基于BIM中使用區域光效法的照度計算策略

傅軍棟，劉 武，李江輝

（華東交通大學電氣與自動化工程學院，江西 南昌 330013）

基于BIM中使用區域光效法的照度計算策略

傅軍棟，劉 武，李江輝

（華東交通大學電氣與自動化工程學院，江西 南昌 330013）

針對建筑信息模型（BIM）在建筑照度計算上所存在的缺陷，給出一種基于BIM中使用區域光效法的照度計算策略。首先利用房間屬性、區域光效法照度計算公式以及設計規范建立算法模型；然后通過使用實例對該算法進行有效性測試；最后在DIALux照明仿真軟件中搭建室內空間仿真模型，將其仿真出的照度值分別與區域光效算法和常用的利用系數法計算出的照度值相比較。仿真結果表明，與利用系數法相比，區域光效算法所計算出的照度值更接近仿真值、適應性強即可以計算出不同規則形狀房間的照度值、無需大量查表等特點，使其更好的解決BIM所存在的照度計算問題。

BIM；區域光效法；照度計算；DIALux；適應性強

BIM技術自提出以來，憑借其具有的三維設計、協同設計、建筑電氣耗能分析及管道碰撞檢查等優勢，一直成為電氣設計行業的研究熱點；特別是Autodesk Revit軟件的出現，將建筑電氣中的照明設計推向一個新的高度[1-5]。相比傳統二維、三維軟件，BIM具有保證各專業之間信息完整傳遞、碰撞檢查、設計精細化、可視化等優點[1-2]。英國內閣辦公室早在2011年5月就發布了“政府建設戰略”，規定到2016年所有公共建筑工程都要達到BIM二級標準；我國也已頒布有關BIM的國家標準有《中國BIM標準體系CBIMS框架》[2]。照度計算是整個照明設計的關鍵，計算時，同時要考慮所計算的照度值和功率密度值滿足設計要求，旨在為用戶提供一個良好的生活環境[6]。

文獻[7-8]通過Autodesk Revit得出空間照度分析表，并用已知的平均估算照度得出所需照明級別的照度差值，進一步核實房間的功率密度值是否滿足要求，極大的提高了設計效率，但所估算照度值與實際照度值相差較大。文獻[9]提出區域光效法計算室內的照度值，該文只是簡單提出這種計算方法，沒有進一步闡述其使用價值。文獻[10]針對利用系數法存在的計算結構類型單一即只能計算規則形狀房間的照度值、查表困難、計算繁瑣等缺陷，提出了基于模糊利用系數的照度計算法，此算法解決了利用系數查表困難、計算繁瑣等問題，但是使用模糊利用系數法所計算出的照度值與實際值相差很大。文獻[11]在常規利用系數法計算照度值和照明功率密度值比較繁瑣的情況下，提出簡化計算法。引出兩個新的物理量，有效光通量和模糊系數，分別由光通量、利用系數、維護系數和光效、利用系數、維護系數組合而成。設計過程中，通過查詢簡化計算表中的有效光通量和模糊系數求解照度值和功率密度值。雖然該算法過程簡捷、計算方便，但要通過查表得到所需要的利用系數值。文獻[12]提出基于MATLAB的RBF神經網絡的照度計算，相對于其他的照度計算方法，一定程度上減小了手工計算量，但不足之處在于訓練需要大量的樣本且樣本數都是通過利用系數法計算所得，計算結果不準確。文獻[13-14]使用DIALux照明軟件對建筑物照度值進行仿真計算，結果表明，照度值與實際值接近，因此對于建筑物照度值難以測定的情況，可以通過使用DIALux照明軟件對該建筑物照度值仿真計算；但該軟件算法封閉，用戶無法使用。以上各種方法，均不能在滿足照度計算適應性強、不需大量查表、計算準確度高的情況下提高設計效率。

本文提出基于BIM中使用區域光效法對建筑物進行照度計算的策略。該策略首先解決了BIM中存在的照度計算問題；其次該方法與利用系數法相比，適應性強即不同規則形狀的建筑都能計算出其照度值、無需大量查表和計算準確度高，進一步的提高了設計效率。

1 基于BIM技術照明設計

BIM用戶在照明設計的應用如圖1所示。

圖1 基于BIM的照明設計Fig.1 Lighting design based on BIM

從圖1可以看出，在BIM的照明設計中，首先按照照明設計規范先設定每個功能房間的照度標準值；其次選擇光源、鎮流器與燈具布置，布燈時，對照其相應的設計標準，如果不滿足要求，可以很方便的對設計進行適當調整，以滿足照度要求；然后進行照度計算和眩光值計算并驗算節能標準。

