疏散照度的計算機(jī)輔助計算

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疏散照度的計算機(jī)輔助計算

蔡浩（無錫市建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，江蘇省無錫市 214001）
摘要：根據(jù)廠方提供的典型疏散照明燈具的配光特點(diǎn)與相對應(yīng)的地面水平照度之間的關(guān)系，編制了一個AutoCAD應(yīng)用程序，可用于復(fù)雜平面圖疏散照明燈具布置的逐點(diǎn)照度計算，并將計算結(jié)果分顏色標(biāo)注在平面圖中，方便進(jìn)行疏散照度的驗證，較好地解決了疏散照明設(shè)計中的照度計算不方便的難題。

關(guān)鍵詞：疏散照度；照度計算；配光特點(diǎn)；水平照度；燈具布置；計算機(jī)輔助計算；AutoCAD應(yīng)用程序；照明設(shè)計

0 引言

疏散照明設(shè)計是電氣設(shè)計的一項重要內(nèi)容，現(xiàn)行規(guī)范對各類場所的疏散照度標(biāo)準(zhǔn)均作了較詳細(xì)的規(guī)定。疏散照度是指地面最低水平照度，不同于一般照明的平均照度，因此若采用平均照度計算結(jié)果進(jìn)行疏散照明燈具布置，可能會導(dǎo)致疏散照度值不達(dá)標(biāo)。筆者在進(jìn)行一項大型商業(yè)綜合體設(shè)計時，根據(jù)JGJ 48 - 2014《商店建筑設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定采用了文獻(xiàn) ［5］中的智能疏散照明系統(tǒng)，在進(jìn)行燈具布置時發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)［5］中的一些典型布燈模式實際應(yīng)用局限較大，且燈具布置完成后，難以驗證疏散照度是否達(dá)標(biāo)。

照明輔助設(shè)計軟件DIALux可用于疏散照度計算，其功能豐富，但需要燈具廠商提供燈具數(shù)據(jù)文件才能計算，筆者所采用的燈具因為沒有燈具數(shù)據(jù)文件支持，無法采用DIALux進(jìn)行計算。筆者根據(jù)文獻(xiàn) ［5］中的數(shù)據(jù)及計算原理，開發(fā)了一個可以在AutoCAD中使用的應(yīng)用程序，能夠逐點(diǎn)在圖中用不同顏色標(biāo)出疏散照度值，便于驗證。本程序?qū)κ枭⒄彰髟O(shè)計具有極大的方便性和實用性。

1 規(guī)范依據(jù)

GB 50016 - 2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（以下簡稱《建規(guī)》）第10. 3 .2條以強(qiáng)制性條文的形式規(guī)定了疏散照明的照度標(biāo)準(zhǔn)：
“10. 3. 2 建筑內(nèi)疏散照明的地面最低水平照度應(yīng)符合下列規(guī)定：
1 對于疏散走道，不應(yīng)低于1. 0 lx；
2 對于人員密集場所、避難層（間），不應(yīng)低于3.0 lx；對于病房樓或手術(shù)部的避難間，不應(yīng)低于10. 0lx；
3 對于樓梯間、前室或合用前室、避難走道，不應(yīng)低于5. 0 lx。”

本條文明確了以下3點(diǎn)：①疏散照度是指地面最低水平照度，而不是地面上的平均照度；② 不同場所的疏散照度標(biāo)準(zhǔn)也不同；③疏散照度的計算結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后一位有效數(shù)字。

是否疏散路線上所有點(diǎn)的地面水平照度均要達(dá)標(biāo)呢？10.3. 2條條文說明指出照度值引用了美、英等國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并在條件允許時盡量增加照度，提高疏散安全性。因此，有必要了解美、英等國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)疏散照度的規(guī)定。

