嚴(yán)永紅,張俊富,陰 磊,3,李訓(xùn)智,吳穹

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045；2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司景觀與建筑工程分院，重慶 400067)

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特大型橋梁照明設(shè)計(jì)中異型構(gòu)件模擬計(jì)算方法研究

嚴(yán)永紅1,2,張俊富1,2,陰 磊1,2,3,李訓(xùn)智1,2,吳穹1,2

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045；2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司景觀與建筑工程分院，重慶 400067)

通過深入解析相關(guān)照明設(shè)計(jì)規(guī)范，以重慶兩江大橋?yàn)槔瑢μ卮笮蜆蛄捍蟪叨犬愋蜆?gòu)件DIAlux照明模擬計(jì)算中，如何進(jìn)行恰當(dāng)?shù)挠?jì)算分區(qū)、并根據(jù)測試點(diǎn)數(shù)量推定合理的計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行了介紹；提出為保證照明質(zhì)量，計(jì)算中應(yīng)重視被照面最不利水平線上的照度均勻度，而非被照面整體均勻度或豎向照度均勻度；指出綜合運(yùn)用功率密度值法、經(jīng)驗(yàn)法、軟件模擬法及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)法，可顯著提高照明設(shè)計(jì)工作效率，并有效地減少設(shè)計(jì)值與實(shí)測數(shù)據(jù)間的誤差。

特大型橋梁；照明設(shè)計(jì)；計(jì)算誤差；測試點(diǎn)；照明質(zhì)量

引言

隨著建造技術(shù)的進(jìn)步，新型材料、新型結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)，使特大型橋梁的造型日漸豐富。為突出其標(biāo)志性和唯一性，設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)一些異型構(gòu)件，這些構(gòu)件尺度巨大、造型奇特，給照明設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。在實(shí)際工程中，常采用以下四種方法來確定異型構(gòu)件照明的相關(guān)技術(shù)參數(shù)：

(1)功率密度估算法。即通過計(jì)算被照面的功率密度值來估算用燈功率[1][2]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是便捷，可快速確定主要用燈的大致功率。但無法保證不同照明部位亮度分布的合理性，及燈具配光、眩光控制等參數(shù)的精確性。

(2)經(jīng)驗(yàn)法。根據(jù)設(shè)計(jì)師過往經(jīng)驗(yàn)來確定燈具功率、光束角、色溫等參數(shù)。此方法在通常情況下是行之有效的，但對于大部分設(shè)計(jì)師來講，由于特大型橋梁異型構(gòu)件的尺度和形態(tài)少見，幾乎無經(jīng)驗(yàn)可循，因此，此法可操作性不強(qiáng)。

(3)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)法。通過對構(gòu)件重點(diǎn)部分進(jìn)行照明實(shí)測，根據(jù)效果逐步調(diào)試用燈，直至滿足設(shè)計(jì)要求[3]。此法準(zhǔn)確度最高，但對于工期普遍偏緊的特大型橋梁來說，往往實(shí)驗(yàn)時照明電力系統(tǒng)尚未敷設(shè)完畢，需鋪設(shè)臨時線路，配備大量實(shí)驗(yàn)用燈，現(xiàn)場配合工作量大，耗時長、成本高。

(4)軟件模擬法。借助照明設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，可對比模擬不同方案的照明效果，推定燈具安裝位置、燈具功率、投/泛光角度等多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)[4]。此法省時、省力，如掌握得好，可大大減少現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的工作量。但對驗(yàn)算者的經(jīng)驗(yàn)、對照明基礎(chǔ)理論的掌握有較高要求。

在上述四種方法中，利用DIAlux軟件[5]進(jìn)行照明計(jì)算是目前最常用的方法。但在實(shí)際工程中，由于特大型橋梁構(gòu)件超常的尺度會使計(jì)算與實(shí)測結(jié)果的誤差被成倍放大，因此，如設(shè)計(jì)人經(jīng)驗(yàn)不足，在關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定上出現(xiàn)誤設(shè)，將導(dǎo)致照明設(shè)施選擇錯誤，給工程造成重大損失。在國內(nèi)不少特大型橋梁的照明設(shè)計(jì)中已不止一次出現(xiàn)過這樣的問題。因此，如何減少設(shè)計(jì)值與實(shí)測數(shù)據(jù)間的誤差，一直是困擾設(shè)計(jì)者的一大難題[4][6]。

