基于BIM建模的站房大空間照明設計節能研究

趙 樂

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處，西安 710043)

基于BIM建模的站房大空間照明設計節能研究

趙 樂

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處，西安 710043)

在高速鐵路站房大空間建筑電氣照明設計中，如何合理模擬燈光與環境及建筑結構間的連鎖關系是一項不可忽視的多模型復雜課題，特別在針對舒適度和節能有高要求的綠色生態建筑設計中。在實際BIM設計過程的基礎上，結合國內外軟件特點，研究BIM建模照明仿真計算并合理利用自然資源，實現模擬站房大空間光環境。前瞻性地利用BIM全生命周期特點從前期設計階段準確把握光環境效果、照明系統性能和運行情況，能夠在保證設計滿足規范標準的同時優化設計方案與實際使用舒適度，最終真正做到三維BIM一模多算整體設計，為站房照明與節能提供方案優化設計，并為BIM電氣設計未來深化推廣打下堅實理論依據與設計基礎。

鐵路客站;站房;照明;節能設計;BIM

1 概述

隨著能源消耗日益加重同時人們對健康舒適要求不斷提高，建筑照明設計合理化尤其如火車站房類大空間照明設計，在建筑后期長遠運營維護耗能中占很大部分，因此如何更好利用自然資源節約能源費用，同時合理設計照明光源參數，并保護人體健康獲得較高視覺功效，是大空間照明設計的重點與難點。

然而其中的自然采光設計一方面因其動態性、地域性等諸多不穩定因素致使設計難度加大，另一方面，大空間照明設計需與建筑結構系統相結合，僅憑經驗和傳統分析設計既耗時耗力又無法滿足準確性可靠性的要求，因此為優化方案結合不斷發展的計算機技術輔助設計在建筑業的應用研究［1］，可更好解決站房大空間照明綜合設計復雜性。

2 輔助設計軟件的分類與應用

現有的光環境模擬軟件主要沿兩條技術路線發展而來，一是以標準或技術文件中提供的計算方法或圖表進行相應計算分析;二是以計算機圖形學為基礎提高仿真模擬圖像渲染的質量和速度。目前國際上應用較多的光環境模擬軟件包括WINDOW 、Sunshine、Radiance、Rayfront、Lightscape 和 Daysim 等［2－3］。比較分析常用輔助設計軟件如表1所示。

表1 不同輔助軟件的比較分析

此類軟件雖都可分析計算光環境并能夠部分模擬仿真現實場景，但都因軟件與實際設計相對獨立操作，沒有統一的數字格式，不同應用方向仍需接口跨平臺多軟件互通，無法在設計時完成一體化分析，設計出圖易用性相對薄弱。

針對上述難點問題利用不斷深化發展的BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術，BIM是建筑全生命周期的參數化模型，具有多維性、多動態性的數據庫，縱向上包含多專業類型、模型屬性等信息，橫向上包含材料特性和數量等物理信息，空間上包含各專業空間組織關系［4］。利用由AUTODESK公司基于BIM的Revit可視化三維設計軟件，以CAD為基礎平臺，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計工作順利進行，同時能夠仿真分析空間照度和自然環境等重要參數，也同目前CAD平臺一樣具有良好的二次開發可擴展性。

3 BIM模型參數算法

3.1 AEI照度計算

利用Revit程序建立符合設計標準的燈具族庫模型，如圖1所示，設計照明設備及光源參數如表2所示［5］。

圖1 燈具族庫模型

表2 照明設備和光源參數

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

式中 L(i)——每個照明設備綜合貢獻流明值;

Area——空間面積;

Param——模型參數。

每個照明設備所貢獻的工作平面流明L(i)的計算公式為

式中 WL——工作平面的總流明;

II——初始亮度;

LLF——光損失系數;

CU——使用系數。

3.2 光損失系數計算

光損失系數(LLF)可測量燈光從光源發出后在傳播過程中的減少量。空間設置照明設備仿真時，燈光會在光源(燈或鎮流器)和照明設備(如燈罩或透鏡暗燈槽)中穿行，直到達到需要的工作平面為止［6-7］。在此過程中，傳播的光線數量將會根據光源、照明設備和其他環境因素逐漸減少，并逐漸變模糊。設計光損失系數及其參數如下式和表3所示。

