CN105554976B - 基于bim技术的室外作业场地照明模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法，其特征在于，包括步骤：基于BIM技术根据实际场地信息构建场地BIM模型；根据照明方案的关键信息构建模拟灯具，并确定模拟灯具的灯具放置点信息；根据灯具放置点信息，将模拟灯具放置在场地BIM模型中的对应位置；构建场地BIM模型中各个区域的作业面，调整作业面标高，对各个标高各个区域的工作面的照明效果进行三维可视化演示，以模拟实际施工中各个阶段的照明情况。本发明首先完成施工场地的还原，创新性的制作了模拟灯具BIM模型，解决了灯具安置的问题和灯具参数集成的问题。通过施工照明模拟，可以直观的查看现场夜间照明的效果和场地进度形象。

Description

基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法

技术领域

本发明涉及智能化建筑技术领域，尤其涉及一种基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法。

背景技术

在工程施工过程中，为了达到施工进度的要求，施工现场往往采用轮班制不间断施工，在施工现场夜间的照度、照射面积等因素没有满足相关规定的情况下，工人的工作效率和安全以及作业的舒适度和身体健康、视力等都会受到严重的影响，从而导致工程质量和施工效率的降低。

施工照明贯穿于施工的全过程，针对夜间施工、地下室施工以及大型公共建筑或超高层等项目中许多工序对照明有较高要求等情况更是如此。目前国内的施工现场的夜间主要照明往往都采用高耗能的镝灯，保守而粗放的施工照明设计只会导致大量的能源浪费，施工照明设计需与施工现场的施工进度及周边措施项目相结合，仅凭经验和传统的简单分析既耗时耗力又无法满足准确性科学性可靠性的要求。

施工过程中不同阶段的照明方案的不同，照明设备的维护和保养的成本都相应提高。施工现场夜间施工的照明照度过高或者过低都会影响施工的质量和效率,在行业内普遍存在夜间抢工加班的现状情况下，缺乏科学合理性的夜间施工照明往往导致施工质量的缺陷和施工效率的地下。只有科学合理的施工照明设计，综合考虑施工现场照度要求、水平照度均匀度、眩光值(GR)以及显色指数(Ra)等因素，才能在实现其方案本身高效节能的同时，辅助实现最佳的施工质量和效率。

与此同时，传统的照明设计与分析手段和实施平台在室外照明领域均存在较大的欠缺与不足。传统的照明设计与分析通常有两种方法，第一种方法是利用手算，运用“利用系数法”计算照明区域的照度要求，倒推场地照明所需的灯具数量和安装高度，基本没有核算与校验的过程，更不要谈模拟和校核了。另一种方法是利用照明计算与分析软件，例如DIALux、AGI32等，快速准确的计算出在一定照度要求下的照明灯具数量与安装要求。但是这种方法往往是在二维平面上完成计算与分析的，对于光照的计算和分析也是基于二维空间的模拟，对于实际照明效果，并没有明确的表达。同时这种基于专业计算与分析软件进行照度计算的方法，往往是针对室内照明，软件默认的计算环境也是室内空间，往往很难计算和模拟室外空间的照明效果。另一方面，这种利用软件平台的计算和模拟得到的结果往往没有考虑现场的灯具安装问题。实际上在室外空间的照明计算中不得不考虑的一个很重要的因素是灯具的可安装位置往往是固定的，不可能只要满足相应的照度要求就能随意安装在任意位置。这一欠缺也导致了传统的计算和分析手段与实施平台往往难以胜任室外作业场地照明这一缺少关注的领域。只能寻求新的技术手段和新的能够适应室外作业场地照明的计算和分析工具。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法，不仅解决了照明方案的三维可视化问题，还为施工现场的可视化交流、施工管理提供了平台，同时有利于施工进度，保证安全质量、降底成本。

为实现上述技术效果，本发明公开了一种基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法，其特征在于，包括步骤：

