雷鳴，杜默，鄭騰鯤

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430056）

1 概述

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，大型夜景照明工程已成為提升城市形象、打造城市名片的重要技術(shù)手段之一。城市橋梁，尤其是大型公鐵兩用橋梁，無疑是夜景亮化的絕佳載體，一個匯集了創(chuàng)意方案、優(yōu)秀設計的公鐵橋梁亮化工程不僅能滿足市民的精神文化需求，甚至還能有效地繁榮夜游經(jīng)濟。

但愈加復雜的亮化設計勢必會帶來愈加難以控制的光污染問題，其危害在相關(guān)文獻[1]、[2]中有全面的總結(jié)，而對于公鐵橋而言，保證鐵路面的安穩(wěn)運行，是包括光污梁控制在內(nèi)的各系統(tǒng)的首要任務。本文接下來以某公鐵兩用桁架橋的夜景照明設計為例，討論了常規(guī)照明設計和燈具布置對鐵路面光污染的產(chǎn)生，利用仿真軟件（DIALux）結(jié)合相關(guān)規(guī)范，對特定照明區(qū)域進行了定量的分析評價，最后，作了簡要總結(jié)，并給出了一些設計注意事項。

2 某項目公鐵兩用大橋夜景照明設計簡介

該項目為上層4 線鐵路、下層6 車道公路的公鐵橋。主橋跨度布置為：(116+120+336+120+116)=808m，其中，336m的主拱采用雙層橋面鋼箱系桿拱橋，120m 和116m 的邊拱采用雙層橋面混凝土簡支系桿拱橋，鐵路在上層，公路在下層。大橋夜景照明設計范圍包括主橋引橋的公路及鐵路兩層，主要亮化部位包括主拱拱身、桿件、正橋側(cè)身輪廓以及橋墩墩身；結(jié)合大橋結(jié)構(gòu)特點，重點在主副拱面以及兩層橋身輪廓，整體燈具布置效果如圖1 所示。

圖1 夜景照明效果示意

該項目夜景照明設計之初便考慮了眩光問題，在下層機動車道及上層鐵路軌道一定程度的凈空范圍內(nèi)不直接設置物理光源，嚴格限制其他位置發(fā)光源的投射方向等常規(guī)手段。但鋼桁架橋體構(gòu)造復雜，難免會有溢出光和反射光。因此，在設計流程中，有必要對光污染情況進行測算分析，以及時反饋到設計端調(diào)整，從而確保鐵路運營安全。因本文僅關(guān)注夜景照明對鐵路運行的影響，因此，將分析范圍縮小到鐵路層主跨段，尤其是主拱躍出鐵路面的區(qū)域，該位置的燈具選型及布置方式見圖2。

圖2 橋夜景照明燈具布置示意

取上述區(qū)域進行物理建模，這里鋼結(jié)構(gòu)形式較為復雜且離鐵路面與主拱距離近，三處燈具（吊桿外側(cè)、主拱外側(cè)以及橫撐端頭）光源產(chǎn)生的直射光、溢出光及鋼結(jié)構(gòu)反射光等污染源威脅大，屬最不利的照明環(huán)境。

3 主要位置燈具照射形式

在進行光污染分析前，先在既定方案前提下進行照度/亮度模擬。模擬計算選擇的燈具仿真參數(shù)（以功率為主）多略高于設計值，因此，模擬的燈光照度/亮度值也會略大于實際值，確保仿真結(jié)果的有效性。計算得到的整體照度偽色圖如圖3。

圖3 分析區(qū)域照度仿真?zhèn)紊珗D

各受照面照度分布如表1 所示。

可見，各受照面平均照度維持值約在70 ～150lx，如按城市規(guī)模及環(huán)境區(qū)域劃分原則，城市公鐵橋址一般位于E3或E4 區(qū)，則該模擬結(jié)果滿足城市夜景照明規(guī)范要求的照度限值；從經(jīng)驗上看，一般暗環(huán)境區(qū)域的構(gòu)筑面平均照度值不應低于50lx，因此，即便考慮到受照面表面實際較低的反射比，依然可以認為，模擬在照度標準上是滿足要求的。4 個典型受照面的總照度均勻度有差異，滿足效果期望。

表1 分析區(qū)域典型受照面照度仿真結(jié)果

4 光污染影響分析

接下來分析光污染對鐵路運行的影響，其中眩光限制閾值增量（TI）針對機車駕駛員的評價指標。在本例中，TI 對應列車司機行駛通過時的眩光限制閾值增量，Ev 對應列車乘客車廂窗戶的外表面垂直照度最大允許值，Icd 對應亮化燈具對車廂內(nèi)乘客方向的發(fā)光強度的最大允許值，Lb 可以看作典型受照面的平均亮度最大允許值，Ls 為標識面發(fā)光體的平均亮度最大允許值，LA0.5對應車廂乘客目視的眩光限制值。上述指標中，閾值增量TI 是失能眩光的度量，表示為存在眩光源時，為了達到同樣看清物體的目的，在物體及其背景之間的亮度對比所需要增加的百分比。因為TI 是針對道路照明對機動車駕駛員的眩光影響評價體系，而鐵路橋梁夜景亮化并非是為列車行駛所提供的專業(yè)照明，且列車實際并不需要額外功能照明，因此，我們認為閾值增量TI 評價在這里并不適用，將其替換為室外照明的GR 評價法更為合理。除此之外，Icd 針對的是每個能持續(xù)看到的燈具，瞬時或短時間看到的燈具不在此例，而列車通過大橋主跨的時間只有不到10 秒（時速約120km/h），故Icd 可不考慮，與此類似，Ev、LA0.5皆不作考慮；最后，本例中未用標識面發(fā)光體（外發(fā)光燈具），因此，最終僅需分析GR 以及Lb 兩個指標。