在照明計算中，創建空間照度明細表。設置項目參數照明級別，進行照度計算創建空間照度明細表和分析表，選擇相應的照明設備及確定其具體的位置，同時檢查是否滿足照度要求，利用明細表平均估算照度直接得出所需照明級別的照度差值，然后核實房間的功率密度值是否滿足要求，可以極大的提高設計效率，但所估算照度值與實際照度值相差較大[15-16]。

本文提出使用區域光效法通過綠色建筑可擴展的標記語言 （green building extensiblemarkup language，gbxML）與IFC（industry foundation classes）文件格式[17]導入BIM技術中，不僅可以提高設計效率，也解決了BIM所存在的照度計算問題。

2 算法模型建立

2.1 區域光效法計算原理

區域光效法，以照明環境為主導，把照明環境分為照明空間和地板空間，根據所提供的房間構造規則、燈具的數量和類型以及照明空間區域光效率來計算出房間照度值。圖2表示為照明區域的劃分。

圖2 照明區域劃分圖Fig.2 Division of the lighting region

在算法的實現過程中相關定義如下：

定義1 不同類型房間面積為

其中：A1為矩形房間面積，l為矩形房間長度，w為矩形房間寬度；A2為圓形房間面積，r為圓形

房間半徑；A3為橢圓形房間面積，a為橢圓形房間長半長，b為橢圓形房間短半長。

定義2 房間的照度值為

其中：ηt為照明空間總區域光效率；ητ為照明空間光效率；ηd為地板空間對入射光的回受能力；E為工作面平均照度，lx；N為燈具的個數；?0為光源額定光通量，lm；ητ為燈具數率；K1為配光系數；K2為形位系數；A為工作面面積，m2；K0為維護系數。由于燈具與光源的配光存在差異，照明空間與燈具不在形體中心的差異，引入配光系數K1和形位系數K2對區域光效率η?進行校正[9]。

定義3 房間的功率密度值為

其中：ω為房間內功率密度值；Pm為每個燈具的功率。

定義4 設計規范約束為

其中：EZ為標準照度值；ωZ功率密度現行值。

2.2 區域光效算法的基本步驟

步驟1）初始化參數：給定房間的長、寬和高，門窗尺寸及相應個數，照明空間各個面的反射率，設計標準值等參數。

步驟2）給定矩形、圓形和橢圓形三種類型房間及相應計算公式，按實際情況選擇房間類型。

步驟3）將燈具按照不同品牌進行分類，且每種品牌燈具按照功率大小進行排序，依次選擇燈具類型。

步驟4）根據區域光效法計算照度值并計算相應的功率密度值。

步驟5）如果所計算的照度值和功率密度值滿足設計規范，則輸出結果，主要包括房間照度值、功率密值、燈具型號以及個數；不滿足則返回步驟3。

實現區域光效算法的基本流程如圖 3所示。

圖3 區域光效算法的基本流程Fig.3 Flowchart of area lum inous efficacymethod

3 實例分析

3.1 實例數據

本文數據來源于某設計院所設計的辦公建筑，其房間形狀各異。本文所選用的主要有辦公室、控制室、檔案室等規則型矩形房間，以及不規則型圓形和橢圓形會議室。其基本參數值分別如表1和表2所示。

表1 規則型辦公建筑基本參數表Tab.1 Basic parameters of regular-shaped office building

表2 不規則型辦公建筑基本參數表Tab.2 Basic parameters of irregular-shaped office building

區域光效法以照明環境為主導，需要考慮頂棚、墻面、地板、門、窗等反射面對光效的影響。因此，除提供辦公建筑的基本參數外，還需該辦公建筑各個門、窗的參數，具體情況如表3所示。

表3 某辦公建筑的門窗基本參數表Tab.3 Basic parameters of doors and w indows for office building

根據《建筑照明設計標準》GB50034—2013[15]規定，建筑內各房間照明的照度標準值和功率密度值規定值以及各表面采用反射比應分別滿足如表4與表5所示。

表4 辦公空間照明規定值Tab.4 Lighting specified value in office space

表5 工作房間各表面反射比Tab.5 The reflectance of the surface of the operating room

3.2 計算結果

根據設計院所提供的基本參數數據以及需要滿足的照明設計規范，使用區域光效算法對房間內的照度值進行計算。設計中都采用統一燈具型號為PAK-TLW28W-865，光通量為2 600 lm，功率為28W，每個燈具都含有2個光源。其計算結果如表6所示。