在重慶兩江大橋的照明優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過深入解析相關(guān)技術(shù)規(guī)范，重點(diǎn)對DIAlux 4.12計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)果證明方法的改進(jìn)顯著地提高了模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目背景

重慶兩江大橋?yàn)闁|水門長江大橋、千廝門嘉陵江大橋的合稱，位于重慶市主城區(qū)兩江交匯處，其線路跨越了重慶兩江四岸三區(qū)，是重慶主城區(qū)最重要的特大型橋梁之一。東水門大橋?yàn)殡p塔橋、千廝門大橋?yàn)閱嗡?。兩橋均采用了單索面斜拉索體系和水滴型主塔造型，主塔高108m，獨(dú)特的水滴形曲面造型給照明設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。兩江大橋的景觀照明設(shè)計(jì)已由重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司完成，考慮到此橋尺度巨大、形態(tài)特殊，且當(dāng)時正在施工中，無法進(jìn)行局部亮燈實(shí)驗(yàn)。為避免設(shè)計(jì)出現(xiàn)大的偏差，特委托我院對原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)算。

1.2 照明設(shè)計(jì)難點(diǎn)

兩江大橋照明設(shè)計(jì)意在表現(xiàn)主塔內(nèi)環(huán)的“水滴”，原設(shè)計(jì)此處采用250W、400W金鹵燈進(jìn)行投光照明。 設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于既要保證主塔內(nèi)環(huán)有足夠的亮度，還需避免燈光不規(guī)則溢散使主塔外環(huán)出現(xiàn)不可控光影，理想的照明效果是一個明亮的光環(huán)懸浮在江面上。設(shè)計(jì)需解決三個難題：

(1)考慮到燈具安裝易對橋梁結(jié)構(gòu)安全性造成影響，因此，在橋梁建筑施工圖中，在橋面與塔身結(jié)合部位預(yù)留了有限的燈具安裝位置，其他部位不允許安裝；對燈具功率、光束角、及投光角度準(zhǔn)確性的要求大大提高。

(2)由于燈具安裝位置受限，為滿足塔尖照明需要，投光燈投射距離逾百米。如何解決主塔投光燈具出光口處亮度過高、光斑明顯的問題。

(3)如何將直線光束準(zhǔn)確地投射到“水滴”狀弧形曲面上，又不能造成光線的溢散和眩光；也就是說，要將光線準(zhǔn)確限定在“水滴”狀弧面內(nèi)，需經(jīng)過非常精確的計(jì)算。

2 模擬計(jì)算優(yōu)化

2.1 計(jì)算分區(qū)及網(wǎng)格設(shè)置優(yōu)化

由于內(nèi)環(huán)“水滴”尺度巨大，在進(jìn)行DIAlux模擬計(jì)算時，要得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，首先必須解決兩個問題：一是被照面如何分區(qū)；二是計(jì)算網(wǎng)格如何布置。分區(qū)過大，會大大提高實(shí)際的照度水平；分區(qū)過細(xì)，則計(jì)算過于繁瑣。計(jì)算網(wǎng)格大小決定了計(jì)算點(diǎn)的數(shù)量，也會直接影響計(jì)算結(jié)果。在實(shí)際工程中，常因計(jì)算分區(qū)和網(wǎng)格設(shè)置的不合理，造成模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相距甚遠(yuǎn)。

只有分區(qū)和網(wǎng)格設(shè)置合理、規(guī)范，才能保證計(jì)算的精度，采用了如下方法：

(1)計(jì)算分區(qū)。由于燈具安裝位置被局限在路面與主塔結(jié)合部位的預(yù)埋構(gòu)件上，要將高度近108米的塔身均勻照亮既不現(xiàn)實(shí)也無必要。根據(jù)照明設(shè)計(jì)方案，路面以上主塔內(nèi)、外環(huán)由上至下，照度應(yīng)呈現(xiàn)由暗至明逐次遞增的效果。

據(jù)DB 50/T 234—2006《重慶市城市夜景照明技術(shù)規(guī)范》[7]條文說明第12.1.1條：“對造型不復(fù)雜的景物在高度方向劃分3～5段，每段的亮度測試點(diǎn)一般不少于9個，測點(diǎn)可采取均勻布置”的規(guī)定，結(jié)合主塔形體特點(diǎn)，將主塔橋身外環(huán)自上而下分為四個計(jì)算分區(qū)，即A1～A4區(qū)域，內(nèi)環(huán)則分為三個區(qū)域(B1～B3)，見圖1。

