed railway station，it is a multi-model complex subject to simulate the interlocking relationship among the lighting，the and the building structure，especially in the environment-friendly ecological building design with high requirements for comfort and energy efficiency．Based on actual building electrical design engineering，combined with the characteristics of the domestic and foreign software，a study is conducted on the calculation of BIM modeling illumination simulation and the use of natural resources so as to fulfill the simulation of light environment of large space station building．Using the properties of the BIM life cycle from the early design stage to accurately grasp the light environment effect with performance and operation of the lighting system makes it possible to meet the need of standards and optimize design scheme and actual comfort．As a consequence，a truly integrated design of 3D BIM model with one model and multi calculation can be realized to provide optimal design of station building illumination and energy-saving and lay a foundation for BIM electrical design and its future application．

Railway passenger station;Station building;Illumination;Energy-saving design;BIM

TU248.1

A

10．13238/j．issn．1004 －2954．2014．10．026

1004-2954(2014)10-0109-04

2013-12-19;

2014-01-26

趙 樂(lè)(1987—)，男，工程師，2012年畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)，工學(xué)碩士。