施工現(xiàn)場夜間光污染的軟件模擬方法探討

朱宏泰 劉宏成 肖 堅 吳金貴

湖南大學(xué)建筑學(xué)院 湖南 長沙 410082

隨著中國城市快速發(fā)展的進程，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很大的問題[1]。目前施工現(xiàn)場的夜間照明屬于臨時用電范疇，大多沒有進行設(shè)計計算，而是由施工人員根據(jù)經(jīng)驗來確定的。建筑工地的夜間照明設(shè)計不當(dāng)時，不僅會造成能源的浪費[2]，也會造成生態(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，國內(nèi)缺少研究建筑施工現(xiàn)場光污染的標(biāo)準(zhǔn)或依據(jù)[4]，并且實際的監(jiān)測條件也有限，有些測點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，實地逐一測量的工作量很大，難以進行多次的數(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)測和改善夜間建筑施工現(xiàn)場的光污染情況。

1 研究方法

本文先對施工現(xiàn)場進行實地調(diào)研，記錄現(xiàn)場燈具布置的方位、個數(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[6]，測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)場的工作面照度，再進行現(xiàn)場光污染實際監(jiān)測，與模擬的數(shù)據(jù)相互驗證，提高軟件模擬的準(zhǔn)確度。在此基礎(chǔ)上，運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)場的夜間光環(huán)境照明提供解決思路。

2 項目介紹

背景工程為長沙市某醫(yī)院新建醫(yī)療綜合樓項目，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對象。

圖1 施工現(xiàn)場平面與燈具布置示意

3 軟件建模

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

將此工地進行軟件建模，將模型模擬時間設(shè)定為夜間施工時間段，對周圍建筑進行建模，布置對應(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臺燈具，安裝高度為19.5 m，3個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)場周圍建筑的窗戶上設(shè)置計算元件，用于計算每扇窗戶的垂直照度值。最后建立的夜間施工場景如圖3所示。

圖2 配光曲線

圖3 軟件模擬的夜間施工場景

4 實際測量結(jié)果與軟件模擬結(jié)果對比

為了驗證軟件模擬光污染方法的可行性和準(zhǔn)確度，本文通過在現(xiàn)場用照度計實測的方式，與軟件模擬后的數(shù)據(jù)進行對比。在模擬時，盡可能還原施工現(xiàn)場的夜間照明情況，同時選取與現(xiàn)場監(jiān)測點相同的位置進行模擬。本文使用型號為MK350S的手持式照度計來監(jiān)測施工現(xiàn)場夜間監(jiān)測點的照度情況。

由于實地測量的局限性，本文選擇施工現(xiàn)場較為方便測量的2處位置進行實測（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個測點。位置二為西邊正在裝修的辦公樓的幾扇窗戶，選擇3個測點。實地測量測點與軟件模擬測點位置一致，數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表2所示。

圖4 實測點分布

表2 實際測量結(jié)果與軟件模擬結(jié)果對比 單位：lx

觀察2組數(shù)據(jù)可知，實測結(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值，可以指導(dǎo)實際工地的光污染監(jiān)測和控制。

5 測試結(jié)果及分析

5.1 光污染控制指標(biāo)

由于國家級、省級的關(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)境亮度進行劃分，對應(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，則對應(yīng)表格，城市環(huán)境亮度區(qū)域為低亮度區(qū)域，監(jiān)測時間為晚上22∶00，默認(rèn)為熄燈時段前，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)場地照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中5.8條，建筑施工夜間照明的照度最低為20 lx，需要相對精細(xì)的施工活動時，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)場合理照度區(qū)域。本文通過計算這個區(qū)域占總施工現(xiàn)場工作面的占比，來判斷施工現(xiàn)場的工作面照明情況。

5.3 測試結(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個測點（部分為2個），此建筑有7層，則外表面A有42×7數(shù)量的模擬點。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，即對應(yīng)建筑樓每個縱列的窗戶。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A3—A20的照度值處于15.0～20.0 lx區(qū)間，編號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100%。由此可見，建筑住宅一外表面A所受施工現(xiàn)場夜間光污染嚴(yán)重。

