特大型桥梁照明设计中异型构件模拟计算方法研究

严永红,张俊富,阴 磊,3,李训智,吴穹

(1.重庆大学建筑城规学院，重庆 400045；2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400030；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司景观与建筑工程分院，重庆 400067)



特大型桥梁照明设计中异型构件模拟计算方法研究

严永红1,2,张俊富1,2,阴 磊1,2,3,李训智1,2,吴穹1,2

(1.重庆大学建筑城规学院，重庆 400045；2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400030；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司景观与建筑工程分院，重庆 400067)

通过深入解析相关照明设计规范，以重庆两江大桥为例，对特大型桥梁大尺度异型构件DIAlux照明模拟计算中，如何进行恰当的计算分区、并根据测试点数量推定合理的计算网格进行了介绍；提出为保证照明质量，计算中应重视被照面最不利水平线上的照度均匀度，而非被照面整体均匀度或竖向照度均匀度；指出综合运用功率密度值法、经验法、软件模拟法及现场实验法，可显著提高照明设计工作效率，并有效地减少设计值与实测数据间的误差。

特大型桥梁；照明设计；计算误差；测试点；照明质量

引言

随着建造技术的进步，新型材料、新型结构形式的出现，使特大型桥梁的造型日渐丰富。为突出其标志性和唯一性，设计中常出现一些异型构件，这些构件尺度巨大、造型奇特，给照明设计带来了挑战。在实际工程中，常采用以下四种方法来确定异型构件照明的相关技术参数：

(1)功率密度估算法。即通过计算被照面的功率密度值来估算用灯功率[1][2]。这种方法的优点是便捷，可快速确定主要用灯的大致功率。但无法保证不同照明部位亮度分布的合理性，及灯具配光、眩光控制等参数的精确性。

(2)经验法。根据设计师过往经验来确定灯具功率、光束角、色温等参数。此方法在通常情况下是行之有效的，但对于大部分设计师来讲，由于特大型桥梁异型构件的尺度和形态少见，几乎无经验可循，因此，此法可操作性不强。

(3)现场实验法。通过对构件重点部分进行照明实测，根据效果逐步调试用灯，直至满足设计要求[3]。此法准确度最高，但对于工期普遍偏紧的特大型桥梁来说，往往实验时照明电力系统尚未敷设完毕，需铺设临时线路，配备大量实验用灯，现场配合工作量大，耗时长、成本高。

(4)软件模拟法。借助照明设计软件进行模拟计算，可对比模拟不同方案的照明效果，推定灯具安装位置、灯具功率、投/泛光角度等多项技术参数[4]。此法省时、省力，如掌握得好，可大大减少现场实验的工作量。但对验算者的经验、对照明基础理论的掌握有较高要求。

在上述四种方法中，利用DIAlux软件[5]进行照明计算是目前最常用的方法。但在实际工程中，由于特大型桥梁构件超常的尺度会使计算与实测结果的误差被成倍放大，因此，如设计人经验不足，在关键参数设定上出现误设，将导致照明设施选择错误，给工程造成重大损失。在国内不少特大型桥梁的照明设计中已不止一次出现过这样的问题。因此，如何减少设计值与实测数据间的误差，一直是困扰设计者的一大难题[4][6]。

在重庆两江大桥的照明优化设计中，通过深入解析相关技术规范，重点对DIAlux 4.12计算方法进行了改进，结果证明方法的改进显著地提高了模拟计算的准确性。

1 工程概况

1.1 项目背景

重庆两江大桥为东水门长江大桥、千厮门嘉陵江大桥的合称，位于重庆市主城区两江交汇处，其线路跨越了重庆两江四岸三区，是重庆主城区最重要的特大型桥梁之一。东水门大桥为双塔桥、千厮门大桥为单塔桥。两桥均采用了单索面斜拉索体系和水滴型主塔造型，主塔高108m，独特的水滴形曲面造型给照明设计带来了挑战。两江大桥的景观照明设计已由重庆交通科研设计院有限公司完成，考虑到此桥尺度巨大、形态特殊，且当时正在施工中，无法进行局部亮灯实验。为避免设计出现大的偏差，特委托我院对原设计进行优化和验算。