基于BIM技术根据实际场地信息构建场地BIM模型；

根据照明方案的关键信息构建模拟灯具，并确定所述模拟灯具的灯具放置点信息；

根据所述灯具放置点信息，将所述模拟灯具放置在所述场地BIM模型中的对应位置；以及

构建所述场地BIM模型中各个区域的作业面，调整作业面标高，对各个标高各个区域的工作面的照明效果进行三维可视化演示，以模拟实际施工中各个阶段的照明情况。

本发明进一步的改进在于，所述实际场地信息包括：场地及周边环境的基本信息，不同工期段的建筑物、构筑物的信息，影响照明的措施项目和机电设备的信息。

本发明进一步的改进在于，所述照明方案的关键信息包括：照明区域及照明形式的信息，照明灯具的型号及放置点的信息，照明灯具的光束角度、光场角度及照射角度的信息。

本发明进一步的改进在于，根据照明方案的关键信息构建模拟灯具，并确定所述模拟灯具的灯具放置点信息的步骤包括：

依据灯具的光照实际光谱将模拟灯具的照明范围抽象为光照直射区、光照有效区和光照影响区三个层次；

将灯具放置点形象化为基于面的球体模型，利用模型线绘制球体模型的经纬线和指向箭头；

将模拟灯具置于灯具放置点上，模拟灯具的灯具柄端在球面网格上自由转动，依据灯具放置点上的经纬线的刻度控制模拟灯具的照射角度。

本发明进一步的改进在于，将所述模拟灯具放置在所述场地BIM模型中的对应位置后，首先对模拟灯具的布置及照射角度进行校核，编辑场地BIM模型和模拟灯具的三维视图，并利用过滤器和视图可见性设置不同的显色和构件透明度；然后再构建场地BIM模型中各个区域的作业面。

本发明进一步的改进在于，构建所述场地BIM模型中各个区域的作业面，调整作业面标高，对各个标高各个区域的工作面的照明效果进行三维可视化演示，以模拟实际施工中各个阶段的照明情况，包括：

利用实体构件构建场地BIM模型中各个区域的作业面；

调整作业面标高至指定高度，截取指定高度的作业面位置的水平剖面，连接所述水平剖面上的所述模拟灯具的光束投影外轮廓线和光场投影外轮廓线，得到光照直射区和光照有效区；

根据所述光照直射区和所述光照有效区的分布情况判断出光照集中区和光照稀疏区；

绘制所述光束投影外轮廓线和所述光场投影外轮廓线以外的区域，作为照明死区。

本发明进一步的改进在于，连接所述水平剖面上的所述模拟灯具的光束投影外轮廓线和光场投影外轮廓线，得到光照直射区和光照有效区，包括：

分别绘制每一个模拟灯具的光束投影外轮廓线和光场投影外轮廓线，直至绘制完成所有模拟灯具的所有光束投影外轮廓线和所有光场投影外轮廓线；

分别绘制所有光束投影外轮廓线和所有光场投影外轮廓线的共同外轮廓线，得到由所有光束投影外轮廓线的共同外轮廓线围合而成的光照直射区以及所有光场投影外轮廓线围合而成的光照有效区。

本发明阐述了施工照明模拟的基本原理和实施流程，并且通过案例仿真的方式得到了实际照明模拟的效果，实现了基于BIM技术的室外作业场地照明的仿真模拟。在这一过程中，首先是完成了施工场地的还原(考虑实际工期和现场环境)，创新性的制作了模拟灯具BIM模型，解决了灯具安置的问题和灯具参数集成的问题。通过施工照明模拟，可以直观的查看现场夜间照明的效果和场地进度形象。可以说施工照明的模拟不仅仅是解决了照明方案的三维可视化问题，还为施工现场的可视化交流、施工管理提供了平台。同时有利于施工进度，保证安全质量、降底成本。

附图说明

图1为本发明基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法的流程图。

图2为本发明基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法的一较佳实施例的流程图。

图3为本发明基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法的照明类别及照明方式示意图。

图4为本发明基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法的模拟灯具的示意图。

图5为本发明基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法的模拟灯具的外形图。

图6为本发明基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法的灯具放置点的示意图。

图7为本发明基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法的灯具放置角度的示意图。

图8为本发明基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法的作业面布置图。

图9为本发明基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法的作业面光照效果图。

图10为本发明基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法的作业面光照死角示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

首先参阅图1所示，本发明基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法主要包括步骤：

S001：基于BIM技术根据实际场地信息构建场地BIM模型；

S002：根据照明方案的关键信息构建模拟灯具，并确定模拟灯具的灯具放置点信息；

S003：根据灯具放置点信息，将模拟灯具放置在场地BIM模型中的对应位置；以及

S004：构建场地BIM模型中各个区域的作业面，调整作业面标高，对各个标高各个区域的工作面的照明效果进行三维可视化演示，以模拟实际施工中各个阶段的照明情况。

本发明基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法主要是基于既有的照明方案，利用BIM技术的可视化特性，将照明设计成果予以可视化展示，直观的查看一般照明、分区一般照明、混合照明、局部照明以及高杆或半高杆照明的设计成果。不同的施工阶段应当有不同的施工作业照明设计，照明方案的模拟也同样依据需要分为不同阶段进行模拟，这个过程中能够通过简单的参数调整和模型的设定来实现模拟的动态化变现。

