城市快速路立交匝道照明研究

姚 凱，何 康，郭河志

(鄭州市市政工程勘測設計研究院，河南 鄭州 450000)

引言

近年來，隨著城市化的提速，大中城市快速路建設發展迅速，城市快速路是大城市解決主要交通量的重要手段，但它車速高、車流量大，一旦出現交通事故會嚴重影響整個區域的交通，與普通市政道路有著顯著的差異，而夜間行車相對普通道路，對照明的要求更高，快速路的照明成為了城市照明設計的一個新領域。本文通過對幾個典型路段進行實測與分析，對其中的匝道照明方式進行探討，為同行提供一些數據，作為立交照明設計的參考。

1 照明標準的確定

鄭州市在短短的十年時間，連續建成了京廣快速路、三環快速路、隴海快速路、農業快速路、107輔道快速路、四環快速路等一大批項目，快速路高架橋里程超過了200 km，在高架快速路照明方便積累了一些經驗。

《城市道路照明設計標準》(CJJ 45—2015)[1]中相關條文，并未對快速路的高架橋照明做出專門的解釋，設計師參照快速路的高標30 lx(高架橋面層普遍采用近似于R2類別的改性瀝青混合料[2]，簡易的換算亮度為2 cm/m2)設計主橋，理論上與實際效果證明均滿足要求，但在匝道照明設計時則出現了分歧。

城市高架快速路的匝道由兩條車道或者一條車道外加一條緊急停車帶組成，寬7～8 m。現行城市快速路與主干道的照明標準為20/30 lx(1.5/2 cm/m2)，對應的車速是60～80 km/h，但匝道的設計車速為40 km/h，屬于次干道的車速，因此又可以參照次干道的設計標準，而次干道的照明標準為15/20 lx(1/1.5 cm/m2)。同時不同類型的匝道其實際車速不同，如互通立交的匝道與上橋匝道的車速略低，而下橋匝道的車速則偏高。

根據國外的大量相關研究，機動車安全行車速度與路面亮度有直接的關系[3](見圖1)，C為物體和路面亮度對比值，車速越高，安全行駛要求的照明值越高。因此，橋梁匝道尤其是互通立交匝道按照快速路的高標30 lx(2 cd/m2)是有些偏高的，而采用低標20 lx(1.5 cd/m2)更為合適,經過多個項目的其實際運行效果也是不錯的。

圖1 安全行車速度和路面平均亮度的關系Fig.1 The relationship between safe driving speed and average road brightness

2 互通式立交匝道照明

傳統的互通立交照明采用普通桿柱式路燈與高桿燈兩種方式，均存在很大的缺陷。

2.1 桿柱式路燈

互通立交普通桿柱式的路燈會讓駕駛員有燈林的感覺，行車誘導性差，同時維修不便。按常規的立桿方式修燈必須使用高空作業車上橋，高空車占據一半的車道會嚴重影響車輛通行，見圖2。匝道往往設計為較大的單面橫坡，車斗升高可能會向一側傾斜，存在一定安全隱患。同時立交匝道長，處于曲線轉彎段的匝道，稍不注意，容易發生車輛追尾導致交通堵塞。

圖2 橋上檢修設備Fig.2 Maintenance equipment on bridge

另外，由于立交橋匝道相互交叉時凈高的限制，桿柱路燈的布置往往受到上層立交橋的影響；而立交匝道由于轉彎半徑小，為滿足均勻度導致燈桿的間距會明顯小于直線段，路燈利用系數低，使橋梁交叉部位的路燈布置更為困難。

采用常規路燈照明的現狀立交橋由于布燈密度高，夜晚立交的上空往往漫天金黃，大大超出了CIE對天空亮度限制的要求。

因此采用桿柱路燈作為互通立交照明并不是最佳的選擇。

2.2 高桿照明

高桿燈被稱為立交橋之眼，這種照明方式設計、施工簡單，安裝維護方便，是早些年常用的立交照明方式，但存在以下主要問題，因此已不是城市立交照明的主流。

1)照明光效低。一座互通立交如果達到完全滿意的照明全覆蓋，需要很多30～40 m的升降式高桿燈，但無效照明很多，耗電量很大。高桿燈采用的是大功率泛光燈，是面照明方式，其大部分光照到橋下綠地內，而照射匝道上的一般不足30%，光照利用率很低，大多為無用光。另外，過多的光照射到立交范圍綠地中，對植物、昆蟲和其他動物產生不利的生態影響。

