寧波東苑立交的照明設(shè)計(jì)

高嵩

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

東苑立交是寧波中心城快速路網(wǎng)規(guī)劃“四橫五縱五連”中世紀(jì)大道與環(huán)城南路兩快速路之間轉(zhuǎn)換的樞紐型互通立交，是杭甬高速、甬臺(tái)溫高速經(jīng)寧波東收費(fèi)站與市區(qū)交通轉(zhuǎn)換的重要節(jié)點(diǎn)，是中心城重要的對(duì)外出入口。圖1為寧波市東苑立交地理位置圖。

圖1 寧波市東苑立交地理位置圖

東苑立交快速化改造是在現(xiàn)狀立交上新建四層樞紐互通立交，新建互通立交與現(xiàn)狀東苑立交構(gòu)成六層上下分離、功能獨(dú)立的樞紐型互通立交。本文將對(duì)整個(gè)立交橋的照明、供配電等設(shè)計(jì)作一個(gè)系統(tǒng)的介紹。

1 立交橋的照明設(shè)計(jì)

1.1 東苑立交照明設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1.1 照明設(shè)計(jì)內(nèi)容

主要解決立交橋夜間行車道路照明，開拓視野，引導(dǎo)行車方向，為車輛駕駛?cè)藛T在夜間行車提供安全、迅速與舒適的視覺條件，從而保障車輛和行人的安全，提供通行效率。

1.1.2 設(shè)計(jì)原則

（1）道路照明設(shè)計(jì)滿足《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 45—2006）的各項(xiàng)要求；

（2）不孤立地進(jìn)行該工程道路照明設(shè)計(jì)，而是結(jié)合道路周邊環(huán)境，從整體上考慮變壓器設(shè)置及路燈的選用；

（3）路燈照明光源選用節(jié)能環(huán)保型；

（4）道路照明設(shè)計(jì)原則：安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能環(huán)保、維修方便。

1.2 功能照明設(shè)計(jì)

1.2.1 光源的選擇

由于LED具有體積小、壽命長(zhǎng)、電光效率高、環(huán)保、節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)，該工程選擇LED作為照明光源。

1.2.2 高架布燈方式

立交區(qū)照明一般有兩種：普通照明設(shè)施或高桿燈照明。

（1）普通照明設(shè)施：就是防撞墻上設(shè)置路燈的普通做法。立交區(qū)道路集中，橋梁上下重疊，縱橫交錯(cuò)，如果采用在橋上布置普通道路照明設(shè)施的手法，將會(huì)造成燈桿林立，使人眼花繚亂，上跨橋梁和下穿道路之間燈光相互交叉干擾，容易產(chǎn)生眩光，而且大大增加工程量。由于橋上燈桿受到橋梁結(jié)構(gòu)的限制，很難保證照度均勻度，并且改建后的東苑立交上下一共有6層交錯(cuò)，故該方案并不適合該工程。

（2）高桿燈照明設(shè)施：可以減少燈桿林立的現(xiàn)象，充分利用高桿燈燈桿高照射半徑大的特點(diǎn)，提高照度均勻度，減少工程量。其最大的問題就是給周圍的民居帶來光污染，特別是大型城市中，高架橋或立交橋從居民樓之間穿過的現(xiàn)象比較普遍，空中射下來的燈光會(huì)照射到旁邊居民樓的窗戶里。該工程互通立交區(qū)離世紀(jì)花園居住小區(qū)最近點(diǎn)36 m，離世紀(jì)宜家小區(qū)最近42 m，周邊居住用地對(duì)照明眩光要求比較高，高桿燈照明很難控制。該工程最高處距地面37 m，要滿足相關(guān)要求，燈具高度至少達(dá)到45 m，一般超過35 m高桿燈需特殊定制，費(fèi)用巨大。而且，東苑立交的引橋部分的彎道錯(cuò)綜復(fù)雜，由于路面比較狹窄，高桿燈很難做到全覆蓋，故該工程不適合大范圍的高桿燈方案。