圖1 主塔DIAlux計(jì)算分區(qū)Fig.1 DIAlux computational grid of main tower

(2)網(wǎng)格間距。我國現(xiàn)行城市夜景照明相關(guān)規(guī)范[7-9]未對室外建/構(gòu)筑物立面照明計(jì)算間距(即DIAlux軟件的網(wǎng)格間距)做出明確規(guī)定。因此，在立面照明計(jì)算中，計(jì)算網(wǎng)格的設(shè)定較隨意，多直接選用DIAlux軟件缺省值，造成各計(jì)算分區(qū)的網(wǎng)格間距不一致，導(dǎo)致各分區(qū)計(jì)算結(jié)果缺乏可比性，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。為解決這一問題，應(yīng)確定合理的網(wǎng)格間距，并使各計(jì)算分區(qū)網(wǎng)格間距一致。

由于立面計(jì)算間距無明確規(guī)定，可參照GB/T 5700—2008《照明測試方法》第8.2條“測點(diǎn)應(yīng)按設(shè)計(jì)要求選擇，測點(diǎn)間距可按計(jì)算間距的2倍考慮”[8]，先確定被照面各測點(diǎn)間距后，再推算出合理的DIAlux網(wǎng)格間距。

參照DB 50/T 234—2006《重慶市城市夜景照明技術(shù)規(guī)范》第12.1.2條對平面照度測點(diǎn)的規(guī)定：“廣場等大面積室外開放空間，測量可采取均勻布點(diǎn)方式，測試點(diǎn)的數(shù)量一般不少于20點(diǎn)/100m2”[7]。以塔尖A4區(qū)為例：計(jì)算面積為110m2，最少測試點(diǎn)應(yīng)為22點(diǎn)，經(jīng)DIAlux4.9計(jì)算，對應(yīng)測點(diǎn)間距為2.8m×2.8m，計(jì)算間距應(yīng)小于1.4m×1.4m。為便于計(jì)算，同時也保證計(jì)算結(jié)果有更高的精度，DIAlux網(wǎng)格間距取1m×1m(見圖2)，其他區(qū)域網(wǎng)格設(shè)置間距與A4區(qū)相同。

圖2 A4區(qū)DIAlux計(jì)算網(wǎng)格放大圖Fig.2 Enlarged DIAlux computational grid of A4 region

2.2 計(jì)算結(jié)果

(1)初始平均照度

根據(jù)優(yōu)化后的計(jì)算分區(qū)及網(wǎng)格設(shè)置，對整個主塔被照面的初始平均照度Eav進(jìn)行DIAlux4.12驗(yàn)算，以大體確定主塔整體照度水平、控制主塔用燈總功率是否滿足規(guī)范要求。

據(jù)JGJ/T 163—2008《城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.1.2“不同城市規(guī)模及環(huán)境區(qū)域建筑物泛光照明的照度和亮度標(biāo)準(zhǔn)值”[9]規(guī)定，兩江大橋所處環(huán)境區(qū)域?yàn)橹械攘炼拳h(huán)境區(qū)域(E3)，經(jīng)測定主塔表面中灰色材料反射比為0.34，因此，主塔維持平均照度標(biāo)準(zhǔn)值Em應(yīng)為75lx。據(jù)DB 50/T 234—2006《重慶市城市夜景照明技術(shù)規(guī)范》，初始平均照度應(yīng)由式(1)確定[7]：

Eav=K1×K2×K3×K4×Em

(1)

式中，K1為光源種類系數(shù)；K2為表面污染程度系數(shù)；K3為近地大氣對光的衰減影響系數(shù)；K4為被照距離修正系數(shù)；Em為維持平均照度。

經(jīng)計(jì)算，初始平均照度Eav=1.1×2.5×1×1.3×75=268.13lx。

注：主塔用燈為金鹵燈，K1=1.1；表面污染程度系數(shù)K2=2.5(較清潔)；最佳觀測點(diǎn)距離主塔200m<250m，K3=1；投光照射距離>20m，K4=1.3。

經(jīng)驗(yàn)算，原方案(圖3)主塔初始平均照度僅為155lx，偏離規(guī)范建議值較遠(yuǎn)。因此，應(yīng)調(diào)整用燈，提高主塔整體照度。將主塔內(nèi)側(cè)的400W金鹵燈調(diào)整為2000W和1000W后，主塔初始平均照度提升為230lx，接近理論值268.13lx(圖4)。功率替換后各分區(qū)初始平均照度值及照(亮)度比為見表1。

