塔機(jī)起重作業(yè)夜間照明工效的BIM輔助優(yōu)化研究*

晉良海，張晉愷，陳 述,4，武幫杰,4，江 新,4

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 湖北省水電工程施工與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌443002;3.湖北安環(huán)科技有限公司，湖北 宜昌443002；4.三峽大學(xué) 安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)審中心，湖北 宜昌443002)

0 引言

塔式起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱塔機(jī))作業(yè)空間大，廣泛用于建筑施工物料的垂直輸送及建筑構(gòu)件的起吊安裝[1]。由于工程工期要求嚴(yán)格，導(dǎo)致夜間塔機(jī)起重施工作業(yè)現(xiàn)象普遍。然而，由于夜間塔機(jī)作業(yè)照明光學(xué)參數(shù)確定缺乏科學(xué)的定量依據(jù)，導(dǎo)致作業(yè)面存在照度、亮度不足，均勻度較差等問題，極易造成塔機(jī)駕駛?cè)艘暺?、遲反應(yīng)、誤操作，進(jìn)而引發(fā)安全事故[2]。因此，如何優(yōu)化調(diào)整光學(xué)變量來提升起重作業(yè)照明工效水平，對(duì)起重駕駛?cè)艘曈X功能發(fā)揮極為重要，是塔機(jī)起重作業(yè)崗位安全管理亟需解決的重要理論問題。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于起重作業(yè)安全與照明工效方面的研究較為豐富。在起重作業(yè)安全領(lǐng)域，呂釗等[3]研究發(fā)現(xiàn)：環(huán)境照明要素、人眼視錯(cuò)覺效應(yīng)、吊物動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移等因素均影響起重駕駛?cè)朔直娴跷锏膶?duì)比感度和視敏度；晉良海等[4]通過建立OARMST模型求解最優(yōu)起重安全跡線，為起重作業(yè)空間沖突風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控提供依據(jù)；Cheng等[5]提出1種識(shí)別起重機(jī)操作員視野盲區(qū)和獲取地面作業(yè)人員實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)的方法，可顯著提升塔機(jī)駕駛?cè)说膽B(tài)勢(shì)感知能力；Lee等[6]采用無線圖像傳輸技術(shù)構(gòu)建起重作業(yè)三維信息導(dǎo)航系統(tǒng)，可為塔機(jī)駕駛?cè)颂峁┣逦Ⅲw的作業(yè)環(huán)境和吊物的實(shí)時(shí)狀態(tài)；鄭霞忠等[7]通過模擬動(dòng)態(tài)方程，構(gòu)建多方演化博弈模型，并從各方角度建立起重作業(yè)人員不安全行為防范體系；Tan等[8]采用遺傳算法求解起重作業(yè)空間布局優(yōu)化解，以提高起重作業(yè)空間利用效率、減少空間沖突頻率。上述研究主要分析了起重作業(yè)人員的不安全行為和起重作業(yè)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，但面臨BIM技術(shù)應(yīng)用條件，塔機(jī)起重作業(yè)環(huán)境虛擬優(yōu)化及崗位安全設(shè)計(jì)的研究相對(duì)缺乏。

