宁波东苑立交的照明设计

高嵩

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

东苑立交是宁波中心城快速路网规划“四横五纵五连”中世纪大道与环城南路两快速路之间转换的枢纽型互通立交，是杭甬高速、甬台温高速经宁波东收费站与市区交通转换的重要节点，是中心城重要的对外出入口。图1为宁波市东苑立交地理位置图。

图1 宁波市东苑立交地理位置图

东苑立交快速化改造是在现状立交上新建四层枢纽互通立交，新建互通立交与现状东苑立交构成六层上下分离、功能独立的枢纽型互通立交。本文将对整个立交桥的照明、供配电等设计作一个系统的介绍。

1 立交桥的照明设计

1.1 东苑立交照明设计内容

1.1.1 照明设计内容

主要解决立交桥夜间行车道路照明，开拓视野，引导行车方向，为车辆驾驶人员在夜间行车提供安全、迅速与舒适的视觉条件，从而保障车辆和行人的安全，提供通行效率。

1.1.2 设计原则

（1）道路照明设计满足《城市道路照明设计标准》（CJJ 45—2006）的各项要求；

（2）不孤立地进行该工程道路照明设计，而是结合道路周边环境，从整体上考虑变压器设置及路灯的选用；

（3）路灯照明光源选用节能环保型；

（4）道路照明设计原则：安全可靠、技术先进、经济合理、节能环保、维修方便。

1.2 功能照明设计

1.2.1 光源的选择

由于LED具有体积小、寿命长、电光效率高、环保、节能等诸多优点，该工程选择LED作为照明光源。

1.2.2 高架布灯方式

立交区照明一般有两种：普通照明设施或高杆灯照明。

（1）普通照明设施：就是防撞墙上设置路灯的普通做法。立交区道路集中，桥梁上下重叠，纵横交错，如果采用在桥上布置普通道路照明设施的手法，将会造成灯杆林立，使人眼花缭乱，上跨桥梁和下穿道路之间灯光相互交叉干扰，容易产生眩光，而且大大增加工程量。由于桥上灯杆受到桥梁结构的限制，很难保证照度均匀度，并且改建后的东苑立交上下一共有6层交错，故该方案并不适合该工程。

（2）高杆灯照明设施：可以减少灯杆林立的现象，充分利用高杆灯灯杆高照射半径大的特点，提高照度均匀度，减少工程量。其最大的问题就是给周围的民居带来光污染，特别是大型城市中，高架桥或立交桥从居民楼之间穿过的现象比较普遍，空中射下来的灯光会照射到旁边居民楼的窗户里。该工程互通立交区离世纪花园居住小区最近点36 m，离世纪宜家小区最近42 m，周边居住用地对照明眩光要求比较高，高杆灯照明很难控制。该工程最高处距地面37 m，要满足相关要求，灯具高度至少达到45 m，一般超过35 m高杆灯需特殊定制，费用巨大。而且，东苑立交的引桥部分的弯道错综复杂，由于路面比较狭窄，高杆灯很难做到全覆盖，故该工程不适合大范围的高杆灯方案。

综上所述，高杆路灯及传统路灯的弊端及桥梁结构与周边环境的限制，常规立交两种照明方式并不适合该工程。

随着科学技术的发展，出现一种LED钢管护栏灯或防撞墙嵌墙灯，但现有的大部分护栏灯或嵌墙灯发光角度比较大，光线射向四面八方，基本上没作什么配光，只能将护栏本身及就近一部分照亮，不能将大部分的光分配到路面上起到道路照明的作用，另外向上射的光线会对行使中的车辆造成强烈的眩光。

鉴于该项目的特殊情况，针对该项目需要选择一种有严格配光、截光设计的灯具。通过大量的数据调查和比选，最终选择一款新型LED曲面配光护栏灯具。它的特点为：

（1）安装高度比较低，根据国家标准一般为1～5 m左右；

（2）照射距离比较远，可以照射1～4个车道或以上的路面宽度；

（3）照明的路面范围比较广，灯具之间路面上的照明可以由相邻灯具进行完全叠加，从而获得整个路面均匀的照明。

以下为该LED透镜的配光方法及光学模拟。

（1）二次光学透镜在垂直于路面方向的剖面的配光原理：从LED芯片发光面中心O点射出的光线，通过内凹的入射面之后，一部分光线入射到偏轴的配光自由曲面上，经过配光后再折射出去。其中，入射到配光自由曲面最上方的边缘光线，其折射后的光线以平行于光轴OZ的方向水平射出；入射到配光自由曲面其它位置的光线，折射后输出的光线都分配在水平线之下，根据路面照射范围的比例均匀地分布在LED光轴的下方、与LED光轴的夹角0°～90°之间的范围。