1.2 照明设计难点

两江大桥照明设计意在表现主塔内环的“水滴”，原设计此处采用250W、400W金卤灯进行投光照明。 设计难点在于既要保证主塔内环有足够的亮度，还需避免灯光不规则溢散使主塔外环出现不可控光影，理想的照明效果是一个明亮的光环悬浮在江面上。设计需解决三个难题：

(1)考虑到灯具安装易对桥梁结构安全性造成影响，因此，在桥梁建筑施工图中，在桥面与塔身结合部位预留了有限的灯具安装位置，其他部位不允许安装；对灯具功率、光束角、及投光角度准确性的要求大大提高。

(2)由于灯具安装位置受限，为满足塔尖照明需要，投光灯投射距离逾百米。如何解决主塔投光灯具出光口处亮度过高、光斑明显的问题。

(3)如何将直线光束准确地投射到“水滴”状弧形曲面上，又不能造成光线的溢散和眩光；也就是说，要将光线准确限定在“水滴”状弧面内，需经过非常精确的计算。

2 模拟计算优化

2.1 计算分区及网格设置优化

由于内环“水滴”尺度巨大，在进行DIAlux模拟计算时，要得到准确的模拟结果，首先必须解决两个问题：一是被照面如何分区；二是计算网格如何布置。分区过大，会大大提高实际的照度水平；分区过细，则计算过于繁琐。计算网格大小决定了计算点的数量，也会直接影响计算结果。在实际工程中，常因计算分区和网格设置的不合理，造成模拟计算结果与实测结果相距甚远。

只有分区和网格设置合理、规范，才能保证计算的精度，采用了如下方法：

(1)计算分区。由于灯具安装位置被局限在路面与主塔结合部位的预埋构件上，要将高度近108米的塔身均匀照亮既不现实也无必要。根据照明设计方案，路面以上主塔内、外环由上至下，照度应呈现由暗至明逐次递增的效果。

据DB 50/T 234—2006《重庆市城市夜景照明技术规范》[7]条文说明第12.1.1条：“对造型不复杂的景物在高度方向划分3～5段，每段的亮度测试点一般不少于9个，测点可采取均匀布置”的规定，结合主塔形体特点，将主塔桥身外环自上而下分为四个计算分区，即A1～A4区域，内环则分为三个区域(B1～B3)，见图1。

图1 主塔DIAlux计算分区Fig.1 DIAlux computational grid of main tower

(2)网格间距。我国现行城市夜景照明相关规范[7-9]未对室外建/构筑物立面照明计算间距(即DIAlux软件的网格间距)做出明确规定。因此，在立面照明计算中，计算网格的设定较随意，多直接选用DIAlux软件缺省值，造成各计算分区的网格间距不一致，导致各分区计算结果缺乏可比性，影响结果的准确性。为解决这一问题，应确定合理的网格间距，并使各计算分区网格间距一致。

由于立面计算间距无明确规定，可参照GB/T 5700—2008《照明测试方法》第8.2条“测点应按设计要求选择，测点间距可按计算间距的2倍考虑”[8]，先确定被照面各测点间距后，再推算出合理的DIAlux网格间距。

参照DB 50/T 234—2006《重庆市城市夜景照明技术规范》第12.1.2条对平面照度测点的规定：“广场等大面积室外开放空间，测量可采取均匀布点方式，测试点的数量一般不少于20点/100m2”[7]。以塔尖A4区为例：计算面积为110m2，最少测试点应为22点，经DIAlux4.9计算，对应测点间距为2.8m×2.8m，计算间距应小于1.4m×1.4m。为便于计算，同时也保证计算结果有更高的精度，DIAlux网格间距取1m×1m(见图2)，其他区域网格设置间距与A4区相同。

