施工現(xiàn)場(chǎng)夜間光污染的軟件模擬方法探討

朱宏泰 劉宏成 肖 堅(jiān) 吳金貴

湖南大學(xué)建筑學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410082

隨著中國(guó)城市快速發(fā)展的進(jìn)程，建筑工地在夜間施工的情況愈加普遍，建筑工地所產(chǎn)生的光污染已成為一個(gè)很大的問題[1]。目前施工現(xiàn)場(chǎng)的夜間照明屬于臨時(shí)用電范疇，大多沒有進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，而是由施工人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的。建筑工地的夜間照明設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，不僅會(huì)造成能源的浪費(fèi)[2]，也會(huì)造成生態(tài)環(huán)境的破壞，影響周圍居民的生活質(zhì)量[3]。在現(xiàn)有的研究方法中，國(guó)內(nèi)缺少研究建筑施工現(xiàn)場(chǎng)光污染的標(biāo)準(zhǔn)或依據(jù)[4]，并且實(shí)際的監(jiān)測(cè)條件也有限，有些測(cè)點(diǎn)需要深入到附近的居民住所，而居民一般有比較大的抵觸情緒[5]。同時(shí)，實(shí)地逐一測(cè)量的工作量很大，難以進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)收集工作。在這樣的背景下，本文選擇用軟件模擬的方式，監(jiān)測(cè)和改善夜間建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的光污染情況。

1 研究方法

本文先對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，記錄現(xiàn)場(chǎng)燈具布置的方位、個(gè)數(shù)、高度、探照角度及類型等參數(shù)，利用DIALux軟件還原施工現(xiàn)場(chǎng)[6]，測(cè)試周圍受光污染影響最大的建筑外表面窗戶的平均照度值及施工現(xiàn)場(chǎng)的工作面照度，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)光污染實(shí)際監(jiān)測(cè)，與模擬的數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，提高軟件模擬的準(zhǔn)確度。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用軟件模擬燈具組合的優(yōu)化，探索光污染最小和工作面照度改善的燈具優(yōu)化結(jié)果，為施工現(xiàn)場(chǎng)的夜間光環(huán)境照明提供解決思路。

2 項(xiàng)目介紹

背景工程為長(zhǎng)沙市某醫(yī)院新建醫(yī)療綜合樓項(xiàng)目，工程分為地下3層，地上22層（不包括設(shè)備層），建筑物總高91.8 m，層高為 3.9～4.8 m不等。從周圍建筑來(lái)看，北側(cè)建筑為住宅樓（住宅一），此棟建筑所受光污染最為嚴(yán)重。西邊有正在新建的公共建筑工地，東邊是醫(yī)院的專家樓。東南角屬于醫(yī)院急診的病房區(qū)域，同樣受夜間光污染影響嚴(yán)重（圖1）。預(yù)計(jì)受光污染嚴(yán)重的區(qū)域是此次工地夜間光污染軟件模擬的重點(diǎn)對(duì)象。

圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)平面與燈具布置示意

3 軟件建模

本文使用DIALux軟件進(jìn)行模擬測(cè)試。DIALux是由DIAL GmbH公司所開發(fā)的一款專業(yè)用于照明分析計(jì)算的輔助設(shè)計(jì)軟件。該軟件可以進(jìn)行室內(nèi)、室外、道路照明等場(chǎng)合和類型的照明設(shè)計(jì)[7]。

將此工地進(jìn)行軟件建模，將模型模擬時(shí)間設(shè)定為夜間施工時(shí)間段，對(duì)周圍建筑進(jìn)行建模，布置對(duì)應(yīng)門窗，并賦予周圍建筑模型基本的材質(zhì)。周圍建筑的建模材質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 建模材質(zhì)參數(shù)

模擬施工階段設(shè)定工地操作面與地面水平，增加并確立工作計(jì)算面，高度設(shè)立為0.8 m，所涵蓋的面積為工地用地紅線中的施工區(qū)域。

專家樓前燈具D1以及醫(yī)院急診病房前燈具D2以鋼管支架的方式，安裝在施工場(chǎng)地兩側(cè)，安裝高度為離水平工作面4 m，且探照角度為30°，燈光照明方向均朝向施工場(chǎng)地中心。燈具D1、D2的參數(shù)如下：燈具光通量為165 533 lm，光輸出比為82.8%，光效率為70.4 lm/W，功率為2 000 W，配光曲線如圖2（a）所示。塔吊上安裝有D3、D4、D5等3臺(tái)燈具，安裝高度為19.5 m，3個(gè)照射方向如箭頭所示，探照角度30°。燈具D3、D4、D5的參數(shù)如下：燈具光通量為186 738 lm，光輸出比為93.4%，光效率為79.41 lm/W，功率為2 000 W，配光曲線如圖2（b）所示。

