城市人行天橋夜景照明設(shè)計(jì)模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究

任東飛,嚴(yán)永紅

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶　400045; 2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400030)

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城市人行天橋夜景照明設(shè)計(jì)模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究

任東飛1,2,嚴(yán)永紅1,2

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶400045; 2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030)

摘要：隨著城市夜景建設(shè)的快速開(kāi)展，城市天橋的夜景觀形態(tài)受到人們的關(guān)注，但因其造型與結(jié)構(gòu)的特殊性，增加了照明設(shè)計(jì)的難度。在實(shí)際的照明工程中，異性構(gòu)件增加了布燈難度，易造成亮度分布不均、光逸散，產(chǎn)生光污染；天橋載體顏色與光源光色疊加時(shí)，易出現(xiàn)色彩畸變；燈具布置位置與選型不合理會(huì)產(chǎn)生眩光對(duì)車行、人行造成視覺(jué)干擾。通過(guò)對(duì)燈光場(chǎng)景模擬、光譜分析比較、視點(diǎn)與眩光值模擬等手段，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以期達(dá)到良好照明效果。

關(guān)鍵詞：人行天橋；亮度分布；色彩畸變；溢散光；眩光

引言

隨著的城市快速發(fā)展，城市人行天橋的數(shù)量也隨之增加，它不僅在一定成程度上解決了交通擁堵問(wèn)題，同時(shí)其獨(dú)特、新穎的建筑形態(tài)也豐富了城市空間。如今，城市夜景建設(shè)正如火如荼開(kāi)展，城市形象得到很大的提升，它豐富了城市夜生活，塑造出城市新名片[1]。人行天橋作為城市核心區(qū)的景觀節(jié)點(diǎn)，它無(wú)疑成為城市夜景觀形象不可或缺的一部分。

橋梁以跨徑尺寸不同，分為特大橋、大橋、中橋、小橋[2]，城市人行天橋?qū)儆谛蚝椭袠蚍懂?表1)，同特大橋、大橋相比，后者尺度較大、投資成本高、受關(guān)注度高，照明設(shè)計(jì)體系完善，但城市人行天橋具有：1)雖然尺度小和受關(guān)注度低，但結(jié)構(gòu)變化豐富，在投資較少的前提下，可以營(yíng)造出較好的城市景觀；2)城市天橋通常位于城市交通流密集的城市核心區(qū)域，要著重考慮近橋視點(diǎn)區(qū)域的功能特性與景觀效果；3)由于城市人行天橋造型的復(fù)雜性以及對(duì)于其照明研究較少，給照明設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。

表1　橋梁按總長(zhǎng)或跨徑分類(城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[2])

1天橋夜景觀設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

在攀枝花金沙江沿岸的5座人行天橋照明設(shè)計(jì)中，方案設(shè)計(jì)階段有很多不可控因素，若不加以設(shè)計(jì)分析、模擬比較，可能會(huì)出現(xiàn)逸散光、光承載面照度分布混亂、光色與載體顏色疊加出現(xiàn)色彩畸變等現(xiàn)象；甚至出現(xiàn)某些構(gòu)件的亮度值過(guò)高，對(duì)天橋的夜景觀形象產(chǎn)生一定影響[3]。

在天橋照明設(shè)計(jì)實(shí)踐中，當(dāng)燈光投射在天橋異型構(gòu)件上(見(jiàn)圖1)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)逸散光干擾行人、產(chǎn)生光污染現(xiàn)象，并且對(duì)夜間景觀效果造成混亂。不同材質(zhì)表面反射率不同，光反射程度也不同，當(dāng)選取不恰當(dāng)?shù)臒艟?，?huì)造成光承載面亮度值分布不合理，同時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生眩光值偏大，干擾車輛行駛，造成車行、人行視線混亂。天橋載體本身的顏色(見(jiàn)圖2)與光源的光色進(jìn)行疊加可能會(huì)出現(xiàn)色彩畸變等不可預(yù)知的變化[4]，影響設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確表達(dá)。

圖1　瀘商天橋異型構(gòu)件Fig.1　Profiled component of Lu shang footbridge

圖2　南商天橋構(gòu)件Fig.2　Profiled component of Nan shang footbridge

2設(shè)計(jì)難點(diǎn)解決

2.1光逸散、亮度分布

在照明設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)人行天橋近橋視點(diǎn)的夜景照明效果，需要照亮異型構(gòu)件且達(dá)到合理的亮度分布。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，異型構(gòu)件本身的造型特點(diǎn)會(huì)由于布燈位置與角度的不合理產(chǎn)生光溢出和照度值偏高或偏低等現(xiàn)象，造成周圍環(huán)境亮度值增加，導(dǎo)致光環(huán)境的混亂[5]。