綜上所述，高桿路燈及傳統(tǒng)路燈的弊端及橋梁結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境的限制，常規(guī)立交兩種照明方式并不適合該工程。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)一種LED鋼管護(hù)欄燈或防撞墻嵌墻燈，但現(xiàn)有的大部分護(hù)欄燈或嵌墻燈發(fā)光角度比較大，光線射向四面八方，基本上沒作什么配光，只能將護(hù)欄本身及就近一部分照亮，不能將大部分的光分配到路面上起到道路照明的作用，另外向上射的光線會(huì)對(duì)行使中的車輛造成強(qiáng)烈的眩光。

鑒于該項(xiàng)目的特殊情況，針對(duì)該項(xiàng)目需要選擇一種有嚴(yán)格配光、截光設(shè)計(jì)的燈具。通過大量的數(shù)據(jù)調(diào)查和比選，最終選擇一款新型LED曲面配光護(hù)欄燈具。它的特點(diǎn)為：

（1）安裝高度比較低，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)一般為1～5 m左右；

（2）照射距離比較遠(yuǎn)，可以照射1～4個(gè)車道或以上的路面寬度；

（3）照明的路面范圍比較廣，燈具之間路面上的照明可以由相鄰燈具進(jìn)行完全疊加，從而獲得整個(gè)路面均勻的照明。

以下為該LED透鏡的配光方法及光學(xué)模擬。

（1）二次光學(xué)透鏡在垂直于路面方向的剖面的配光原理：從LED芯片發(fā)光面中心O點(diǎn)射出的光線，通過內(nèi)凹的入射面之后，一部分光線入射到偏軸的配光自由曲面上，經(jīng)過配光后再折射出去。其中，入射到配光自由曲面最上方的邊緣光線，其折射后的光線以平行于光軸OZ的方向水平射出；入射到配光自由曲面其它位置的光線，折射后輸出的光線都分配在水平線之下，根據(jù)路面照射范圍的比例均勻地分布在LED光軸的下方、與LED光軸的夾角0°～90°之間的范圍。

（2）LED護(hù)欄燈透鏡的自由曲面在平行于路面方向的剖面的配光原理：從LED的芯片發(fā)光面O點(diǎn)發(fā)出的所有1 8 0°范圍的光線，經(jīng)過內(nèi)凹的入射面之后入射到自由曲面上，經(jīng)過曲面配光后均勻地分布在角度大約為120°的范圍。由于光束角很大，相鄰兩燈之間的路面上的照明可以進(jìn)行充分疊加，從而可以獲得大范圍、非常均勻的路面照明。

（3）單個(gè)護(hù)欄燈的光學(xué)模擬：假設(shè)每個(gè)護(hù)欄燈使用12顆Cr ee LED XPE，假設(shè)LED為CREE XPE，單顆LED的光通量為9 0 l m。這里共設(shè)置了2個(gè)接收器，其中一個(gè)接收器位于透鏡正前方12 m遠(yuǎn)的位置，另一個(gè)接收器位于透鏡下方1 m低處的路面上，接收器的寬度為12 m（大約三車道的寬度）。

圖2為單個(gè)護(hù)欄燈的光線追跡。可以明顯地看出該透鏡的全反射部分的截光作用以及偏軸的自由曲面的大角度配光作用，出射光線大部分都分配于水平線以下。

圖2 單個(gè)護(hù)欄燈的光學(xué)模擬

LED護(hù)欄燈的二次光學(xué)透鏡，其在正前方12 m遠(yuǎn)處的照度分布如圖3所示，可以看出：屏幕上的光斑分布為長(zhǎng)方形，幾乎所有的光斑都分布在水平線0線以下，達(dá)到了截光效果。該發(fā)明所涉及的二次光學(xué)透鏡，其在下方1 m低處路面上的照度分布如圖3所示，從圖中可以看出：由于透鏡沿著路面方向的光束角全角為120°，光斑的照射范圍非常廣，沿著路面的長(zhǎng)度方向，光斑的分布超過了15 m，沿著路面的寬度方向，光斑的分布超過了8 m。