在照明工效研究領(lǐng)域，詹自翔等[9]認(rèn)為眩光是影響照明質(zhì)量最主要的因素之一，并通過構(gòu)建駕駛界面照明眩光評(píng)估模型，對(duì)駕駛環(huán)境的照明眩光進(jìn)行有效評(píng)價(jià)；Gon等[10]發(fā)現(xiàn)照明環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)包括光源種類、反射比、眩光、照度、色溫、顯色性等參數(shù)；Zhang等[11]基于代理的建模方法分析施工安全相關(guān)行為特征和模式，評(píng)估照明環(huán)境對(duì)施工安全行為的影響機(jī)制；Zhang等[12]通過大量研究表明，影響人工照明的因素有照明方式、燈具布置、照明水平、光色變化等；游春霞等[13]針對(duì)煤礦工作面接收平面光信號(hào)信噪比(SNR)分布不均勻的問題，提出了優(yōu)化LED光源高度、提高工作面照度分布均勻性的方法；Lorenzo等[14]分析比較了在正常和臨界條件下，在傳統(tǒng)隧道照明系統(tǒng)中，隧道內(nèi)和出口LED照明隧道的駕駛?cè)诵阅?；張曉芹等[15]通過分析駕駛?cè)嗽谒淼乐虚g段的視覺特性，得出駕駛?cè)嗽诓煌熊囁俣认聺M足安全視認(rèn)需求的亮度閾值。上述研究主要探討了不同照明方式、燈源布置、照度水平等因素對(duì)照明環(huán)境視覺效果的影響機(jī)理，但均以定性評(píng)價(jià)為主，對(duì)于塔機(jī)起重作業(yè)夜間照明工效的定量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)研究較少。

以上研究成果主要分析了起重作業(yè)安全、照明設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法，但未將起重作業(yè)安全與夜間照明工效輔助優(yōu)化兩者結(jié)合起來進(jìn)行研究，導(dǎo)致起重作業(yè)照明方案設(shè)計(jì)無法定量化。因此，本文以起重作業(yè)面眩光值、照度及其均勻度作為約束條件變量，以燈源光通量、入射角為優(yōu)化參數(shù)，建立照明工效的光度學(xué)BIM輔助優(yōu)化模型，解析起重作業(yè)夜間照明光學(xué)參數(shù)的最優(yōu)組合，為塔機(jī)起重作業(yè)夜間照明方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供新思路。

1 BIM場(chǎng)景模型構(gòu)建及光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 虛擬BIM場(chǎng)景建模

通過模擬湖北省宜昌市西陵區(qū)一棟高層建筑施工場(chǎng)地，建立塔機(jī)施工BIM場(chǎng)景模型。場(chǎng)景模型分為施工區(qū)、材料放置區(qū)及生活區(qū)，施工區(qū)建筑及塔機(jī)具體參數(shù)見表1～2。材料放置區(qū)由鋼筋加工區(qū)、木料加工區(qū)及材料堆放區(qū)組成。生活區(qū)為2棟員工住宅樓及1處標(biāo)準(zhǔn)體育場(chǎng)，位于施工區(qū)一側(cè)。

表1 高層施工建筑參數(shù)Table 1 Parameters of high-rise construction building

表2 塔機(jī)參數(shù)Table 2 Parameters of tower crane

具體建模過程如下：采用Unicode形式導(dǎo)入DXF和DWG文件，并導(dǎo)入所有的字符；利用DXF文件導(dǎo)入復(fù)合式空間形狀的空間組件(塔機(jī)起重臂、建筑樓層、建筑屋頂?shù)?，搭建夜間施工塔機(jī)起重作業(yè)BIM場(chǎng)景模型，如圖1所示。

圖1 夜間施工塔機(jī)起重作業(yè)BIM場(chǎng)景模型Fig.1 BIM scene model of tower crane lifting operation in night construction

1.2 光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)

為模擬夜間施工塔機(jī)起重作業(yè)區(qū)照明條件，在塔機(jī)塔身及起重臂上設(shè)置有2種類型的LED燈具，分別在塔身設(shè)置533 W的LED塔吊燈，配光曲線如圖2所示；起重臂上設(shè)置310 W的LED塔吊燈，配光曲線如圖3所示，2款燈具的具體參數(shù)見表3。根據(jù)塔機(jī)起重臂與起重作業(yè)面中心區(qū)域的水平和垂直距離關(guān)系，將塔身塔吊燈入射角設(shè)置為60°，起重臂塔吊燈初始入射角設(shè)置為45°。

