特大型橋梁照明設計中異型構件模擬計算方法研究

嚴永紅,張俊富,陰 磊,3,李訓智,吳穹

(1.重慶大學建筑城規學院，重慶 400045；2.山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400030；3.招商局重慶交通科研設計院有限公司景觀與建筑工程分院，重慶 400067)

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特大型橋梁照明設計中異型構件模擬計算方法研究

嚴永紅1,2,張俊富1,2,陰 磊1,2,3,李訓智1,2,吳穹1,2

(1.重慶大學建筑城規學院，重慶 400045；2.山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400030；3.招商局重慶交通科研設計院有限公司景觀與建筑工程分院，重慶 400067)

通過深入解析相關照明設計規范，以重慶兩江大橋為例，對特大型橋梁大尺度異型構件DIAlux照明模擬計算中，如何進行恰當的計算分區、并根據測試點數量推定合理的計算網格進行了介紹；提出為保證照明質量，計算中應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；指出綜合運用功率密度值法、經驗法、軟件模擬法及現場實驗法，可顯著提高照明設計工作效率，并有效地減少設計值與實測數據間的誤差。

特大型橋梁；照明設計；計算誤差；測試點；照明質量

引言

隨著建造技術的進步，新型材料、新型結構形式的出現，使特大型橋梁的造型日漸豐富。為突出其標志性和唯一性，設計中常出現一些異型構件，這些構件尺度巨大、造型奇特，給照明設計帶來了挑戰。在實際工程中，常采用以下四種方法來確定異型構件照明的相關技術參數：

(1)功率密度估算法。即通過計算被照面的功率密度值來估算用燈功率[1][2]。這種方法的優點是便捷，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、眩光控制等參數的精確性。

(2)經驗法。根據設計師過往經驗來確定燈具功率、光束角、色溫等參數。此方法在通常情況下是行之有效的，但對于大部分設計師來講，由于特大型橋梁異型構件的尺度和形態少見，幾乎無經驗可循，因此，此法可操作性不強。

(3)現場實驗法。通過對構件重點部分進行照明實測，根據效果逐步調試用燈，直至滿足設計要求[3]。此法準確度最高，但對于工期普遍偏緊的特大型橋梁來說，往往實驗時照明電力系統尚未敷設完畢，需鋪設臨時線路，配備大量實驗用燈，現場配合工作量大，耗時長、成本高。

(4)軟件模擬法。借助照明設計軟件進行模擬計算，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/泛光角度等多項技術參數[4]。此法省時、省力，如掌握得好，可大大減少現場實驗的工作量。但對驗算者的經驗、對照明基礎理論的掌握有較高要求。

在上述四種方法中，利用DIAlux軟件[5]進行照明計算是目前最常用的方法。但在實際工程中，由于特大型橋梁構件超常的尺度會使計算與實測結果的誤差被成倍放大，因此，如設計人經驗不足，在關鍵參數設定上出現誤設，將導致照明設施選擇錯誤，給工程造成重大損失。在國內不少特大型橋梁的照明設計中已不止一次出現過這樣的問題。因此，如何減少設計值與實測數據間的誤差，一直是困擾設計者的一大難題[4][6]。

在重慶兩江大橋的照明優化設計中，通過深入解析相關技術規范，重點對DIAlux 4.12計算方法進行了改進，結果證明方法的改進顯著地提高了模擬計算的準確性。

1 工程概況

1.1 項目背景

重慶兩江大橋為東水門長江大橋、千廝門嘉陵江大橋的合稱，位于重慶市主城區兩江交匯處，其線路跨越了重慶兩江四岸三區，是重慶主城區最重要的特大型橋梁之一。東水門大橋為雙塔橋、千廝門大橋為單塔橋。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，獨特的水滴形曲面造型給照明設計帶來了挑戰。兩江大橋的景觀照明設計已由重慶交通科研設計院有限公司完成，考慮到此橋尺度巨大、形態特殊，且當時正在施工中，無法進行局部亮燈實驗。為避免設計出現大的偏差，特委托我院對原設計進行優化和驗算。

1.2 照明設計難點

兩江大橋照明設計意在表現主塔內環的“水滴”，原設計此處采用250W、400W金鹵燈進行投光照明。 設計難點在于既要保證主塔內環有足夠的亮度，還需避免燈光不規則溢散使主塔外環出現不可控光影，理想的照明效果是一個明亮的光環懸浮在江面上。設計需解決三個難題：