表6 區域光效法計算照度值Tab.6 Area lum inous efficacymethod for calculation

根據上表可以得出，所求得的照度值不僅滿足該功能性房間的照度標準值的-10%～10%，同時還滿足其設計的功率密度值小于其現行值，符合照明設計標準[6]。

4 仿真分析

文獻[16-18]應用德國DIAL公司設計開發的DIALux軟件對建筑物照度值進行模擬仿真，該軟件可以根據建筑物的空間尺寸以及環境進行3D建模，內部有照度設計所需的燈具選型、布置及照度計算等功能。能在短時間內完成照明設計建模，并生成相應的仿真效果圖和照度計算報表。

為驗證本文所提出的基于BIM中使用區域光效法的照度計算策略，在 DIALux軟件中搭建辦公室空間仿真模型，然后將仿真結果值分別與區域光效法和利用系數法計算值進行對比。圖 4為其辦公室空間模型；表 7為相關的仿真參數。

圖4 辦公室空間模型Fig.4 O ffice spacemodel

表7 辦公室燈具使用情況表Tab.7 O ffice lighting lam p usage

通過使用DIALux照明軟件對辦公室1進行仿真，計算出其工作面的平均照度值279 lx；實際效能值為6.48W/m2。照度值與功率密度值都符合標準[6]。將DIALux仿真得出的各個房間的照度值與區域光效法和利用系數法計算出的照度值進行比較，對比情況如表8所示。

表8 計算值與仿真值比較Tab.8 Com parison between calculated values and simulation values

從上表可知，區域光效算法較利用系數法計算出的照度值與DIALux軟件仿真得出的照度值誤差率更小；同時可以看出利用系數法只能計算規則形狀的功能性房間的照度值，對于不規則型的房間照度值無法計算，而區域光效法的適應性更強，不僅適合矩形等規則型的功能性房間計算，還能計算出圓形和橢圓形等不規則型的功能性房間的照度值。因此，區域光效算法較利用系數法而言，不僅計算出的照度值更準確，且適用范圍更廣。

5 結論

本文所提出的基于BIM中使用區域光效法的照度計算策略有以下幾個優點：

1）實現BIM技術中的照度計算。本文提出的基于BIM中使用區域光效法的照度計算策略，彌補了BIM技術在建筑照明設計中照度計算的空白，進一步提高了BIM用戶的設計效率。

2）適應性強。本文所運用的計算方法比傳統的計算方法，使用的范圍更廣，不僅可以計算規則形狀房間的照度值，也能計算出不規則形狀房間照度值。

3）無需大量查表。與利用系數法相比，本文所運用的計算方法無需大量的查表，解決了利用系數法所存在的查表困難，計算繁瑣等問題。

4）準確度更高。由仿真結果可知，本文所運用的算法計算出的房間照度值相比利用系數法更準確。

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Illum ination Calculation Strategy w ith Area Lum inous Efficacy Based on BIM

Fu Jundong，Liu Wu，Li Jianghui
（School of Electrical and Automation Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Aiming at the defects of building informationmodeling（BIM）in architectural illumination calculation, this study proposes the illumination calculation strategy with area luminous efficacymethod based on BIM.Firstly,an algorithmmodel was established in accordance with the room property,illumination calculation formula and the design criterion.Secondly,themodel was validated by an instance.Finally,the indoor space simulationmodelwas constructed in the DIALux illumination simulation software,and then comparisonsweremade between the illumination value of the simulation and the illumination value calculated by the region optical efficiency algorithm and the frequently-used coefficientmethod respectively.The results show that compared with coefficientmethod,the illumination value calculated by area luminous efficacymethod（AIE）is closer to the simulation value.It is found that AIEhas strong adaptability to calculate the illumination values of the rooms in different shapeswith no need of checking large quantities of tables,thusmaking up for the deficiency of the illumination computation in BIM.

BIM；area luminous efficacymethod；illumination calculation；DIALux；strong adaptability

1005-0523（2017）05-0106-07

T P399

A

2017－05－09

傅軍棟（1972—），男，副教授，研究方向為電力系統、建筑電氣及智能化研究。

（責任編輯 姜紅貴）