在模拟过程中施工场地依据场地BIM模型作为参照，建立轻量化简化模型，该模型必须保证外观几何尺寸的准确性，构件或设备的内部构造及做法则不要求或在不影响光照模拟的前提下力求简化；除此之外，现场的大型固定机械设备及其他相对固定措施设备等影响照明方案实施的部件予以可视化展示。模型构建及设备的具体位置参考施工方案的具体安排，根据施工现场的实际布局布置，力求在特定阶段的场地模型与该阶段的施工实际情况保持一致。

另一方面是将灯光可视化模拟，灯光的光束、光场、安装点及其照射角度等予以可视化模拟，并且保持和实际施工现场的灯具及其安置情况一致，保证模拟与实际能够实现一致。

参阅图2所示，本发明基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法主要分为四个步骤：场地还原、仔细阅读照明方案、模拟过程与定性分析过程，其中的场地还原和仔细阅读照明方案两个步骤可以同步进行。

根据模拟流程，从工作分解的角度可以将模拟的前期准备分为“场地还原”与“明确照明方案的关键信息”两部分。

为了更加明确和具体的阐述基于BIM技术的室外作业场地照明的模拟，本研究以某大型项目为实际案例，选取该项目的地下施工阶段为例阐述室外作业场地照明模拟。

一、场地还原

(一)场地还原的原则

场地还原的原则是：

1)影响照明方案的场地信息及设备构件等需要准确还原

2)与照明方案无关的场地及设备构件不需要还原

3)还原的场地及设备构件需要有准确的外轮廓几何形体，且能够满足现场因工期不同而呈现的场地不同阶段的参数化要求

还原的场地BIM模型部分构件应该能够利用参数驱动，实现场地的随工期的变化而动态变化，例如作业面可以参数化控制标高以反映不同标高段的不同工序施工作业要求，各个楼层的外框筒和核心筒建筑物可以分块隐藏或显示以模拟不同工期段的现场施工状况，塔吊可以参数化控制高度和臂长等等以模拟现场可能存在的临时局部照明需要。

(二)场地还原的依据

对于该项目地下部分场地还原的依据包括：

1)地下部分原BIM模型

2)地下部分施工图

3)地下施工组织设计

4)地下施工大型设备及其他设施设备外形图纸、照片或说明

5)现场照片

(三)场地还原的内容

对于该项目地下部分场地还原的内容包括：

1)场地及周边环境基本信息

2)地下阶段不同工期段的建筑物或构筑物

3)影响照明的措施项目和机电设备等

在该项目地下部分施工场地的还原中，还原对象包括基坑、基础底板、钢架及楼梯、塔吊、核心筒及外框筒等，这些构件的基本尺寸与空间位置均与施工现场保持一致。

二、明确照明方案的关键信息

原照明方案的关键信息包括照明区域及其照明形式、灯具的具体安置点以及灯具的具体型号及其参数等，除此之外的其他信息对照明方案的模拟影响不大或没有影响，视为非关键信息。

(一)明确照明区域及照明形式

如图3所示，不同的照明类别及照明方式对于不同区域内的照明方案有着巨大的影响，结合施工现场的具体布局及施工需要也会体现出不同的照明特点。

照明方案的模拟在于将抽象的施工照明方案具象化，能够直观的查看施工现场的照明情况，便于工作人员理解和管理的同时为项目参与各方提供了一个可视化的协调与交流平台。作为方案校核和优化的前提，对于以上目的没有影响或者影响不大的照明形式与照明区域则不需要模拟，例如应急照明中的部分指引性照明，场地的短期临时照明，或者非作业区外(非施工照明区域)的照明等。如果刻意追求模拟效果，则会造成浪费时间与成本的结果。

(二)明确灯具安置点

根据原照明方案平面布置图上各个灯具放置点的具体位置，明确该放置点的具体标高、安装点、依附物体等。

(三)明确灯具型号及其参数

在确定放置点的具体信息后，需要明确该放置点上的照明灯具的具体信息，这些信息包括：灯具的型号、个数、照射角度和指向、光场角度、光束角度等。对于灯具的其他信息，如照度、光通量等信息，在模拟阶段并不会影响模拟结果，暂时可以不予考虑。

