基于BIM建模的站房大空間照明設(shè)計節(jié)能研究

趙 樂

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司電氣化處，西安 710043)

基于BIM建模的站房大空間照明設(shè)計節(jié)能研究

趙 樂

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司電氣化處，西安 710043)

在高速鐵路站房大空間建筑電氣照明設(shè)計中，如何合理模擬燈光與環(huán)境及建筑結(jié)構(gòu)間的連鎖關(guān)系是一項不可忽視的多模型復(fù)雜課題，特別在針對舒適度和節(jié)能有高要求的綠色生態(tài)建筑設(shè)計中。在實際BIM設(shè)計過程的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外軟件特點，研究BIM建模照明仿真計算并合理利用自然資源，實現(xiàn)模擬站房大空間光環(huán)境。前瞻性地利用BIM全生命周期特點從前期設(shè)計階段準確把握光環(huán)境效果、照明系統(tǒng)性能和運行情況，能夠在保證設(shè)計滿足規(guī)范標準的同時優(yōu)化設(shè)計方案與實際使用舒適度，最終真正做到三維BIM一模多算整體設(shè)計，為站房照明與節(jié)能提供方案優(yōu)化設(shè)計，并為BIM電氣設(shè)計未來深化推廣打下堅實理論依據(jù)與設(shè)計基礎(chǔ)。

鐵路客站;站房;照明;節(jié)能設(shè)計;BIM

1 概述

隨著能源消耗日益加重同時人們對健康舒適要求不斷提高，建筑照明設(shè)計合理化尤其如火車站房類大空間照明設(shè)計，在建筑后期長遠運營維護耗能中占很大部分，因此如何更好利用自然資源節(jié)約能源費用，同時合理設(shè)計照明光源參數(shù)，并保護人體健康獲得較高視覺功效，是大空間照明設(shè)計的重點與難點。

然而其中的自然采光設(shè)計一方面因其動態(tài)性、地域性等諸多不穩(wěn)定因素致使設(shè)計難度加大，另一方面，大空間照明設(shè)計需與建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相結(jié)合，僅憑經(jīng)驗和傳統(tǒng)分析設(shè)計既耗時耗力又無法滿足準確性可靠性的要求，因此為優(yōu)化方案結(jié)合不斷發(fā)展的計算機技術(shù)輔助設(shè)計在建筑業(yè)的應(yīng)用研究［1］，可更好解決站房大空間照明綜合設(shè)計復(fù)雜性。

2 輔助設(shè)計軟件的分類與應(yīng)用

現(xiàn)有的光環(huán)境模擬軟件主要沿兩條技術(shù)路線發(fā)展而來，一是以標準或技術(shù)文件中提供的計算方法或圖表進行相應(yīng)計算分析;二是以計算機圖形學(xué)為基礎(chǔ)提高仿真模擬圖像渲染的質(zhì)量和速度。目前國際上應(yīng)用較多的光環(huán)境模擬軟件包括WINDOW 、Sunshine、Radiance、Rayfront、Lightscape 和 Daysim 等［2－3］。比較分析常用輔助設(shè)計軟件如表1所示。

表1 不同輔助軟件的比較分析

此類軟件雖都可分析計算光環(huán)境并能夠部分模擬仿真現(xiàn)實場景，但都因軟件與實際設(shè)計相對獨立操作，沒有統(tǒng)一的數(shù)字格式，不同應(yīng)用方向仍需接口跨平臺多軟件互通，無法在設(shè)計時完成一體化分析，設(shè)計出圖易用性相對薄弱。

針對上述難點問題利用不斷深化發(fā)展的BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術(shù)，BIM是建筑全生命周期的參數(shù)化模型，具有多維性、多動態(tài)性的數(shù)據(jù)庫，縱向上包含多專業(yè)類型、模型屬性等信息，橫向上包含材料特性和數(shù)量等物理信息，空間上包含各專業(yè)空間組織關(guān)系［4］。利用由AUTODESK公司基于BIM的Revit可視化三維設(shè)計軟件，以CAD為基礎(chǔ)平臺，可輸出目前CAD同樣的二維施工圖紙，保證原有站房大空間照明正常設(shè)計工作順利進行，同時能夠仿真分析空間照度和自然環(huán)境等重要參數(shù)，也同目前CAD平臺一樣具有良好的二次開發(fā)可擴展性。

3 BIM模型參數(shù)算法

3.1 AEI照度計算

利用Revit程序建立符合設(shè)計標準的燈具族庫模型，如圖1所示，設(shè)計照明設(shè)備及光源參數(shù)如表2所示［5］。

圖1 燈具族庫模型

表2 照明設(shè)備和光源參數(shù)

