BIM在公路隧道照明節(jié)能中的應(yīng)用探討

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

一、引言

隨著我國高速公路建設(shè)向西部山區(qū)推進(jìn)，公路隧道的應(yīng)用也越來越廣泛，根據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《2016年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，截止2016年底，中國公路隧道為15181處、14039.7Km，比2015年分別增加了1175處、1355.8Km。綠色交通正成為交通運(yùn)輸發(fā)展的趨勢，成為交通發(fā)展的關(guān)鍵詞。而公路隧道由于其特殊的封閉構(gòu)造形式和獨(dú)特的行車環(huán)境，在隧道內(nèi)一般設(shè)有通風(fēng)、照明、消防、監(jiān)控等機(jī)電設(shè)施，這是公路隧道最主要的運(yùn)營能耗單元，其中以通風(fēng)、照明設(shè)施消耗電能最多。同時(shí)，照明系統(tǒng)的技術(shù)狀況也是影響隧道內(nèi)行車安全的關(guān)鍵所在。如何使照明設(shè)計(jì)在滿足行車舒適性和安全性的前提下，還滿足綠色環(huán)保、節(jié)能減排的要求顯得格外重要。

二、BIM概述

BIM全稱建筑信息模型(Building Information Modeling)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是工程項(xiàng)目實(shí)體和功能特性的數(shù)字化表達(dá)。工程師在利用BIM軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)創(chuàng)建的模型已經(jīng)包含了大量的設(shè)計(jì)信息，包括集合信息，材料性能，構(gòu)件屬性等，只需將建筑模型導(dǎo)入到模擬軟件就能得到模擬結(jié)果。建筑模擬是指對建筑環(huán)境與系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行模擬分析的方法。其主要包括建筑能耗模擬，建筑環(huán)境模擬(氣流模擬、光照模擬、污染物模擬)和建筑系統(tǒng)仿真。BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用在設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率方面都得到了十分顯著的提高，進(jìn)一步推動(dòng)我國建筑行業(yè)綠色、節(jié)能和數(shù)字化的發(fā)展。

三、BIM在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

(一)參數(shù)化設(shè)計(jì)

在Revit軟件上建立的BIM建筑模型，包含的信息表現(xiàn)形式多種多樣，比如明細(xì)表、三維視圖和二維視圖等。如果對模型某項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行修改，那么軟件本身附帶的引擎不僅可以對明細(xì)表、視圖和平面等多種信息進(jìn)行修改，還能實(shí)時(shí)更新各類數(shù)據(jù)，從而確保設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確，并且保證設(shè)計(jì)的效率。

(二)協(xié)同設(shè)計(jì)作用

建筑設(shè)計(jì)往往需要多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域相互配合，僅僅按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是很難實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)相互銜接的。利用BIM建筑模型，為建筑項(xiàng)目提供一個(gè)完整的反映建筑物各個(gè)階段所包含的各種信息的平臺(tái)，從而就可以實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)在同一平臺(tái)上的協(xié)同設(shè)計(jì)，大大減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，提高設(shè)計(jì)效率。

(三)可視化設(shè)計(jì)

利用BIM技術(shù)建立的三維模型，能夠?qū)⒃瓉沓橄蟮钠矫鎲栴}轉(zhuǎn)化為直觀的三維問題，從而避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在二維平面上的局限性。BIM技術(shù)建立的是一個(gè)包含了各種各樣信息的整體模型，這樣就可以去掉局部模型修改的工作，任何修改工作都可以直接在模型中完成，降低設(shè)計(jì)工作的繁瑣程度。

(四)節(jié)能設(shè)計(jì)

BIM技術(shù)在建筑能耗模擬分析中的應(yīng)用能夠更加全面、直觀的對建筑的性能進(jìn)行分析。還能實(shí)現(xiàn)對建筑特定區(qū)域進(jìn)行分析，因?yàn)閷τ谝粋€(gè)特定區(qū)域的能耗不僅僅與建筑面積相關(guān)，也會(huì)受到建筑材料的影響，從而對能耗模擬分析的結(jié)果進(jìn)行細(xì)化。

四、BIM在公路隧道照明節(jié)能中的應(yīng)用

(一)公路隧道照明基本特征

隧道照明的主要目的是形成舒適、安全、高效、經(jīng)濟(jì)的隧道照明環(huán)境，保證駕駛員任何時(shí)候經(jīng)過隧道時(shí)的視覺舒適度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全行駛。公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括確定隧道照明分段、照明指標(biāo)、光源、燈具等，各因素均影響照明系統(tǒng)規(guī)模和運(yùn)營能耗。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需合理設(shè)置照明系統(tǒng)規(guī)模，從源頭上解決系統(tǒng)規(guī)模大、初期投資高、運(yùn)營能耗大的問題。

(二)BIM在建筑照明技術(shù)的應(yīng)用

1.建筑照明設(shè)計(jì)

