大型公铁两用桥夜景照明光污染问题研究

雷鸣，杜默，郑腾鲲

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430056）

1 概述

随着经济的发展，大型夜景照明工程已成为提升城市形象、打造城市名片的重要技术手段之一。城市桥梁，尤其是大型公铁两用桥梁，无疑是夜景亮化的绝佳载体，一个汇集了创意方案、优秀设计的公铁桥梁亮化工程不仅能满足市民的精神文化需求，甚至还能有效地繁荣夜游经济。

但愈加复杂的亮化设计势必会带来愈加难以控制的光污染问题，其危害在相关文献[1]、[2]中有全面的总结，而对于公铁桥而言，保证铁路面的安稳运行，是包括光污梁控制在内的各系统的首要任务。本文接下来以某公铁两用桁架桥的夜景照明设计为例，讨论了常规照明设计和灯具布置对铁路面光污染的产生，利用仿真软件（DIALux）结合相关规范，对特定照明区域进行了定量的分析评价，最后，作了简要总结，并给出了一些设计注意事项。

2 某项目公铁两用大桥夜景照明设计简介

该项目为上层4 线铁路、下层6 车道公路的公铁桥。主桥跨度布置为：(116+120+336+120+116)=808m，其中，336m的主拱采用双层桥面钢箱系杆拱桥，120m 和116m 的边拱采用双层桥面混凝土简支系杆拱桥，铁路在上层，公路在下层。大桥夜景照明设计范围包括主桥引桥的公路及铁路两层，主要亮化部位包括主拱拱身、杆件、正桥侧身轮廓以及桥墩墩身；结合大桥结构特点，重点在主副拱面以及两层桥身轮廓，整体灯具布置效果如图1 所示。

图1 夜景照明效果示意

该项目夜景照明设计之初便考虑了眩光问题，在下层机动车道及上层铁路轨道一定程度的净空范围内不直接设置物理光源，严格限制其他位置发光源的投射方向等常规手段。但钢桁架桥体构造复杂，难免会有溢出光和反射光。因此，在设计流程中，有必要对光污染情况进行测算分析，以及时反馈到设计端调整，从而确保铁路运营安全。因本文仅关注夜景照明对铁路运行的影响，因此，将分析范围缩小到铁路层主跨段，尤其是主拱跃出铁路面的区域，该位置的灯具选型及布置方式见图2。

图2 桥夜景照明灯具布置示意

取上述区域进行物理建模，这里钢结构形式较为复杂且离铁路面与主拱距离近，三处灯具（吊杆外侧、主拱外侧以及横撑端头）光源产生的直射光、溢出光及钢结构反射光等污染源威胁大，属最不利的照明环境。

3 主要位置灯具照射形式

在进行光污染分析前，先在既定方案前提下进行照度/亮度模拟。模拟计算选择的灯具仿真参数（以功率为主）多略高于设计值，因此，模拟的灯光照度/亮度值也会略大于实际值，确保仿真结果的有效性。计算得到的整体照度伪色图如图3。

图3 分析区域照度仿真伪色图

各受照面照度分布如表1 所示。

可见，各受照面平均照度维持值约在70 ～150lx，如按城市规模及环境区域划分原则，城市公铁桥址一般位于E3或E4 区，则该模拟结果满足城市夜景照明规范要求的照度限值；从经验上看，一般暗环境区域的构筑面平均照度值不应低于50lx，因此，即便考虑到受照面表面实际较低的反射比，依然可以认为，模拟在照度标准上是满足要求的。4 个典型受照面的总照度均匀度有差异，满足效果期望。

表1 分析区域典型受照面照度仿真结果

4 光污染影响分析

接下来分析光污染对铁路运行的影响，其中眩光限制阈值增量（TI）针对机车驾驶员的评价指标。在本例中，TI 对应列车司机行驶通过时的眩光限制阈值增量，Ev 对应列车乘客车厢窗户的外表面垂直照度最大允许值，Icd 对应亮化灯具对车厢内乘客方向的发光强度的最大允许值，Lb 可以看作典型受照面的平均亮度最大允许值，Ls 为标识面发光体的平均亮度最大允许值，LA0.5对应车厢乘客目视的眩光限制值。上述指标中，阈值增量TI 是失能眩光的度量，表示为存在眩光源时，为了达到同样看清物体的目的，在物体及其背景之间的亮度对比所需要增加的百分比。因为TI 是针对道路照明对机动车驾驶员的眩光影响评价体系，而铁路桥梁夜景亮化并非是为列车行驶所提供的专业照明，且列车实际并不需要额外功能照明，因此，我们认为阈值增量TI 评价在这里并不适用，将其替换为室外照明的GR 评价法更为合理。除此之外，Icd 针对的是每个能持续看到的灯具，瞬时或短时间看到的灯具不在此例，而列车通过大桥主跨的时间只有不到10 秒（时速约120km/h），故Icd 可不考虑，与此类似，Ev、LA0.5皆不作考虑；最后，本例中未用标识面发光体（外发光灯具），因此，最终仅需分析GR 以及Lb 两个指标。