在攀枝花滬商天橋照明設(shè)計(jì)中，天橋橋身構(gòu)件——籠柵，它作為天橋建筑設(shè)計(jì)獨(dú)具特色的建筑語(yǔ)匯，成為照明設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，但同時(shí)給燈具布置和設(shè)計(jì)增加了難度。為了更精確確定布燈位置、防止光逸散，進(jìn)行了不同方案的比選和模擬。為了使弧形構(gòu)件達(dá)到一定的亮度值和在燈光下烘托出其形體特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了不同位置的布燈計(jì)算模擬：1)燈具直接以抱箍方式固定在弧形構(gòu)件上，洗亮構(gòu)件正面；2)在弧形構(gòu)件之間進(jìn)行布燈，洗亮構(gòu)件兩側(cè)。

首先對(duì)兩種布燈方式進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。如圖3所示，同時(shí)利用數(shù)字模擬技術(shù)對(duì)其進(jìn)行可視化模擬，通過(guò)模擬出的圖像和數(shù)據(jù)報(bào)表，得出效果如圖4所示。在可視化圖像和偽色照度圖值中，發(fā)現(xiàn)第一種布燈方式，出現(xiàn)了控光性差、大部分光逸散流失，導(dǎo)致籠柵整體照度值低、周圍亮度值過(guò)高；第二種把燈具布置在籠柵間距中可以達(dá)到較好的控光效果，避免光逸散出去，實(shí)現(xiàn)照度值分布合理，亮度比適中，使得橋身內(nèi)部亮度值滿足要求，呈現(xiàn)出晶瑩剔透的照明效果，如圖5所示。

圖3　瀘商天橋局部布燈(設(shè)計(jì)：嚴(yán)永紅；計(jì)算：任東飛)Fig.3　Lu shang footbridge place lamps(Design by YAN Yonghong； Calculation by REN Dongfei)

圖4　瀘商天橋效果圖與照度偽色圖Fig.4　Lu shang footbridge renderings and pseudo illumination color chart

圖5　瀘商天橋燈光場(chǎng)景展現(xiàn)Fig.5　Lu shang footbridge lighting scenes show

2.2色彩疊加

在照明設(shè)計(jì)中，光源的光色與材質(zhì)的色彩疊加時(shí)，由于光譜的變化，會(huì)出現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)效果。在此次五座天橋照明設(shè)計(jì)中，紅色的欄桿、暗黃色的裝飾板、灰色的鋼構(gòu)件等載體本身復(fù)雜的色彩信息為照明設(shè)計(jì)效果的表達(dá)增加了難度。在設(shè)計(jì)前期對(duì)選用的光源(色溫值為2700K、4000K、6000K)進(jìn)行了光譜測(cè)量、分析，當(dāng)光照射在這些復(fù)雜顏色信息的載體上時(shí)，經(jīng)過(guò)反射，最后得到的光譜會(huì)發(fā)生很大變化(如圖6所示)。通過(guò)光譜刪選分析，確定合適的光源；使用數(shù)字模擬技術(shù)，根據(jù)光譜分析數(shù)據(jù)確定模擬參數(shù)，對(duì)色彩載體進(jìn)行燈光場(chǎng)景模擬再現(xiàn)[6]，利用模擬可視化圖像進(jìn)行燈光光色、色溫的選擇。

攀枝花北岸一天橋照明設(shè)計(jì)中，為了表現(xiàn)造型感較好紅色欄桿，使用了窄配光的投光燈進(jìn)行照射，由于載體的紅色，使用不同的色溫，會(huì)呈現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)效果。在設(shè)計(jì)中，采用了三種色溫2700K、4000K、6000K的燈光照射模擬，最后呈現(xiàn)出的效果如圖7所示，通過(guò)效果的對(duì)比，6000K燈光照射下的欄桿具有很強(qiáng)光色感和宜人的藝術(shù)效果；攀枝花南商天橋主體結(jié)構(gòu)是由暗灰色鋼構(gòu)件搭建而成，傾斜的鋼構(gòu)件支撐成為照明設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，通過(guò)對(duì)暗灰色的鋼構(gòu)件使用不同的色溫光源進(jìn)行燈光場(chǎng)景模擬(如圖8所示)，為了配合天橋內(nèi)部的鹵素光源產(chǎn)生的燈光效果，最后使用了4000K色溫?zé)艄庹丈滗摌?gòu)件凹槽。

2.3視覺(jué)舒適度

圖6　光譜分析Fig.6　Spectral analysis

圖7　北岸一天橋欄桿光照效果(設(shè)計(jì)：嚴(yán)永紅；計(jì)算：任東飛)Fig.7　North Shore first footbridge railing lighting effects(Design by YAN Yonghong； Calculation by REN Dongfei)

圖8　南商天橋鋼構(gòu)件光照效果(設(shè)計(jì)：嚴(yán)永紅；計(jì)算：任東飛)Fig.8　Nan shang footbridge Steel member lighting effects lighting effect(Design by YAN Yonghong； Calculation by REN Dongfei)