BIM的核心建模軟件(BIM Authoring Software)是BIM產(chǎn)生和發(fā)展的前提，它是其余軟件與BIM進(jìn)行不同程度的信息交換提供平臺(tái)。照明設(shè)計(jì)中常用的一款軟件是AGI32，它通過Revit的插件Elumtools來實(shí)現(xiàn)與BIM的交互。ElumTools通過讀取Revit中的區(qū)域及組件，以及材質(zhì)，并對這些區(qū)域進(jìn)行燈具管理，最后計(jì)算得出交互式的可視化模擬照明場景及照度計(jì)算結(jié)果。

圖1 ElumTools典型的工作流程

2.建筑照明能耗分析

相比于傳統(tǒng)的能耗模擬而言，BIM技術(shù)不僅僅在建筑的概念設(shè)計(jì)階段開始參與設(shè)計(jì)，還參與到了建筑的全生命周期中。分析軟件選擇Ecotect Analysis，它具有強(qiáng)大的模擬和分析功能，無論建筑物多么復(fù)雜，它都可以通過太陽照射時(shí)間和角度、遮擋情況、建筑物的照明等因素，對建筑物進(jìn)行能耗模擬，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，滿足建筑節(jié)能的要求。

圖2 BIM技術(shù)能耗分析流程

(三)BIM在公路隧道照明節(jié)能中應(yīng)用

綠色照明的設(shè)計(jì)工作相對于普通的照明設(shè)計(jì)工作來說較為復(fù)雜，通常需要考慮更多影響建筑照明的因素，包括不同的氣候條件下、不同的時(shí)間段內(nèi)太陽光的角度等，而這些均可以通過BIM信息技術(shù)進(jìn)行模擬分析。設(shè)計(jì)出貼合隧道照明曲線的照明控制系統(tǒng)不僅可減少“黑洞現(xiàn)象”、“白洞現(xiàn)象”等隧道特有的不良現(xiàn)象對行車安全所帶來的影響，還能有效改善駕駛者在行駛過程中由隧道特殊的行車環(huán)境所帶來的壓抑感。更重要的是，可以最大限度地發(fā)揮LED光源固有的優(yōu)勢，在提高隧道照明質(zhì)量的同時(shí)減少電能消耗。

1.照明燈具的數(shù)量和布置

利用BIM在建筑照明設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，首先可以根據(jù)隧道本身的具體情況，比如方位走向、長度、曲度、材料反射等，通過在BIM中進(jìn)行模擬照明場景及照度計(jì)算來確定照明燈具數(shù)量并合理布置。同時(shí)還可以結(jié)合照明方法上的改進(jìn)措施，比如采用反光器、二次配光技術(shù)等，通過在模擬照明場景中的可視化具體化呈現(xiàn)，能夠更加全面、直觀的進(jìn)行照明設(shè)計(jì)。

2.照明燈具的亮度和分級(jí)

隧道照明系統(tǒng)以《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)為依據(jù)，以洞外亮度、車流量、車速為基礎(chǔ)提供按需照明亮度。要把隧道內(nèi)各段照明的長度和照度設(shè)計(jì)成能夠根據(jù)實(shí)際要求(如洞外亮度)不斷調(diào)整變化，動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)對各段燈具照明的自動(dòng)控制，才能從根本上杜絕隧道照明能源的浪費(fèi)，并提高行車安全系數(shù)。通過在BIM模型上模擬不同時(shí)間段、不同天氣情況下洞外自然光的亮度，來確定洞口段的照明亮度。模擬不同時(shí)間段的車流量結(jié)合車速，分級(jí)調(diào)整照明亮度。為了防止司機(jī)出現(xiàn)突然的盲視，造成安全風(fēng)險(xiǎn)，要給司機(jī)充分地適應(yīng)時(shí)間，通過BIM模型對過渡段燈具亮度進(jìn)行合理分級(jí)。

3.照明能耗控制

利用BIM信息技術(shù)可以有效地協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)隧道照明系統(tǒng)，使隧道在運(yùn)營過程中既能滿足人們的照明需求，又能合理高效的利用自然光和車輛自身燈光，減少隧道照明的運(yùn)行能耗，同時(shí)也增加了人們在工作生活時(shí)的舒適性。通過Ecotect Analysis軟件對隧道內(nèi)照明能耗進(jìn)行分析，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)按需照明，最大程度地節(jié)約運(yùn)營成本，滿足建筑節(jié)能的要求。

五、結(jié)語

與發(fā)達(dá)國家相比，我國公路隧道照明總體上長期處于低水平、高能耗狀態(tài)，在照明系統(tǒng)節(jié)能方面還有很大的提升空間。本文根據(jù)公路隧道照明視覺特性，以隧道內(nèi)外亮度差、車輛流量、時(shí)間段等參數(shù)為依據(jù)，提出將BIM技術(shù)運(yùn)用到隧道照明節(jié)能設(shè)計(jì)中，使照明設(shè)計(jì)在滿足行車舒適性和安全性的前提下，還滿足綠色環(huán)保、節(jié)能減排的要求?？偠灾?，在公路隧道照明設(shè)計(jì)上需要全面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能，不斷加強(qiáng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的分析和研究，發(fā)現(xiàn)存在的問題，并采取針對性的解決措施，才能實(shí)現(xiàn)公路隧道照明節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用。

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