4.1 典型受照面的平均亮度最大允許值Lb 分析

亮度計算可按漫反射公式由照度值、反射比換算，公式為：

L=dΦ2/(dA×PI)=ρ×E/PI

其中，參數(shù)ρ 為照面反射比，參數(shù)E 為平均照度。由于受照面材質(zhì)實際由鋼材的涂裝層決定，結(jié)合橋梁涂裝體系，參照《城市夜景照明設計規(guī)范》，受照面1、2、3 為孔雀藍氟碳面漆，反射比定為0.25，受照面4 為冰灰色氟碳面漆，反射比定為較高的0.6，則典型受照面平均亮度計算結(jié)果如表2。

表2 分析區(qū)域典型受照面亮度計算結(jié)果 cd/m2

從結(jié)果來看，盡管某些受照面局部存在過大的照度分布（受照面1、2），但因表面涂裝反射比較低，計算亮度依然滿足規(guī)范要求中的E3、E4 區(qū)標準，符合大型橋梁項目的亮化定位。

4.2 室外照明的眩光指數(shù)GR

GR 法雖多用于體育場地眩光評價，但其應用條件中，“視線方向低于眼睛高度”“到的背景是被照場地”等與本文應用場景幾乎一致，因此采用該法的理論是依據(jù)充分。

室外照明眩光指數(shù)GR，其計算公式為：

GR=27+24Log(Lv1/Lve0.9)

其中，Lv1 為室外照明燈光在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生的光幕亮度；Lve 為室外照明的背景在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生的光幕亮度。

利用DIALux 軟件，在模型中建立GR 評價計算點，我們在模型中列車駕駛員平視平面每間隔約10 米左右設置一個計算點，且包含中間及邊側(cè)兩個軌道，如此較為完整的覆蓋了列車行經(jīng)鐵路面時司機眼睛所處的各個位置，如圖4 所示。

表3 GR 評價點計算結(jié)果

圖4 GR 評價點選取及其位置分布示意

眩光的GR 指數(shù)評價中，一般以50 為評價紅線，高于50被認為對視覺有較大干擾且不應被接受，而在本例仿真中，第12 點計算結(jié)果超限，且6、10、11 點結(jié)果也逼近紅線。

以第12 點為例分析（如圖5），經(jīng)觀察可知，該點距橫撐亮化面最近，光線情況最復雜，但外露的布燈方式會將部分直射光泄漏至12 點位置，而且很可能是GR 超標主因。于是，我們在對距離最近的兩處光源加遮光處理后再次進行仿真，結(jié)果顯示GR 指標大幅減少到25，可以認為，基本消除了眩光的有害視覺影響。以此類推，其他計算點同樣可以用遮光的方法降低GR 指標。

圖5 加遮光體后重新計算過程示意

這說明，光源的直射光依然是影響橋梁夜景照明眩光評價的重點，無論是實驗中的遮光處理，抑或針對燈具的隱藏安裝，均是從光路上控制眩光的重要手段。

5 結(jié)語

盡管光污染作為夜景照明的副產(chǎn)物是不可避免的，但經(jīng)過合理的計算分析、細致的設計調(diào)整，可以做到將光污染的影響降到最低，實現(xiàn)不錯的照明效果。在大型公鐵橋梁夜景照明設計中，應注意以下幾點：盡量不要在重點安全區(qū)域設置危險光源；設計過程中，應盡可能對列車司機目視區(qū)域的光源做好遮光處理；對于復雜結(jié)構(gòu)環(huán)境，建議在設計時采用仿真計算，以便發(fā)現(xiàn)設計疏漏；在土建設計時，預留燈具及其管線的隱藏式安裝條件。

最后，本文分析仍有許多不足，且仿真計算及相關(guān)規(guī)范評價方法要求也非絕對，如亮度的計算僅為漫反射條件下，而雨后的受照面則可能具有鏡面反射性質(zhì)，目前，并無合適的評價方法；受照面反射系數(shù)也非固定不變，它會隨涂裝的老損發(fā)生改變；眩光由不舒適眩光到失能眩光的視覺閾限、作用機理仍在不斷研究和完善中，缺少更為標準化的理論成果；影響鐵路安全運行不僅要考慮光污染，還要注意燈具的防墜落等問題。上述問題需要結(jié)合工程實際情況給予重視并酌情調(diào)整。