輸入照明燈具族參數(shù)，結(jié)合光域網(wǎng)IES文件定義燈具空間具體光源亮度分布表現(xiàn)形式，利用AEI平均照度算法如下式所示，計算空間工作面照度。

式中 L(i)——每個照明設(shè)備綜合貢獻流明值;

Area——空間面積;

Param——模型參數(shù)。

每個照明設(shè)備所貢獻的工作平面流明L(i)的計算公式為

式中 WL——工作平面的總流明;

II——初始亮度;

LLF——光損失系數(shù);

CU——使用系數(shù)。

3.2 光損失系數(shù)計算

光損失系數(shù)(LLF)可測量燈光從光源發(fā)出后在傳播過程中的減少量?？臻g設(shè)置照明設(shè)備仿真時，燈光會在光源(燈或鎮(zhèn)流器)和照明設(shè)備(如燈罩或透鏡暗燈槽)中穿行，直到達到需要的工作平面為止［6-7］。在此過程中，傳播的光線數(shù)量將會根據(jù)光源、照明設(shè)備和其他環(huán)境因素逐漸減少，并逐漸變模糊。設(shè)計光損失系數(shù)及其參數(shù)如下式和表3所示。

表3 光損失系數(shù)參數(shù)

3.3 使用系數(shù)計算

確定每個設(shè)備使用系數(shù)(CU)的過程較為復(fù)雜。照明設(shè)備決定著其所處的空間。如果照明設(shè)備不在某個空間中，就不能確定CU值，該設(shè)備就不會對空間的AEI算法有所貢獻。CU值的確定要根據(jù)空間的反射屬性(天花板、墻和樓板)以及空間的房間空置率(RCR)來計算［8-9］。

CU={Pf，Pc，Pw，RCR}

式中 Pf——空間樓板反射率;

Pc——空間天花板反射率;

Pw——空間墻反射率;

RCR——房間空置率。

RCR根據(jù)房間空置高度(RCH)和照明計算工作平面來計算，照明計算工作平面在Revit平臺中是每個空間實例的一個屬性。

房間空置高度(RCH)的計算公式為

RCH=LP－LCW

式中 LP——照明計算光源平面(空間光源的高度)，如果存在多個不同高度的光源，則使用最低高度;

LCW——照明計算工作平面;

房間空置率(RCR)的計算公式為

RCR=2.5×RCH×P/A

式中 RCH——房間空置高度;

P——房間周長;

A——房間面積。

在手動確定使用系數(shù)時參考照明設(shè)備數(shù)據(jù)表，通過指定光域網(wǎng)文件來描述燈光亮度的分布狀況，體現(xiàn)光源亮度分布的三維表現(xiàn)形式［10］。IES光域網(wǎng)文件所描述的照明設(shè)備的部分數(shù)據(jù)見表4。

樓板反射、墻反射和天花板反射都是Revit空間實例的屬性，在pw相應(yīng)列間做差值計算，可算出與其對應(yīng)的CU值;在RCR相應(yīng)行間做差值計算，可算出與其對應(yīng)的CU值。

表4 光域網(wǎng)文件數(shù)據(jù)

針對站房大空間中有多個照明設(shè)備，則先根據(jù)每個照明設(shè)備的高度計算平均的房間空置率RCR，再計算每個設(shè)備實例的使用系數(shù)CU，綜合考慮每個設(shè)備的工作平面的總流明WL值，然后結(jié)合數(shù)字模型多種參數(shù)，利用AEI照度算法計算實際空間照明指標。

4 依托工程

西安至成都鐵路客運專線是國家鐵路網(wǎng)規(guī)劃中的重點項目，本研究依托工程阿房宮站房是西成客運專線中的重點大型站房之一，位于陜西省西安西咸新區(qū)，旅客聚集人數(shù)上千人，站房面積近5000㎡。通過建立阿房宮站房BIM三維1∶1建筑信息模型，在保證原二維CAD施工圖設(shè)計的同時，輸入所需已研究的相應(yīng)大空間照明燈具模型及其綜合參數(shù)，并結(jié)合BIM平臺資源與環(huán)境信息系統(tǒng)GIS，獲取地理氣象信息進行存儲、管理、運算［11］，對站房大空間照明設(shè)計進行可視化模擬仿真研究。阿房宮站房BIM三維數(shù)字模型和地理氣象信息模型如圖2、圖3所示。