在對(duì)天橋夜景觀照明設(shè)計(jì)中，天橋夜間整體照明對(duì)于城市道路的形象提升至關(guān)重要，但同時(shí)要考慮到天橋由于光源的存在對(duì)人行、車行視覺(jué)舒適度的影響[7]。當(dāng)夜幕降臨后，視覺(jué)背景是黑色的夜空時(shí)，光源的亮度、位置、外觀大小與數(shù)量及燈具投射角度等因素都會(huì)產(chǎn)生一定的視覺(jué)眩光，如果設(shè)計(jì)不合理，眩光進(jìn)入視域范圍內(nèi)，就會(huì)對(duì)車行、人行造成視覺(jué)干擾[8]，產(chǎn)生視覺(jué)不舒適感、視覺(jué)疲勞等，進(jìn)而構(gòu)成交通隱患。

在對(duì)攀枝花沿金沙江北岸三天橋照明設(shè)計(jì)中，燈具選型與布置完成后，對(duì)方案進(jìn)行了人行、車行視線模擬分析(如圖9所示)。在視線分析中定位不同的視域點(diǎn)[9]：1)人在天橋內(nèi)部行走時(shí)的視點(diǎn);2)在道路行駛的車輛進(jìn)行視點(diǎn)的模擬布置。為了更直觀和精確的確定眩光指數(shù)，通過(guò)數(shù)字軟件進(jìn)行了模擬布置和計(jì)算。在天橋內(nèi)部，根據(jù)人行的視點(diǎn)高度放置GR4、GR5計(jì)算點(diǎn)來(lái)模擬人行視點(diǎn)[10]；在城市交通道路上，通過(guò)車行視角進(jìn)行位置、高度分析，放置GR1、GR2、GR3計(jì)算點(diǎn)來(lái)模擬車行視點(diǎn)。通過(guò)可視化的模擬，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)而對(duì)燈具的布置、數(shù)量、投射角度進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，減少眩光對(duì)視覺(jué)的影響，最后根據(jù)計(jì)算模擬得到的數(shù)據(jù)報(bào)表(如表2，表3所示)和照度偽色圖與模擬效果圖(如圖10所示)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)及照度分析，確定滿足國(guó)家規(guī)范的要求[10]，并且符合人們的視覺(jué)舒適度要求。

圖9　北岸三天橋車行與人行視點(diǎn)(設(shè)計(jì)：嚴(yán)永紅；計(jì)算：任東飛)Fig.9　North Shore third dealers and pedestrian overpass viewpoint(Design by YAN Yonghong； Calculation by REN Dongfei)

名稱位置(X,Y,Z)觀察范圍階梯寬度眩光最小值眩光最大值GR觀察點(diǎn)124.3,14.8,1.20°～360°15°<10<10GR觀察點(diǎn)227.2,12.4,1.60°～360°15°<1013GR觀察點(diǎn)322.2,11.8,3.60°～360°15°<1014觀察點(diǎn)位置布局

表3　人行GR觀察點(diǎn)

圖10　北岸三天橋燈光模擬效果北岸三天橋車行與人行視點(diǎn)(設(shè)計(jì)：嚴(yán)永紅，計(jì)算：任東飛)Fig.10　North Shore third flyover lighting simulate effects(Design by YAN Yonghong； Calculation by REN Dongfei)

3結(jié)語(yǔ)

在攀枝花五座人行天橋的照明設(shè)計(jì)中，對(duì)異形構(gòu)件特殊布光與控光、光色與材質(zhì)色彩疊加、城市天橋夜間照明狀態(tài)對(duì)車行和人行視線干擾等問(wèn)題進(jìn)行了分析模擬與比較研究，通過(guò)模擬產(chǎn)生的圖像效果與光學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行方案的優(yōu)化與調(diào)整，使得天橋呈現(xiàn)出良好的夜景觀形態(tài)。在城市夜景照明設(shè)計(jì)中，載體本身承載著光與影的變幻，其造型特征、材質(zhì)信息對(duì)于光的表達(dá)至關(guān)重要，在以后的照明實(shí)踐中應(yīng)引起重視。

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Research on Simulation Calculation & Experiment of Urban

Pedestrian Bridge Lighting Design

Ren Dongfei1,2,Yan Yonghong1,2

(1.FacultyofArchitectureandUrbanPlanning，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China;

2.KeyLabofMinistryofEducationforNewTechnologyofMountainousTowns，Chongqing400030，China)

Abstract：With the development of urban night, the night landscape form of flyover gets people’s attention. Due to its shape and structure specialty, the difficulty of lighting design increases. In the actual lighting projects, if fabric lamp and heterosexual parts are inappropriate, it will be likely to cause light escaping and light pollution; Flyover’s own color and light source color overlay may appear confusing; Luminaires’ unreasonable position will produce glare for car dealers and pedestrian. This paper analyzes these aspects of the design to achieve good lighting effects.

Key words:footbridge; luminance distribution; color distortion; spill light; glare

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助(51178483)

中圖分類號(hào)：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.012