圖3 LED護(hù)欄燈的二次光學(xué)透鏡在正前方12 m遠(yuǎn)處的照度分布

圖4為本LED護(hù)欄燈的二次光學(xué)透鏡在垂直于路面方向（圖4中0°方位角）以及平行于路面方向（圖4中90°的方位角）的光強(qiáng)的遠(yuǎn)場(chǎng)角度分布，即配光曲線?？梢钥闯觯和哥R在垂直于路面的方向，配光曲線呈偏軸分布，光束角較小，其最大光強(qiáng)的方向沿正前方0°方位角往下傾斜約1 0°；透鏡在平行于路面方向，其配光曲線呈大角度的蝙蝠翼分布，其峰值光強(qiáng)一半位置處的光束角寬度約為±60°（即全角為120°），其可以在路面產(chǎn)生大范圍的均勻的照度分布。

圖4 LED護(hù)欄燈的二次光學(xué)透鏡在下方1 m路面上的照度分布

以下為在道路的雙側(cè)進(jìn)行布燈時(shí)，路面上的光度分析。假設(shè)燈具的間距為3 m，護(hù)欄所安裝的燈具離開路面的高度為1 m，路面寬度為12 m（大約3車道的寬度），路面的長(zhǎng)度為40 m。每盞燈具由12顆LED組成，LED間隔為100 mm，LED光源為美國的CREE XPE，單顆LED的光通量為90l umen。圖5為L(zhǎng)ED護(hù)欄燈的二次光學(xué)透鏡的配光曲線。

圖5 LED護(hù)欄燈的二次光學(xué)透鏡的配光曲線

圖6為在道路的雙側(cè)進(jìn)行布燈時(shí)的光線追跡，可以看出從兩側(cè)的燈具發(fā)出的光完全重疊并覆蓋了整個(gè)路面。

圖6 在道路的雙側(cè)進(jìn)行布燈的光線追跡

圖7為道路雙側(cè)布燈時(shí)路面上的照度分布。從圖7可以看出，路面的整體均勻度約為（33 Lux/40 Lux）×100%=82.5%，路面的最低照度超過了30 Lux，完全滿足城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的一級(jí)快速路的路面照明要求,成功解決多層立交的照明問題。圖8為雙車道實(shí)景效果圖，圖9為匝道等照度圖。

1.2.3 地面布燈方式

地面道路采用在主線與集散車道之間的隔離帶內(nèi)設(shè)置桿高10/8 m雙挑燈的方式，懸臂長(zhǎng)1.5 m，仰角15°，內(nèi)挑為1套400 W高壓鈉燈，外挑為1套250 W高壓鈉燈，縱向間距約為30 m，如圖10所示。

圖7 道路雙側(cè)布燈時(shí)路面上的照度分布

圖8 雙車道實(shí)景效果圖

圖9 匝道等照度圖

圖10 立交區(qū)燈具橫斷面（單位：m）

1.2.4 燈具的技術(shù)要求

符合國家現(xiàn)行規(guī)定的路燈驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),燈桿內(nèi)外采用熱鍍鋅防腐處理，鋅層均勻，鍍鋅厚不小于80μm，外殼采用高品質(zhì)的擠出鋁型材，外表采用靜電噴涂技術(shù)處理，防腐防酸抗堿，耐新持久。燈具的防護(hù)等級(jí)要求不低于IP66,防觸電保護(hù)為I類標(biāo)準(zhǔn)，做到防塵、防水、防腐和防撞擊。

1.2.5 照明控制

道路照明燈具控制根據(jù)當(dāng)?shù)芈窡艮k要求，采用就地檢修手動(dòng)控制、定時(shí)控制，并預(yù)留道路監(jiān)控控制接口。

2 立交的配電設(shè)計(jì)

2.1 負(fù)荷等級(jí)

道路照明、景觀照明、廣告、監(jiān)控均為三級(jí)負(fù)荷。

2.2 供配電系統(tǒng)

該工程設(shè)計(jì)范圍一期設(shè)1座成套箱式變電站，供電半徑0.4 km左右。箱變電站容量為315 kVA。高壓側(cè)采用單電源單變壓器的結(jié)線方式，低壓側(cè)單母線不分段方式。除照明負(fù)荷外，適當(dāng)預(yù)留監(jiān)控、景觀照明用電及廣告用電。變壓器負(fù)載率控制在70%以下。

