疏散照度的計算機輔助計算

蔡浩（無錫市建筑設計研究院有限責任公司，江蘇省無錫市 214001）
摘 要：根據廠方提供的典型疏散照明燈具的配光特點與相對應的地面水平照度之間的關系，編制了一個AutoCAD應用程序，可用于復雜平面圖疏散照明燈具布置的逐點照度計算，并將計算結果分顏色標注在平面圖中，方便進行疏散照度的驗證，較好地解決了疏散照明設計中的照度計算不方便的難題。

關鍵詞：疏散照度；照度計算；配光特點；水平照度；燈具布置；計算機輔助計算；AutoCAD應用程序；照明設計


0 引言

疏散照明設計是電氣設計的一項重要內容，現行規范對各類場所的疏散照度標準均作了較詳細的規定。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果進行疏散照明燈具布置，可能會導致疏散照度值不達標。筆者在進行一項大型商業綜合體設計時，根據JGJ 48 - 2014《商店建筑設計規范》的規定采用了文獻 ［5］ 中的智能疏散照明系統，在進行燈具布置時發現，文獻［5］中的一些典型布燈模式實際應用局限較大，且燈具布置完成后，難以驗證疏散照度是否達標。

照明輔助設計軟件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據文件才能計算，筆者所采用的燈具因為沒有燈具數據文件支持，無法采用DIALux進行計算。筆者根據文獻 ［5］中的數據及計算原理，開發了一個可以在AutoCAD中使用的應用程序，能夠逐點在圖中用不同顏色標出疏散照度值，便于驗證。本程序對疏散照明設計具有極大的方便性和實用性。

1 規范依據

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

本條文明確了以下3點：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準也不同；③疏散照度的計算結果保留小數點后一位有效數字。

是否疏散路線上所有點的地面水平照度均要達標呢？10.3. 2條條文說明指出照度值引用了美、英等國家的相關標準，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、英等國家標準有關疏散照度的規定。

英國標準BS EN 1838：2013《Lighting applications — Emergency lighting》（以下簡稱“BS EN1838：2013”）第4. 2. 1條規定：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域防止恐慌照明對待。第4. 3. 1條關于開放區域的照明規定：除該區域周邊0. 5 m寬度范圍外的核心區域，地面水平照度不低于0. 5lx。可見，BS EN 1838：2013更重視“疏散路線”核心范圍內的照度，并不強調疏散通道邊緣的照度，這個思路對于理解和執行《建規》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寬度范圍內的地面最低水平照度能達到規定照度值，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域地面最低水平照度均應達到規定照度值。

關于疏散照度均勻度要求，GB 50034 -2013《建筑照明設計標準》第5. 5. 4條第3款規定，疏散通道中心線照度的最大值與最小值之比不應大于40 ∶ 1。雖然本條文前提為地面平均水平照度值，但這個條款的規定應當是針對通道中心線的點照度值而言的。此條規定與BS EN 1838：2013第4. 2. 2條是一致的，智能疏散照明系統的燈具功率較小，容易滿足本規定。
關于疏散照度計算要求，BS EN 1838：2013第4. 1. 1條規定：應急照明方案設計應基于照明設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），并且應僅基于來自照明設備的直射光，忽略房間表面相互反射的貢獻。因此，疏散照度計算只計算直射光且應計算維護系數，當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計入。

根據上述規范的相關規定，在進行疏散照明設計時，應當采用逐點照度計算法驗證設計疏散照度是否達標。但逐點手工計算工作量很大，能驗證的點數量相當有限，難以滿足工程實際應用要求。而采用計算機程序輔助計算可節省大量時間，提高疏散照度計算準確性，下文將討論疏散照度逐點計算方法和輔助計算程序設計。

2 計算參數及方法
2. 1 燈具參數

智能疏散照明系統常用的燈具為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據。
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，cd；
  h ——燈具安裝高度，m。

同一燈具正下方的光強I0是燈具固有參數，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，可以發現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根據安裝高度2. 5 m計算得出。