英國標(biāo)準(zhǔn)BS EN 1838：2013《Lighting applications — Emergency lighting》（以下簡稱“BS EN1838：2013”）第4. 2. 1條規(guī)定：對于寬度不超過2 m的疏散路線，沿路線中心線的地面水平照度應(yīng)不小于1 lx，并且不小于路線寬度一半的中心地帶照度至少達(dá)到該值的50％。更寬的逃生路線可被視為多個2 m寬的條帶或按開放區(qū)域防止恐慌照明對待。第4. 3. 1條關(guān)于開放區(qū)域的照明規(guī)定：除該區(qū)域周邊0. 5 m寬度范圍外的核心區(qū)域，地面水平照度不低于0. 5lx?？梢?，BS EN 1838：2013更重視“疏散路線”核心范圍內(nèi)的照度，并不強(qiáng)調(diào)疏散通道邊緣的照度，這個思路對于理解和執(zhí)行《建規(guī)》第10. 3. 2條具有很好的借鑒意義。綜合考慮BSEN 1838：2013 第10. 3. 2條文說明及我國的實際情況，對于2m寬的走道，中間1 m寬度范圍內(nèi)的地面最低水平照度能達(dá)到規(guī)定照度值，是較為理想的。大于2 m的走道，往往疏散人員較多，除邊緣0. 5 m寬度范圍外的核心區(qū)域地面最低水平照度均應(yīng)達(dá)到規(guī)定照度值。

關(guān)于疏散照度均勻度要求，GB 50034 -2013《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第5. 5. 4條第3款規(guī)定，疏散通道中心線照度的最大值與最小值之比不應(yīng)大于40 ∶ 1。雖然本條文前提為地面平均水平照度值，但這個條款的規(guī)定應(yīng)當(dāng)是針對通道中心線的點(diǎn)照度值而言的。此條規(guī)定與BS EN 1838：2013第4. 2. 2條是一致的，智能疏散照明系統(tǒng)的燈具功率較小，容易滿足本規(guī)定。
關(guān)于疏散照度計算要求，BS EN 1838：2013第4. 1. 1條規(guī)定：應(yīng)急照明方案設(shè)計應(yīng)基于照明設(shè)備在使用壽命期間的最差條件（如最小光輸出、最大眩光限制），并且應(yīng)僅基于來自照明設(shè)備的直射光，忽略房間表面相互反射的貢獻(xiàn)。因此，疏散照度計算只計算直射光且應(yīng)計算維護(hù)系數(shù)，當(dāng)疏散照明燈具平時不使用時，可較少考慮光源光通量的衰減，但燈具表面污染仍應(yīng)計入。

根據(jù)上述規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，在進(jìn)行疏散照明設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)采用逐點(diǎn)照度計算法驗證設(shè)計疏散照度是否達(dá)標(biāo)。但逐點(diǎn)手工計算工作量很大，能驗證的點(diǎn)數(shù)量相當(dāng)有限，難以滿足工程實際應(yīng)用要求。而采用計算機(jī)程序輔助計算可節(jié)省大量時間，提高疏散照度計算準(zhǔn)確性，下文將討論疏散照度逐點(diǎn)計算方法和輔助計算程序設(shè)計。

2 計算參數(shù)及方法
2. 1 燈具參數(shù)

智能疏散照明系統(tǒng)常用的燈具為3 W或5 W LED燈，表1是某品牌燈具正下方水平照度測試數(shù)據(jù)。
燈具正下方水平照度的計算公式^［4］：

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式中：E₀ ——燈具正下方的地面水平照度，lx；
I₀ —— 燈具正下方的光強(qiáng)，cd；
h ——燈具安裝高度，m。

同一燈具正下方的光強(qiáng)I0是燈具固有參數(shù)，不會隨著燈具安裝高度變化。將表1不同安裝高度的地面測量水平照度和燈具安裝高度分別代入公式（1）計算I0，可以發(fā)現(xiàn)I0基本保持不變，因照度測量誤差的原因，不同安裝高度計算出的I₀，差別微小。為了保持計算照度和表1照度的一致性，當(dāng)燈具安裝高度在2. 5～8 m之間時，從表1中選取最接近兩個安裝高度的I₀的平均值作為該安裝高度的I₀并按公式（1）計算正下方地面水平照度；當(dāng)燈具安裝高度小于2. 5 m或大于8. 0 m時，正下方地面水平照度按公式（1）計算，其中I₀根據(jù)安裝高度2. 5 m計算得出。

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2. 2 燈具配光特點(diǎn)與地面水平照度的關(guān)系

