基于BIM中使用区域光效法的照度计算策略

傅军栋，刘 武，李江辉

（华东交通大学电气与自动化工程学院，江西 南昌 330013）

基于BIM中使用区域光效法的照度计算策略

傅军栋，刘 武，李江辉

（华东交通大学电气与自动化工程学院，江西 南昌 330013）

针对建筑信息模型（BIM）在建筑照度计算上所存在的缺陷，给出一种基于BIM中使用区域光效法的照度计算策略。首先利用房间属性、区域光效法照度计算公式以及设计规范建立算法模型；然后通过使用实例对该算法进行有效性测试；最后在DIALux照明仿真软件中搭建室内空间仿真模型，将其仿真出的照度值分别与区域光效算法和常用的利用系数法计算出的照度值相比较。仿真结果表明，与利用系数法相比，区域光效算法所计算出的照度值更接近仿真值、适应性强即可以计算出不同规则形状房间的照度值、无需大量查表等特点，使其更好的解决BIM所存在的照度计算问题。

BIM；区域光效法；照度计算；DIALux；适应性强

BIM技术自提出以来，凭借其具有的三维设计、协同设计、建筑电气耗能分析及管道碰撞检查等优势，一直成为电气设计行业的研究热点；特别是Autodesk Revit软件的出现，将建筑电气中的照明设计推向一个新的高度[1-5]。相比传统二维、三维软件，BIM具有保证各专业之间信息完整传递、碰撞检查、设计精细化、可视化等优点[1-2]。英国内阁办公室早在2011年5月就发布了“政府建设战略”，规定到2016年所有公共建筑工程都要达到BIM二级标准；我国也已颁布有关BIM的国家标准有《中国BIM标准体系CBIMS框架》[2]。照度计算是整个照明设计的关键，计算时，同时要考虑所计算的照度值和功率密度值满足设计要求，旨在为用户提供一个良好的生活环境[6]。

文献[7-8]通过Autodesk Revit得出空间照度分析表，并用已知的平均估算照度得出所需照明级别的照度差值，进一步核实房间的功率密度值是否满足要求，极大的提高了设计效率，但所估算照度值与实际照度值相差较大。文献[9]提出区域光效法计算室内的照度值，该文只是简单提出这种计算方法，没有进一步阐述其使用价值。文献[10]针对利用系数法存在的计算结构类型单一即只能计算规则形状房间的照度值、查表困难、计算繁琐等缺陷，提出了基于模糊利用系数的照度计算法，此算法解决了利用系数查表困难、计算繁琐等问题，但是使用模糊利用系数法所计算出的照度值与实际值相差很大。文献[11]在常规利用系数法计算照度值和照明功率密度值比较繁琐的情况下，提出简化计算法。引出两个新的物理量，有效光通量和模糊系数，分别由光通量、利用系数、维护系数和光效、利用系数、维护系数组合而成。设计过程中，通过查询简化计算表中的有效光通量和模糊系数求解照度值和功率密度值。虽然该算法过程简捷、计算方便，但要通过查表得到所需要的利用系数值。文献[12]提出基于MATLAB的RBF神经网络的照度计算，相对于其他的照度计算方法，一定程度上减小了手工计算量，但不足之处在于训练需要大量的样本且样本数都是通过利用系数法计算所得，计算结果不准确。文献[13-14]使用DIALux照明软件对建筑物照度值进行仿真计算，结果表明，照度值与实际值接近，因此对于建筑物照度值难以测定的情况，可以通过使用DIALux照明软件对该建筑物照度值仿真计算；但该软件算法封闭，用户无法使用。以上各种方法，均不能在满足照度计算适应性强、不需大量查表、计算准确度高的情况下提高设计效率。

本文提出基于BIM中使用区域光效法对建筑物进行照度计算的策略。该策略首先解决了BIM中存在的照度计算问题；其次该方法与利用系数法相比，适应性强即不同规则形状的建筑都能计算出其照度值、无需大量查表和计算准确度高，进一步的提高了设计效率。