圖3 原方案施工圖Fig.3 Construction drawing of the primary design

圖4 優(yōu)化方案施工圖Fig.4 Construction drawing of the improved design

從分區(qū)平均照度比可看出，主塔外環(huán)明暗變化層次豐富，對比強(qiáng)烈，而內(nèi)環(huán)照度分布較均勻。

表1 主塔各部位計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of main tower partitions

(2)照度均勻度

在室外照明模擬計(jì)算中，平均照度和照度均勻度是兩個最主要的指標(biāo)。對于功能性照明來說，照度均勻度是一個重要的視覺評價指標(biāo)；但景觀照明更為重要的是控制被照對象的亮度、明暗轉(zhuǎn)換及色彩關(guān)系，使其呈現(xiàn)出更好的藝術(shù)效果。此時，被照面整體及豎向的照度均勻度反而并不那么重要了，但水平方向的照度均勻度卻會直接影響照明效果。

如前文所述，如燈具配光選擇不當(dāng)，投光燈具出光口附近易出現(xiàn)明顯光斑，使被照面明暗不均，影響照明效果。因此，應(yīng)保證被照面在水平線方向上有足夠的照度均勻度。從主塔燈具安裝位置來看，A2、B2區(qū)域最易出現(xiàn)此問題，應(yīng)對上述二區(qū)域近燈具處的均勻度進(jìn)行驗(yàn)算。

為避免對過往車輛造成眩光，主塔橋面以上燈具均安裝在2m高專用支架上，考慮觀看視點(diǎn)，經(jīng)現(xiàn)場觀察分析，水平線上照度均勻度最不利處大體為A2、B2區(qū)域橋面以上3m處(圖5)。經(jīng)計(jì)算求得A2區(qū)域此處的水平線方向照度均勻度(U2=Emin/Eav)為0.54，B2區(qū)域?yàn)?.48，均大于0.4，表明最不利均勻度在可接受范圍內(nèi)。

圖5 A2、B2區(qū)距橋面3m處水平線照度計(jì)算點(diǎn)分布圖Fig.5 Illuminance calculation point distribution at 3m level from the bridge deck in A2,B2 region

(3)照明節(jié)能

據(jù)《重慶市城市夜景照明技術(shù)規(guī)范》DB50/T 234—2006，功率密度估算值由式(2)確定[7]：

P=m×Eav

(2)式中，P為單位面積功率密度值，單位為W/m2；Eav為整個被照立面的初始平均照度，單位為lx；m為不同光源的修正系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，P=0.048×230=11.04 W/m2。

為滿足主塔上部照明要求，使用了多個窄配光投光燈具。盡管均為高效節(jié)能燈具，但由于窄配光燈具效率低于同功率中-寬配光燈具，因此，在實(shí)際工程中，常出現(xiàn)特大型橋梁景觀照明功率密度值大大超標(biāo)的情況。針對這一問題，對多種窄配光燈具進(jìn)行了仔細(xì)的對比計(jì)算，挑選出滿足節(jié)能要求的燈具。

調(diào)整后的主塔照明總功率為19.5kW，實(shí)際功率密度值為11.7W/m2，與計(jì)算值接近，基本滿足規(guī)范要求。

3 效果驗(yàn)證

竣工后進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)測，將測得數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對，是檢驗(yàn)?zāi)M計(jì)算準(zhǔn)確度最好的方法。2014年3月27日晚9點(diǎn)，在所有燈具燃點(diǎn)2小時后，對主塔各部位亮度進(jìn)行了測試。數(shù)據(jù)收集點(diǎn)選擇在最佳觀測點(diǎn)——濱江路景觀平臺處(距主塔約200米)，使用經(jīng)校驗(yàn)的彩色亮度計(jì)(EVERFINE BM-7)，天空背景亮度1.28cd/m2，采用中心布點(diǎn)法[8]測得主塔內(nèi)、外環(huán)亮度值，并換算為照度。A1～A4區(qū)共測40個點(diǎn)，B1～B4區(qū)30個點(diǎn)，得出了每個區(qū)域的平均照度及A2、B2距橋面3m處水平均勻度，測得數(shù)值如表2所示：

