基于路面亮度曲線的公路隧道敞開式遮陽棚設(shè)計(jì)

劉群峰, 楊雅茗,2, 郭朝陽, 武星

(1. 西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 西安 710054; 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司, 南京 210019;3.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 西安 710068)

隧道洞內(nèi)外亮度差影響隧道出入口段的行車安全。車輛在進(jìn)出隧道時(shí),光環(huán)境的劇烈變化容易引起駕駛員視覺不適、環(huán)境感知障礙和判斷失誤。因此,有必要設(shè)置減光構(gòu)筑物調(diào)節(jié)隧道外自然光,使之與隧道內(nèi)人工照明光環(huán)境合理過渡。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對隧道出入口的駕駛員生理心理反應(yīng)進(jìn)行研究,杜志剛等[1]分析了進(jìn)出隧道時(shí)駕駛員瞳孔面積的變化,得到隧道長度與駕駛員視覺明暗適應(yīng)時(shí)間的定量關(guān)系。喬建剛等[2]通過實(shí)車試驗(yàn),分析了駕駛員生理、心理反應(yīng)與行車速度、隧道出入口長度以及光照強(qiáng)度的關(guān)系?；谒淼肋M(jìn)出口的安全問題,許多學(xué)者從人眼適應(yīng)角度對減光構(gòu)筑物的設(shè)置形式及減光效果進(jìn)行了大量研究。李英濤等[3]分析了駕駛員視覺恢復(fù)時(shí)間,推導(dǎo)出口減光構(gòu)筑物的合理設(shè)置長度。遮陽棚作為減光構(gòu)筑物的一種,具有良好的減光效果,許多學(xué)者對遮光棚的長度、透光率等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了研究。王向等[4]基于遮陽棚實(shí)際工程案例進(jìn)行數(shù)值模擬,建議設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h的隧道入口段遮陽棚長度應(yīng)不小于58 m。包逸帆等[5]基于視覺適應(yīng)曲線提出一套針對不同設(shè)置長度和透光率的遮陽棚設(shè)計(jì)方案,并通過試驗(yàn)研究了遮陽棚對駕駛?cè)嗣靼颠m應(yīng)的特性的影響規(guī)律。白婧榮等[6]通過實(shí)車試驗(yàn)對駕駛員進(jìn)出隧道時(shí)的瞳孔變化進(jìn)行研究,指出隧道群全覆蓋遮光棚能減小駕駛員明暗適應(yīng)的心理負(fù)荷。劉群峰等[7]通過實(shí)際太陽模型,引入頻閃效應(yīng)可見度指標(biāo)對格柵式遮光棚頻閃效應(yīng)進(jìn)行了研究。此外,夏鵬曦等[8]研究了遮陽棚的透光率和季節(jié)性照度變化對人眼適應(yīng)曲線的影響,并據(jù)此進(jìn)行了遮陽棚的經(jīng)濟(jì)性分析。

上述研究表明,封閉式遮陽棚減光效果較好,可定量化設(shè)計(jì),但通風(fēng)效果差[9]。近年來,敞開式遮陽棚因通風(fēng)方便、節(jié)能環(huán)保而受到關(guān)注。人們發(fā)現(xiàn)采用兩側(cè)鏤空的遮陽棚既能減少隧道內(nèi)照明耗能,又能合理通風(fēng)[10],根據(jù)典型模型計(jì)算發(fā)現(xiàn):側(cè)面鏤空式遮陽棚可有效降低隧道內(nèi)外的照度差,還能明顯改善遮陽棚的通風(fēng)效果。