2)效果不佳。對于大型互通式立交橋，三層匝道一般高出地面十多米，見圖3。如果簡單地采用常用的30 m的高桿燈，因為燈盤相對于匝道的高差較小，實際照明范圍不大，照明均勻度更差，且必然對上層匝道產生明顯的眩光，而且上層匝道遮住下層橋面會產生明顯的陰影暗區。

圖3 互通立交高桿燈位置圖Fig.3 Location map of high pole lamp in Interchange

3)不利于與周圍景觀融合。 隨著園林城市的建設，立交區越來越重視景觀建設，綠化與景觀設計日趨精細化。傳統高桿燈采用的大功率燈具大面積的照到地面上，使周圍景觀缺乏亮度明暗對比，針對景觀所做的照明藝術性大打折扣。

2.3 低位照明

隨著LED照明技術的發展，近年來低位照明在立交匝道的應用日趨廣泛。相對于高桿燈照明，低位照明為定向照明，有更好的均勻度，光的利用率更高。由于不需要登高車，安裝維護很方便。低位照明把燈具設置在匝道擋墻處，定向照射需要照明的地方，減小光源與所要照明物體間的距離，最大限度地減小光的投射路程，減小光源的功率，提高光的效率。

尤其是LED低位匝道燈，見圖4，可以根據匝道的結構特點，設計最優的配光透鏡，制作出美觀、精巧的外型，達到最佳的照明效果。雖然燈具會受到車輛濺起的泥水影響，但采用機械化的專用外墻清洗車輛很容易對燈具同時進行清潔，見圖5。

圖4 各種常見低位匝道燈Fig.4 Various common low ramp lights

圖5 機械化清洗擋墻Fig.5 Mechanized cleaning of retaining wall

3 上下匝道照明

高架快速路的上下橋匝道很多，可采取桿柱路燈照明與低位照明兩種方式。

3.1 桿柱式路燈

相對于互通立交，普通桿柱式的路燈用于上下橋匝道照明是不錯的。它有兩種布置方式：

1)路燈設置在主橋。主橋路燈由單臂調整為雙臂，一側與標準段相同照射主橋，一側照射匝道。這種布燈方式造價低，效果好，光效高，在主道燈具檢修的同時可同步檢修匝道側燈具。圖6、圖7為東三環匝道布燈斷面和匝道實景圖。

圖6 匝道布燈斷面Fig.6 Ramp light distribution section

圖7 匝道實景圖Fig.7 Real view of ramp

2)路燈設置在匝道橋。主橋路燈不變，在匝道外側擋墻單獨安裝路燈照射匝道。這種布燈方式造價適中、照明誘導性好、光效高，但匝道路燈檢修同樣面臨燈高車阻擋車道與車輛安全問題。圖8、圖9為北三環東延布燈斷面圖和實景圖。

圖8 布燈斷面圖Fig.8 Sectional view of lamp arrangement

圖9 北三環東延實景圖Fig.9 East extension of North Third Ring Road

3.2 低位照明

低位照明非常適合互通式立交，也同樣適用與高架橋的上下匝道，如2.3節所述。上下匝道采用低位照明相對于桿柱路燈照明，經濟型與維修便利性不如前者。

4 匝道低位照明的實測數據分析

通過已建成的7個典型工程實地檢測，我們對各種低位匝道照明的數據作了匯總分析。參照照明測量[4]方法，按照項目建成時間的順序，依次介紹如下：

4.1 京沙高架橋

京沙高架橋建于2011年，匝道采用LED 12 W護欄燈，在匝道兩側砼防撞墻上與鋼護欄配合安裝，間距2 m布置，匝道寬7 m。京沙高架現場匝道實景見圖10，京沙高架LED光譜曲線見圖11。

圖10 匝道實景圖Fig.10 Real view of elevated ramp

圖11 京沙高架LED光譜曲線Fig.11 LED spectrum curve of jingsha elevated

4.2 北三環-文化路立交橋

立交照明建于2013年，在兩側防撞墻內安裝方形嵌入式匝道燈，匝道寬8 m，光源為70 W高壓鈉燈，間距6 m，燈具距地高度0.9 m，北三環匝道實景見圖12，北三環高壓鈉燈光譜曲線，見圖13。

圖12 匝道實景圖Fig.12 Real view of elevated ramp

圖13 高壓鈉燈光譜曲線Fig.13 Spectrum curve of high pressure sodium lamp

現場實測可看出，均勻度極差，照明效果不理想，能耗超高，如果后期補償電容器失效，能耗更為嚴重。

4.3 南三環-京廣互通立交橋

京廣互通立交匝道建于2013年，采用的布燈方式與燈具與北三環立交均相同，但光源改為功率20 W陶瓷金鹵燈。京廣互通立交匝道現場實景圖見圖14。京廣互通立交陶瓷金鹵燈光譜曲線見圖15。