2.3 無功補(bǔ)償及計(jì)量

在箱變內(nèi)設(shè)低壓無功集中自動(dòng)補(bǔ)償裝置,補(bǔ)償后功率因素達(dá)到0.9以上。采用高供高計(jì)的計(jì)量方式,計(jì)量裝置設(shè)在箱變內(nèi)高壓側(cè)。

3 線路敷設(shè)

高架道路照明電纜自箱式變電站引出后，經(jīng)電纜橋架沿橋墩引上至防撞墻內(nèi)照明接線箱，高架道路照明電纜沿防撞墻內(nèi)PE75預(yù)埋保護(hù)管敷設(shè)。

地面道路照明電纜穿PE50沿綠化帶和人行道埋地敷設(shè)，埋設(shè)深度0.7 m；過路處在路兩端設(shè)置電纜手孔井，并采用SC100熱鍍鋅鋼管連通。

4 防雷及接地

該工程220/380V配電系統(tǒng)采用的接地型式為TN-S制,設(shè)專用PE線。變壓器中性點(diǎn)直接接地。

高架道路照明裝置的防雷保護(hù)采用法蘭底盤的連接螺桿與高架防撞墻、蓋梁、墩身、承臺(tái)、地樁混凝土內(nèi)主鋼筋連接成自然接地網(wǎng)予以泄流。

地面道路利用路燈本體金屬燈桿作為防雷接閃器及引下線，利用基礎(chǔ)內(nèi)主鋼筋作為接地極，金屬燈桿、穿線鋼管、PE線與路燈內(nèi)主鋼筋可靠連接，接地電阻小于4Ω。

各組合式戶外箱式變電站進(jìn)線側(cè)裝設(shè)避雷器作過電壓保護(hù)。220/380 V低壓電源在各配電系統(tǒng)進(jìn)線處安裝相應(yīng)等級(jí)的電源SPD。

5 節(jié)能措施

（1）選擇燈具時(shí)，在滿足燈具相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及光強(qiáng)發(fā)布和眩光限制要求的前提下，選擇發(fā)光效率高、衰減慢、反射率好、顯色性合適、使用壽命長(zhǎng)的照明光源和燈具，提高道路照明照度值和景觀照明效果，降低運(yùn)行維護(hù)成本。燈具效率不低于70%。

（2）道路照明燈具實(shí)行半夜節(jié)能運(yùn)行方式，在不影響道路安全及社會(huì)治安的前提下，在車流量較少的下半夜期間，通過調(diào)壓方式，降低道路照明燈具的光源輸出功率，達(dá)到節(jié)能目的。

（3）根據(jù)道路線形及斷面，合理布設(shè)箱式變電站及燈具，縮短低壓供電線路的長(zhǎng)度,降低線路損耗。變壓器選擇時(shí)選用損耗較低的環(huán)氧樹脂澆筑變壓器，達(dá)到節(jié)能目的。

（4）燈具防護(hù)等級(jí)不低于IP65，維護(hù)系數(shù)不低于0.7。

（5）嚴(yán)格控制照明功率密度值(LPD)。

（6）變壓器負(fù)載率控制在60%～80%。

6 結(jié)語

城市立交橋是為了解決城市道路路口處交通緊張而修建的，它的修建不僅解決了交通問題，而且添加了城市的景觀。隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市立交橋正逐步成為城市景觀中重要的組成部分。

照明好似城市夜空美麗有神的“眼睛”，它不僅可以為車輛駕駛?cè)藛T及行人創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，保障交通安全，提高交通運(yùn)輸效率，同時(shí)又是國家技術(shù)水平的綜合反應(yīng)，是城市美化的重要方面，是展示城市形象的重要載體，是現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。

如果說環(huán)城南路宛若一幅優(yōu)美的飄帶降落在寧波快速路的南部，那么東苑立交橋就宛若熠熠閃爍的璀璨明珠點(diǎn)綴在這優(yōu)美彩帶上，在寧波城區(qū)道路上形成一道新的人文景觀。

該工程最終獲得上海市優(yōu)秀咨詢工程二等獎(jiǎng)。

[1]北京照明學(xué)會(huì)照明設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì).照明設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國電力出版社，1998.

[2]CJJ 45—2006，城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].