雖然敞開式遮陽棚可改善隧道洞口二次污染[11],但其光環(huán)境過渡效果還未得到廣泛的研究,缺乏定量設(shè)計(jì)理論[12]。目前,敞開式減光構(gòu)筑物的優(yōu)化設(shè)計(jì)取決于與設(shè)計(jì)參數(shù)相對應(yīng)的減光曲線。理論減光曲線反映了駕駛員正對洞口方向的20°視場范圍內(nèi)實(shí)測的平均亮度變化,其中平均亮度可根據(jù)國際照明委員會(Commission Internationale del’Eclairage,CIE)推薦方法計(jì)算[13]。然而,實(shí)際平均亮度受到周圍環(huán)境反射、交通狀況和太陽輻射的影響,定量獲得實(shí)際減光曲線非常困難。但是,考慮到遮陽棚下路面亮度主要依賴于太陽輻射,而且駕駛員視場中遮陽棚與路面的占比相當(dāng),因此可以利用路面亮度的變化來近似模擬平均亮度的變化,用路面亮度曲線代替減光曲線,為遮陽棚下光環(huán)境的定量設(shè)計(jì)提供參考。

現(xiàn)依托實(shí)際工程,建立項(xiàng)目所在地的太陽輻照理論模型,通過定量分析繪制出不同側(cè)向遮陽玻璃高度和擋墻高度的遮陽棚內(nèi)路面亮度曲線,并基于亮度曲線進(jìn)一步討論遮陽棚側(cè)向敞開高度、敞開位置和透光率等設(shè)計(jì)參數(shù)對路面亮度的影響。最后根據(jù)不同減光形式下的路面亮度曲線與人眼視覺適應(yīng)曲線的相關(guān)程度,提出敞開式遮陽棚理論設(shè)計(jì)建議。

1 工程背景

以深圳市寶安機(jī)場-荷坳段高速公路(機(jī)荷高速)立體化改擴(kuò)建項(xiàng)目為工程背景。原機(jī)荷高速多為地面層路段,擴(kuò)建后擬采用高架橋上跨或隧道下穿增加通行車道。其中一處擬建隧道全長5 830 m,屬特長隧道,出入口共4個(gè),路線走向?yàn)闁|偏北47°,北緯22°38′,設(shè)計(jì)車速為100 km/h。

該隧道出入口段有顯著的明暗光環(huán)境轉(zhuǎn)換,為降低人眼對明暗轉(zhuǎn)換的適應(yīng)時(shí)間[14],避免駕駛員在進(jìn)出隧道時(shí)出現(xiàn)明顯的“黑洞”和“白洞”效應(yīng),宜在隧道進(jìn)出口段進(jìn)行光環(huán)境過渡,降低不良視覺效應(yīng)的影響。因此,針對荷坳隧道段的路線走向和截面特征,擬采用敞開式遮陽棚對隧道出入口進(jìn)行減光處理,其典型外觀見圖1。

圖1 敞開式隧道遮陽棚

2 太陽輻射規(guī)律對遮陽棚的影響

2.1 遮陽棚模型

圖1所示為典型的矩形截面半敞開式遮陽棚。為簡化計(jì)算,太陽輻射按平行光考慮,且不計(jì)周圍環(huán)境的漫反射。初擬遮陽棚長度為90 m[3],遮陽棚頂、側(cè)向遮陽玻璃的透光率τ為0.3[8]。隧道內(nèi)路面寬10 m,出口段截面高度6.5 m,則與之相接的遮陽棚寬度B為10.4 m,高度H為7.2 m。半敞開式遮陽棚的敞開高度為h,側(cè)向遮陽玻璃高度為h1,擋墻高度為h2。

陽光經(jīng)遮陽棚遮擋后照到路面的情景如圖2所示。高度角(θ)越小,路面受到陽光直射的面積越大。敞開式遮陽棚路面總輻照度G0計(jì)算公式為

圖2 遮陽棚路面光照示意

(1)

由式(1)可知,若遮陽棚高度H和路面寬度L不變,影響遮陽棚下路面總輻照度的主要因素有:太陽高度角θ、太陽輻照度G、玻璃透光率τ、敞開高度h、敞開位置(h1和h2)。

2.2 太陽高度角的季節(jié)變化

不考慮天氣因素,太陽輻照度一般由太陽高度角θ、太陽輻射強(qiáng)度和地理位置3個(gè)因素共同決定。太陽高度角θ代表太陽光線與地平面之間的夾角,計(jì)算公式[16]為