 
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2. 2 燈具配光特點與地面水平照度的關系

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系，圖2是地面等照度曲線。
 
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圖1中地面任意一點的水平照度計算公式^［4］：
 
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式中：E_θ—— 地面任意點的水平照度，lx；
  I_θ—— 燈具至該點照射方向的光強，cd；
  R ——燈具至計算點的距離，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°對應的照射光強作為樣條曲線的4個控制點，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°進行微分，可以得出I[sub]₀ [/sub]～ I₆₀共61個光強值，當θ不是整數時，通過該角度相鄰的兩個整數角度的光強進行線性插值求出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，地面某點的水平照度等于一定距離范圍（h）內多個燈具在該點水平照度的代數和。這是進行疏散照度計算機輔助計算程序設計的基礎算法。

3 計算機輔助計算程序設計

AutoCAD是目前普遍使用的計算機輔助設計平臺，具有良好的用戶基礎和方便的用戶二次開發接口，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。

程序設計目標是根據平面疏散燈具布置，逐點在圖上標出照度值。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。

程序采用模塊化設計，主要功能模塊包括：
a. 定義根據公式（1）及表1進行計算得出指定高度燈具正下方水平照度的函數：getlx（容量、高度）。
b. 定義根據圖2進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：getptlx（距離）。
c. 定義照度值標注函數：mktext（照度值、插入點、旋轉角、圖層、對齊方式、顏色）。
d. 根據輸入的計算區域和計算點的間距，得到計算網格點的坐標表。
e. 根據計算點的坐標和區域內的所有燈具圖塊，采用預定義的函數計算每個有效距離內的燈具在該點產生的照度值并相加，得出該點的地面水平照度值，判斷照度值的區間，采用對應的顏色在該點標出照度值。為便于更仔細的判斷，標注數值比規范值多保留一位小數。
f.  對所有坐標表循環執行e點步驟，直到結束。

4 計算程序驗證

程序編寫完成后，需要驗證計算結果的正確性。

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，計算網格尺寸為50 mm×50 mm，3種顏色對應圖1及圖2的等照度分界線，逐點照度值從內圈向外依次遞減，分界線的半徑與圖2基本一致（因計算點間距為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個頂點處，燈具距地高度4. 5 m時，正方形區域的地面水平照度計算圖。計算結果與文獻［5］的布燈方案基本一致，部分計算點經人工計算復核無誤。圖4局部區域的照度計算結果高于文獻［5］，原因是文獻［5］ 未進行多燈照度疊加計算。可見采用計算機輔助計算的結果更加精確，效果優于人工憑經驗布燈。
 
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程序驗證通過后，筆者將其用于商業綜合體設計疏散照度計算，圖5是其中一個區域的計算結果。圖5未按防火分區分別計算，而是整個區域一次計算完成，驗證了大數據量計算時程序的穩定性。
 
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5 程序使用說明

本程序用于實際工程計算時，計算區域不宜過大；不同防火分區或不同疏散通道之間有建筑分隔時，應分開計算，避免相鄰區域內燈具對計算結果的影響；計算網格尺寸選取應適中，網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，并根據命令行提示逐步輸入以下參數：
a. 請輸入計算區域第一角點。
b. 請輸入計算區域第二角點。
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域內所有燈具參與計算，當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，并提示當前缺省的計算點間距是 0. 1 m，即計算網格尺寸為100 mm × 100 mm，可回車使用缺省值或輸入如“0. 15”將計算網格修改為150 mm × 150 mm。
e. 請輸入維護系數［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，并提示當前缺省的維護系數是0. 9，可回車使用缺省值或輸入新的維護系數值。
f.  請選擇參與計算的疏散照明燈：Select objects。此行僅當設置為手動選擇參與計算燈具時才出現，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注照度值。

為便于電氣同行交流學習，本文開發的配套軟件可在建筑電氣論壇下載，下載地址http：// www. jzdq. net. cn /club / forum. php？mod = viewthread &tid = 59383&extra =。

6 結語

通過研究智能疏散照明系統疏散照度的計算方法，編制了適用于工程計算的AutoCAD應用程序，極大地方便了疏散照度的計算，有助于工程設計中更好地貫徹疏散照度標準的強制性條文，具有較好的使用價值。
應當注意，本程序僅適用于文獻［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，需要采集相應的燈具數據并集成到程序中。

 

• 《疏散照度的計算機輔助計算》配套程序
  
         [工具軟件] 《疏散照度的計算機輔助計算》配套計算程序
• 《樓梯疏散照明的設計》（《建筑電氣》2019年第12期）
  
         [文章介紹] 2019.12|蔡浩：樓梯疏散照明的設計
• 《樓梯疏散照明的設計》配套計算程序：

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