图2 A4区DIAlux计算网格放大图Fig.2 Enlarged DIAlux computational grid of A4 region

2.2 计算结果

(1)初始平均照度

根据优化后的计算分区及网格设置，对整个主塔被照面的初始平均照度Eav进行DIAlux4.12验算，以大体确定主塔整体照度水平、控制主塔用灯总功率是否满足规范要求。

据JGJ/T 163—2008《城市夜景照明设计规范》表5.1.2“不同城市规模及环境区域建筑物泛光照明的照度和亮度标准值”[9]规定，两江大桥所处环境区域为中等亮度环境区域(E3)，经测定主塔表面中灰色材料反射比为0.34，因此，主塔维持平均照度标准值Em应为75lx。据DB 50/T 234—2006《重庆市城市夜景照明技术规范》，初始平均照度应由式(1)确定[7]：

Eav=K1×K2×K3×K4×Em

(1)

式中，K1为光源种类系数；K2为表面污染程度系数；K3为近地大气对光的衰减影响系数；K4为被照距离修正系数；Em为维持平均照度。

经计算，初始平均照度Eav=1.1×2.5×1×1.3×75=268.13lx。

注：主塔用灯为金卤灯，K1=1.1；表面污染程度系数K2=2.5(较清洁)；最佳观测点距离主塔200m<250m，K3=1；投光照射距离>20m，K4=1.3。

经验算，原方案(图3)主塔初始平均照度仅为155lx，偏离规范建议值较远。因此，应调整用灯，提高主塔整体照度。将主塔内侧的400W金卤灯调整为2000W和1000W后，主塔初始平均照度提升为230lx，接近理论值268.13lx(图4)。功率替换后各分区初始平均照度值及照(亮)度比为见表1。

图3 原方案施工图Fig.3 Construction drawing of the primary design

图4 优化方案施工图Fig.4 Construction drawing of the improved design

从分区平均照度比可看出，主塔外环明暗变化层次丰富，对比强烈，而内环照度分布较均匀。

表1 主塔各部位计算结果Table 1 Calculation results of main tower partitions

(2)照度均匀度

在室外照明模拟计算中，平均照度和照度均匀度是两个最主要的指标。对于功能性照明来说，照度均匀度是一个重要的视觉评价指标；但景观照明更为重要的是控制被照对象的亮度、明暗转换及色彩关系，使其呈现出更好的艺术效果。此时，被照面整体及竖向的照度均匀度反而并不那么重要了，但水平方向的照度均匀度却会直接影响照明效果。

如前文所述，如灯具配光选择不当，投光灯具出光口附近易出现明显光斑，使被照面明暗不均，影响照明效果。因此，应保证被照面在水平线方向上有足够的照度均匀度。从主塔灯具安装位置来看，A2、B2区域最易出现此问题，应对上述二区域近灯具处的均匀度进行验算。

为避免对过往车辆造成眩光，主塔桥面以上灯具均安装在2m高专用支架上，考虑观看视点，经现场观察分析，水平线上照度均匀度最不利处大体为A2、B2区域桥面以上3m处(图5)。经计算求得A2区域此处的水平线方向照度均匀度(U2=Emin/Eav)为0.54，B2区域为0.48，均大于0.4，表明最不利均匀度在可接受范围内。

图5 A2、B2区距桥面3m处水平线照度计算点分布图Fig.5 Illuminance calculation point distribution at 3m level from the bridge deck in A2,B2 region

(3)照明节能

据《重庆市城市夜景照明技术规范》DB50/T 234—2006，功率密度估算值由式(2)确定[7]：

P=m×Eav

(2)式中，P为单位面积功率密度值，单位为W/m2；Eav为整个被照立面的初始平均照度，单位为lx；m为不同光源的修正系数。经计算，P=0.048×230=11.04 W/m2。

为满足主塔上部照明要求，使用了多个窄配光投光灯具。尽管均为高效节能灯具，但由于窄配光灯具效率低于同功率中-宽配光灯具，因此，在实际工程中，常出现特大型桥梁景观照明功率密度值大大超标的情况。针对这一问题，对多种窄配光灯具进行了仔细的对比计算，挑选出满足节能要求的灯具。

