大型公鐵兩用橋夜景照明光污染問(wèn)題研究

雷鳴，杜默，鄭騰鯤

（中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430056）

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型夜景照明工程已成為提升城市形象、打造城市名片的重要技術(shù)手段之一。城市橋梁，尤其是大型公鐵兩用橋梁，無(wú)疑是夜景亮化的絕佳載體，一個(gè)匯集了創(chuàng)意方案、優(yōu)秀設(shè)計(jì)的公鐵橋梁亮化工程不僅能滿足市民的精神文化需求，甚至還能有效地繁榮夜游經(jīng)濟(jì)。

但愈加復(fù)雜的亮化設(shè)計(jì)勢(shì)必會(huì)帶來(lái)愈加難以控制的光污染問(wèn)題，其危害在相關(guān)文獻(xiàn)[1]、[2]中有全面的總結(jié)，而對(duì)于公鐵橋而言，保證鐵路面的安穩(wěn)運(yùn)行，是包括光污梁控制在內(nèi)的各系統(tǒng)的首要任務(wù)。本文接下來(lái)以某公鐵兩用桁架橋的夜景照明設(shè)計(jì)為例，討論了常規(guī)照明設(shè)計(jì)和燈具布置對(duì)鐵路面光污染的產(chǎn)生，利用仿真軟件（DIALux）結(jié)合相關(guān)規(guī)范，對(duì)特定照明區(qū)域進(jìn)行了定量的分析評(píng)價(jià)，最后，作了簡(jiǎn)要總結(jié)，并給出了一些設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

2 某項(xiàng)目公鐵兩用大橋夜景照明設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

該項(xiàng)目為上層4 線鐵路、下層6 車道公路的公鐵橋。主橋跨度布置為：(116+120+336+120+116)=808m，其中，336m的主拱采用雙層橋面鋼箱系桿拱橋，120m 和116m 的邊拱采用雙層橋面混凝土簡(jiǎn)支系桿拱橋，鐵路在上層，公路在下層。大橋夜景照明設(shè)計(jì)范圍包括主橋引橋的公路及鐵路兩層，主要亮化部位包括主拱拱身、桿件、正橋側(cè)身輪廓以及橋墩墩身；結(jié)合大橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)在主副拱面以及兩層橋身輪廓，整體燈具布置效果如圖1 所示。

圖1 夜景照明效果示意

該項(xiàng)目夜景照明設(shè)計(jì)之初便考慮了眩光問(wèn)題，在下層機(jī)動(dòng)車道及上層鐵路軌道一定程度的凈空范圍內(nèi)不直接設(shè)置物理光源，嚴(yán)格限制其他位置發(fā)光源的投射方向等常規(guī)手段。但鋼桁架橋體構(gòu)造復(fù)雜，難免會(huì)有溢出光和反射光。因此，在設(shè)計(jì)流程中，有必要對(duì)光污染情況進(jìn)行測(cè)算分析，以及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)端調(diào)整，從而確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全。因本文僅關(guān)注夜景照明對(duì)鐵路運(yùn)行的影響，因此，將分析范圍縮小到鐵路層主跨段，尤其是主拱躍出鐵路面的區(qū)域，該位置的燈具選型及布置方式見(jiàn)圖2。

圖2 橋夜景照明燈具布置示意

取上述區(qū)域進(jìn)行物理建模，這里鋼結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜且離鐵路面與主拱距離近，三處燈具（吊桿外側(cè)、主拱外側(cè)以及橫撐端頭）光源產(chǎn)生的直射光、溢出光及鋼結(jié)構(gòu)反射光等污染源威脅大，屬最不利的照明環(huán)境。

3 主要位置燈具照射形式

在進(jìn)行光污染分析前，先在既定方案前提下進(jìn)行照度/亮度模擬。模擬計(jì)算選擇的燈具仿真參數(shù)（以功率為主）多略高于設(shè)計(jì)值，因此，模擬的燈光照度/亮度值也會(huì)略大于實(shí)際值，確保仿真結(jié)果的有效性。計(jì)算得到的整體照度偽色圖如圖3。