表3 塔機(jī)照明燈具參數(shù)Table 3 Parameters of tower crane lighting lamps

圖2 燈具配光曲線1Fig.2 Light distribution curve 1 of lamps

圖3 燈具配光曲線2Fig.3 Light distribution curve 2 of lamps

2 BIM輔助優(yōu)化模型

2.1 仿真模擬方法

本文模擬試驗(yàn)主要探究塔機(jī)起重臂在不同朝向角度下對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)起重作業(yè)區(qū)的眩光值、照度及其均勻度等光學(xué)參數(shù)的變化影響情況。設(shè)計(jì)在塔機(jī)起重作業(yè)的過程中，塔機(jī)起重臂首先在北偏西45°方向處起吊重物，再向東旋轉(zhuǎn)90°，位于北偏東45°處放下重物。BIM仿真模擬方法具體如下：

1)根據(jù)塔機(jī)起重作業(yè)方式，確定塔機(jī)起重臂偏轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)步長(zhǎng)為15°，并依此劃分，將塔機(jī)起重臂偏轉(zhuǎn)角度劃分為北偏西45°(1)，北偏西30°(2)，北偏西15°(3)，正北(4)，北偏東15°(5)，北偏東30°(6)，北偏東45°(7)7個(gè)工況。

2)根據(jù)塔機(jī)起重作業(yè)過程，將起重作業(yè)面劃分為區(qū)域1(起升區(qū))、區(qū)域2(水平運(yùn)移區(qū))、區(qū)域3(降落區(qū))，具體區(qū)域劃分如圖1所示。根據(jù)塔機(jī)駕駛?cè)似鹬刈鳂I(yè)動(dòng)態(tài)視野變化過程，塔機(jī)駕駛?cè)艘曇半S吊物從區(qū)域1轉(zhuǎn)移至區(qū)域3，則依此劃分塔機(jī)起重作業(yè)過程駕駛?cè)艘曇皡^(qū)域：起升視野區(qū)1、水平運(yùn)移視野區(qū)2、降落視野區(qū)3(視野區(qū)1，2，3實(shí)際與區(qū)域1，2，3相對(duì)應(yīng))，塔機(jī)駕駛?cè)瞬煌曇皡^(qū)的起重臂偏轉(zhuǎn)角度劃分見表4。

表4 塔機(jī)駕駛?cè)艘曇皡^(qū)劃分Table 4 Visual field division of tower crane driver

BIM仿真模擬試驗(yàn)采用全陰天夜間模式(全陰天是指天空全部被云層遮蓋的天氣。全陰天中施工場(chǎng)地天然光全部為天空擴(kuò)散光，其天空亮度分布相對(duì)穩(wěn)定)，以下將作業(yè)面眩光值、照度及其均勻度作為夜間塔機(jī)起重作業(yè)光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，并依此建立BIM輔助優(yōu)化模型。

2.2 BIM輔助優(yōu)化模型

為優(yōu)化作業(yè)面眩光值、照度及其均勻度，考慮到塔身塔吊燈需始終朝向作業(yè)面，則在不改變塔身塔吊燈參數(shù)及起重臂塔吊燈空間位置的前提下，推求起重臂塔吊燈光通量及入射角的最優(yōu)組合解。以下為優(yōu)化模型的3個(gè)約束條件：

約束條件C1：根據(jù)《室外作業(yè)場(chǎng)地照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50582—2010)，起重作業(yè)面平均照度Eav>50 lx；即塔機(jī)塔身塔吊燈與起重臂塔吊燈組合照明形成的作業(yè)面平均照度Eav應(yīng)大于50 lx。作業(yè)面平均照度如式(1)～(2)：

Eav=E1+E2av>50

(1)

(2)

式中：E1代表塔身塔吊燈形成的作業(yè)面照度，lx；E2av代表起重臂塔吊燈形成的作業(yè)面平均照度，lx；φ1為塔身塔吊燈光通量，為51 200 lm；h1為塔身塔吊燈距作業(yè)面高度，15 m；φ2為起重臂塔吊燈光通量，lm；α1為塔身塔吊燈入射角，60°；η為燈具利用系數(shù)，取0.6；M為燈具維護(hù)系數(shù)，塔機(jī)起重臂燈具保護(hù)性一般，取0.6；ω為燈具布置系數(shù)，對(duì)稱布置時(shí)取為2，單側(cè)布置時(shí)取為1，塔機(jī)照明為單側(cè)布燈，故取1；W為計(jì)算作業(yè)面寬度，由表1得，即高層施工建筑寬度為25 m；S為燈具間距，12 m。