4.1 典型受照面的平均亮度最大允许值Lb 分析

亮度计算可按漫反射公式由照度值、反射比换算，公式为：

L=dΦ2/(dA×PI)=ρ×E/PI

其中，参数ρ 为照面反射比，参数E 为平均照度。由于受照面材质实际由钢材的涂装层决定，结合桥梁涂装体系，参照《城市夜景照明设计规范》，受照面1、2、3 为孔雀蓝氟碳面漆，反射比定为0.25，受照面4 为冰灰色氟碳面漆，反射比定为较高的0.6，则典型受照面平均亮度计算结果如表2。

表2 分析区域典型受照面亮度计算结果 cd/m2

从结果来看，尽管某些受照面局部存在过大的照度分布（受照面1、2），但因表面涂装反射比较低，计算亮度依然满足规范要求中的E3、E4 区标准，符合大型桥梁项目的亮化定位。

4.2 室外照明的眩光指数GR

GR 法虽多用于体育场地眩光评价，但其应用条件中，“视线方向低于眼睛高度”“到的背景是被照场地”等与本文应用场景几乎一致，因此采用该法的理论是依据充分。

室外照明眩光指数GR，其计算公式为：

GR=27+24Log(Lv1/Lve0.9)

其中，Lv1 为室外照明灯光在视网膜上产生的光幕亮度；Lve 为室外照明的背景在视网膜上产生的光幕亮度。

利用DIALux 软件，在模型中建立GR 评价计算点，我们在模型中列车驾驶员平视平面每间隔约10 米左右设置一个计算点，且包含中间及边侧两个轨道，如此较为完整的覆盖了列车行经铁路面时司机眼睛所处的各个位置，如图4 所示。

表3 GR 评价点计算结果

图4 GR 评价点选取及其位置分布示意

眩光的GR 指数评价中，一般以50 为评价红线，高于50被认为对视觉有较大干扰且不应被接受，而在本例仿真中，第12 点计算结果超限，且6、10、11 点结果也逼近红线。

以第12 点为例分析（如图5），经观察可知，该点距横撑亮化面最近，光线情况最复杂，但外露的布灯方式会将部分直射光泄漏至12 点位置，而且很可能是GR 超标主因。于是，我们在对距离最近的两处光源加遮光处理后再次进行仿真，结果显示GR 指标大幅减少到25，可以认为，基本消除了眩光的有害视觉影响。以此类推，其他计算点同样可以用遮光的方法降低GR 指标。

图5 加遮光体后重新计算过程示意

这说明，光源的直射光依然是影响桥梁夜景照明眩光评价的重点，无论是实验中的遮光处理，抑或针对灯具的隐藏安装，均是从光路上控制眩光的重要手段。

5 结语

尽管光污染作为夜景照明的副产物是不可避免的，但经过合理的计算分析、细致的设计调整，可以做到将光污染的影响降到最低，实现不错的照明效果。在大型公铁桥梁夜景照明设计中，应注意以下几点：尽量不要在重点安全区域设置危险光源；设计过程中，应尽可能对列车司机目视区域的光源做好遮光处理；对于复杂结构环境，建议在设计时采用仿真计算，以便发现设计疏漏；在土建设计时，预留灯具及其管线的隐藏式安装条件。

最后，本文分析仍有许多不足，且仿真计算及相关规范评价方法要求也非绝对，如亮度的计算仅为漫反射条件下，而雨后的受照面则可能具有镜面反射性质，目前，并无合适的评价方法；受照面反射系数也非固定不变，它会随涂装的老损发生改变；眩光由不舒适眩光到失能眩光的视觉阈限、作用机理仍在不断研究和完善中，缺少更为标准化的理论成果；影响铁路安全运行不仅要考虑光污染，还要注意灯具的防坠落等问题。上述问题需要结合工程实际情况给予重视并酌情调整。