θ=arccos(sinβsinδ+cosβcosδcosh)

(2)

式(2)中:β為隧道所在的緯度,其值為22°38′;δ為太陽赤緯角;h為太陽時(shí)角。圖3所示為荷坳隧道8:00—12:00太陽高度角隨季節(jié)變化曲線?？傮w來說,太陽高度角隨季節(jié)周期變化,夏至最大,冬至最小,相差48°。并且在一天中,中午12:00最大,早晚(6:00—18:00對稱)最小,相差55°。太陽高度角隨季節(jié)變化幅度與其隨時(shí)刻變化幅度相當(dāng)。

圖3 荷坳隧道各時(shí)刻太陽高度角季節(jié)變化曲線

2.3 太陽輻照度的季節(jié)變化

太陽輻射由直接輻射和散射輻射兩部分組成,其中直接輻射通過大氣層直射在地面,而散射輻射則由4個(gè)部分組成。根據(jù)Chenni[17]提出的晴天太陽輻射簡化理論模型,可得到任意平面上受到的太陽總輻照度G為

G=Sncosθ+dd+di+dh+da

(3)

太陽散射輻照度Gd為

Gd=dd+di+dh+da

(4)

式中:Sn為太陽直接輻照度;dd為圍繞太陽的散射輻射;di為各向同性的散射輻射;dh為地平圈散射輻射;da為地面散射輻射。通過MATLAB對式(1)～式(4)進(jìn)行編程模擬實(shí)際太陽輻射變化規(guī)律,得到荷坳隧道8:00—12:00的太陽輻照度(G、Gd)隨季節(jié)變化曲線,如圖4所示。

圖4 荷坳隧道各時(shí)刻太陽輻照度季節(jié)變化曲線

與太陽高度角的季節(jié)變化規(guī)律類似,太陽輻照度也表現(xiàn)為夏季高冬季低,冬夏輻照度差約為300 W/m2。在一天中,太陽輻照度中午12:00高,早晚低,相差約500 W/ m2。不同的是,太陽輻照度在夏至點(diǎn)沒有明顯峰值,只是在4—9月為高輻照度平臺期,且中午(11:00—13:00)的太陽平均輻照度接近,約為1 100 W/m2。

2.4 太陽高度角與輻照度的組合影響

在敞開式遮陽棚中,單位路面總輻照度受到太陽高度角與輻照度的組合影響。圖5所示為遮陽棚兩側(cè)完全敞開時(shí)(h1=0,h2=0),棚內(nèi)路面輻照度的季節(jié)變化曲線。在太陽高度角和輻照度組合作用下,8:00與9:00—12:00的路面輻照度趨勢相反。8:00的路面輻照度夏季高冬季低,夏季最大路面輻照度為640～660 W/m2;而9:00—12:00的路面輻照度夏季低冬季高,冬季最大路面輻照度為700～730 W/m2。

圖5 荷坳隧道敞開式遮陽棚內(nèi)路面總輻照度G0季節(jié)變化曲線

可見,太陽高度角和太陽輻照度對遮陽棚內(nèi)路面總輻照度的影響作用不同。例如在夏至點(diǎn)12:00太陽輻照度比9:00高,且太陽高度角更大,但是其遮陽棚內(nèi)太陽直射面積更小,導(dǎo)致對應(yīng)的路面總輻照度反而是全年最小值。這說明在考察遮陽棚內(nèi)路面總輻照度時(shí),要綜合太陽高度角、太陽輻照度和敞開式遮光棚結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。

3 遮陽棚敞開高度、敞開位置與透光率研究

3.1 遮陽棚內(nèi)外路面亮度

路面反射特性和路面總輻照度共同決定了路面亮度。路面反射特性取決于路面材料、磨損程度、干燥程度和顏色等因素,黑色瀝青路面的平均照度與平均亮度的轉(zhuǎn)化系數(shù)通常根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)取值為15 lx/(cd/m2)[18]。以9:00轉(zhuǎn)折點(diǎn)(2月28日)的路面總輻照度(圖5)作為所在位置的典型太陽輻照度,G為704 W/m2,被擋墻遮擋后陰影下輻照度Gd=100 W/m2。通過太陽輻照度可計(jì)算出人眼可見的光通量φv[19],公式為