在施工現(xiàn)場(chǎng)周圍建筑的窗戶上設(shè)置計(jì)算元件，用于計(jì)算每扇窗戶的垂直照度值。最后建立的夜間施工場(chǎng)景如圖3所示。

圖2 配光曲線

圖3 軟件模擬的夜間施工場(chǎng)景

4 實(shí)際測(cè)量結(jié)果與軟件模擬結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證軟件模擬光污染方法的可行性和準(zhǔn)確度，本文通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)用照度計(jì)實(shí)測(cè)的方式，與軟件模擬后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在模擬時(shí)，盡可能還原施工現(xiàn)場(chǎng)的夜間照明情況，同時(shí)選取與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相同的位置進(jìn)行模擬。本文使用型號(hào)為MK350S的手持式照度計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)夜間監(jiān)測(cè)點(diǎn)的照度情況。

由于實(shí)地測(cè)量的局限性，本文選擇施工現(xiàn)場(chǎng)較為方便測(cè)量的2處位置進(jìn)行實(shí)測(cè)（圖4）。位置一為醫(yī)院急診病房二樓受光污染影響最嚴(yán)重的幾扇窗戶，選擇4個(gè)測(cè)點(diǎn)。位置二為西邊正在裝修的辦公樓的幾扇窗戶，選擇3個(gè)測(cè)點(diǎn)。實(shí)地測(cè)量測(cè)點(diǎn)與軟件模擬測(cè)點(diǎn)位置一致，數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表2所示。

圖4 實(shí)測(cè)點(diǎn)分布

表2 實(shí)際測(cè)量結(jié)果與軟件模擬結(jié)果對(duì)比 單位：lx

觀察2組數(shù)據(jù)可知，實(shí)測(cè)結(jié)果與軟件模擬結(jié)果相近。因此，用DIALux軟件模擬夜間施工光污染的結(jié)果具有一定的參考價(jià)值，可以指導(dǎo)實(shí)際工地的光污染監(jiān)測(cè)和控制。

5 測(cè)試結(jié)果及分析

5.1 光污染控制指標(biāo)

由于國(guó)家級(jí)、省級(jí)的關(guān)于施工光污染控制指標(biāo)的缺失，所以本文用北京的地標(biāo)作為判斷光污染影響情況的依據(jù)。參考DB11/T 731—2010《室外照明干擾光限制規(guī)范》，根據(jù)城市區(qū)位的功能性質(zhì)，將其按照環(huán)境亮度進(jìn)行劃分，對(duì)應(yīng)環(huán)境亮度的區(qū)域劃分如表3所示。居住建筑窗戶表面的垂直照度應(yīng)符合表4的規(guī)定。

表3 城市環(huán)境亮度的區(qū)域劃分

表4 居住建筑窗戶表面上垂直照度的限值 單位：lx

本文所選工地周圍建筑為居民樓與醫(yī)院，則對(duì)應(yīng)表格，城市環(huán)境亮度區(qū)域?yàn)榈土炼葏^(qū)域，監(jiān)測(cè)時(shí)間為晚上22∶00，默認(rèn)為熄燈時(shí)段前，因此取光污染限值5.0 lx作為后文參考依據(jù)。

5.2 工作面照度控制指標(biāo)

根據(jù)GB 50582—2010《室外作業(yè)場(chǎng)地照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中5.8條，建筑施工夜間照明的照度最低為20 lx，需要相對(duì)精細(xì)的施工活動(dòng)時(shí)，需要100～200 lx的照度，因此照度值在20～200 lx的區(qū)間符合規(guī)范，屬于夜間施工現(xiàn)場(chǎng)合理照度區(qū)域。本文通過(guò)計(jì)算這個(gè)區(qū)域占總施工現(xiàn)場(chǎng)工作面的占比，來(lái)判斷施工現(xiàn)場(chǎng)的工作面照明情況。

