寧波東苑立交的照明設計

高嵩

（上海市政工程設計研究總院（集團）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規劃“四橫五縱五連”中世紀大道與環城南路兩快速路之間轉換的樞紐型互通立交，是杭甬高速、甬臺溫高速經寧波東收費站與市區交通轉換的重要節點，是中心城重要的對外出入口。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狀立交上新建四層樞紐互通立交，新建互通立交與現狀東苑立交構成六層上下分離、功能獨立的樞紐型互通立交。本文將對整個立交橋的照明、供配電等設計作一個系統的介紹。

1 立交橋的照明設計

1.1 東苑立交照明設計內容

1.1.1 照明設計內容

主要解決立交橋夜間行車道路照明，開拓視野，引導行車方向，為車輛駕駛人員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 設計原則

（1）道路照明設計滿足《城市道路照明設計標準》（CJJ 45—2006）的各項要求；

（2）不孤立地進行該工程道路照明設計，而是結合道路周邊環境，從整體上考慮變壓器設置及路燈的選用；

（3）路燈照明光源選用節能環保型；

（4）道路照明設計原則：安全可靠、技術先進、經濟合理、節能環保、維修方便。

1.2 功能照明設計

1.2.1 光源的選擇

由于LED具有體積小、壽命長、電光效率高、環保、節能等諸多優點，該工程選擇LED作為照明光源。

1.2.2 高架布燈方式

立交區照明一般有兩種：普通照明設施或高桿燈照明。

（1）普通照明設施：就是防撞墻上設置路燈的普通做法。立交區道路集中，橋梁上下重疊，縱橫交錯，如果采用在橋上布置普通道路照明設施的手法，將會造成燈桿林立，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，容易產生眩光，而且大大增加工程量。由于橋上燈桿受到橋梁結構的限制，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，故該方案并不適合該工程。

（2）高桿燈照明設施：可以減少燈桿林立的現象，充分利用高桿燈燈桿高照射半徑大的特點，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象比較普遍，空中射下來的燈光會照射到旁邊居民樓的窗戶里。該工程互通立交區離世紀花園居住小區最近點36 m，離世紀宜家小區最近42 m，周邊居住用地對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，要滿足相關要求，燈具高度至少達到45 m，一般超過35 m高桿燈需特殊定制，費用巨大。而且，東苑立交的引橋部分的彎道錯綜復雜，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，高桿路燈及傳統路燈的弊端及橋梁結構與周邊環境的限制，常規立交兩種照明方式并不適合該工程。

隨著科學技術的發展，出現一種LED鋼管護欄燈或防撞墻嵌墻燈，但現有的大部分護欄燈或嵌墻燈發光角度比較大，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對行使中的車輛造成強烈的眩光。

鑒于該項目的特殊情況，針對該項目需要選擇一種有嚴格配光、截光設計的燈具。通過大量的數據調查和比選，最終選擇一款新型LED曲面配光護欄燈具。它的特點為：

（1）安裝高度比較低，根據國家標準一般為1～5 m左右；

（2）照射距離比較遠，可以照射1～4個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行完全疊加，從而獲得整個路面均勻的照明。

以下為該LED透鏡的配光方法及光學模擬。

（1）二次光學透鏡在垂直于路面方向的剖面的配光原理：從LED芯片發光面中心O點射出的光線，通過內凹的入射面之后，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的芯片發光面O點發出的所有1 8 0°范圍的光線，經過內凹的入射面之后入射到自由曲面上，經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）單個護欄燈的光學模擬：假設每個護欄燈使用12顆Cr ee LED XPE，假設LED為CREE XPE，單顆LED的光通量為9 0 l m。這里共設置了2個接收器，其中一個接收器位于透鏡正前方12 m遠的位置，另一個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為單個護欄燈的光線追跡?？梢悦黠@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 單個護欄燈的光學模擬

LED護欄燈的二次光學透鏡，其在正前方12 m遠處的照度分布如圖3所示，可以看出：屏幕上的光斑分布為長方形，幾乎所有的光斑都分布在水平線0線以下，達到了截光效果。該發明所涉及的二次光學透鏡，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護欄燈的二次光學透鏡在正前方12 m遠處的照度分布

