基于BIM中使用區(qū)域光效法的照度計(jì)算策略

傅軍棟，劉 武，李江輝

（華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

基于BIM中使用區(qū)域光效法的照度計(jì)算策略

傅軍棟，劉 武，李江輝

（華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

針對建筑信息模型（BIM）在建筑照度計(jì)算上所存在的缺陷，給出一種基于BIM中使用區(qū)域光效法的照度計(jì)算策略。首先利用房間屬性、區(qū)域光效法照度計(jì)算公式以及設(shè)計(jì)規(guī)范建立算法模型；然后通過使用實(shí)例對該算法進(jìn)行有效性測試；最后在DIALux照明仿真軟件中搭建室內(nèi)空間仿真模型，將其仿真出的照度值分別與區(qū)域光效算法和常用的利用系數(shù)法計(jì)算出的照度值相比較。仿真結(jié)果表明，與利用系數(shù)法相比，區(qū)域光效算法所計(jì)算出的照度值更接近仿真值、適應(yīng)性強(qiáng)即可以計(jì)算出不同規(guī)則形狀房間的照度值、無需大量查表等特點(diǎn)，使其更好的解決BIM所存在的照度計(jì)算問題。

BIM；區(qū)域光效法；照度計(jì)算；DIALux；適應(yīng)性強(qiáng)

BIM技術(shù)自提出以來，憑借其具有的三維設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、建筑電氣耗能分析及管道碰撞檢查等優(yōu)勢，一直成為電氣設(shè)計(jì)行業(yè)的研究熱點(diǎn)；特別是Autodesk Revit軟件的出現(xiàn)，將建筑電氣中的照明設(shè)計(jì)推向一個新的高度[1-5]。相比傳統(tǒng)二維、三維軟件，BIM具有保證各專業(yè)之間信息完整傳遞、碰撞檢查、設(shè)計(jì)精細(xì)化、可視化等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。英國內(nèi)閣辦公室早在2011年5月就發(fā)布了“政府建設(shè)戰(zhàn)略”，規(guī)定到2016年所有公共建筑工程都要達(dá)到BIM二級標(biāo)準(zhǔn)；我國也已頒布有關(guān)BIM的國家標(biāo)準(zhǔn)有《中國BIM標(biāo)準(zhǔn)體系CBIMS框架》[2]。照度計(jì)算是整個照明設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，計(jì)算時，同時要考慮所計(jì)算的照度值和功率密度值滿足設(shè)計(jì)要求，旨在為用戶提供一個良好的生活環(huán)境[6]。

文獻(xiàn)[7-8]通過Autodesk Revit得出空間照度分析表，并用已知的平均估算照度得出所需照明級別的照度差值，進(jìn)一步核實(shí)房間的功率密度值是否滿足要求，極大的提高了設(shè)計(jì)效率，但所估算照度值與實(shí)際照度值相差較大。文獻(xiàn)[9]提出區(qū)域光效法計(jì)算室內(nèi)的照度值，該文只是簡單提出這種計(jì)算方法，沒有進(jìn)一步闡述其使用價值。文獻(xiàn)[10]針對利用系數(shù)法存在的計(jì)算結(jié)構(gòu)類型單一即只能計(jì)算規(guī)則形狀房間的照度值、查表困難、計(jì)算繁瑣等缺陷，提出了基于模糊利用系數(shù)的照度計(jì)算法，此算法解決了利用系數(shù)查表困難、計(jì)算繁瑣等問題，但是使用模糊利用系數(shù)法所計(jì)算出的照度值與實(shí)際值相差很大。文獻(xiàn)[11]在常規(guī)利用系數(shù)法計(jì)算照度值和照明功率密度值比較繁瑣的情況下，提出簡化計(jì)算法。引出兩個新的物理量，有效光通量和模糊系數(shù)，分別由光通量、利用系數(shù)、維護(hù)系數(shù)和光效、利用系數(shù)、維護(hù)系數(shù)組合而成。設(shè)計(jì)過程中，通過查詢簡化計(jì)算表中的有效光通量和模糊系數(shù)求解照度值和功率密度值。雖然該算法過程簡捷、計(jì)算方便，但要通過查表得到所需要的利用系數(shù)值。文獻(xiàn)[12]提出基于MATLAB的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的照度計(jì)算，相對于其他的照度計(jì)算方法，一定程度上減小了手工計(jì)算量，但不足之處在于訓(xùn)練需要大量的樣本且樣本數(shù)都是通過利用系數(shù)法計(jì)算所得，計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[13-14]使用DIALux照明軟件對建筑物照度值進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明，照度值與實(shí)際值接近，因此對于建筑物照度值難以測定的情況，可以通過使用DIALux照明軟件對該建筑物照度值仿真計(jì)算；但該軟件算法封閉，用戶無法使用。以上各種方法，均不能在滿足照度計(jì)算適應(yīng)性強(qiáng)、不需大量查表、計(jì)算準(zhǔn)確度高的情況下提高設(shè)計(jì)效率。

