基于BIM建模的站房大空间照明设计节能研究

赵 乐

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处，西安 710043)

基于BIM建模的站房大空间照明设计节能研究

赵 乐

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处，西安 710043)

在高速铁路站房大空间建筑电气照明设计中，如何合理模拟灯光与环境及建筑结构间的连锁关系是一项不可忽视的多模型复杂课题，特别在针对舒适度和节能有高要求的绿色生态建筑设计中。在实际BIM设计过程的基础上，结合国内外软件特点，研究BIM建模照明仿真计算并合理利用自然资源，实现模拟站房大空间光环境。前瞻性地利用BIM全生命周期特点从前期设计阶段准确把握光环境效果、照明系统性能和运行情况，能够在保证设计满足规范标准的同时优化设计方案与实际使用舒适度，最终真正做到三维BIM一模多算整体设计，为站房照明与节能提供方案优化设计，并为BIM电气设计未来深化推广打下坚实理论依据与设计基础。

铁路客站;站房;照明;节能设计;BIM

1 概述

随着能源消耗日益加重同时人们对健康舒适要求不断提高，建筑照明设计合理化尤其如火车站房类大空间照明设计，在建筑后期长远运营维护耗能中占很大部分，因此如何更好利用自然资源节约能源费用，同时合理设计照明光源参数，并保护人体健康获得较高视觉功效，是大空间照明设计的重点与难点。

然而其中的自然采光设计一方面因其动态性、地域性等诸多不稳定因素致使设计难度加大，另一方面，大空间照明设计需与建筑结构系统相结合，仅凭经验和传统分析设计既耗时耗力又无法满足准确性可靠性的要求，因此为优化方案结合不断发展的计算机技术辅助设计在建筑业的应用研究［1］，可更好解决站房大空间照明综合设计复杂性。

2 辅助设计软件的分类与应用

现有的光环境模拟软件主要沿两条技术路线发展而来，一是以标准或技术文件中提供的计算方法或图表进行相应计算分析;二是以计算机图形学为基础提高仿真模拟图像渲染的质量和速度。目前国际上应用较多的光环境模拟软件包括WINDOW 、Sunshine、Radiance、Rayfront、Lightscape 和 Daysim 等［2－3］。比较分析常用辅助设计软件如表1所示。

表1 不同辅助软件的比较分析

此类软件虽都可分析计算光环境并能够部分模拟仿真现实场景，但都因软件与实际设计相对独立操作，没有统一的数字格式，不同应用方向仍需接口跨平台多软件互通，无法在设计时完成一体化分析，设计出图易用性相对薄弱。

针对上述难点问题利用不断深化发展的BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技术，BIM是建筑全生命周期的参数化模型，具有多维性、多动态性的数据库，纵向上包含多专业类型、模型属性等信息，横向上包含材料特性和数量等物理信息，空间上包含各专业空间组织关系［4］。利用由AUTODESK公司基于BIM的Revit可视化三维设计软件，以CAD为基础平台，可输出目前CAD同样的二维施工图纸，保证原有站房大空间照明正常设计工作顺利进行，同时能够仿真分析空间照度和自然环境等重要参数，也同目前CAD平台一样具有良好的二次开发可扩展性。

3 BIM模型参数算法

3.1 AEI照度计算

利用Revit程序建立符合设计标准的灯具族库模型，如图1所示，设计照明设备及光源参数如表2所示［5］。

图1 灯具族库模型

表2 照明设备和光源参数

输入照明灯具族参数，结合光域网IES文件定义灯具空间具体光源亮度分布表现形式，利用AEI平均照度算法如下式所示，计算空间工作面照度。

式中 L(i)——每个照明设备综合贡献流明值;

Area——空间面积;

Param——模型参数。

每个照明设备所贡献的工作平面流明L(i)的计算公式为

式中 WL——工作平面的总流明;

II——初始亮度;

LLF——光损失系数;

CU——使用系数。

3.2 光损失系数计算

光损失系数(LLF)可测量灯光从光源发出后在传播过程中的减少量。空间设置照明设备仿真时，灯光会在光源(灯或镇流器)和照明设备(如灯罩或透镜暗灯槽)中穿行，直到达到需要的工作平面为止［6-7］。在此过程中，传播的光线数量将会根据光源、照明设备和其他环境因素逐渐减少，并逐渐变模糊。设计光损失系数及其参数如下式和表3所示。

表3 光损失系数参数

3.3 使用系数计算

确定每个设备使用系数(CU)的过程较为复杂。照明设备决定着其所处的空间。如果照明设备不在某个空间中，就不能确定CU值，该设备就不会对空间的AEI算法有所贡献。CU值的确定要根据空间的反射属性(天花板、墙和楼板)以及空间的房间空置率(RCR)来计算［8-9］。

CU={Pf，Pc，Pw，RCR}

式中 Pf——空间楼板反射率;

Pc——空间天花板反射率;

Pw——空间墙反射率;

RCR——房间空置率。

RCR根据房间空置高度(RCH)和照明计算工作平面来计算，照明计算工作平面在Revit平台中是每个空间实例的一个属性。

房间空置高度(RCH)的计算公式为

RCH=LP－LCW

式中 LP——照明计算光源平面(空间光源的高度)，如果存在多个不同高度的光源，则使用最低高度;

LCW——照明计算工作平面;

房间空置率(RCR)的计算公式为

RCR=2.5×RCH×P/A

式中 RCH——房间空置高度;

P——房间周长;