调整后的主塔照明总功率为19.5kW，实际功率密度值为11.7W/m2，与计算值接近，基本满足规范要求。

3 效果验证

竣工后进行现场数据实测，将测得数据与计算结果进行比对，是检验模拟计算准确度最好的方法。2014年3月27日晚9点，在所有灯具燃点2小时后，对主塔各部位亮度进行了测试。数据收集点选择在最佳观测点——滨江路景观平台处(距主塔约200米)，使用经校验的彩色亮度计(EVERFINE BM-7)，天空背景亮度1.28cd/m2，采用中心布点法[8]测得主塔内、外环亮度值，并换算为照度。A1～A4区共测40个点，B1～B4区30个点，得出了每个区域的平均照度及A2、B2距桥面3m处水平均匀度，测得数值如表2所示：

受桥身斜腹杆LED逸散光的影响，A1、B1区照度高于设计照度。相对照(亮)度比虽然与模拟计算值有出入，但仍然遵循了外环层次分明、内环明亮均匀的原则，符合设计意图；A2、B2距地3米处的水平均匀度实测值低于计算值，但高于0.4，满足设计要求(见图6～图10)。

表2 主塔各部位实测结果表Table 2 Test results of main town partitions

图6 分区初始平均照度模拟计算值Fig.6 Simulation value of partition initial average illuminance

图7 分区初始平均照度实测值Fig.7 Measured values of partition initial average illuminance

图8 方案效果图Fig.8 Rendering

图9 实景照片1Fig.9 Photo 1

图10 实景照片2Fig.10 Photo 2

4 结论

上述研究证明对特大型桥梁关键部位的景观照明设计进行规范、严格的照明验算和优化，是非常有必要的。通过该项目的验算过程，可得出以下结论：

(1)在DIAlux 4.12模拟计算过程中，首先应根据方案要求进行合理的计算分区、确定最适宜的计算网格间距，并使所有计算分区的网格间距保持一致；

(2)对于特大型桥梁大尺度构件投/泛光照明来说，要保证照明质量，应重视被照面最不利水平线上的照度均匀度，而不是被照面整体均匀度或竖向照度均匀度；

(3)在施工图设计的不同阶段，综合运用功率密度值法、经验法、软件模拟法及现场实验法，可有效提高工作效率、节省人力物力、保证实施效果；不应过度倚重单一手段来进行设计；

(4)应针对大型建、构筑物的泛/投光照明设计难点问题制定更为详细的技术规定，进一步补充完善我国夜景照明设计标准。

[1] 胥正祥.照度(Eav)、照明功率密度(LPD)简易计算法[J].智能建筑电气技术，2010(4)：10-15.

[2] 李炳华，李兴林，董青，等.场地照明照明功率密度的研究[J].建筑电气，2012(10)：7-14.

[3] 严永红，林桐，翟逸波，等.都市核心区旧建筑立面照明设计难点探讨[J].照明工程学报，2014，25(3)：101-106.

[4] 赵忠超，杨维菊.建筑照明模拟软件DIAlux的计算精度验证[J].建筑与文化，2013(10)：63-64.

[5] 德国DIAlux公司.DIAlux4.12版本中文使用手册[M/OL].筑龙电气工程网，2008[2008-11-26].http：//down6.zhulong.com/tech/detailprof5452700DQ.htm.

[6] 曹燕华，袁樵，郑黎明.照度计算值与实测值的误差成因研究[J].光源与照明，2012(2)：8-11.

[7] 重庆市质量技术监督局.DB 50/T234—2006重庆市城市夜景照明技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

[8] 中华人民共和国国家质量监督检验总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 5700—2008照明测试方法. [S].北京：中国标准出版社，2009.

[9] 中华人民共和国住房与城乡建设部.JGJ/T 163—2008城市夜景照明设计规范[S].北京：中国标准出版社，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

国家自然科学基金面上项目资助(51178483)

TM923

A

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