大型公鐵兩用橋夜景照明光污染問題研究

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

隨著經濟的發展，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，一個匯集了創意方案、優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，其危害在相關文獻[1]、[2]中有全面的總結，而對于公鐵橋而言，保證鐵路面的安穩運行，是包括光污梁控制在內的各系統的首要任務。本文接下來以某公鐵兩用桁架橋的夜景照明設計為例，討論了常規照明設計和燈具布置對鐵路面光污染的產生，利用仿真軟件（DIALux）結合相關規范，對特定照明區域進行了定量的分析評價，最后，作了簡要總結，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、正橋側身輪廓以及橋墩墩身；結合大橋結構特點，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不直接設置物理光源，嚴格限制其他位置發光源的投射方向等常規手段。但鋼桁架橋體構造復雜，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整，從而確保鐵路運營安全。因本文僅關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

取上述區域進行物理建模，這里鋼結構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、主拱外側以及橫撐端頭）光源產生的直射光、溢出光及鋼結構反射光等污染源威脅大，屬最不利的照明環境。

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（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 分析區域照度仿真偽色圖

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，如按城市規模及環境區域劃分原則，城市公鐵橋址一般位于E3或E4 區，則該模擬結果滿足城市夜景照明規范要求的照度限值；從經驗上看，一般暗環境區域的構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 分析區域典型受照面照度仿真結果

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乘客方向的發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光體（外發光燈具），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ρ 為照面反射比，參數E 為平均照度。由于受照面材質實際由鋼材的涂裝層決定，結合橋梁涂裝體系，參照《城市夜景照明設計規范》，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果如表2。

表2 分析區域典型受照面亮度計算結果 cd/m2

從結果來看，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范要求中的E3、E4 區標準，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充分。

室外照明眩光指數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膜上產生的光幕亮度；Lve 為室外照明的背景在視網膜上產生的光幕亮度。

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，且包含中間及邊側兩個軌道，如此較為完整的覆蓋了列車行經鐵路面時司機眼睛所處的各個位置，如圖4 所示。

表3 GR 評價點計算結果

圖4 GR 評價點選取及其位置分布示意

眩光的GR 指數評價中，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 點計算結果超限，且6、10、11 點結果也逼近紅線。

以第12 點為例分析（如圖5），經觀察可知，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 結語

盡管光污染作為夜景照明的副產物是不可避免的，但經過合理的計算分析、細致的設計調整，可以做到將光污染的影響降到最低，實現不錯的照明效果。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域設置危險光源；設計過程中，應盡可能對列車司機目視區域的光源做好遮光處理；對于復雜結構環境，建議在設計時采用仿真計算，以便發現設計疏漏；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，且仿真計算及相關規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，目前，并無合適的評價方法；受照面反射系數也非固定不變，它會隨涂裝的老損發生改變；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。上述問題需要結合工程實際情況給予重視并酌情調整。