5.3 測(cè)試結(jié)果

5.3.1 外表面窗戶垂直照度

建筑住宅一靠近施工現(xiàn)場(chǎng)一側(cè)的建筑外表面A，每層有11扇窗戶，每扇窗戶縱向分為4個(gè)測(cè)點(diǎn)（部分為2個(gè)），此建筑有7層，則外表面A有42×7數(shù)量的模擬點(diǎn)。為了便于后面數(shù)據(jù)優(yōu)化和分析，本文數(shù)據(jù)采取縱列平均值的方式統(tǒng)計(jì)，即對(duì)應(yīng)建筑樓每個(gè)縱列的窗戶。例如，同一縱列上第1層的A1-1至第7層的A7-1的平均值，將其命名為A1（即編號(hào)A1），從左至右依次命名，至A42。

分析建筑住宅一外表面A縱列窗戶垂直照度平均值（圖5），照度值最小為7.9 lx，最高為19.1 lx，數(shù)值普遍在10.0～20.0 lx區(qū)間，編號(hào)A3—A20的照度值處于15.0～20.0 lx區(qū)間，編號(hào)A21—A42的照度值多數(shù)處于10.0～15.0 lx區(qū)間。

圖5 建筑住宅一外表面A縱列窗戶垂直照度平均值

根據(jù)圖5，建筑住宅一外表面A縱列窗戶垂直照度平均值全部高于限值5.0 lx，因此不合格率達(dá)100%。由此可見，建筑住宅一外表面A所受施工現(xiàn)場(chǎng)夜間光污染嚴(yán)重。

醫(yī)院急診病房靠近施工現(xiàn)場(chǎng)一側(cè)的建筑外表面B，有2個(gè)樓層，每層有10扇窗戶，每扇窗戶縱向分為4個(gè)測(cè)點(diǎn)，則外表面B有40×2數(shù)量的模擬點(diǎn)。為了便于后面數(shù)據(jù)優(yōu)化和分析，同樣采取縱列平均值的方式統(tǒng)計(jì)。例如，同一縱列上第1層的B1-1和第2層的B2-1的平均值，將其命名為B1（即編號(hào)B1），從左至右依次命名，至B40。

分析醫(yī)院急診病房外表面B縱列窗戶垂直照度平均值（圖6），照度值最小為1.0 lx，最高為56.5 lx，數(shù)值大都處于1.0～5.0 lx區(qū)間，編號(hào)B1—B32的數(shù)值較低，且相對(duì)穩(wěn)定，B33—B40的數(shù)值明顯偏高。

圖6 醫(yī)院急診病房外表面B縱列窗戶垂直照度平均值

根據(jù)圖6，醫(yī)院急診病房外表面B縱列窗戶垂直照度平均值高于限值5.0 lx的編號(hào)有10個(gè)，因此不合格率為25%，且這10個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)限值。結(jié)合模型發(fā)現(xiàn)，編號(hào)B33—B40所在的窗戶，因建筑結(jié)構(gòu)原因，離施工現(xiàn)場(chǎng)光源更近。由此可見，醫(yī)院急診病房外表面B所受施工現(xiàn)場(chǎng)夜間光污染局部嚴(yán)重。

5.3.2 工作面水平照度

施工現(xiàn)場(chǎng)工作面合理照度區(qū)間為20～200 lx。統(tǒng)計(jì)施工現(xiàn)場(chǎng)工作面等照度線（圖7）可知，處于合理照度區(qū)間的面積占總施工工作面面積的39.1%。

圖7 施工現(xiàn)場(chǎng)工作面等照度線

6 夜間施工照明的軟件模擬優(yōu)化

對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的光污染，本文通過(guò)燈具的型號(hào)、個(gè)數(shù)、擺放位置、角度、高度等的調(diào)整，來(lái)達(dá)到優(yōu)化的目的。理想中的情況應(yīng)該是：夜間建筑施工的工作面照度得以改善，同時(shí)周圍受影響建筑的光污染減小，滿足規(guī)范 標(biāo)準(zhǔn)。