圖4為本LED護欄燈的二次光學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）的光強的遠場角度分布，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°），其可以在路面產生大范圍的均勻的照度分布。

圖4 LED護欄燈的二次光學透鏡在下方1 m路面上的照度分布

以下為在道路的雙側進行布燈時，路面上的光度分析。假設燈具的間距為3 m，護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LED護欄燈的二次光學透鏡的配光曲線。

圖5 LED護欄燈的二次光學透鏡的配光曲線

圖6為在道路的雙側進行布燈時的光線追跡，可以看出從兩側的燈具發出的光完全重疊并覆蓋了整個路面。

圖6 在道路的雙側進行布燈的光線追跡

圖7為道路雙側布燈時路面上的照度分布。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計標準所規定的一級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設置桿高10/8 m雙挑燈的方式，懸臂長1.5 m，仰角15°，內挑為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 道路雙側布燈時路面上的照度分布

圖8 雙車道實景效果圖

圖9 匝道等照度圖

圖10 立交區燈具橫斷面（單位：m）

1.2.4 燈具的技術要求

符合國家現行規定的路燈驗收標準,燈桿內外采用熱鍍鋅防腐處理，鋅層均勻，鍍鋅厚不小于80μm，外殼采用高品質的擠出鋁型材，外表采用靜電噴涂技術處理，防腐防酸抗堿，耐新持久。燈具的防護等級要求不低于IP66,防觸電保護為I類標準，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當地路燈辦要求，采用就地檢修手動控制、定時控制，并預留道路監控控制接口。

2 立交的配電設計

2.1 負荷等級

道路照明、景觀照明、廣告、監控均為三級負荷。

2.2 供配電系統

該工程設計范圍一期設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。高壓側采用單電源單變壓器的結線方式，低壓側單母線不分段方式。除照明負荷外，適當預留監控、景觀照明用電及廣告用電。變壓器負載率控制在70%以下。

2.3 無功補償及計量

在箱變內設低壓無功集中自動補償裝置,補償后功率因素達到0.9以上。采用高供高計的計量方式,計量裝置設在箱變內高壓側。

3 線路敷設

高架道路照明電纜自箱式變電站引出后，經電纜橋架沿橋墩引上至防撞墻內照明接線箱，高架道路照明電纜沿防撞墻內PE75預埋保護管敷設。

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

4 防雷及接地

該工程220/380V配電系統采用的接地型式為TN-S制,設專用PE線。變壓器中性點直接接地。

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

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，利用基礎內主鋼筋作為接地極，金屬燈桿、穿線鋼管、PE線與路燈內主鋼筋可靠連接，接地電阻小于4Ω。

各組合式戶外箱式變電站進線側裝設避雷器作過電壓保護。220/380 V低壓電源在各配電系統進線處安裝相應等級的電源SPD。

5 節能措施

（1）選擇燈具時，在滿足燈具相關標準以及光強發布和眩光限制要求的前提下，選擇發光效率高、衰減慢、反射率好、顯色性合適、使用壽命長的照明光源和燈具，提高道路照明照度值和景觀照明效果，降低運行維護成本。燈具效率不低于70%。

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

（3）根據道路線形及斷面，合理布設箱式變電站及燈具，縮短低壓供電線路的長度,降低線路損耗。變壓器選擇時選用損耗較低的環氧樹脂澆筑變壓器，達到節能目的。

（4）燈具防護等級不低于IP65，維護系數不低于0.7。

（5）嚴格控制照明功率密度值(LPD)。

（6）變壓器負載率控制在60%～80%。

6 結語

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。隨著城市建設的快速發展，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人員及行人創造良好的視覺環境，保障交通安全，提高交通運輸效率，同時又是國家技術水平的綜合反應，是城市美化的重要方面，是展示城市形象的重要載體，是現代化水平的重要標志。

如果說環城南路宛若一幅優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綴在這優美彩帶上，在寧波城區道路上形成一道新的人文景觀。

該工程最終獲得上海市優秀咨詢工程二等獎。

[1]北京照明學會照明設計專業委員會.照明設計手冊[M].北京：中國電力出版社，1998.

[2]CJJ 45—2006，城市道路照明設計標準[S].