（2）LED护栏灯透镜的自由曲面在平行于路面方向的剖面的配光原理：从LED的芯片发光面O点发出的所有1 8 0°范围的光线，经过内凹的入射面之后入射到自由曲面上，经过曲面配光后均匀地分布在角度大约为120°的范围。由于光束角很大，相邻两灯之间的路面上的照明可以进行充分叠加，从而可以获得大范围、非常均匀的路面照明。

（3）单个护栏灯的光学模拟：假设每个护栏灯使用12颗Cr ee LED XPE，假设LED为CREE XPE，单颗LED的光通量为9 0 l m。这里共设置了2个接收器，其中一个接收器位于透镜正前方12 m远的位置，另一个接收器位于透镜下方1 m低处的路面上，接收器的宽度为12 m（大约三车道的宽度）。

图2为单个护栏灯的光线追迹。可以明显地看出该透镜的全反射部分的截光作用以及偏轴的自由曲面的大角度配光作用，出射光线大部分都分配于水平线以下。

图2 单个护栏灯的光学模拟

LED护栏灯的二次光学透镜，其在正前方12 m远处的照度分布如图3所示，可以看出：屏幕上的光斑分布为长方形，几乎所有的光斑都分布在水平线0线以下，达到了截光效果。该发明所涉及的二次光学透镜，其在下方1 m低处路面上的照度分布如图3所示，从图中可以看出：由于透镜沿着路面方向的光束角全角为120°，光斑的照射范围非常广，沿着路面的长度方向，光斑的分布超过了15 m，沿着路面的宽度方向，光斑的分布超过了8 m。

图3 LED护栏灯的二次光学透镜在正前方12 m远处的照度分布

图4为本LED护栏灯的二次光学透镜在垂直于路面方向（图4中0°方位角）以及平行于路面方向（图4中90°的方位角）的光强的远场角度分布，即配光曲线。可以看出：透镜在垂直于路面的方向，配光曲线呈偏轴分布，光束角较小，其最大光强的方向沿正前方0°方位角往下倾斜约1 0°；透镜在平行于路面方向，其配光曲线呈大角度的蝙蝠翼分布，其峰值光强一半位置处的光束角宽度约为±60°（即全角为120°），其可以在路面产生大范围的均匀的照度分布。

图4 LED护栏灯的二次光学透镜在下方1 m路面上的照度分布

以下为在道路的双侧进行布灯时，路面上的光度分析。假设灯具的间距为3 m，护栏所安装的灯具离开路面的高度为1 m，路面宽度为12 m（大约3车道的宽度），路面的长度为40 m。每盏灯具由12颗LED组成，LED间隔为100 mm，LED光源为美国的CREE XPE，单颗LED的光通量为90l umen。图5为LED护栏灯的二次光学透镜的配光曲线。

图5 LED护栏灯的二次光学透镜的配光曲线

图6为在道路的双侧进行布灯时的光线追迹，可以看出从两侧的灯具发出的光完全重叠并覆盖了整个路面。

图6 在道路的双侧进行布灯的光线追迹

图7为道路双侧布灯时路面上的照度分布。从图7可以看出，路面的整体均匀度约为（33 Lux/40 Lux）×100%=82.5%，路面的最低照度超过了30 Lux，完全满足城市道路照明设计标准所规定的一级快速路的路面照明要求,成功解决多层立交的照明问题。图8为双车道实景效果图，图9为匝道等照度图。

1.2.3 地面布灯方式

地面道路采用在主线与集散车道之间的隔离带内设置杆高10/8 m双挑灯的方式，悬臂长1.5 m，仰角15°，内挑为1套400 W高压钠灯，外挑为1套250 W高压钠灯，纵向间距约为30 m，如图10所示。

