施工现场夜间光污染的软件模拟方法探讨

朱宏泰 刘宏成 肖 坚 吴金贵

湖南大学建筑学院 湖南 长沙 410082

随着中国城市快速发展的进程，建筑工地在夜间施工的情况愈加普遍，建筑工地所产生的光污染已成为一个很大的问题[1]。目前施工现场的夜间照明属于临时用电范畴，大多没有进行设计计算，而是由施工人员根据经验来确定的。建筑工地的夜间照明设计不当时，不仅会造成能源的浪费[2]，也会造成生态环境的破坏，影响周围居民的生活质量[3]。在现有的研究方法中，国内缺少研究建筑施工现场光污染的标准或依据[4]，并且实际的监测条件也有限，有些测点需要深入到附近的居民住所，而居民一般有比较大的抵触情绪[5]。同时，实地逐一测量的工作量很大，难以进行多次的数据收集工作。在这样的背景下，本文选择用软件模拟的方式，监测和改善夜间建筑施工现场的光污染情况。

1 研究方法

本文先对施工现场进行实地调研，记录现场灯具布置的方位、个数、高度、探照角度及类型等参数，利用DIALux软件还原施工现场[6]，测试周围受光污染影响最大的建筑外表面窗户的平均照度值及施工现场的工作面照度，再进行现场光污染实际监测，与模拟的数据相互验证，提高软件模拟的准确度。在此基础上，运用软件模拟灯具组合的优化，探索光污染最小和工作面照度改善的灯具优化结果，为施工现场的夜间光环境照明提供解决思路。

2 项目介绍

背景工程为长沙市某医院新建医疗综合楼项目，工程分为地下3层，地上22层（不包括设备层），建筑物总高91.8 m，层高为 3.9～4.8 m不等。从周围建筑来看，北侧建筑为住宅楼（住宅一），此栋建筑所受光污染最为严重。西边有正在新建的公共建筑工地，东边是医院的专家楼。东南角属于医院急诊的病房区域，同样受夜间光污染影响严重（图1）。预计受光污染严重的区域是此次工地夜间光污染软件模拟的重点对象。

图1 施工现场平面与灯具布置示意

3 软件建模

本文使用DIALux软件进行模拟测试。DIALux是由DIAL GmbH公司所开发的一款专业用于照明分析计算的辅助设计软件。该软件可以进行室内、室外、道路照明等场合和类型的照明设计[7]。

将此工地进行软件建模，将模型模拟时间设定为夜间施工时间段，对周围建筑进行建模，布置对应门窗，并赋予周围建筑模型基本的材质。周围建筑的建模材质参数如表1所示。

表1 建模材质参数

模拟施工阶段设定工地操作面与地面水平，增加并确立工作计算面，高度设立为0.8 m，所涵盖的面积为工地用地红线中的施工区域。

专家楼前灯具D1以及医院急诊病房前灯具D2以钢管支架的方式，安装在施工场地两侧，安装高度为离水平工作面4 m，且探照角度为30°，灯光照明方向均朝向施工场地中心。灯具D1、D2的参数如下：灯具光通量为165 533 lm，光输出比为82.8%，光效率为70.4 lm/W，功率为2 000 W，配光曲线如图2（a）所示。塔吊上安装有D3、D4、D5等3台灯具，安装高度为19.5 m，3个照射方向如箭头所示，探照角度30°。灯具D3、D4、D5的参数如下：灯具光通量为186 738 lm，光输出比为93.4%，光效率为79.41 lm/W，功率为2 000 W，配光曲线如图2（b）所示。

在施工现场周围建筑的窗户上设置计算元件，用于计算每扇窗户的垂直照度值。最后建立的夜间施工场景如图3所示。

图2 配光曲线

图3 软件模拟的夜间施工场景

4 实际测量结果与软件模拟结果对比

为了验证软件模拟光污染方法的可行性和准确度，本文通过在现场用照度计实测的方式，与软件模拟后的数据进行对比。在模拟时，尽可能还原施工现场的夜间照明情况，同时选取与现场监测点相同的位置进行模拟。本文使用型号为MK350S的手持式照度计来监测施工现场夜间监测点的照度情况。

由于实地测量的局限性，本文选择施工现场较为方便测量的2处位置进行实测（图4）。位置一为医院急诊病房二楼受光污染影响最严重的几扇窗户，选择4个测点。位置二为西边正在装修的办公楼的几扇窗户，选择3个测点。实地测量测点与软件模拟测点位置一致，数据对比结果如表2所示。

图4 实测点分布

表2 实际测量结果与软件模拟结果对比 单位：lx

观察2组数据可知，实测结果与软件模拟结果相近。因此，用DIALux软件模拟夜间施工光污染的结果具有一定的参考价值，可以指导实际工地的光污染监测和控制。

5 测试结果及分析

5.1 光污染控制指标

由于国家级、省级的关于施工光污染控制指标的缺失，所以本文用北京的地标作为判断光污染影响情况的依据。参考DB11/T 731—2010《室外照明干扰光限制规范》，根据城市区位的功能性质，将其按照环境亮度进行划分，对应环境亮度的区域划分如表3所示。居住建筑窗户表面的垂直照度应符合表4的规定。