約束條件C2：根據(jù)《室外作業(yè)場(chǎng)地照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50582—2010)，起重作業(yè)面照度均勻度U0>0.4；即塔機(jī)塔身塔吊燈與起重臂塔吊燈的組合照明形成的最低照度值Emin與作業(yè)面平均照度值Eav之比U0應(yīng)大于0.4。即作業(yè)面照度均勻度如式(3)～(4)：

(3)

(4)

式中：E2min為塔機(jī)起重臂塔吊燈形成的作業(yè)面最小照度，lx；α2為起重臂塔吊燈入射角，(°)；h2為起重臂塔吊燈距工作面高度，20 m。

約束條件C3：根據(jù)《室外作業(yè)場(chǎng)地照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50582—2010)，起重作業(yè)面眩光值GR<50；即塔機(jī)塔身塔吊燈與起重臂塔吊燈組合照明形成的作業(yè)面眩光值GR應(yīng)小于50。即作業(yè)面眩光值如式(5)：

(5)

式中：B為作業(yè)面平均亮度，cd/m2。

作業(yè)面平均亮度值B為塔身塔吊燈與起重臂塔吊燈的組合照明在作業(yè)面形成亮度，如式(6)：

(6)

式中：A為計(jì)算作業(yè)面面積，由表1可得，將作業(yè)面簡(jiǎn)化為長(zhǎng)60 m，寬25 m的矩形，即為1 500 m2。

綜上所述，可建立塔機(jī)起重作業(yè)照明工效的光度學(xué)BIM輔助優(yōu)化模型如式(7)：

(7)

2.3 求解步驟

步驟1：根據(jù)式(2)求解出滿足約束條件C1的起重臂塔吊燈最小光通量φ2。

步驟2：根據(jù)式(4)及式(5)求解滿足約束條件C2，C3的起重臂塔吊燈入射角最優(yōu)值α2。

3 BIM仿真優(yōu)化及效果分析

優(yōu)化模型計(jì)算得塔機(jī)起重臂塔吊燈最小光通量φ2為35 740 lm，最優(yōu)入射角α2為0°。根據(jù)起重臂塔吊燈具光效為86 lm/W，為方便計(jì)算，取相同光效下燈具功率為415 W。因此，在塔機(jī)起重臂安設(shè)4盞415 W LED塔吊燈。優(yōu)化前、后起重臂塔吊燈參數(shù)見表5。

表5 優(yōu)化前、后起重臂塔吊燈參數(shù)Table 5 Parameters of lifting arm tower crane lamp before and after optimization

3.1 照度仿真優(yōu)化結(jié)果

各區(qū)域作業(yè)面平均照度值如圖4所示。

圖4 各區(qū)域作業(yè)面平均照度Fig.4 Average illuminance of working face in each area

由圖4可以看出區(qū)域1，2，3平均照度值的變化趨勢(shì)。隨著塔機(jī)起重臂的旋轉(zhuǎn)，區(qū)域1平均照度值逐漸降低，區(qū)域2平均照度值先升高后降低，區(qū)域3平均照度值逐漸升高。優(yōu)化前、后塔機(jī)駕駛?cè)艘曇皡^(qū)平均照度值變化區(qū)間見表6。

由表6可得，優(yōu)化后塔機(jī)駕駛?cè)艘曇皡^(qū)內(nèi)平均照度最高值Emax=211.2 lx，平均照度最低值Emin=161.2 lx，則最低值Emin>50 lx，滿足約束條件C1。