图7 道路双侧布灯时路面上的照度分布

图8 双车道实景效果图

图9 匝道等照度图

图10 立交区灯具横断面（单位：m）

1.2.4 灯具的技术要求

符合国家现行规定的路灯验收标准,灯杆内外采用热镀锌防腐处理，锌层均匀，镀锌厚不小于80μm，外壳采用高品质的挤出铝型材，外表采用静电喷涂技术处理，防腐防酸抗碱，耐新持久。灯具的防护等级要求不低于IP66,防触电保护为I类标准，做到防尘、防水、防腐和防撞击。

1.2.5 照明控制

道路照明灯具控制根据当地路灯办要求，采用就地检修手动控制、定时控制，并预留道路监控控制接口。

2 立交的配电设计

2.1 负荷等级

道路照明、景观照明、广告、监控均为三级负荷。

2.2 供配电系统

该工程设计范围一期设1座成套箱式变电站，供电半径0.4 km左右。箱变电站容量为315 kVA。高压侧采用单电源单变压器的结线方式，低压侧单母线不分段方式。除照明负荷外，适当预留监控、景观照明用电及广告用电。变压器负载率控制在70%以下。

2.3 无功补偿及计量

在箱变内设低压无功集中自动补偿装置,补偿后功率因素达到0.9以上。采用高供高计的计量方式,计量装置设在箱变内高压侧。

3 线路敷设

高架道路照明电缆自箱式变电站引出后，经电缆桥架沿桥墩引上至防撞墙内照明接线箱，高架道路照明电缆沿防撞墙内PE75预埋保护管敷设。

地面道路照明电缆穿PE50沿绿化带和人行道埋地敷设，埋设深度0.7 m；过路处在路两端设置电缆手孔井，并采用SC100热镀锌钢管连通。

4 防雷及接地

该工程220/380V配电系统采用的接地型式为TN-S制,设专用PE线。变压器中性点直接接地。

高架道路照明装置的防雷保护采用法兰底盘的连接螺杆与高架防撞墙、盖梁、墩身、承台、地桩混凝土内主钢筋连接成自然接地网予以泄流。

地面道路利用路灯本体金属灯杆作为防雷接闪器及引下线，利用基础内主钢筋作为接地极，金属灯杆、穿线钢管、PE线与路灯内主钢筋可靠连接，接地电阻小于4Ω。

各组合式户外箱式变电站进线侧装设避雷器作过电压保护。220/380 V低压电源在各配电系统进线处安装相应等级的电源SPD。

5 节能措施

（1）选择灯具时，在满足灯具相关标准以及光强发布和眩光限制要求的前提下，选择发光效率高、衰减慢、反射率好、显色性合适、使用寿命长的照明光源和灯具，提高道路照明照度值和景观照明效果，降低运行维护成本。灯具效率不低于70%。

（2）道路照明灯具实行半夜节能运行方式，在不影响道路安全及社会治安的前提下，在车流量较少的下半夜期间，通过调压方式，降低道路照明灯具的光源输出功率，达到节能目的。

（3）根据道路线形及断面，合理布设箱式变电站及灯具，缩短低压供电线路的长度,降低线路损耗。变压器选择时选用损耗较低的环氧树脂浇筑变压器，达到节能目的。

（4）灯具防护等级不低于IP65，维护系数不低于0.7。

（5）严格控制照明功率密度值(LPD)。

（6）变压器负载率控制在60%～80%。

6 结语

城市立交桥是为了解决城市道路路口处交通紧张而修建的，它的修建不仅解决了交通问题，而且添加了城市的景观。随着城市建设的快速发展，城市立交桥正逐步成为城市景观中重要的组成部分。

照明好似城市夜空美丽有神的“眼睛”，它不仅可以为车辆驾驶人员及行人创造良好的视觉环境，保障交通安全，提高交通运输效率，同时又是国家技术水平的综合反应，是城市美化的重要方面，是展示城市形象的重要载体，是现代化水平的重要标志。

如果说环城南路宛若一幅优美的飘带降落在宁波快速路的南部，那么东苑立交桥就宛若熠熠闪烁的璀璨明珠点缀在这优美彩带上，在宁波城区道路上形成一道新的人文景观。

该工程最终获得上海市优秀咨询工程二等奖。

[1]北京照明学会照明设计专业委员会.照明设计手册[M].北京：中国电力出版社，1998.

[2]CJJ 45—2006，城市道路照明设计标准[S].