圖14 匝道實景圖Fig.14 Real view of elevated ramp

圖15 陶瓷金鹵燈光譜曲線圖Fig.15 Spectrum curve of ceramic metal halide lamp

4.4 南陽路-北三環立交橋

南陽路-北三環立交建于2014年，匝道寬8 m，在立交橋匝道兩側砼防撞墻上與鋼護欄之間安裝護欄LED匝道燈(9 W白光+背光4 W RGB)，每2 m兩個LED匝道燈。南陽路北三環立交匝道現場實景見圖16，南陽路北三環LED光譜曲線見圖17。

圖16 匝道實景圖Fig.16 Real view of elevated ramp

4.5 隴海路快速路高架橋

該立交建于2015年，匝道采用全新設計的方型嵌墻匝道燈，在匝道燈兩側防撞墻內對稱布置，匝道寬度8 m，燈具間距4 m，燈具底距橋面高度0.7 m，光源為18 W白光LED。隴海路高架匝道實景見圖18、隴海路高架LED光譜曲線見圖19。如下：

圖18 匝道實景圖Fig.18 Real view of elevated ramp

圖19 LED光譜曲線Fig.19 LED spectrum curve

4.6 農業快速路高架橋

該立交建于2017年，匝道采用專門設計的長條型嵌墻匝道燈，在匝道燈兩側防撞墻內對稱布置，匝道寬度8 m，燈具間距4 m，燈具底距橋面高度0.7 m，光源為12 W白光LED。農業路高架匝道現場實景見圖20，農業路高架LED光譜曲線見圖21。

圖20 匝道實景圖Fig.20 Real view of elevated ramp

圖21 LED光譜曲線Fig.21 LED spectrum curve

4.7 四環快速路高架橋

該立交建于2020年，匝道采用全新設計的長條型嵌墻匝道燈，在匝道燈兩側防撞墻內對稱布置，匝道寬度8 m，燈具間距4 m，燈具底距橋面高度0.7 m，主光源為12 W(白光)LED+2 W(暖白指示)，增加了黃色導引燈。由于四環立交匝道目前尚未施工完，僅對部分匝道測量。四環高架匝道實景見圖22、四環高架LED光譜曲線見圖23。

圖22 匝道實景圖Fig.22 Real view of elevated ramp

圖23 LED光譜曲線Fig.23 LED spectrum curve

4.8 照明數據分析

7個工程除前兩項缺乏燈具數據外，我們均采用DIALux照明軟件進行了計算，由于高架橋現場條件限制，架設亮度計檢測較為困難，因此均使用彩色照度計按標準進行檢測[4]，實地檢測的數據如表1所示。

表1 實測照度數據表

1) 照明均勻度、眩光。北三環均勻度明顯不達標；隴海路的LED匝道燈采用間接式配光，眩光小但均勻度不達標，照明效果尚可接受。另外幾個節點均勻度均達標，但除農業路、四環路立交布燈合理外，另幾個用燈量過多，經濟性較差，尤其是南陽路-北三環立交。農業路匝道采用直接照明(圖24)，眩光較明顯，而四環燈具則在前者的基礎上進行了配光優化(圖25)，重點解決眩光問題，眩光大大減弱，雖然燈具效率有所降低，但性能相對與前者更加均衡;同時考慮雨天與霧天照明效果的降低[5]，四環匝道為在線可調光燈具，雨霧天功率適當增大以改善照明。

圖24 農業路匝道燈Fig.24 Ramp lamp of agricultural road

圖25 四環匝道燈Fig.25 Four ring ramp light

2)平均照度。北三環立交的平均照度遠超出限定指標，南陽路立交、京廣互通與南陽路接近30 lx，其他工程略高于規范的快速路低值，滿足要求。

3)功耗。南三環、農業路、四環滿足規范強條對LPD的要求，隴海路略超標準，但作為匝道照明尚基本可以接受，其他則遠遠超出限定指標。

4)顯色指數。高壓鈉燈的顯色性最差，陶瓷金鹵燈與LED有很好的顯色指數，因此有更好的辨識度，相同照度下有更好的視覺感受。

5 結語

對比實測數據與現場觀察，高架橋在上下匝道處使用高低搭配雙臂路燈是最經濟，也是效果最好的作法。而新型低位匝道照明在平均照度、均勻度、光效、功率密度、能耗方面的綜合性能是均衡的，適合在互通立交匝道使用，隨著LED技術的日趨成熟，集美觀、節能等多種優點的新型LED匝道燈在城市立交匝道照明應用中將占據更多的市場[6]。