(5)

式(5)中:φev為來自太陽的輻射通量;G為單位面積上的太陽輻射通量,即太陽輻照度;V(λ)為視見函數(shù)。路面照度Ev=φv/A則是單位面積的可見光通量,路面面積A上的光通量越大,人眼感受到的亮度也越大。通過規(guī)范得到遮陽棚外和隧道內(nèi)入口段的平均路面照度、路面平均亮度值見表1,其中隧道內(nèi)入口段路面平均照度采用k值計(jì)算方法,k值取值0.045。

表1 隧道內(nèi)外路面平均照度與亮度

3.2 敞開高度對路面亮度曲線的影響

隧道出入口段常設(shè)置擋墻護(hù)坡,擋墻高度由出入口地形決定。圖6所示為設(shè)置不同高度擋墻的遮陽棚下路面亮度變化曲線。圖中水平軸0 m為遮陽棚起點(diǎn),90 m為終點(diǎn),豎軸為平均路面亮度值。以2月28日(季節(jié)轉(zhuǎn)折點(diǎn))9:00的兩側(cè)全敞開式遮陽棚路面輻照度為例,棚外路面亮度為3 635 cd/m2,隧道內(nèi)路面亮度164 cd/m2,亮度差為3 472 cd/m2。若遮陽棚敞開高度和位置不變,棚內(nèi)路面亮度保持不變,亮度過渡主要發(fā)生在棚內(nèi)外和隧道口內(nèi)外20 m范圍內(nèi)。

圖6 不同擋墻高度的隧道接近段路面亮度曲線

由圖6(a)可知,改變敞開高度可顯著調(diào)節(jié)遮陽棚內(nèi)路面亮度,敞開高度越大,隧道內(nèi)外的亮度差越大,而遮陽棚內(nèi)外的亮度差越小。比較圖6(a)、圖6(b)和圖6(c)可知,側(cè)向遮陽玻璃高度h1和擋墻高度h2共同決定了側(cè)面敞開高度的調(diào)節(jié)空間。無側(cè)向遮陽板時(shí)(h1= 0),h可以從2.2 m變化到7.2 m,棚內(nèi)路面亮度可調(diào)節(jié)范圍為1 250～3 250 cd/m2。當(dāng)側(cè)向遮陽板高度h1增加到4 m時(shí),遮陽棚敞開范圍減小,棚內(nèi)路面亮度可調(diào)節(jié)范圍相應(yīng)減小到1 150～2 000 cd/m2。

圖7所示為設(shè)置不同遮陽玻璃高度的遮陽棚內(nèi)路面亮度變化曲線。比較圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)可知,擋墻高度也可以起到調(diào)節(jié)側(cè)向敞開高度的作用,擋墻高度越大,棚內(nèi)路面亮度的調(diào)節(jié)范圍越小。例如擋墻高度為4 m時(shí),h只可從1.2 m變化到3.2 m,棚內(nèi)路面亮度可調(diào)節(jié)范圍為950～1 600 cd/m2。

圖7 不同遮陽玻璃高度的隧道接近段路面亮度曲線

3.3 敞開位置對路面亮度曲線的影響

由前述可知,遮陽棚內(nèi)路面亮度與其敞開高度成正比,敞開高度是路面亮度的主要影響因素。而在一定的敞開高度下,敞開位置也是影響棚內(nèi)路面亮度的一個(gè)因素。圖8所示為不同敞開高度遮陽棚下路面亮度隨敞開位置變化曲線。側(cè)向遮陽玻璃高度越高,則擋墻高度越低,對應(yīng)的棚內(nèi)路面亮度和隧道口亮度差就越大。反之,擋墻高度越大,則側(cè)向遮陽玻璃高度越小,對應(yīng)的棚內(nèi)路面亮度和棚外亮度差就越大。