6.1 照明方式的優(yōu)化思路

本文進(jìn)行5次施工現(xiàn)場(chǎng)照明燈具調(diào)整嘗試：

1）第1次調(diào)整。采用調(diào)整燈具高度的方式，將場(chǎng)地周圍2臺(tái)燈具D1、D2的高度由原來(lái)的4.0 m調(diào)整為10.0 m，塔吊上3個(gè)燈具D3、D4、D5的高度保持不變。

2）第2次調(diào)整。采用調(diào)整燈具高度及照射角度的方式，將燈具D1、D2的高度由原來(lái)的4.0 m調(diào)整為10.0 m，并且將5臺(tái)燈具的照射角度從原始的垂直偏移30°改為垂直偏移60°。

3）第3次調(diào)整。采用調(diào)整燈具高度、照射角度結(jié)合調(diào)整燈具型號(hào)的方式，將燈具D1、D2的高度由原來(lái)的4.0 m調(diào)整為10.0 m，燈具D3、D4、D5高度不變，且將5臺(tái)燈具的照射角度從原始的垂直偏移30°改為垂直偏移60°。另外，選用光通量、功率均更小的燈具。

4）第4次調(diào)整。采用調(diào)整燈具型號(hào)以及燈具高度的方式，將5臺(tái)照明燈具的型號(hào)進(jìn)行更換，選用光通量、功率均更小的燈具，同時(shí)將燈具D1、D2的高度由原來(lái)的4.0 m調(diào)整為2.5 m，燈具D3、D4、D5的高度由原來(lái)的19.5 m調(diào)整 為10.0 m。

5）第5次調(diào)整。采用調(diào)整燈具型號(hào)、位置、個(gè)數(shù)及高度等方式，燈具數(shù)量調(diào)整為4臺(tái)，并選擇光通量、功率均更小的燈具（圖8）。燈具D6的安裝高度為15.0 m，照射角度為水平偏移60°；燈具D7的安裝高度為15.0 m，照射角度為水平偏移60°；燈具D8的安裝高度為15.0 m，照射角度為水平偏移60°；燈具D9的的安裝高度為15.0 m，照射角度為水平偏移60°。

圖8 第5次調(diào)整布燈示意

6.2 周圍建筑外表面垂直照度的優(yōu)化分析

根據(jù)建筑住宅一外表面A數(shù)據(jù)優(yōu)化的對(duì)比（圖9）：原始值曲線相對(duì)偏高，最大的垂直照度值達(dá)到19.1 lx，遠(yuǎn)高于限值5.0 lx，且最低值也不符合標(biāo)準(zhǔn)限值；第1次調(diào)整之后的數(shù)值變化不大，且每個(gè)編號(hào)都略高于原始值，觀察模型發(fā)現(xiàn)，僅僅通過(guò)改變燈光高度的方式并不能降低光污染，因?yàn)殡S著燈具高度的升高，在燈具照射角度不變的情況下，燈光的污染會(huì)隨之?dāng)U散，會(huì)造成更嚴(yán)重的光污染；第2次調(diào)整了燈具的照射角度，使燈具的照射角度集中在水平工作面的區(qū)域，垂直照度值得到了很明顯的改善；在第2次調(diào)整的基礎(chǔ)上，第3次調(diào)整時(shí)選用了光通量、功率均更小的燈具，調(diào)整后的數(shù)據(jù)也得到了一定的改善；在第3次調(diào)整的基礎(chǔ)上，第4次調(diào)整時(shí)將整體燈具的照明高度調(diào)低，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)卻比第3次調(diào)整的情況高，由此可見，燈具照明高度不能過(guò)低，也不能過(guò)高，應(yīng)該處于一個(gè)合理的照明高度，才能有效減少周圍建筑的光污染；第5次調(diào)整的優(yōu)化結(jié)果是最明顯的，其大部分?jǐn)?shù)據(jù)均處于限值5.0 lx之下，有18個(gè)數(shù)據(jù)略高于限值，有57.2%的合格率，且相較于其他曲線更加平滑穩(wěn)定，對(duì)周圍建筑的光污染影響最小。