1 基于BIM技术照明设计

BIM用户在照明设计的应用如图1所示。

图1 基于BIM的照明设计Fig.1 Lighting design based on BIM

从图1可以看出，在BIM的照明设计中，首先按照照明设计规范先设定每个功能房间的照度标准值；其次选择光源、镇流器与灯具布置，布灯时，对照其相应的设计标准，如果不满足要求，可以很方便的对设计进行适当调整，以满足照度要求；然后进行照度计算和眩光值计算并验算节能标准。

在照明计算中，创建空间照度明细表。设置项目参数照明级别，进行照度计算创建空间照度明细表和分析表，选择相应的照明设备及确定其具体的位置，同时检查是否满足照度要求，利用明细表平均估算照度直接得出所需照明级别的照度差值，然后核实房间的功率密度值是否满足要求，可以极大的提高设计效率，但所估算照度值与实际照度值相差较大[15-16]。

本文提出使用区域光效法通过绿色建筑可扩展的标记语言 （green building extensiblemarkup language，gbxML）与IFC（industry foundation classes）文件格式[17]导入BIM技术中，不仅可以提高设计效率，也解决了BIM所存在的照度计算问题。

2 算法模型建立

2.1 区域光效法计算原理

区域光效法，以照明环境为主导，把照明环境分为照明空间和地板空间，根据所提供的房间构造规则、灯具的数量和类型以及照明空间区域光效率来计算出房间照度值。图2表示为照明区域的划分。

图2 照明区域划分图Fig.2 Division of the lighting region

在算法的实现过程中相关定义如下：

定义1 不同类型房间面积为

其中：A1为矩形房间面积，l为矩形房间长度，w为矩形房间宽度；A2为圆形房间面积，r为圆形

房间半径；A3为椭圆形房间面积，a为椭圆形房间长半长，b为椭圆形房间短半长。

定义2 房间的照度值为

其中：ηt为照明空间总区域光效率；ητ为照明空间光效率；ηd为地板空间对入射光的回受能力；E为工作面平均照度，lx；N为灯具的个数；ø0为光源额定光通量，lm；ητ为灯具数率；K1为配光系数；K2为形位系数；A为工作面面积，m2；K0为维护系数。由于灯具与光源的配光存在差异，照明空间与灯具不在形体中心的差异，引入配光系数K1和形位系数K2对区域光效率ηø进行校正[9]。

定义3 房间的功率密度值为

其中：ω为房间内功率密度值；Pm为每个灯具的功率。

定义4 设计规范约束为

其中：EZ为标准照度值；ωZ功率密度现行值。

2.2 区域光效算法的基本步骤

步骤1）初始化参数：给定房间的长、宽和高，门窗尺寸及相应个数，照明空间各个面的反射率，设计标准值等参数。

步骤2）给定矩形、圆形和椭圆形三种类型房间及相应计算公式，按实际情况选择房间类型。

步骤3）将灯具按照不同品牌进行分类，且每种品牌灯具按照功率大小进行排序，依次选择灯具类型。

步骤4）根据区域光效法计算照度值并计算相应的功率密度值。

步骤5）如果所计算的照度值和功率密度值满足设计规范，则输出结果，主要包括房间照度值、功率密值、灯具型号以及个数；不满足则返回步骤3。

实现区域光效算法的基本流程如图 3所示。

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

3 实例分析

3.1 实例数据

本文数据来源于某设计院所设计的办公建筑，其房间形状各异。本文所选用的主要有办公室、控制室、档案室等规则型矩形房间，以及不规则型圆形和椭圆形会议室。其基本参数值分别如表1和表2所示。