醫(yī)院急診病房靠近施工現(xiàn)場一側(cè)的建筑外表面B，有2個樓層，每層有10扇窗戶，每扇窗戶縱向分為4個測點，則外表面B有40×2數(shù)量的模擬點。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。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B1—B32的數(shù)值較低，且相對穩(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的編號有10個，因此不合格率為25%，且這10個數(shù)值遠超標(biāo)準(zhǔn)限值。結(jié)合模型發(fā)現(xiàn)，編號B33—B40所在的窗戶，因建筑結(jié)構(gòu)原因，離施工現(xiàn)場光源更近。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)場工作面合理照度區(qū)間為20～200 lx。統(tǒng)計施工現(xiàn)場工作面等照度線（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)場工作面等照度線

6 夜間施工照明的軟件模擬優(yōu)化

對于施工現(xiàn)場的光污染，本文通過燈具的型號、個數(shù)、擺放位置、角度、高度等的調(diào)整，來達到優(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

本文進行5次施工現(xiàn)場照明燈具調(diào)整嘗試：

1）第1次調(diào)整。采用調(diào)整燈具高度的方式，將場地周圍2臺燈具D1、D2的高度由原來的4.0 m調(diào)整為10.0 m，塔吊上3個燈具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的高度由原來的4.0 m調(diào)整為10.0 m，并且將5臺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)整燈具型號的方式，將燈具D1、D2的高度由原來的4.0 m調(diào)整為10.0 m，燈具D3、D4、D5高度不變，且將5臺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)整燈具型號以及燈具高度的方式，將5臺照明燈具的型號進行更換，選用光通量、功率均更小的燈具，同時將燈具D1、D2的高度由原來的4.0 m調(diào)整為2.5 m，燈具D3、D4、D5的高度由原來的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、位置、個數(shù)及高度等方式，燈具數(shù)量調(diào)整為4臺，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)化的對比（圖9）：原始值曲線相對偏高，最大的垂直照度值達到19.1 lx，遠高于限值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，且每個編號都略高于原始值，觀察模型發(fā)現(xiàn)，僅僅通過改變燈光高度的方式并不能降低光污染，因為隨著燈具高度的升高，在燈具照射角度不變的情況下，燈光的污染會隨之?dāng)U散，會造成更嚴(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低，也不能過高，應(yīng)該處于一個合理的照明高度，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)化對比

根據(jù)醫(yī)院急診病房外表面B數(shù)據(jù)優(yōu)化的對比（圖10）：B1—B20的數(shù)據(jù)處于一個非常平穩(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)達到一個很高的數(shù)值，所以本文著重觀測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候，光源直接對準(zhǔn)了這幾個測點的窗戶，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，局部測點有微弱的改善；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，將影響表面B最大的燈具進行調(diào)整，對光源照射方向及高度進行有意的規(guī)避，最終得到了最優(yōu)結(jié)果，除了B32—B40這9個編號的數(shù)值高于限值5.0 lx外，其他測點都遠低于限值，合格率達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)果相對理想。

綜合來看，第5次的優(yōu)化結(jié)果是最好的，其不僅減少了對建筑施工場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，因為選擇了功率更小的工地照明燈具并減少了照明設(shè)備的個數(shù)，所以施工現(xiàn)場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

通過本文研究可知，施工現(xiàn)場的夜間光污染情況與照明燈具的型號、個數(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低也不能過高，過低容易導(dǎo)致工作面照度不均，而過高則會導(dǎo)致光污染擴散；再次，照明燈具可以選用光通量及功率更小的型號；最后，在滿足工作面基本照度需求的情況下，可減少燈具的個數(shù)。

圖11 5次調(diào)整的工作面等照度線

由此可見，只要對施工現(xiàn)場進行充分調(diào)研，并正確地用DIALux軟件還原施工現(xiàn)場及夜間照明情況，就可用軟件模擬的形式，輔助監(jiān)測工地光污染狀況。同時，在軟件中進行模擬優(yōu)化，可指導(dǎo)現(xiàn)場的燈具布置，達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)化需要動態(tài)調(diào)整，加大了人力成本。同時，塔吊的探照燈光污染會隨著升高而擴散，并產(chǎn)生變化，這將在以后的研究中進行探討。