圖9 建筑住宅一外表面A縱列窗戶垂直照度平均值優(yōu)化對(duì)比

根據(jù)醫(yī)院急診病房外表面B數(shù)據(jù)優(yōu)化的對(duì)比（圖10）：B1—B20的數(shù)據(jù)處于一個(gè)非常平穩(wěn)且數(shù)值較低的狀態(tài)，大部分處于2.0 lx以下，B21—B32的數(shù)據(jù)也較穩(wěn)定，普遍低于10.0 lx，B33—B40的數(shù)據(jù)則陡然猛增，局部數(shù)據(jù)達(dá)到一個(gè)很高的數(shù)值，所以本文著重觀測(cè)B21—B40的數(shù)據(jù)變化。5次調(diào)整的優(yōu)化情況具體為：第1次調(diào)整后的效果比較明顯，且趨勢(shì)平滑，但是仍然高于限值5.0 lx，光污染還是很嚴(yán)重；第2次調(diào)整后的數(shù)值遠(yuǎn)高于未調(diào)整之前的數(shù)值，后面分析原因認(rèn)為，燈具偏移照射角度的時(shí)候，光源直接對(duì)準(zhǔn)了這幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的窗戶，加大了光污染；第3次調(diào)整后的結(jié)果和第1次調(diào)整后的數(shù)據(jù)相近，局部測(cè)點(diǎn)有微弱的改善；第4次調(diào)整后的結(jié)果雖然比原始值有改善，但是相較于第1次和第3次調(diào)整，結(jié)果不理想，光污染仍比較嚴(yán)重；在第5次調(diào)整中，分析總結(jié)了前面4次調(diào)整的經(jīng)驗(yàn)，將影響表面B最大的燈具進(jìn)行調(diào)整，對(duì)光源照射方向及高度進(jìn)行有意的規(guī)避，最終得到了最優(yōu)結(jié)果，除了B32—B40這9個(gè)編號(hào)的數(shù)值高于限值5.0 lx外，其他測(cè)點(diǎn)都遠(yuǎn)低于限值，合格率達(dá)80%。

圖10 醫(yī)院急診外表面B縱列窗戶垂直照度平均值優(yōu)化對(duì)比

6.3 工作面水平照度的優(yōu)化分析

由5次調(diào)整的工作面水平照度優(yōu)化結(jié)果（圖11）可知，第1—5次調(diào)整后，處于合理照度區(qū)間的面積占比分別為44.5%、53.6%、38.2%、31.3%、50.9%，即第1、2、5次的調(diào)整結(jié)果相對(duì)理想。

綜合來(lái)看，第5次的優(yōu)化結(jié)果是最好的，其不僅減少了對(duì)建筑施工場(chǎng)地周圍建筑光污染的影響，而且使施工工作面的照度得以改善。同時(shí)，因?yàn)檫x擇了功率更小的工地照明燈具并減少了照明設(shè)備的個(gè)數(shù)，所以施工現(xiàn)場(chǎng)的照明能耗得到了降低，更加符合綠色施工的理念。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文研究可知，施工現(xiàn)場(chǎng)的夜間光污染情況與照明燈具的型號(hào)、個(gè)數(shù)、擺放位置、角度及高度等有關(guān)。首先，主要燈具的擺放位置不能對(duì)著周圍居民區(qū)，且照射角度應(yīng)該避免直射；其次，燈具擺放高度不能過(guò)低也不能過(guò)高，過(guò)低容易導(dǎo)致工作面照度不均，而過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致光污染擴(kuò)散；再次，照明燈具可以選用光通量及功率更小的型號(hào)；最后，在滿足工作面基本照度需求的情況下，可減少燈具的個(gè)數(shù)。

圖11 5次調(diào)整的工作面等照度線

由此可見，只要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行充分調(diào)研，并正確地用DIALux軟件還原施工現(xiàn)場(chǎng)及夜間照明情況，就可用軟件模擬的形式，輔助監(jiān)測(cè)工地光污染狀況。同時(shí)，在軟件中進(jìn)行模擬優(yōu)化，可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的燈具布置，達(dá)到減少夜間施工光污染和改善工作面照度的目的。

本文的研究有一定局限性，實(shí)際中的工地施工情況更加復(fù)雜。本文探討的是在施工工作面處于水平的情況下，如何調(diào)整燈具照明使得結(jié)果最佳；但是，隨著施工工作面的增高，燈具的照明高度也隨著升高，因此照明優(yōu)化需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整，加大了人力成本。同時(shí)，塔吊的探照燈光污染會(huì)隨著升高而擴(kuò)散，并產(chǎn)生變化，這將在以后的研究中進(jìn)行探討。