表1 规则型办公建筑基本参数表Tab.1 Basic parameters of regular-shaped office building

表2 不规则型办公建筑基本参数表Tab.2 Basic parameters of irregular-shaped office building

区域光效法以照明环境为主导，需要考虑顶棚、墙面、地板、门、窗等反射面对光效的影响。因此，除提供办公建筑的基本参数外，还需该办公建筑各个门、窗的参数，具体情况如表3所示。

表3 某办公建筑的门窗基本参数表Tab.3 Basic parameters of doors and w indows for office building

根据《建筑照明设计标准》GB50034—2013[15]规定，建筑内各房间照明的照度标准值和功率密度值规定值以及各表面采用反射比应分别满足如表4与表5所示。

表4 办公空间照明规定值Tab.4 Lighting specified value in office space

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

3.2 计算结果

根据设计院所提供的基本参数数据以及需要满足的照明设计规范，使用区域光效算法对房间内的照度值进行计算。设计中都采用统一灯具型号为PAK-TLW28W-865，光通量为2 600 lm，功率为28W，每个灯具都含有2个光源。其计算结果如表6所示。

表6 区域光效法计算照度值Tab.6 Area lum inous efficacymethod for calculation

根据上表可以得出，所求得的照度值不仅满足该功能性房间的照度标准值的-10%～10%，同时还满足其设计的功率密度值小于其现行值，符合照明设计标准[6]。

4 仿真分析

文献[16-18]应用德国DIAL公司设计开发的DIALux软件对建筑物照度值进行模拟仿真，该软件可以根据建筑物的空间尺寸以及环境进行3D建模，内部有照度设计所需的灯具选型、布置及照度计算等功能。能在短时间内完成照明设计建模，并生成相应的仿真效果图和照度计算报表。

为验证本文所提出的基于BIM中使用区域光效法的照度计算策略，在 DIALux软件中搭建办公室空间仿真模型，然后将仿真结果值分别与区域光效法和利用系数法计算值进行对比。图 4为其办公室空间模型；表 7为相关的仿真参数。

图4 办公室空间模型Fig.4 O ffice spacemodel

表7 办公室灯具使用情况表Tab.7 O ffice lighting lam p usage

通过使用DIALux照明软件对办公室1进行仿真，计算出其工作面的平均照度值279 lx；实际效能值为6.48W/m2。照度值与功率密度值都符合标准[6]。将DIALux仿真得出的各个房间的照度值与区域光效法和利用系数法计算出的照度值进行比较，对比情况如表8所示。

表8 计算值与仿真值比较Tab.8 Com parison between calculated values and simulation values

从上表可知，区域光效算法较利用系数法计算出的照度值与DIALux软件仿真得出的照度值误差率更小；同时可以看出利用系数法只能计算规则形状的功能性房间的照度值，对于不规则型的房间照度值无法计算，而区域光效法的适应性更强，不仅适合矩形等规则型的功能性房间计算，还能计算出圆形和椭圆形等不规则型的功能性房间的照度值。因此，区域光效算法较利用系数法而言，不仅计算出的照度值更准确，且适用范围更广。

5 结论

本文所提出的基于BIM中使用区域光效法的照度计算策略有以下几个优点：

1）实现BIM技术中的照度计算。本文提出的基于BIM中使用区域光效法的照度计算策略，弥补了BIM技术在建筑照明设计中照度计算的空白，进一步提高了BIM用户的设计效率。

2）适应性强。本文所运用的计算方法比传统的计算方法，使用的范围更广，不仅可以计算规则形状房间的照度值，也能计算出不规则形状房间照度值。

3）无需大量查表。与利用系数法相比，本文所运用的计算方法无需大量的查表，解决了利用系数法所存在的查表困难，计算繁琐等问题。

4）准确度更高。由仿真结果可知，本文所运用的算法计算出的房间照度值相比利用系数法更准确。

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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

傅军栋（1972—），男，副教授，研究方向为电力系统、建筑电气及智能化研究。

（责任编辑 姜红贵）