表3 光損失系數參數

3.3 使用系數計算

確定每個設備使用系數(CU)的過程較為復雜。照明設備決定著其所處的空間。如果照明設備不在某個空間中，就不能確定CU值，該設備就不會對空間的AEI算法有所貢獻。CU值的確定要根據空間的反射屬性(天花板、墻和樓板)以及空間的房間空置率(RCR)來計算［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根據房間空置高度(RCH)和照明計算工作平面來計算，照明計算工作平面在Revit平臺中是每個空間實例的一個屬性。

房間空置高度(RCH)的計算公式為

RCH=LP－LCW

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

LCW——照明計算工作平面;

房間空置率(RCR)的計算公式為

RCR=2.5×RCH×P/A

式中 RCH——房間空置高度;

P——房間周長;

A——房間面積。

在手動確定使用系數時參考照明設備數據表，通過指定光域網文件來描述燈光亮度的分布狀況，體現光源亮度分布的三維表現形式［10］。IES光域網文件所描述的照明設備的部分數據見表4。

樓板反射、墻反射和天花板反射都是Revit空間實例的屬性，在pw相應列間做差值計算，可算出與其對應的CU值;在RCR相應行間做差值計算，可算出與其對應的CU值。

表4 光域網文件數據

針對站房大空間中有多個照明設備，則先根據每個照明設備的高度計算平均的房間空置率RCR，再計算每個設備實例的使用系數CU，綜合考慮每個設備的工作平面的總流明WL值，然后結合數字模型多種參數，利用AEI照度算法計算實際空間照明指標。

4 依托工程

西安至成都鐵路客運專線是國家鐵路網規劃中的重點項目，本研究依托工程阿房宮站房是西成客運專線中的重點大型站房之一，位于陜西省西安西咸新區，旅客聚集人數上千人，站房面積近5000㎡。通過建立阿房宮站房BIM三維1∶1建筑信息模型，在保證原二維CAD施工圖設計的同時，輸入所需已研究的相應大空間照明燈具模型及其綜合參數，并結合BIM平臺資源與環境信息系統GIS，獲取地理氣象信息進行存儲、管理、運算［11］，對站房大空間照明設計進行可視化模擬仿真研究。阿房宮站房BIM三維數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的基礎上，利用已研究建立220 V、70 W照明燈具族信息，包括尺寸、電氣規格、光域參數，具體可依據產品資料進行詳細調整。并將燈具族文件載入已建立阿房宮建筑Revit項目文件，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，如空間高度、面積、建筑材料色調等，結合燈具已有特性利用Revit平臺進行模擬仿真渲染工作。

5 模擬仿真

站房候車廳、進出站廳大空間設計照度200 lx，同時外墻大部分由玻璃幕墻覆蓋，自然采光充分，結合之前分析照明燈具BIM模型參數與阿房宮站房建筑模型、地理信息，利用研究AEI照度算法，同時設計參數定義高級渲染設置，如表5所示。

經仿真計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，真實地反映出空間光環境視覺效果。

表5 仿真渲染質量參數_

圖4 阿房宮站房大空間照明仿真模擬圖

可看出結合地理氣象信息及站房BIM數字模型1∶1仿真后，模擬出了大空間照明設計后的實際效果情況，不但依靠自然光及部分燈具照明可維護正常運營同時滿足規范要求，提高使用率和優化人眼舒適度，而且在能源使用方面也有很大優化空間。

6 結論

根據以上針對阿房宮站房大空間照明研究，在實際設計中含86套候車廳、進出站廳照明燈具，在站房全年正常運營維護中，按照年平均使用電費1元/度計算，全年僅因大空間照明用電便耗資約10萬余元，其中還不含折舊費、人工保養費等。而利用BIM數字模型仿真的站房大空間照明研究計算，僅一處大空間照明設計節能約36.5%，平均每年可節約人民幣4萬多元，有效降低了運營維護成本與資源浪費，若再結合地理氣象信息利用可再生能源，則能耗更可進一步減少。

BIM空間研究不僅能夠正常完成二維施工圖出圖要求，而且能結合燈具模型參數、地理氣象信息和站房大空間建筑信息模型進一步對原設計綜合化模擬仿真，更可結合智能傳感照明系統現場三維施工，及時調整方案完善設計，在保證設計滿足規范標準的同時優化設計方案與實際使用舒適度，從項目前期便可緊密結合能源消耗和可再生能源利用，真正做到三維BIM一模多算、一體化設計，為站房大空間建筑提供正常照明與節能減排優化方案設計研究。

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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(1987—)，男，工程師，2012年畢業于長安大學，工學碩士。