表6 優(yōu)化前、后塔機(jī)駕駛?cè)艘曇皡^(qū)平均照度變化區(qū)間Table 6 Variation ranges of average illuminance in visual field of tower crane driver before and after optimization lx

3.2 照度均勻度仿真優(yōu)化結(jié)果

各區(qū)域作業(yè)面照度均勻度如圖5所示。

圖5 各區(qū)域作業(yè)面照度均勻度Fig.5 Illuminance uniformity of working face in each area

由圖5可知，隨著塔機(jī)起重臂的旋轉(zhuǎn)，區(qū)域1照度均勻度逐漸降低，區(qū)域2照度均勻度先升高后降低，區(qū)域3照度均勻度逐漸升高。優(yōu)化前、后塔機(jī)駕駛?cè)艘曇皡^(qū)照度均勻度變化區(qū)間見表7。

表7 優(yōu)化前、后塔機(jī)駕駛?cè)艘曇皡^(qū)照度均勻度變化區(qū)間Table 7 Variation ranges of illuminance uniformity in visual field of tower crane driver before and after optimization

由表7可得，優(yōu)化后塔機(jī)駕駛?cè)艘曇皡^(qū)內(nèi)照度均勻度最高值Umax=0.77，照度均勻度最低值Umin=0.54，且最低值Umin>0.4，滿足約束條件C2。

優(yōu)化后塔機(jī)起重臂位于北偏西45°方向時(shí)作業(yè)面?zhèn)紊珗D如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后塔機(jī)起重臂位于北偏西45°方向時(shí)作業(yè)面?zhèn)紊珗DFig.6 Pseudo color map of working face with lifting arm of tower crane in north by west 45° direction after optimization

通過圖6可以明顯觀察到塔機(jī)起重作業(yè)面照度曲線基本沒有閉合的圈，作業(yè)面橫向照度相差不大，縱向照度也基本均勻，呈現(xiàn)有規(guī)律交錯(cuò)變化，滿足夜間塔機(jī)起重作業(yè)的安全要求。

3.3 眩光值仿真優(yōu)化結(jié)果

各區(qū)域作業(yè)面眩光值如圖7所示。

圖7 各區(qū)域作業(yè)面眩光值Fig.7 Glare value of working face in each area

由圖7可以看出，隨著塔機(jī)起重臂的旋轉(zhuǎn)，區(qū)域1眩光值逐漸降低，區(qū)域2眩光值先升高后降低，區(qū)域3眩光值逐漸升高。優(yōu)化前、后塔機(jī)駕駛?cè)艘曇皡^(qū)眩光值變化區(qū)間見表8。

表8 優(yōu)化前、后塔機(jī)駕駛?cè)艘曇皡^(qū)眩光值變化區(qū)間Table 8 Variation ranges of glare value in visual field of tower crane driver before and after optimization

由表8可得：優(yōu)化后塔機(jī)駕駛?cè)艘曇皡^(qū)內(nèi)最高眩光值GRmax=47.71，最低眩光值GRmin=28.50，且最高值GRmax<50，滿足約束條件C3。

4 結(jié)論

1)通過參數(shù)化建模，建立塔機(jī)起重作業(yè)夜間照明工效的光度學(xué)BIM輔助優(yōu)化模型。劃分塔機(jī)駕駛?cè)似鹬刈鳂I(yè)視野分布區(qū)，以眩光值、照度及其均勻度等光學(xué)優(yōu)化參數(shù)，推求燈源光通量及入射角的最優(yōu)組合解，提出塔機(jī)起重作業(yè)夜間照明工效的定量?jī)?yōu)化方法。

2)通過BIM輔助優(yōu)化及仿真模擬，厘定塔機(jī)駕駛?cè)艘曇皡^(qū)眩光值、照度及其均勻度取值范圍，為起重作業(yè)照明標(biāo)準(zhǔn)的制修訂提供定量依據(jù)。

3)后續(xù)研究將聚焦于起重作業(yè)照明標(biāo)準(zhǔn)制修訂的人因?qū)W實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。