三、模拟过程

(一)灯具的制作

依据灯具的光照实际光谱将模拟灯具的照明范围抽象为三个层次，光照直射区11、光照有效区12和光照影响区13，如图4和图5所示。光照直射区是指灯具的光束直射区域，能够提供最好的照明效果的区域；光照有效区是指灯具光场提供的在光束直射长度范围内的照明有效区域，能够提供较好的照明效果；光照影响区是指灯具光场提供的超出光束直射长度范围外的照明区域，该区域光照较弱，提供较差的光照效果。其中光场角度a、光束角度b及其长度都是可以参数调整的。

基于模拟阶段只要求做定性分析，不需要定量分析，所以模拟灯具没有照度值、眩光值、显色指数、功率值、光通量等参数。光场、光束及照射角度能满足模拟阶段的定性分析要求，能够实现对照明效果的可视化模拟和分析。

(二)灯具放置点

由于灯具模型是“基于面的族”，只能放置在特定的面上，对于灯具的照射方向与角度等参数难以在复杂多变的灯具安置点位上准确反映，为了简化灯具模型的放置工作且能够满足精确放置角度的要求，故将灯具放置点独立形象化为一个直径100mm的基于面放置的球体。如图6所示，该球体表面分布有经纬参考线，纬线包含30度、60度以及90度三个角度值，经线以30度为刻量度旋转180度(经线与纬线的间隔度数可以根据实际需要确定)。灯具放置点是基于面的场规模型，模型实体是一个旋转球体，利用模型线绘制经纬线和指向箭头。模拟灯具(基于面的常规模型)放置在该放置点上，放置时灯具柄端可以在球面网格上自由转动，依据放置点上的刻度可以较为精确的控制灯具照射的角度，如图7所示，该灯具的俯角为30度，灯具轮廓10如图所示，灯具柄端在30度纬线上。

(三)灯具的放置与调试

确定灯具放置点信息后将灯具放置点球体放置在场地还原模型中的对应位置。选择对应灯具将其放置在该放置点上，并调整照射角度和指向以满足要求。

为了更方便的观察模拟结果，需要对模型视图进行编辑。设置场地基坑三维视图，在该视图中只能看到场地、塔吊等相关模型；设置外框筒三维视图，在该视图中能查看场地基坑中外框筒与照明灯光的关系；设置核心筒三维视图，在该视图中能查看场地基坑中核心筒与照明灯光的关系；设置外框筒+核心筒三维视图，在该视图中能查看外框筒和核心筒与照明灯光的共同关系；同时根据现场具体需要可以设置局部三维视图，查看个别局部区域的照明灯光效果。

各个视图利用过滤器和视图可见性设置不同的显色和构件透明度，以便于观察。

(四)作业面的设置

作业面是将虚拟的不存在的工作面(在照明模拟与分析中，作业面的照明情况往往才是模拟和分析的重点，而不是灯光到达的地面)实体化，如图8所示，利用实体构件(板构件)建立各个区域的工作面，该工作面可以分别随设定标高改变而改变标高，满足对各个标高各个区域工作面照明效果的演示要求。

完成以上设置与步骤后，可以开始实施定性分析，调整模型建筑物及作业面标高，使之与实际施工的不同阶段相适应；在该项目中的地下部分，三个主要工作面的面积及区域位置没有较大变化，不需要再次分解。观察并捕捉各个阶段的光照情况。

四、定性分析

(一)作业面光照效果分析

调整作业面标高，使其到达指定高度。截取作业面位置水平剖面，连接作业面上光束投影外轮廓线和光场投影外轮廓线。光束投影外轮廓线围合区域为光照直射区域，提供最佳照明效果，如图9所示。如果夜间施工作业面不在该区域内，则需要适当调整灯具指向，以使该区域在光照直射区域内。光场投影外轮廓线围合区域为光照有效区域，提供较好照明效果，为夜间施工提供一般照明。

由于灯具较多情况下的截面灯光线条较多，灯光叠加较多，光场与光束交叉较多，给外轮廓曲线的绘制带来一定难度，可行的方法是先隐藏部分相互干扰的灯具，先不考虑多个灯具的灯光外轮廓线，分别绘制每一个灯具的灯光外轮廓线，绘制完成后再将轮廓线合并，绘制多个灯具的共同外轮廓线，结果如图9所示。

通过图9的作业面光照效果图可以非常明确的看出整个场地该工作平面上灯光的分布情况，可以较为轻松的查找出灯光的相对集中区和稀疏区域，在图9中，能够明确判断的是图中左上角巨柱管廊内的位置灯光较稀疏，可能会产生照度不满足要求的情况。从整个场地来看，四个角落的灯光均比较稀疏，可能出现照度不满足要求的可能。如果需要更准确的判断是否达标，则需要更精确的量化分析。