表3 城市环境亮度的区域划分

表4 居住建筑窗户表面上垂直照度的限值 单位：lx

本文所选工地周围建筑为居民楼与医院，则对应表格，城市环境亮度区域为低亮度区域，监测时间为晚上22∶00，默认为熄灯时段前，因此取光污染限值5.0 lx作为后文参考依据。

5.2 工作面照度控制指标

根据GB 50582—2010《室外作业场地照明设计标准》中5.8条，建筑施工夜间照明的照度最低为20 lx，需要相对精细的施工活动时，需要100～200 lx的照度，因此照度值在20～200 lx的区间符合规范，属于夜间施工现场合理照度区域。本文通过计算这个区域占总施工现场工作面的占比，来判断施工现场的工作面照明情况。

5.3 测试结果

5.3.1 外表面窗户垂直照度

建筑住宅一靠近施工现场一侧的建筑外表面A，每层有11扇窗户，每扇窗户纵向分为4个测点（部分为2个），此建筑有7层，则外表面A有42×7数量的模拟点。为了便于后面数据优化和分析，本文数据采取纵列平均值的方式统计，即对应建筑楼每个纵列的窗户。例如，同一纵列上第1层的A1-1至第7层的A7-1的平均值，将其命名为A1（即编号A1），从左至右依次命名，至A42。

分析建筑住宅一外表面A纵列窗户垂直照度平均值（图5），照度值最小为7.9 lx，最高为19.1 lx，数值普遍在10.0～20.0 lx区间，编号A3—A20的照度值处于15.0～20.0 lx区间，编号A21—A42的照度值多数处于10.0～15.0 lx区间。

图5 建筑住宅一外表面A纵列窗户垂直照度平均值

根据图5，建筑住宅一外表面A纵列窗户垂直照度平均值全部高于限值5.0 lx，因此不合格率达100%。由此可见，建筑住宅一外表面A所受施工现场夜间光污染严重。

医院急诊病房靠近施工现场一侧的建筑外表面B，有2个楼层，每层有10扇窗户，每扇窗户纵向分为4个测点，则外表面B有40×2数量的模拟点。为了便于后面数据优化和分析，同样采取纵列平均值的方式统计。例如，同一纵列上第1层的B1-1和第2层的B2-1的平均值，将其命名为B1（即编号B1），从左至右依次命名，至B40。

分析医院急诊病房外表面B纵列窗户垂直照度平均值（图6），照度值最小为1.0 lx，最高为56.5 lx，数值大都处于1.0～5.0 lx区间，编号B1—B32的数值较低，且相对稳定，B33—B40的数值明显偏高。

图6 医院急诊病房外表面B纵列窗户垂直照度平均值

根据图6，医院急诊病房外表面B纵列窗户垂直照度平均值高于限值5.0 lx的编号有10个，因此不合格率为25%，且这10个数值远超标准限值。结合模型发现，编号B33—B40所在的窗户，因建筑结构原因，离施工现场光源更近。由此可见，医院急诊病房外表面B所受施工现场夜间光污染局部严重。

5.3.2 工作面水平照度

施工现场工作面合理照度区间为20～200 lx。统计施工现场工作面等照度线（图7）可知，处于合理照度区间的面积占总施工工作面面积的39.1%。

图7 施工现场工作面等照度线

6 夜间施工照明的软件模拟优化

对于施工现场的光污染，本文通过灯具的型号、个数、摆放位置、角度、高度等的调整，来达到优化的目的。理想中的情况应该是：夜间建筑施工的工作面照度得以改善，同时周围受影响建筑的光污染减小，满足规范 标准。

6.1 照明方式的优化思路

本文进行5次施工现场照明灯具调整尝试：

1）第1次调整。采用调整灯具高度的方式，将场地周围2台灯具D1、D2的高度由原来的4.0 m调整为10.0 m，塔吊上3个灯具D3、D4、D5的高度保持不变。

2）第2次调整。采用调整灯具高度及照射角度的方式，将灯具D1、D2的高度由原来的4.0 m调整为10.0 m，并且将5台灯具的照射角度从原始的垂直偏移30°改为垂直偏移60°。

3）第3次调整。采用调整灯具高度、照射角度结合调整灯具型号的方式，将灯具D1、D2的高度由原来的4.0 m调整为10.0 m，灯具D3、D4、D5高度不变，且将5台灯具的照射角度从原始的垂直偏移30°改为垂直偏移60°。另外，选用光通量、功率均更小的灯具。

4）第4次调整。采用调整灯具型号以及灯具高度的方式，将5台照明灯具的型号进行更换，选用光通量、功率均更小的灯具，同时将灯具D1、D2的高度由原来的4.0 m调整为2.5 m，灯具D3、D4、D5的高度由原来的19.5 m调整 为10.0 m。

