BIM在公路隧道照明節能中的應用探討

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

一、引言

隨著我國高速公路建設向西部山區推進，公路隧道的應用也越來越廣泛，根據交通運輸部發布的《2016年交通運輸行業發展統計公報》顯示，截止2016年底，中國公路隧道為15181處、14039.7Km，比2015年分別增加了1175處、1355.8Km。綠色交通正成為交通運輸發展的趨勢，成為交通發展的關鍵詞。而公路隧道由于其特殊的封閉構造形式和獨特的行車環境，在隧道內一般設有通風、照明、消防、監控等機電設施，這是公路隧道最主要的運營能耗單元，其中以通風、照明設施消耗電能最多。同時，照明系統的技術狀況也是影響隧道內行車安全的關鍵所在。如何使照明設計在滿足行車舒適性和安全性的前提下，還滿足綠色環保、節能減排的要求顯得格外重要。

二、BIM概述

BIM全稱建筑信息模型(Building Information Modeling)是以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，是工程項目實體和功能特性的數字化表達。工程師在利用BIM軟件進行三維設計創建的模型已經包含了大量的設計信息，包括集合信息，材料性能，構件屬性等，只需將建筑模型導入到模擬軟件就能得到模擬結果。建筑模擬是指對建筑環境與系統的整體性能進行模擬分析的方法。其主要包括建筑能耗模擬，建筑環境模擬(氣流模擬、光照模擬、污染物模擬)和建筑系統仿真。BIM技術的推廣應用在設計質量和效率方面都得到了十分顯著的提高，進一步推動我國建筑行業綠色、節能和數字化的發展。

三、BIM在建筑節能設計中的應用

(一)參數化設計

在Revit軟件上建立的BIM建筑模型，包含的信息表現形式多種多樣，比如明細表、三維視圖和二維視圖等。如果對模型某項參數進行修改，那么軟件本身附帶的引擎不僅可以對明細表、視圖和平面等多種信息進行修改，還能實時更新各類數據，從而確保設計的準確，并且保證設計的效率。

(二)協同設計作用

建筑設計往往需要多個專業領域相互配合，僅僅按照傳統的設計方法是很難實現不同專業相互銜接的。利用BIM建筑模型，為建筑項目提供一個完整的反映建筑物各個階段所包含的各種信息的平臺，從而就可以實現不同專業在同一平臺上的協同設計，大大減少設計的復雜程度，提高設計效率。

(三)可視化設計

利用BIM技術建立的三維模型，能夠將原來抽象的平面問題轉化為直觀的三維問題，從而避免傳統設計在二維平面上的局限性。BIM技術建立的是一個包含了各種各樣信息的整體模型，這樣就可以去掉局部模型修改的工作，任何修改工作都可以直接在模型中完成，降低設計工作的繁瑣程度。

(四)節能設計

BIM技術在建筑能耗模擬分析中的應用能夠更加全面、直觀的對建筑的性能進行分析。還能實現對建筑特定區域進行分析，因為對于一個特定區域的能耗不僅僅與建筑面積相關，也會受到建筑材料的影響，從而對能耗模擬分析的結果進行細化。

四、BIM在公路隧道照明節能中的應用

(一)公路隧道照明基本特征

隧道照明的主要目的是形成舒適、安全、高效、經濟的隧道照明環境，保證駕駛員任何時候經過隧道時的視覺舒適度，進而實現安全行駛。公路隧道照明系統設計包括確定隧道照明分段、照明指標、光源、燈具等，各因素均影響照明系統規模和運營能耗。因此，設計時需合理設置照明系統規模，從源頭上解決系統規模大、初期投資高、運營能耗大的問題。

(二)BIM在建筑照明技術的應用

1.建筑照明設計

BIM的核心建模軟件(BIM Authoring Software)是BIM產生和發展的前提，它是其余軟件與BIM進行不同程度的信息交換提供平臺。照明設計中常用的一款軟件是AGI32，它通過Revit的插件Elumtools來實現與BIM的交互。ElumTools通過讀取Revit中的區域及組件，以及材質，并對這些區域進行燈具管理，最后計算得出交互式的可視化模擬照明場景及照度計算結果。

圖1 ElumTools典型的工作流程

2.建筑照明能耗分析

相比于傳統的能耗模擬而言，BIM技術不僅僅在建筑的概念設計階段開始參與設計，還參與到了建筑的全生命周期中。分析軟件選擇Ecotect Analysis，它具有強大的模擬和分析功能，無論建筑物多么復雜，它都可以通過太陽照射時間和角度、遮擋情況、建筑物的照明等因素，對建筑物進行能耗模擬，從而優化設計方案，滿足建筑節能的要求。

圖2 BIM技術能耗分析流程

(三)BIM在公路隧道照明節能中應用

綠色照明的設計工作相對于普通的照明設計工作來說較為復雜，通常需要考慮更多影響建筑照明的因素，包括不同的氣候條件下、不同的時間段內太陽光的角度等，而這些均可以通過BIM信息技術進行模擬分析。設計出貼合隧道照明曲線的照明控制系統不僅可減少“黑洞現象”、“白洞現象”等隧道特有的不良現象對行車安全所帶來的影響，還能有效改善駕駛者在行駛過程中由隧道特殊的行車環境所帶來的壓抑感。更重要的是，可以最大限度地發揮LED光源固有的優勢，在提高隧道照明質量的同時減少電能消耗。

1.照明燈具的數量和布置

利用BIM在建筑照明設計中的應用，首先可以根據隧道本身的具體情況，比如方位走向、長度、曲度、材料反射等，通過在BIM中進行模擬照明場景及照度計算來確定照明燈具數量并合理布置。同時還可以結合照明方法上的改進措施，比如采用反光器、二次配光技術等，通過在模擬照明場景中的可視化具體化呈現，能夠更加全面、直觀的進行照明設計。

2.照明燈具的亮度和分級

隧道照明系統以《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)為依據，以洞外亮度、車流量、車速為基礎提供按需照明亮度。要把隧道內各段照明的長度和照度設計成能夠根據實際要求(如洞外亮度)不斷調整變化，動態地實現對各段燈具照明的自動控制，才能從根本上杜絕隧道照明能源的浪費，并提高行車安全系數。通過在BIM模型上模擬不同時間段、不同天氣情況下洞外自然光的亮度，來確定洞口段的照明亮度。模擬不同時間段的車流量結合車速，分級調整照明亮度。為了防止司機出現突然的盲視，造成安全風險，要給司機充分地適應時間，通過BIM模型對過渡段燈具亮度進行合理分級。

3.照明能耗控制

利用BIM信息技術可以有效地協調設計隧道照明系統，使隧道在運營過程中既能滿足人們的照明需求，又能合理高效的利用自然光和車輛自身燈光，減少隧道照明的運行能耗，同時也增加了人們在工作生活時的舒適性。通過Ecotect Analysis軟件對隧道內照明能耗進行分析，從而優化設計方案，實現按需照明，最大程度地節約運營成本，滿足建筑節能的要求。

五、結語

與發達國家相比，我國公路隧道照明總體上長期處于低水平、高能耗狀態，在照明系統節能方面還有很大的提升空間。本文根據公路隧道照明視覺特性，以隧道內外亮度差、車輛流量、時間段等參數為依據，提出將BIM技術運用到隧道照明節能設計中，使照明設計在滿足行車舒適性和安全性的前提下，還滿足綠色環保、節能減排的要求。總而言之，在公路隧道照明設計上需要全面實現系統的節能，不斷加強關鍵環節的分析和研究，發現存在的問題，并采取針對性的解決措施，才能實現公路隧道照明節能技術的運用。

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