本文提出基于BIM中使用區(qū)域光效法對建筑物進(jìn)行照度計(jì)算的策略。該策略首先解決了BIM中存在的照度計(jì)算問題；其次該方法與利用系數(shù)法相比，適應(yīng)性強(qiáng)即不同規(guī)則形狀的建筑都能計(jì)算出其照度值、無需大量查表和計(jì)算準(zhǔn)確度高，進(jìn)一步的提高了設(shè)計(jì)效率。

1 基于BIM技術(shù)照明設(shè)計(jì)

BIM用戶在照明設(shè)計(jì)的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 基于BIM的照明設(shè)計(jì)Fig.1 Lighting design based on BIM

從圖1可以看出，在BIM的照明設(shè)計(jì)中，首先按照照明設(shè)計(jì)規(guī)范先設(shè)定每個功能房間的照度標(biāo)準(zhǔn)值；其次選擇光源、鎮(zhèn)流器與燈具布置，布燈時，對照其相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如果不滿足要求，可以很方便的對設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以滿足照度要求；然后進(jìn)行照度計(jì)算和眩光值計(jì)算并驗(yàn)算節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

在照明計(jì)算中，創(chuàng)建空間照度明細(xì)表。設(shè)置項(xiàng)目參數(shù)照明級別，進(jìn)行照度計(jì)算創(chuàng)建空間照度明細(xì)表和分析表，選擇相應(yīng)的照明設(shè)備及確定其具體的位置，同時檢查是否滿足照度要求，利用明細(xì)表平均估算照度直接得出所需照明級別的照度差值，然后核實(shí)房間的功率密度值是否滿足要求，可以極大的提高設(shè)計(jì)效率，但所估算照度值與實(shí)際照度值相差較大[15-16]。

本文提出使用區(qū)域光效法通過綠色建筑可擴(kuò)展的標(biāo)記語言 （green building extensiblemarkup language，gbxML）與IFC（industry foundation classes）文件格式[17]導(dǎo)入BIM技術(shù)中，不僅可以提高設(shè)計(jì)效率，也解決了BIM所存在的照度計(jì)算問題。

2 算法模型建立

2.1 區(qū)域光效法計(jì)算原理

區(qū)域光效法，以照明環(huán)境為主導(dǎo)，把照明環(huán)境分為照明空間和地板空間，根據(jù)所提供的房間構(gòu)造規(guī)則、燈具的數(shù)量和類型以及照明空間區(qū)域光效率來計(jì)算出房間照度值。圖2表示為照明區(qū)域的劃分。

圖2 照明區(qū)域劃分圖Fig.2 Division of the lighting region

在算法的實(shí)現(xiàn)過程中相關(guān)定義如下：

定義1 不同類型房間面積為

其中：A1為矩形房間面積，l為矩形房間長度，w為矩形房間寬度；A2為圓形房間面積，r為圓形

房間半徑；A3為橢圓形房間面積，a為橢圓形房間長半長，b為橢圓形房間短半長。

定義2 房間的照度值為

其中：ηt為照明空間總區(qū)域光效率；ητ為照明空間光效率；ηd為地板空間對入射光的回受能力；E為工作面平均照度，lx；N為燈具的個數(shù)；?0為光源額定光通量，lm；ητ為燈具數(shù)率；K1為配光系數(shù)；K2為形位系數(shù)；A為工作面面積，m2；K0為維護(hù)系數(shù)。由于燈具與光源的配光存在差異，照明空間與燈具不在形體中心的差異，引入配光系數(shù)K1和形位系數(shù)K2對區(qū)域光效率η?進(jìn)行校正[9]。

定義3 房間的功率密度值為

其中：ω為房間內(nèi)功率密度值；Pm為每個燈具的功率。

定義4 設(shè)計(jì)規(guī)范約束為

其中：EZ為標(biāo)準(zhǔn)照度值；ωZ功率密度現(xiàn)行值。

2.2 區(qū)域光效算法的基本步驟

步驟1）初始化參數(shù)：給定房間的長、寬和高，門窗尺寸及相應(yīng)個數(shù)，照明空間各個面的反射率，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值等參數(shù)。

步驟2）給定矩形、圓形和橢圓形三種類型房間及相應(yīng)計(jì)算公式，按實(shí)際情況選擇房間類型。

步驟3）將燈具按照不同品牌進(jìn)行分類，且每種品牌燈具按照功率大小進(jìn)行排序，依次選擇燈具類型。

步驟4）根據(jù)區(qū)域光效法計(jì)算照度值并計(jì)算相應(yīng)的功率密度值。

步驟5）如果所計(jì)算的照度值和功率密度值滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，則輸出結(jié)果，主要包括房間照度值、功率密值、燈具型號以及個數(shù)；不滿足則返回步驟3。