(二)照明死角分析

根据光照投影线外轮廓图的覆盖面与施工场地的关系，绘制光场与光束均未到达的区域外轮廓线，围合的区域即为照明死角，如图10所示。在不影响原光照要求的前提下调整灯具角度，减少照明死角范围，提供灯具调整后灯具安装指向图。

本发明阐述了施工照明模拟的基本原理和实施流程，并且通过案例仿真的方式得到了实际照明模拟的效果，实现了基于BIM技术的室外作业场地照明的仿真模拟。在这一过程中，首先是完成了施工场地的还原(考虑实际工期和现场环境)，创新性的制作了模拟灯具BIM模型，解决了灯具安置的问题和灯具参数集成的问题。通过施工照明模拟，可以直观的查看现场夜间照明的效果和场地进度形象。可以说施工照明的模拟不仅仅是解决了照明方案的三维可视化问题，还为施工现场的可视化交流、施工管理提供了平台。同时有利于施工进度，保证安全质量、降底成本。

以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法，其特征在于，包括步骤：

基于BIM技术根据实际场地信息构建场地BIM模型；

根据照明方案的关键信息构建模拟灯具，并确定所述模拟灯具的灯具放置点信息；

根据所述灯具放置点信息，将所述模拟灯具放置在所述场地BIM模型中的对应位置；以及

构建所述场地BIM模型中各个区域的作业面，调整作业面标高，对各个标高各个区域的工作面的照明效果进行三维可视化演示，以模拟实际施工中各个阶段的照明情况；

其中，根据照明方案的关键信息构建模拟灯具，并确定所述模拟灯具的灯具放置点信息的步骤包括：

依据灯具的光照实际光谱将模拟灯具的照明范围抽象为光照直射区、光照有效区和光照影响区三个层次；

将灯具放置点形象化为基于面的球体模型，利用模型线绘制球体模型的经纬线和指向箭头；

将模拟灯具置于灯具放置点上，模拟灯具的灯具柄端在球面网格上自由转动，依据灯具放置点上的经纬线的刻度控制模拟灯具的照射角度。

2.如权利要求1所述的基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法，其特征在于，所述实际场地信息包括：场地及周边环境的基本信息，不同工期段的建筑物、构筑物的信息，影响照明的措施项目和机电设备的信息。

3.如权利要求1所述的基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法，其特征在于，所述照明方案的关键信息包括：照明区域及照明形式的信息，照明灯具的型号及放置点的信息，照明灯具的光束角度、光场角度及照射角度的信息。

4.如权利要求1所述的基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法，其特征在于：将所述模拟灯具放置在所述场地BIM模型中的对应位置后，首先对模拟灯具的布置及照射角度进行校核，编辑场地BIM模型和模拟灯具的三维视图，并利用过滤器和视图可见性设置不同的显色和构件透明度；然后再构建场地BIM模型中各个区域的作业面。

5.如权利要求1所述的基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法，其特征在于，构建所述场地BIM模型中各个区域的作业面，调整作业面标高，对各个标高各个区域的工作面的照明效果进行三维可视化演示，以模拟实际施工中各个阶段的照明情况，包括：

利用实体构件构建场地BIM模型中各个区域的作业面；

调整作业面标高至指定高度，截取指定高度的作业面位置的水平剖面，连接所述水平剖面上的所述模拟灯具的光束投影外轮廓线和光场投影外轮廓线，得到光照直射区和光照有效区；

根据所述光照直射区和所述光照有效区的分布情况判断出光照集中区和光照稀疏区；

绘制所述光束投影外轮廓线和所述光场投影外轮廓线以外的区域，作为照明死区。

6.如权利要求5所述的基于BIM技术的室外作业场地照明模拟方法，其特征在于，连接所述水平剖面上的所述模拟灯具的光束投影外轮廓线和光场投影外轮廓线，得到光照直射区和光照有效区，包括：

分别绘制每一个模拟灯具的光束投影外轮廓线和光场投影外轮廓线，直至绘制完成所有模拟灯具的所有光束投影外轮廓线和所有光场投影外轮廓线；

分别绘制所有光束投影外轮廓线和所有光场投影外轮廓线的共同外轮廓线，得到由所有光束投影外轮廓线的共同外轮廓线围合而成的光照直射区以及所有光场投影外轮廓线围合而成的光照有效区。