圖3 分析區(qū)域照度仿真?zhèn)紊珗D

各受照面照度分布如表1 所示。

可見(jiàn)，各受照面平均照度維持值約在70 ～150lx，如按城市規(guī)模及環(huán)境區(qū)域劃分原則，城市公鐵橋址一般位于E3或E4 區(qū)，則該模擬結(jié)果滿足城市夜景照明規(guī)范要求的照度限值；從經(jīng)驗(yàn)上看，一般暗環(huán)境區(qū)域的構(gòu)筑面平均照度值不應(yīng)低于50lx，因此，即便考慮到受照面表面實(shí)際較低的反射比，依然可以認(rèn)為，模擬在照度標(biāo)準(zhǔn)上是滿足要求的。4 個(gè)典型受照面的總照度均勻度有差異，滿足效果期望。

表1 分析區(qū)域典型受照面照度仿真結(jié)果

4 光污染影響分析

接下來(lái)分析光污染對(duì)鐵路運(yùn)行的影響，其中眩光限制閾值增量（TI）針對(duì)機(jī)車駕駛員的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在本例中，TI 對(duì)應(yīng)列車司機(jī)行駛通過(guò)時(shí)的眩光限制閾值增量，Ev 對(duì)應(yīng)列車乘客車廂窗戶的外表面垂直照度最大允許值，Icd 對(duì)應(yīng)亮化燈具對(duì)車廂內(nèi)乘客方向的發(fā)光強(qiáng)度的最大允許值，Lb 可以看作典型受照面的平均亮度最大允許值，Ls 為標(biāo)識(shí)面發(fā)光體的平均亮度最大允許值，LA0.5對(duì)應(yīng)車廂乘客目視的眩光限制值。上述指標(biāo)中，閾值增量TI 是失能眩光的度量，表示為存在眩光源時(shí)，為了達(dá)到同樣看清物體的目的，在物體及其背景之間的亮度對(duì)比所需要增加的百分比。因?yàn)門I 是針對(duì)道路照明對(duì)機(jī)動(dòng)車駕駛員的眩光影響評(píng)價(jià)體系，而鐵路橋梁夜景亮化并非是為列車行駛所提供的專業(yè)照明，且列車實(shí)際并不需要額外功能照明，因此，我們認(rèn)為閾值增量TI 評(píng)價(jià)在這里并不適用，將其替換為室外照明的GR 評(píng)價(jià)法更為合理。除此之外，Icd 針對(duì)的是每個(gè)能持續(xù)看到的燈具，瞬時(shí)或短時(shí)間看到的燈具不在此例，而列車通過(guò)大橋主跨的時(shí)間只有不到10 秒（時(shí)速約120km/h），故Icd 可不考慮，與此類似，Ev、LA0.5皆不作考慮；最后，本例中未用標(biāo)識(shí)面發(fā)光體（外發(fā)光燈具），因此，最終僅需分析GR 以及Lb 兩個(gè)指標(biāo)。

4.1 典型受照面的平均亮度最大允許值Lb 分析

亮度計(jì)算可按漫反射公式由照度值、反射比換算，公式為：

L=dΦ2/(dA×PI)=ρ×E/PI

其中，參數(shù)ρ 為照面反射比，參數(shù)E 為平均照度。由于受照面材質(zhì)實(shí)際由鋼材的涂裝層決定，結(jié)合橋梁涂裝體系，參照《城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范》，受照面1、2、3 為孔雀藍(lán)氟碳面漆，反射比定為0.25，受照面4 為冰灰色氟碳面漆，反射比定為較高的0.6，則典型受照面平均亮度計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 分析區(qū)域典型受照面亮度計(jì)算結(jié)果 cd/m2

從結(jié)果來(lái)看，盡管某些受照面局部存在過(guò)大的照度分布（受照面1、2），但因表面涂裝反射比較低，計(jì)算亮度依然滿足規(guī)范要求中的E3、E4 區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，符合大型橋梁項(xiàng)目的亮化定位。