實(shí)現(xiàn)區(qū)域光效算法的基本流程如圖 3所示。

圖3 區(qū)域光效算法的基本流程Fig.3 Flowchart of area lum inous efficacymethod

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)例數(shù)據(jù)

本文數(shù)據(jù)來源于某設(shè)計(jì)院所設(shè)計(jì)的辦公建筑，其房間形狀各異。本文所選用的主要有辦公室、控制室、檔案室等規(guī)則型矩形房間，以及不規(guī)則型圓形和橢圓形會議室。其基本參數(shù)值分別如表1和表2所示。

表1 規(guī)則型辦公建筑基本參數(shù)表Tab.1 Basic parameters of regular-shaped office building

表2 不規(guī)則型辦公建筑基本參數(shù)表Tab.2 Basic parameters of irregular-shaped office building

區(qū)域光效法以照明環(huán)境為主導(dǎo)，需要考慮頂棚、墻面、地板、門、窗等反射面對光效的影響。因此，除提供辦公建筑的基本參數(shù)外，還需該辦公建筑各個門、窗的參數(shù)，具體情況如表3所示。

表3 某辦公建筑的門窗基本參數(shù)表Tab.3 Basic parameters of doors and w indows for office building

根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034—2013[15]規(guī)定，建筑內(nèi)各房間照明的照度標(biāo)準(zhǔn)值和功率密度值規(guī)定值以及各表面采用反射比應(yīng)分別滿足如表4與表5所示。

表4 辦公空間照明規(guī)定值Tab.4 Lighting specified value in office space

表5 工作房間各表面反射比Tab.5 The reflectance of the surface of the operating room

3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)院所提供的基本參數(shù)數(shù)據(jù)以及需要滿足的照明設(shè)計(jì)規(guī)范，使用區(qū)域光效算法對房間內(nèi)的照度值進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)中都采用統(tǒng)一燈具型號為PAK-TLW28W-865，光通量為2 600 lm，功率為28W，每個燈具都含有2個光源。其計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 區(qū)域光效法計(jì)算照度值Tab.6 Area lum inous efficacymethod for calculation

根據(jù)上表可以得出，所求得的照度值不僅滿足該功能性房間的照度標(biāo)準(zhǔn)值的-10%～10%，同時還滿足其設(shè)計(jì)的功率密度值小于其現(xiàn)行值，符合照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[6]。

4 仿真分析

文獻(xiàn)[16-18]應(yīng)用德國DIAL公司設(shè)計(jì)開發(fā)的DIALux軟件對建筑物照度值進(jìn)行模擬仿真，該軟件可以根據(jù)建筑物的空間尺寸以及環(huán)境進(jìn)行3D建模，內(nèi)部有照度設(shè)計(jì)所需的燈具選型、布置及照度計(jì)算等功能。能在短時間內(nèi)完成照明設(shè)計(jì)建模，并生成相應(yīng)的仿真效果圖和照度計(jì)算報(bào)表。

為驗(yàn)證本文所提出的基于BIM中使用區(qū)域光效法的照度計(jì)算策略，在 DIALux軟件中搭建辦公室空間仿真模型，然后將仿真結(jié)果值分別與區(qū)域光效法和利用系數(shù)法計(jì)算值進(jìn)行對比。圖 4為其辦公室空間模型；表 7為相關(guān)的仿真參數(shù)。

圖4 辦公室空間模型Fig.4 O ffice spacemodel

表7 辦公室燈具使用情況表Tab.7 O ffice lighting lam p usage

通過使用DIALux照明軟件對辦公室1進(jìn)行仿真，計(jì)算出其工作面的平均照度值279 lx；實(shí)際效能值為6.48W/m2。照度值與功率密度值都符合標(biāo)準(zhǔn)[6]。將DIALux仿真得出的各個房間的照度值與區(qū)域光效法和利用系數(shù)法計(jì)算出的照度值進(jìn)行比較，對比情況如表8所示。

表8 計(jì)算值與仿真值比較Tab.8 Com parison between calculated values and simulation values

從上表可知，區(qū)域光效算法較利用系數(shù)法計(jì)算出的照度值與DIALux軟件仿真得出的照度值誤差率更??；同時可以看出利用系數(shù)法只能計(jì)算規(guī)則形狀的功能性房間的照度值，對于不規(guī)則型的房間照度值無法計(jì)算，而區(qū)域光效法的適應(yīng)性更強(qiáng)，不僅適合矩形等規(guī)則型的功能性房間計(jì)算，還能計(jì)算出圓形和橢圓形等不規(guī)則型的功能性房間的照度值。因此，區(qū)域光效算法較利用系數(shù)法而言，不僅計(jì)算出的照度值更準(zhǔn)確，且適用范圍更廣。