單個燈具下方地面水平照度的等照度曲線是若干個同心圓，圖1^［5］從垂直方向示出了3個等照度同心圓與燈具安裝高度的關(guān)系，圖2是地面等照度曲線。

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圖1中地面任意一點(diǎn)的水平照度計算公式^［4］：

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式中：E_θ—— 地面任意點(diǎn)的水平照度，lx；
  I_θ—— 燈具至該點(diǎn)照射方向的光強(qiáng)，cd；
  R ——燈具至計算點(diǎn)的距離，m；
  cosθ——地面通過光源的法線與入射光線的夾角的余弦。

公式（2）中任意點(diǎn)的Iθ一般可通過燈具配光曲線查得，但疏散照明燈具廠方并未提供燈具配光曲線，筆者計算時采用了擬合配光曲線的方法獲得任意角度的Iθ值：首先采用圖1中θ = 0°、30°、45°和60°對應(yīng)的照射光強(qiáng)作為樣條曲線的4個控制點(diǎn)，采用曲線擬合法得到近似的燈具配光曲線，然后對配光曲線按θ= 0～60°之間每1°進(jìn)行微分，可以得出I[sub]₀ [/sub]～ I₆₀共61個光強(qiáng)值，當(dāng)θ不是整數(shù)時，通過該角度相鄰的兩個整數(shù)角度的光強(qiáng)進(jìn)行線性插值求出Iθ。與燈具水平距離大于

登錄/注冊后可看大圖h的地面點(diǎn)水平照度忽略不計。

2. 3 多燈具布置時地面水平照度的計算

因為疏散照度只計算燈具直射光，不考慮頂面、墻面和地面反射光，所以，地面某點(diǎn)的水平照度等于一定距離范圍（h）內(nèi)多個燈具在該點(diǎn)水平照度的代數(shù)和。這是進(jìn)行疏散照度計算機(jī)輔助計算程序設(shè)計的基礎(chǔ)算法。

3 計算機(jī)輔助計算程序設(shè)計

AutoCAD是目前普遍使用的計算機(jī)輔助設(shè)計平臺，具有良好的用戶基礎(chǔ)和方便的用戶二次開發(fā)接口，因此采用AutoCAD支持的Visual LISP語言編寫疏散照度輔助計算程序是比較合適的。

程序設(shè)計目標(biāo)是根據(jù)平面疏散燈具布置，逐點(diǎn)在圖上標(biāo)出照度值。燈具圖塊自帶光源容量屬性，LED 3 W顯示為“E3”，LED 5 W顯示為“E5”，選取計算區(qū)域后，程序可自動識別圖中布置的疏散照明燈具，也可手動選擇參與計算的燈具。燈具安裝高度需要手動輸入，并假定所有燈具安裝高度相同。

程序采用模塊化設(shè)計，主要功能模塊包括：
a. 定義根據(jù)公式（1）及表1進(jìn)行計算得出指定高度燈具正下方水平照度的函數(shù)：getlx（容量、高度）。
b. 定義根據(jù)圖2進(jìn)行插值計算得出單個燈具指定距離處的地面水平照度的函數(shù)：getptlx（距離）。
c. 定義照度值標(biāo)注函數(shù)：mktext（照度值、插入點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)角、圖層、對齊方式、顏色）。
d. 根據(jù)輸入的計算區(qū)域和計算點(diǎn)的間距，得到計算網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)表。
e. 根據(jù)計算點(diǎn)的坐標(biāo)和區(qū)域內(nèi)的所有燈具圖塊，采用預(yù)定義的函數(shù)計算每個有效距離內(nèi)的燈具在該點(diǎn)產(chǎn)生的照度值并相加，得出該點(diǎn)的地面水平照度值，判斷照度值的區(qū)間，采用對應(yīng)的顏色在該點(diǎn)標(biāo)出照度值。為便于更仔細(xì)的判斷，標(biāo)注數(shù)值比規(guī)范值多保留一位小數(shù)。
f. 對所有坐標(biāo)表循環(huán)執(zhí)行e點(diǎn)步驟，直到結(jié)束。