4.2 室外照明的眩光指數(shù)GR

GR 法雖多用于體育場(chǎng)地眩光評(píng)價(jià)，但其應(yīng)用條件中，“視線方向低于眼睛高度”“到的背景是被照?qǐng)龅亍钡扰c本文應(yīng)用場(chǎng)景幾乎一致，因此采用該法的理論是依據(jù)充分。

室外照明眩光指數(shù)GR，其計(jì)算公式為：

GR=27+24Log(Lv1/Lve0.9)

其中，Lv1 為室外照明燈光在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生的光幕亮度；Lve 為室外照明的背景在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生的光幕亮度。

利用DIALux 軟件，在模型中建立GR 評(píng)價(jià)計(jì)算點(diǎn)，我們?cè)谀Ｐ椭辛熊囻{駛員平視平面每間隔約10 米左右設(shè)置一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，且包含中間及邊側(cè)兩個(gè)軌道，如此較為完整的覆蓋了列車行經(jīng)鐵路面時(shí)司機(jī)眼睛所處的各個(gè)位置，如圖4 所示。

表3 GR 評(píng)價(jià)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

圖4 GR 評(píng)價(jià)點(diǎn)選取及其位置分布示意

眩光的GR 指數(shù)評(píng)價(jià)中，一般以50 為評(píng)價(jià)紅線，高于50被認(rèn)為對(duì)視覺(jué)有較大干擾且不應(yīng)被接受，而在本例仿真中，第12 點(diǎn)計(jì)算結(jié)果超限，且6、10、11 點(diǎn)結(jié)果也逼近紅線。

以第12 點(diǎn)為例分析（如圖5），經(jīng)觀察可知，該點(diǎn)距橫撐亮化面最近，光線情況最復(fù)雜，但外露的布燈方式會(huì)將部分直射光泄漏至12 點(diǎn)位置，而且很可能是GR 超標(biāo)主因。于是，我們?cè)趯?duì)距離最近的兩處光源加遮光處理后再次進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示GR 指標(biāo)大幅減少到25，可以認(rèn)為，基本消除了眩光的有害視覺(jué)影響。以此類推，其他計(jì)算點(diǎn)同樣可以用遮光的方法降低GR 指標(biāo)。

圖5 加遮光體后重新計(jì)算過(guò)程示意

這說(shuō)明，光源的直射光依然是影響橋梁夜景照明眩光評(píng)價(jià)的重點(diǎn)，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)中的遮光處理，抑或針對(duì)燈具的隱藏安裝，均是從光路上控制眩光的重要手段。

5 結(jié)語(yǔ)

盡管光污染作為夜景照明的副產(chǎn)物是不可避免的，但經(jīng)過(guò)合理的計(jì)算分析、細(xì)致的設(shè)計(jì)調(diào)整，可以做到將光污染的影響降到最低，實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的照明效果。在大型公鐵橋梁夜景照明設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：盡量不要在重點(diǎn)安全區(qū)域設(shè)置危險(xiǎn)光源；設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)盡可能對(duì)列車司機(jī)目視區(qū)域的光源做好遮光處理；對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)環(huán)境，建議在設(shè)計(jì)時(shí)采用仿真計(jì)算，以便發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)疏漏；在土建設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)留燈具及其管線的隱藏式安裝條件。

最后，本文分析仍有許多不足，且仿真計(jì)算及相關(guān)規(guī)范評(píng)價(jià)方法要求也非絕對(duì)，如亮度的計(jì)算僅為漫反射條件下，而雨后的受照面則可能具有鏡面反射性質(zhì)，目前，并無(wú)合適的評(píng)價(jià)方法；受照面反射系數(shù)也非固定不變，它會(huì)隨涂裝的老損發(fā)生改變；眩光由不舒適眩光到失能眩光的視覺(jué)閾限、作用機(jī)理仍在不斷研究和完善中，缺少更為標(biāo)準(zhǔn)化的理論成果；影響鐵路安全運(yùn)行不僅要考慮光污染，還要注意燈具的防墜落等問(wèn)題。上述問(wèn)題需要結(jié)合工程實(shí)際情況給予重視并酌情調(diào)整。