5）第5次调整。采用调整灯具型号、位置、个数及高度等方式，灯具数量调整为4台，并选择光通量、功率均更小的灯具（图8）。灯具D6的安装高度为15.0 m，照射角度为水平偏移60°；灯具D7的安装高度为15.0 m，照射角度为水平偏移60°；灯具D8的安装高度为15.0 m，照射角度为水平偏移60°；灯具D9的的安装高度为15.0 m，照射角度为水平偏移60°。

图8 第5次调整布灯示意

6.2 周围建筑外表面垂直照度的优化分析

根据建筑住宅一外表面A数据优化的对比（图9）：原始值曲线相对偏高，最大的垂直照度值达到19.1 lx，远高于限值5.0 lx，且最低值也不符合标准限值；第1次调整之后的数值变化不大，且每个编号都略高于原始值，观察模型发现，仅仅通过改变灯光高度的方式并不能降低光污染，因为随着灯具高度的升高，在灯具照射角度不变的情况下，灯光的污染会随之扩散，会造成更严重的光污染；第2次调整了灯具的照射角度，使灯具的照射角度集中在水平工作面的区域，垂直照度值得到了很明显的改善；在第2次调整的基础上，第3次调整时选用了光通量、功率均更小的灯具，调整后的数据也得到了一定的改善；在第3次调整的基础上，第4次调整时将整体灯具的照明高度调低，发现数据却比第3次调整的情况高，由此可见，灯具照明高度不能过低，也不能过高，应该处于一个合理的照明高度，才能有效减少周围建筑的光污染；第5次调整的优化结果是最明显的，其大部分数据均处于限值5.0 lx之下，有18个数据略高于限值，有57.2%的合格率，且相较于其他曲线更加平滑稳定，对周围建筑的光污染影响最小。

图9 建筑住宅一外表面A纵列窗户垂直照度平均值优化对比

根据医院急诊病房外表面B数据优化的对比（图10）：B1—B20的数据处于一个非常平稳且数值较低的状态，大部分处于2.0 lx以下，B21—B32的数据也较稳定，普遍低于10.0 lx，B33—B40的数据则陡然猛增，局部数据达到一个很高的数值，所以本文着重观测B21—B40的数据变化。5次调整的优化情况具体为：第1次调整后的效果比较明显，且趋势平滑，但是仍然高于限值5.0 lx，光污染还是很严重；第2次调整后的数值远高于未调整之前的数值，后面分析原因认为，灯具偏移照射角度的时候，光源直接对准了这几个测点的窗户，加大了光污染；第3次调整后的结果和第1次调整后的数据相近，局部测点有微弱的改善；第4次调整后的结果虽然比原始值有改善，但是相较于第1次和第3次调整，结果不理想，光污染仍比较严重；在第5次调整中，分析总结了前面4次调整的经验，将影响表面B最大的灯具进行调整，对光源照射方向及高度进行有意的规避，最终得到了最优结果，除了B32—B40这9个编号的数值高于限值5.0 lx外，其他测点都远低于限值，合格率达80%。

图10 医院急诊外表面B纵列窗户垂直照度平均值优化对比

6.3 工作面水平照度的优化分析

由5次调整的工作面水平照度优化结果（图11）可知，第1—5次调整后，处于合理照度区间的面积占比分别为44.5%、53.6%、38.2%、31.3%、50.9%，即第1、2、5次的调整结果相对理想。

综合来看，第5次的优化结果是最好的，其不仅减少了对建筑施工场地周围建筑光污染的影响，而且使施工工作面的照度得以改善。同时，因为选择了功率更小的工地照明灯具并减少了照明设备的个数，所以施工现场的照明能耗得到了降低，更加符合绿色施工的理念。

7 结语

通过本文研究可知，施工现场的夜间光污染情况与照明灯具的型号、个数、摆放位置、角度及高度等有关。首先，主要灯具的摆放位置不能对着周围居民区，且照射角度应该避免直射；其次，灯具摆放高度不能过低也不能过高，过低容易导致工作面照度不均，而过高则会导致光污染扩散；再次，照明灯具可以选用光通量及功率更小的型号；最后，在满足工作面基本照度需求的情况下，可减少灯具的个数。

图11 5次调整的工作面等照度线

由此可见，只要对施工现场进行充分调研，并正确地用DIALux软件还原施工现场及夜间照明情况，就可用软件模拟的形式，辅助监测工地光污染状况。同时，在软件中进行模拟优化，可指导现场的灯具布置，达到减少夜间施工光污染和改善工作面照度的目的。

本文的研究有一定局限性，实际中的工地施工情况更加复杂。本文探讨的是在施工工作面处于水平的情况下，如何调整灯具照明使得结果最佳；但是，随着施工工作面的增高，灯具的照明高度也随着升高，因此照明优化需要动态调整，加大了人力成本。同时，塔吊的探照灯光污染会随着升高而扩散，并产生变化，这将在以后的研究中进行探讨。