圖2 BIM三維數(shù)字模型

圖3 站房地理氣象信息模型

在已輸入地理信息及氣象參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用已研究建立220 V、70 W照明燈具族信息，包括尺寸、電氣規(guī)格、光域參數(shù)，具體可依據(jù)產(chǎn)品資料進行詳細調(diào)整。并將燈具族文件載入已建立阿房宮建筑Revit項目文件，獲取空間空置率RCR所需樓板、天花板、墻面等建筑模型信息參數(shù)，如空間高度、面積、建筑材料色調(diào)等，結(jié)合燈具已有特性利用Revit平臺進行模擬仿真渲染工作。

5 模擬仿真

站房候車廳、進出站廳大空間設(shè)計照度200 lx，同時外墻大部分由玻璃幕墻覆蓋，自然采光充分，結(jié)合之前分析照明燈具BIM模型參數(shù)與阿房宮站房建筑模型、地理信息，利用研究AEI照度算法，同時設(shè)計參數(shù)定義高級渲染設(shè)置，如表5所示。

經(jīng)仿真計算及效果圖綜合模擬，輸出阿房宮站房大空間照明仿真如圖4所示，真實地反映出空間光環(huán)境視覺效果。

表5 仿真渲染質(zhì)量參數(shù)_

圖4 阿房宮站房大空間照明仿真模擬圖

可看出結(jié)合地理氣象信息及站房BIM數(shù)字模型1∶1仿真后，模擬出了大空間照明設(shè)計后的實際效果情況，不但依靠自然光及部分燈具照明可維護正常運營同時滿足規(guī)范要求，提高使用率和優(yōu)化人眼舒適度，而且在能源使用方面也有很大優(yōu)化空間。

6 結(jié)論

根據(jù)以上針對阿房宮站房大空間照明研究，在實際設(shè)計中含86套候車廳、進出站廳照明燈具，在站房全年正常運營維護中，按照年平均使用電費1元/度計算，全年僅因大空間照明用電便耗資約10萬余元，其中還不含折舊費、人工保養(yǎng)費等。而利用BIM數(shù)字模型仿真的站房大空間照明研究計算，僅一處大空間照明設(shè)計節(jié)能約36.5%，平均每年可節(jié)約人民幣4萬多元，有效降低了運營維護成本與資源浪費，若再結(jié)合地理氣象信息利用可再生能源，則能耗更可進一步減少。

BIM空間研究不僅能夠正常完成二維施工圖出圖要求，而且能結(jié)合燈具模型參數(shù)、地理氣象信息和站房大空間建筑信息模型進一步對原設(shè)計綜合化模擬仿真，更可結(jié)合智能傳感照明系統(tǒng)現(xiàn)場三維施工，及時調(diào)整方案完善設(shè)計，在保證設(shè)計滿足規(guī)范標準的同時優(yōu)化設(shè)計方案與實際使用舒適度，從項目前期便可緊密結(jié)合能源消耗和可再生能源利用，真正做到三維BIM一模多算、一體化設(shè)計，為站房大空間建筑提供正常照明與節(jié)能減排優(yōu)化方案設(shè)計研究。

［1］ 何關(guān)培．BIM在建筑業(yè)的位置、評價體系及可能應(yīng)用［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(1):12-15．

［2］ 孫建明，廖美．火車站候車大廳照明及其節(jié)能的仿真分析［J］．鐵道標準設(shè)計，2013(8):112-116．

［3］ 劉賓．國內(nèi)常用照明設(shè)計軟件比較分析［D］．天津:天津大學(xué)建筑學(xué)院，2006．

［4］ 林坤河，關(guān)宏德．BIM在建筑電氣設(shè)計中的應(yīng)用情況及探討［J］．建筑電氣，2012(5):76-78．

［5］ Autodesk ASIA PTE LTD．Autodesk RevitMEP 2012應(yīng)用寶典［M］．上海:同濟大學(xué)出版社，2012．

［6］ 史永勝，寧磊，等．實現(xiàn)在不同場合中LED均勻照明的方法研究［J］．應(yīng)用光學(xué)，2011，32(4):26-29．

［7］ 王若敏．LED替代三基色直管熒光燈和筒燈照明方案節(jié)能分析［J］．鐵道標準設(shè)計，2012(S1):117-120．

［8］ 榮浩磊．應(yīng)用計算機模擬技術(shù)分析北京住宅中的天然光利用［D］．北京:清華大學(xué)，2002．

［9］ 王詁，羅濤，等．玻璃幕墻有害反射光的計算機模擬［J］．照明工程學(xué)報，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

趙 樂(1987—)，男，工程師，2012年畢業(yè)于長安大學(xué)，工學(xué)碩士。