圖8 不同敞開高度和位置的遮陽棚內(nèi)路面亮度變化曲線

值得注意的是,敞開高度越低,敞開位置可調(diào)節(jié)范圍越大。當(dāng)敞開高度為2.2 m時(shí),敞開位置變化引起的路面亮度變化范圍為1 200～1 700 cd/m2,調(diào)節(jié)幅值為500 cd/ m2;當(dāng)敞開高度為3.2 m時(shí),敞開位置可調(diào)節(jié)路面亮度的幅值為400 cd/ m2;當(dāng)敞開高度為4.2 m時(shí),敞開位置變化引起的調(diào)節(jié)幅值為300 cd/ m2。但另一方面,敞開位置對棚內(nèi)路面亮度的影響不如敞開高度明顯,即使在敞開高度較小(2.2 m)的遮陽棚下,敞口位置對路面亮度調(diào)節(jié)范圍也僅為500 cd/m2。為了達(dá)到更好的亮度過渡效果,可以結(jié)合實(shí)際的擋墻高度h2調(diào)節(jié)遮陽玻璃高度h1,從而調(diào)節(jié)棚內(nèi)的路面亮度。

3.4 透光率對路面亮度曲線的影響

前述研究中,頂、側(cè)部的遮陽玻璃透光率τ均設(shè)定為0.3。圖9所示敞開高度為3.2 m的遮陽棚內(nèi)路面亮度隨透光率變化曲線。由圖9可知,隨著透光率的增加,路面亮度線性增加,且其增長斜率與側(cè)向遮陽玻璃高度成正比。這說明在敞開高度和位置不變時(shí),改變遮陽玻璃高度和透光率是定量調(diào)節(jié)路面亮度的有效手段。

圖9 路面亮度與遮陽玻璃透光率關(guān)系(h = 3.2 m)

3.5 路面亮度曲線與人眼視覺適應(yīng)曲線對比

3.5.1 遮陽棚人眼視覺適應(yīng)曲線

參考國際照明委員會(CIE)的建議[13],可得到駕駛員視覺適應(yīng)亮度L公式為

L=Lv(1+t)-1.4

(6)

式(6)中:Lv為遮陽棚外的路面亮度;t為駕駛員在遮陽棚內(nèi)的行駛時(shí)間,遮陽棚起點(diǎn)處t=0。

由此可計(jì)算出人眼對遮陽棚下路面亮度適應(yīng)曲線。為使遮陽棚外與隧道內(nèi)光環(huán)境自然過渡,應(yīng)盡可能使遮陽棚內(nèi)路面亮度曲線與人眼視覺適應(yīng)曲線一致。

3.5.2 不同參數(shù)組合的亮度變化曲線

國際照明委員會CIE建議采取三臺階減光方式過渡隧道內(nèi)外亮度差[13]。圖10所示為遮陽棚在高、低擋墻情況下三臺階減光方式的路面亮度曲線。其中,紅色虛線和藍(lán)色虛線分別為擋墻高度為2 m和4 m時(shí)通過調(diào)整h1形成的三臺階路面亮度曲線,紅色實(shí)線和藍(lán)色實(shí)線分別為二者的擬合曲線。人眼視覺適應(yīng)曲線(黑色實(shí)線)在起點(diǎn)段與紅色實(shí)線更接近,在終點(diǎn)段與藍(lán)色實(shí)線更接近。為比較路面亮度曲線與人眼視覺適應(yīng)曲線的相關(guān)程度,計(jì)算了擋墻高度為2 m和4 m時(shí)兩條三臺階折線(圖10中的紅色虛線和藍(lán)色虛線)與人眼視覺適應(yīng)曲線的平均絕對誤差,公式為

圖10 三臺階減光形式遮陽棚內(nèi)路面亮度變化曲線

(7)