受橋身斜腹桿LED逸散光的影響，A1、B1區(qū)照度高于設(shè)計(jì)照度。相對照(亮)度比雖然與模擬計(jì)算值有出入，但仍然遵循了外環(huán)層次分明、內(nèi)環(huán)明亮均勻的原則，符合設(shè)計(jì)意圖；A2、B2距地3米處的水平均勻度實(shí)測值低于計(jì)算值，但高于0.4，滿足設(shè)計(jì)要求(見圖6～圖10)。

表2 主塔各部位實(shí)測結(jié)果表Table 2 Test results of main town partitions

圖6 分區(qū)初始平均照度模擬計(jì)算值Fig.6 Simulation value of partition initial average illuminance

圖7 分區(qū)初始平均照度實(shí)測值Fig.7 Measured values of partition initial average illuminance

圖8 方案效果圖Fig.8 Rendering

圖9 實(shí)景照片1Fig.9 Photo 1

圖10 實(shí)景照片2Fig.10 Photo 2

4 結(jié)論

上述研究證明對特大型橋梁關(guān)鍵部位的景觀照明設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范、嚴(yán)格的照明驗(yàn)算和優(yōu)化，是非常有必要的。通過該項(xiàng)目的驗(yàn)算過程，可得出以下結(jié)論：

(1)在DIAlux 4.12模擬計(jì)算過程中，首先應(yīng)根據(jù)方案要求進(jìn)行合理的計(jì)算分區(qū)、確定最適宜的計(jì)算網(wǎng)格間距，并使所有計(jì)算分區(qū)的網(wǎng)格間距保持一致；

(2)對于特大型橋梁大尺度構(gòu)件投/泛光照明來說，要保證照明質(zhì)量，應(yīng)重視被照面最不利水平線上的照度均勻度，而不是被照面整體均勻度或豎向照度均勻度；

(3)在施工圖設(shè)計(jì)的不同階段，綜合運(yùn)用功率密度值法、經(jīng)驗(yàn)法、軟件模擬法及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)法，可有效提高工作效率、節(jié)省人力物力、保證實(shí)施效果；不應(yīng)過度倚重單一手段來進(jìn)行設(shè)計(jì)；

(4)應(yīng)針對大型建、構(gòu)筑物的泛/投光照明設(shè)計(jì)難點(diǎn)問題制定更為詳細(xì)的技術(shù)規(guī)定，進(jìn)一步補(bǔ)充完善我國夜景照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 胥正祥.照度(Eav)、照明功率密度(LPD)簡易計(jì)算法[J].智能建筑電氣技術(shù)，2010(4)：10-15.

[2] 李炳華，李興林，董青，等.場地照明照明功率密度的研究[J].建筑電氣，2012(10)：7-14.

[3] 嚴(yán)永紅，林桐，翟逸波，等.都市核心區(qū)舊建筑立面照明設(shè)計(jì)難點(diǎn)探討[J].照明工程學(xué)報，2014，25(3)：101-106.

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[5] 德國DIAlux公司.DIAlux4.12版本中文使用手冊[M/OL].筑龍電氣工程網(wǎng)，2008[2008-11-26].http：//down6.zhulong.com/tech/detailprof5452700DQ.htm.

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[7] 重慶市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.DB 50/T234—2006重慶市城市夜景照明技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[8] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 5700—2008照明測試方法. [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[9] 中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ/T 163—2008城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

Research on Lighting Design Simulation Calculation Method for Special-shaped Components of Oversize Span Bridges

Yan Yonghong1,2, Zhang Junfu1,2, Yin Lei1,2,3, Li Xunzhi1,2,Wu Qiong1,2

(1.FacultyofArchitectureandUrbanPlanning，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China;2.KeyLabofMinistryofEducationforNewTechnologyofMountainousTowns，Chongqing400030，China;3.EnvironmentalEngineeringDepartment，ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.,Ltd.，Chongqing400067，China)

Through in-depth analysis of related lighting design specifications, taking Chongqing Two-river Bridge for example, the article introduced how to properly set the calculating partition and presume reasonable computational grid based on the number of test points in the DIAlux simulation computation on the large-scale special-shaped component of oversize span bridges. And it put forward that instead of overall illumination uniformity on the lighted surface or vertical illumination uniformity, the illumination uniformity of the most disadvantaged horizontal line on the lighted surface should be paid attention to during the calculation, in order to ensure the quality of lighting. And the thesis indicated that the integrated use of power density value method, empirical method, software simulation method and field experiment, could significantly improve the efficiency of lighting design, and effectively reduce the error between measured data and design value.

oversize span bridges; lighting design; calculation error; measurement point; light quality

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助(51178483)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.012