A——房间面积。

在手动确定使用系数时参考照明设备数据表，通过指定光域网文件来描述灯光亮度的分布状况，体现光源亮度分布的三维表现形式［10］。IES光域网文件所描述的照明设备的部分数据见表4。

楼板反射、墙反射和天花板反射都是Revit空间实例的属性，在pw相应列间做差值计算，可算出与其对应的CU值;在RCR相应行间做差值计算，可算出与其对应的CU值。

表4 光域网文件数据

针对站房大空间中有多个照明设备，则先根据每个照明设备的高度计算平均的房间空置率RCR，再计算每个设备实例的使用系数CU，综合考虑每个设备的工作平面的总流明WL值，然后结合数字模型多种参数，利用AEI照度算法计算实际空间照明指标。

4 依托工程

西安至成都铁路客运专线是国家铁路网规划中的重点项目，本研究依托工程阿房宫站房是西成客运专线中的重点大型站房之一，位于陕西省西安西咸新区，旅客聚集人数上千人，站房面积近5000㎡。通过建立阿房宫站房BIM三维1∶1建筑信息模型，在保证原二维CAD施工图设计的同时，输入所需已研究的相应大空间照明灯具模型及其综合参数，并结合BIM平台资源与环境信息系统GIS，获取地理气象信息进行存储、管理、运算［11］，对站房大空间照明设计进行可视化模拟仿真研究。阿房宫站房BIM三维数字模型和地理气象信息模型如图2、图3所示。

图2 BIM三维数字模型

图3 站房地理气象信息模型

在已输入地理信息及气象参数的基础上，利用已研究建立220 V、70 W照明灯具族信息，包括尺寸、电气规格、光域参数，具体可依据产品资料进行详细调整。并将灯具族文件载入已建立阿房宫建筑Revit项目文件，获取空间空置率RCR所需楼板、天花板、墙面等建筑模型信息参数，如空间高度、面积、建筑材料色调等，结合灯具已有特性利用Revit平台进行模拟仿真渲染工作。

5 模拟仿真

站房候车厅、进出站厅大空间设计照度200 lx，同时外墙大部分由玻璃幕墙覆盖，自然采光充分，结合之前分析照明灯具BIM模型参数与阿房宫站房建筑模型、地理信息，利用研究AEI照度算法，同时设计参数定义高级渲染设置，如表5所示。

经仿真计算及效果图综合模拟，输出阿房宫站房大空间照明仿真如图4所示，真实地反映出空间光环境视觉效果。

表5 仿真渲染质量参数_

图4 阿房宫站房大空间照明仿真模拟图

可看出结合地理气象信息及站房BIM数字模型1∶1仿真后，模拟出了大空间照明设计后的实际效果情况，不但依靠自然光及部分灯具照明可维护正常运营同时满足规范要求，提高使用率和优化人眼舒适度，而且在能源使用方面也有很大优化空间。

6 结论

根据以上针对阿房宫站房大空间照明研究，在实际设计中含86套候车厅、进出站厅照明灯具，在站房全年正常运营维护中，按照年平均使用电费1元/度计算，全年仅因大空间照明用电便耗资约10万余元，其中还不含折旧费、人工保养费等。而利用BIM数字模型仿真的站房大空间照明研究计算，仅一处大空间照明设计节能约36.5%，平均每年可节约人民币4万多元，有效降低了运营维护成本与资源浪费，若再结合地理气象信息利用可再生能源，则能耗更可进一步减少。

BIM空间研究不仅能够正常完成二维施工图出图要求，而且能结合灯具模型参数、地理气象信息和站房大空间建筑信息模型进一步对原设计综合化模拟仿真，更可结合智能传感照明系统现场三维施工，及时调整方案完善设计，在保证设计满足规范标准的同时优化设计方案与实际使用舒适度，从项目前期便可紧密结合能源消耗和可再生能源利用，真正做到三维BIM一模多算、一体化设计，为站房大空间建筑提供正常照明与节能减排优化方案设计研究。

［1］ 何关培．BIM在建筑业的位置、评价体系及可能应用［J］．土木建筑工程信息技术，2010，2(1):12-15．

［2］ 孙建明，廖美．火车站候车大厅照明及其节能的仿真分析［J］．铁道标准设计，2013(8):112-116．

［3］ 刘宾．国内常用照明设计软件比较分析［D］．天津:天津大学建筑学院，2006．

［4］ 林坤河，关宏德．BIM在建筑电气设计中的应用情况及探讨［J］．建筑电气，2012(5):76-78．

［5］ Autodesk ASIA PTE LTD．Autodesk RevitMEP 2012应用宝典［M］．上海:同济大学出版社，2012．

［6］ 史永胜，宁磊，等．实现在不同场合中LED均匀照明的方法研究［J］．应用光学，2011，32(4):26-29．

［7］ 王若敏．LED替代三基色直管荧光灯和筒灯照明方案节能分析［J］．铁道标准设计，2012(S1):117-120．

［8］ 荣浩磊．应用计算机模拟技术分析北京住宅中的天然光利用［D］．北京:清华大学，2002．

［9］ 王诂，罗涛，等．玻璃幕墙有害反射光的计算机模拟［J］．照明工程学报，2004，15(2):16-18．

［10］ Zhenjie Liu．Parametric optimization method for the design of high-efficiency free-form illumination system with a LED source［J］．Chinese Optics Letters，2012，10(11):201-203．

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

赵 乐(1987—)，男，工程师，2012年毕业于长安大学，工学硕士。