式(7)中:xi與yi分別為亮度曲線和人眼視覺適應(yīng)曲線第i點(diǎn)的亮度值。相對于人眼適應(yīng)曲線,擋墻高度為2 m與4 m時(shí)的三臺階亮度曲線平均絕對亮度差分別為610.12 cd/m2和317.44 cd/m2,整體小于單臺階亮度曲線的平均絕對亮度差671.33 cd/m2(h2=2 m,h1=2 m)和517.23 cd/m2(h2=4 m,h1=2 m)?？梢?增加減光臺階和擋墻高度可有效提升遮陽棚內(nèi)路面亮度曲線與人眼視覺適應(yīng)曲線的相關(guān)度。

為進(jìn)一步使路面亮度變化曲線接近人眼視覺適應(yīng)曲線,還可以綜合利用敞開位置(側(cè)向遮陽玻璃高度和擋墻高度組合)的變化,更加精細(xì)地調(diào)節(jié)路面亮度曲線。圖11給出了3種組合減光形式的路面亮度曲線:全長線性減光形式;分段線性減光形式(前60 m線性變化,后30 m不變);三臺階減光形式(擋墻高度不變,側(cè)向遮陽玻璃高度三臺階變化)。由圖11可知,全長線性減光形式布置的遮陽棚內(nèi)路面亮度變化均勻,但路面亮度曲線與人眼視覺適應(yīng)曲線相差較大。三臺階減光形式的遮陽棚內(nèi)路面亮度變化不均勻,但其擬合曲線與人眼適應(yīng)曲線的較為接近。而分段線性減光形式的遮陽棚內(nèi)路面亮度曲線介于上述二者之間。

圖11 不同參數(shù)組合(h1、h2)下3種減光形式遮陽棚內(nèi)路面亮度變化曲線

通過路面亮度曲線變化的趨勢可以看出,路面亮度按照三臺階減光形式進(jìn)行設(shè)計(jì),與人眼適應(yīng)曲線存在一定程度上的差異。設(shè)計(jì)者可以采用多臺階減光形式,如側(cè)向遮陽玻璃高度連續(xù)遞減、擋墻高度多次遞增和多段玻璃透光率變化組合等精細(xì)措施進(jìn)一步優(yōu)化路面亮度曲線。另外,當(dāng)隧道內(nèi)外亮度差過大時(shí),還可提高隧道入口處照明水平,降低遮陽棚兩端亮度差,從而更易得到貼近人眼適應(yīng)曲線的路面亮度曲線。

4 結(jié)論

結(jié)合太陽高度角與太陽輻照度在一年中的實(shí)際變化規(guī)律,研究了遮陽棚側(cè)向敞開高度、敞開位置以及透光率對行車路面亮度曲線的影響,總結(jié)出以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)建議。

(1)計(jì)算路面總輻照度時(shí)應(yīng)綜合考慮太陽高度角與太陽輻照度的組合影響。太陽高度角與太陽輻照度都隨季節(jié)和時(shí)刻變化,但是二者的變化趨勢不同。

(2)敞開高度、敞開位置和透光率共同決定了遮陽棚內(nèi)的平均路面亮度,其中敞開高度對棚內(nèi)路面亮度影響最為顯著。

(3)在特定的敞開高度下,敞開位置和透光率也能在一定程度上調(diào)節(jié)棚內(nèi)路面亮度。基于棚內(nèi)路面亮度與敞開高度、敞開位置及透光率的定量關(guān)系,可以合理設(shè)計(jì)遮陽棚減光形式,使路面亮度曲線更貼近人眼適應(yīng)曲線。

具體計(jì)算數(shù)據(jù)受制于項(xiàng)目所在地理位置和隧道結(jié)構(gòu)參數(shù),未考慮復(fù)雜天氣對路面亮度的影響,但研究所得的設(shè)計(jì)建議與隧道走向無關(guān),考慮太陽輻射規(guī)律修正后可推廣到一般隧道的遮陽棚。該設(shè)計(jì)建議可以優(yōu)化棚內(nèi)路面亮度曲線,提高駕乘人員進(jìn)出隧道的行車舒適性。