(1)考慮到燈具安裝易對橋梁結構安全性造成影響，因此，在橋梁建筑施工圖中，在橋面與塔身結合部位預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，要將光線準確限定在“水滴”狀弧面內，需經過非常精確的計算。

2 模擬計算優化

2.1 計算分區及網格設置優化

由于內環“水滴”尺度巨大，在進行DIAlux模擬計算時，要得到準確的模擬結果，首先必須解決兩個問題：一是被照面如何分區；二是計算網格如何布置。分區過大，會大大提高實際的照度水平；分區過細，則計算過于繁瑣。計算網格大小決定了計算點的數量，也會直接影響計算結果。在實際工程中，常因計算分區和網格設置的不合理，造成模擬計算結果與實測結果相距甚遠。

只有分區和網格設置合理、規范，才能保證計算的精度，采用了如下方法：

(1)計算分區。由于燈具安裝位置被局限在路面與主塔結合部位的預埋構件上，要將高度近108米的塔身均勻照亮既不現實也無必要。根據照明設計方案，路面以上主塔內、外環由上至下，照度應呈現由暗至明逐次遞增的效果。

據DB 50/T 234—2006《重慶市城市夜景照明技術規范》[7]條文說明第12.1.1條：“對造型不復雜的景物在高度方向劃分3～5段，每段的亮度測試點一般不少于9個，測點可采取均勻布置”的規定，結合主塔形體特點，將主塔橋身外環自上而下分為四個計算分區，即A1～A4區域，內環則分為三個區域(B1～B3)，見圖1。

圖1 主塔DIAlux計算分區Fig.1 DIAlux computational grid of main tower

(2)網格間距。我國現行城市夜景照明相關規范[7-9]未對室外建/構筑物立面照明計算間距(即DIAlux軟件的網格間距)做出明確規定。因此，在立面照明計算中，計算網格的設定較隨意，多直接選用DIAlux軟件缺省值，造成各計算分區的網格間距不一致，導致各分區計算結果缺乏可比性，影響結果的準確性。為解決這一問題，應確定合理的網格間距，并使各計算分區網格間距一致。

由于立面計算間距無明確規定，可參照GB/T 5700—2008《照明測試方法》第8.2條“測點應按設計要求選擇，測點間距可按計算間距的2倍考慮”[8]，先確定被照面各測點間距后，再推算出合理的DIAlux網格間距。

參照DB 50/T 234—2006《重慶市城市夜景照明技術規范》第12.1.2條對平面照度測點的規定：“廣場等大面積室外開放空間，測量可采取均勻布點方式，測試點的數量一般不少于20點/100m2”[7]。以塔尖A4區為例：計算面積為110m2，最少測試點應為22點，經DIAlux4.9計算，對應測點間距為2.8m×2.8m，計算間距應小于1.4m×1.4m。為便于計算，同時也保證計算結果有更高的精度，DIAlux網格間距取1m×1m(見圖2)，其他區域網格設置間距與A4區相同。

圖2 A4區DIAlux計算網格放大圖Fig.2 Enlarged DIAlux computational grid of A4 region

2.2 計算結果

(1)初始平均照度

根據優化后的計算分區及網格設置，對整個主塔被照面的初始平均照度Eav進行DIAlux4.12驗算，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范要求。

據JGJ/T 163—2008《城市夜景照明設計規范》表5.1.2“不同城市規模及環境區域建筑物泛光照明的照度和亮度標準值”[9]規定，兩江大橋所處環境區域為中等亮度環境區域(E3)，經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準值Em應為75lx。據DB 50/T 234—2006《重慶市城市夜景照明技術規范》，初始平均照度應由式(1)確定[7]：

Eav=K1×K2×K3×K4×Em

(1)

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

經計算，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K2=2.5(較清潔)；最佳觀測點距離主塔200m<250m，K3=1；投光照射距離>20m，K4=1.3。

經驗算，原方案(圖3)主塔初始平均照度僅為155lx，偏離規范建議值較遠。因此，應調整用燈，提高主塔整體照度。將主塔內側的400W金鹵燈調整為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 優化方案施工圖Fig.4 Construction drawing of the improved design