5 結(jié)論

本文所提出的基于BIM中使用區(qū)域光效法的照度計(jì)算策略有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

1）實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)中的照度計(jì)算。本文提出的基于BIM中使用區(qū)域光效法的照度計(jì)算策略，彌補(bǔ)了BIM技術(shù)在建筑照明設(shè)計(jì)中照度計(jì)算的空白，進(jìn)一步提高了BIM用戶的設(shè)計(jì)效率。

2）適應(yīng)性強(qiáng)。本文所運(yùn)用的計(jì)算方法比傳統(tǒng)的計(jì)算方法，使用的范圍更廣，不僅可以計(jì)算規(guī)則形狀房間的照度值，也能計(jì)算出不規(guī)則形狀房間照度值。

3）無需大量查表。與利用系數(shù)法相比，本文所運(yùn)用的計(jì)算方法無需大量的查表，解決了利用系數(shù)法所存在的查表困難，計(jì)算繁瑣等問題。

4）準(zhǔn)確度更高。由仿真結(jié)果可知，本文所運(yùn)用的算法計(jì)算出的房間照度值相比利用系數(shù)法更準(zhǔn)確。

[1]扈超，劉庚凡，孟士婕.BIM技術(shù)在建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].智能建筑電氣技術(shù)，2015，9（1）：49-52.

[2]孔嵩.BIM技術(shù)在建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和展望[J].現(xiàn)代建筑電氣，2013，4（9）：1-4.

[3]賀琳，何穆.BIM在某辦公樓電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].建筑電氣，2014（8）：53-57.

[4]譚健，趙妍妍，安榮榮.BIM技術(shù)在某四星級酒店建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].智能建筑電氣技術(shù)，2016（1）：51-55.

[5]陳沛仁，丁玲.BIM在華都中心項(xiàng)目電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].智能建筑電氣技術(shù)，2015（1）：42-45.

[6]中國建筑科學(xué)研究院.GB 50034-2013建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[7]于紅亮，王楠.BIM技術(shù)在建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].電氣應(yīng)用，2015（14）：30-35.

[8]周瑩.BIM在建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用介紹[J].電氣應(yīng)用，2016（17）：64-68.

[9]羅茂羲，鐘祖勛.室內(nèi)照度區(qū)域光效法簡介[J].燈與照明，1995（4）：43-49.

[10]談東波.模糊利用系數(shù)法與利用系數(shù)法的比較[J].建筑電氣，2007，26（3）：39-43.

[11]胥正祥.照度（Eav)、照明功率密度（LPD)簡易計(jì)算法[J].智能建筑電氣技術(shù)，2010（4）：10-15.

[12]江莉，方林宏.基于MATLAB的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在照明計(jì)算中的應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014（3）：121-123.

[13]黃旭.基于DIALux仿真分析的廠房照明設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013（6）：120-124.

[14]梁靄明，李軍，伍國章，等.DIALux軟件在照明工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代建筑電氣，2014（11）：42-44.

[15]來侃，馬小軍，朱亮.電氣設(shè)備族在BIM照明設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2015（2）：30-34.

[16]湯躍，大慧，秋陽，等.BIM技術(shù)在電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2016（32）：119-120.

[17]李農(nóng)，劉玄燁.BIM技術(shù)在建筑照明設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展望[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013（5）：12-15.

[18]范士娟.公路隧道照明中央布燈參數(shù)優(yōu)化研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，33（4）：67-72.

Illum ination Calculation Strategy w ith Area Lum inous Efficacy Based on BIM

Fu Jundong，Liu Wu，Li Jianghui
（School of Electrical and Automation Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Aiming at the defects of building informationmodeling（BIM）in architectural illumination calculation, this study proposes the illumination calculation strategy with area luminous efficacymethod based on BIM.Firstly,an algorithmmodel was established in accordance with the room property,illumination calculation formula and the design criterion.Secondly,themodel was validated by an instance.Finally,the indoor space simulationmodelwas constructed in the DIALux illumination simulation software,and then comparisonsweremade between the illumination value of the simulation and the illumination value calculated by the region optical efficiency algorithm and the frequently-used coefficientmethod respectively.The results show that compared with coefficientmethod,the illumination value calculated by area luminous efficacymethod（AIE）is closer to the simulation value.It is found that AIEhas strong adaptability to calculate the illumination values of the rooms in different shapeswith no need of checking large quantities of tables,thusmaking up for the deficiency of the illumination computation in BIM.

BIM；area luminous efficacymethod；illumination calculation；DIALux；strong adaptability

1005-0523（2017）05-0106-07

T P399

A

2017－05－09

傅軍棟（1972—），男，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)、建筑電氣及智能化研究。

（責(zé)任編輯 姜紅貴）