4 計算程序驗證

程序編寫完成后，需要驗證計算結(jié)果的正確性。

圖3是筆者編制的程序生成的LED 5 W 疏散照明燈具在安裝高度6 m時的地面水平照度計算圖，計算網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm，3種顏色對應(yīng)圖1及圖2的等照度分界線，逐點(diǎn)照度值從內(nèi)圈向外依次遞減，分界線的半徑與圖2基本一致（因計算點(diǎn)間距為50 mm，故實際計算值可能存在不大于50 mm誤差）。

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圖4是4個LED 5 W疏散照明燈具安裝在邊長9 m的正方形4個頂點(diǎn)處，燈具距地高度4. 5 m時，正方形區(qū)域的地面水平照度計算圖。計算結(jié)果與文獻(xiàn)［5］的布燈方案基本一致，部分計算點(diǎn)經(jīng)人工計算復(fù)核無誤。圖4局部區(qū)域的照度計算結(jié)果高于文獻(xiàn)［5］，原因是文獻(xiàn)［5］未進(jìn)行多燈照度疊加計算。可見采用計算機(jī)輔助計算的結(jié)果更加精確，效果優(yōu)于人工憑經(jīng)驗布燈。

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程序驗證通過后，筆者將其用于商業(yè)綜合體設(shè)計疏散照度計算，圖5是其中一個區(qū)域的計算結(jié)果。圖5未按防火分區(qū)分別計算，而是整個區(qū)域一次計算完成，驗證了大數(shù)據(jù)量計算時程序的穩(wěn)定性。

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5 程序使用說明

本程序用于實際工程計算時，計算區(qū)域不宜過大；不同防火分區(qū)或不同疏散通道之間有建筑分隔時，應(yīng)分開計算，避免相鄰區(qū)域內(nèi)燈具對計算結(jié)果的影響；計算網(wǎng)格尺寸選取應(yīng)適中，網(wǎng)格過小會顯著加大計算量，耗時較長。

程序約定使用配套示例圖中的兩種燈具圖塊，工程設(shè)計時采用兩種圖塊布燈后，在AutoCAD中加載程序，采用SSZD命令啟動程序，并根據(jù)命令行提示逐步輸入以下參數(shù)：
a. 請輸入計算區(qū)域第一角點(diǎn)。
b. 請輸入計算區(qū)域第二角點(diǎn)。
c. 請輸入疏散照明燈距地高度（m）［自動選擇參與計算的疏散照明燈（S）］< 3. 5 >。此行提示燈具選擇模式是自動選擇區(qū)域內(nèi)所有燈具參與計算，當(dāng)前缺省的燈具安裝高度為3. 5 m。此處除可輸入燈具安裝高度外，還可通過輸入字母“S”切換參與計算燈具的選擇模式（自動 / 手動）。
d. 請輸入計算點(diǎn)間距（m）［自動選擇參與計算的疏散照明燈（S）］< 0. 1 >。此行提示的燈具選擇模式及切換方式同c，并提示當(dāng)前缺省的計算點(diǎn)間距是 0. 1 m，即計算網(wǎng)格尺寸為100 mm × 100 mm，可回車使用缺省值或輸入如“0. 15”將計算網(wǎng)格修改為150 mm × 150 mm。
e. 請輸入維護(hù)系數(shù)［自動選擇參與計算的疏散照明燈（S）］< 0. 9 >。此行提示的燈具選擇模式及切換方式同c，并提示當(dāng)前缺省的維護(hù)系數(shù)是0. 9，可回車使用缺省值或輸入新的維護(hù)系數(shù)值。
f. 請選擇參與計算的疏散照明燈：Select objects。此行僅當(dāng)設(shè)置為手動選擇參與計算燈具時才出現(xiàn)，供用戶選擇哪些燈具參與本次計算。
g. 等待程序計算完成并在圖上標(biāo)注照度值。

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6 結(jié)語

通過研究智能疏散照明系統(tǒng)疏散照度的計算方法，編制了適用于工程計算的AutoCAD應(yīng)用程序，極大地方便了疏散照度的計算，有助于工程設(shè)計中更好地貫徹疏散照度標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制性條文，具有較好的使用價值。
應(yīng)當(dāng)注意，本程序僅適用于文獻(xiàn)［5］中的兩種特定智能疏散照明燈具的照度計算，如需計算其它燈具，需要采集相應(yīng)的燈具數(shù)據(jù)并集成到程序中。