從分區平均照度比可看出，主塔外環明暗變化層次豐富，對比強烈，而內環照度分布較均勻。

表1 主塔各部位計算結果Table 1 Calculation results of main tower partitions

(2)照度均勻度

在室外照明模擬計算中，平均照度和照度均勻度是兩個最主要的指標。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；但景觀照明更為重要的是控制被照對象的亮度、明暗轉換及色彩關系，使其呈現出更好的藝術效果。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，投光燈具出光口附近易出現明顯光斑，使被照面明暗不均，影響照明效果。因此，應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區域最易出現此問題，應對上述二區域近燈具處的均勻度進行驗算。

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，經現場觀察分析，水平線上照度均勻度最不利處大體為A2、B2區域橋面以上3m處(圖5)。經計算求得A2區域此處的水平線方向照度均勻度(U2=Emin/Eav)為0.54，B2區域為0.48，均大于0.4，表明最不利均勻度在可接受范圍內。

圖5 A2、B2區距橋面3m處水平線照度計算點分布圖Fig.5 Illuminance calculation point distribution at 3m level from the bridge deck in A2,B2 region

(3)照明節能

據《重慶市城市夜景照明技術規范》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。經計算，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，在實際工程中，常出現特大型橋梁景觀照明功率密度值大大超標的情況。針對這一問題，對多種窄配光燈具進行了仔細的對比計算，挑選出滿足節能要求的燈具。

調整后的主塔照明總功率為19.5kW，實際功率密度值為11.7W/m2，與計算值接近，基本滿足規范要求。

3 效果驗證

竣工后進行現場數據實測，將測得數據與計算結果進行比對，是檢驗模擬計算準確度最好的方法。2014年3月27日晚9點，在所有燈具燃點2小時后，對主塔各部位亮度進行了測試。數據收集點選擇在最佳觀測點——濱江路景觀平臺處(距主塔約200米)，使用經校驗的彩色亮度計(EVERFINE BM-7)，天空背景亮度1.28cd/m2，采用中心布點法[8]測得主塔內、外環亮度值，并換算為照度。A1～A4區共測40個點，B1～B4區30個點，得出了每個區域的平均照度及A2、B2距橋面3m處水平均勻度，測得數值如表2所示：

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

表2 主塔各部位實測結果表Table 2 Test results of main town partitions

圖6 分區初始平均照度模擬計算值Fig.6 Simulation value of partition initial average illuminance

圖7 分區初始平均照度實測值Fig.7 Measured values of partition initial average illuminance

圖8 方案效果圖Fig.8 Rendering

圖9 實景照片1Fig.9 Photo 1

圖10 實景照片2Fig.10 Photo 2

4 結論

上述研究證明對特大型橋梁關鍵部位的景觀照明設計進行規范、嚴格的照明驗算和優化，是非常有必要的。通過該項目的驗算過程，可得出以下結論：

(1)在DIAlux 4.12模擬計算過程中，首先應根據方案要求進行合理的計算分區、確定最適宜的計算網格間距，并使所有計算分區的網格間距保持一致；

(2)對于特大型橋梁大尺度構件投/泛光照明來說，要保證照明質量，應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)在施工圖設計的不同階段，綜合運用功率密度值法、經驗法、軟件模擬法及現場實驗法，可有效提高工作效率、節省人力物力、保證實施效果；不應過度倚重單一手段來進行設計；

(4)應針對大型建、構筑物的泛/投光照明設計難點問題制定更為詳細的技術規定，進一步補充完善我國夜景照明設計標準。

[1] 胥正祥.照度(Eav)、照明功率密度(LPD)簡易計算法[J].智能建筑電氣技術，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] 嚴永紅，林桐，翟逸波，等.都市核心區舊建筑立面照明設計難點探討[J].照明工程學報，2014，25(3)：101-106.

[4] 趙忠超，楊維菊.建筑照明模擬軟件DIAlux的計算精度驗證[J].建筑與文化，2013(10)：63-64.

[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，2008[2008-11-26].http：//down6.zhulong.com/tech/detailprof5452700DQ.htm.

[6] 曹燕華，袁樵，鄭黎明.照度計算值與實測值的誤差成因研究[J].光源與照明，2012(2)：8-11.

[7] 重慶市質量技術監督局.DB 50/T234—2006重慶市城市夜景照明技術規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2007.

[8] 中華人民共和國國家質量監督檢驗總局，中國國家標準化管理委員會. GB/T 5700—2008照明測試方法. [S].北京：中國標準出版社，2009.

[9] 中華人民共和國住房與城鄉建設部.JGJ/T 163—2008城市夜景照明設計規范[S].北京：中國標準出版社，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

國家自然科學基金面上項目資助(51178483)

TM923

A

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