Thiết kế chiếu sáng: Cầu Bính

Đoạn văn mô tả sự tiến bộ của ngành chiếu sáng đô thị từ những nguồn sáng thô sơ ban đầu như bó đuốc, nến, đèn dầu đến kỷ nguyên ánh sáng điện rực rỡ. Sự ra đời của bóng đèn điện, với công lao của Thomas Edison được ghi nhận vào năm 1878, đã đánh dấu bước ngoặt quan trọng. Tuy nhiên, việc ứng dụng ánh sáng điện vào chiếu sáng đô thị diễn ra chậm hơn, với hệ thống chiếu sáng công cộng từ thời Pháp thuộc chủ yếu sử dụng bóng đèn sợi tóc. Một bước tiến đáng kể là việc lắp đặt những ngọn đèn cao áp đầu tiên tại Quảng trường Ba Đình và Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh vào năm 1975. Sự kiện này đánh dấu sự bắt đầu của quá trình hiện đại hóa hệ thống chiếu sáng đô thị ở Việt Nam. Hội nghị chiếu sáng đô thị lần thứ nhất (4/1992) và lần thứ hai (12/1995) tại Đà Nẵng đã đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của ngành này, dẫn đến sự ra đời của Hội chiếu sáng đô thị Việt Nam. Sự phát triển kinh tế đất nước cũng góp phần quan trọng vào sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực chiếu sáng đô thị trong những năm gần đây.

Hiện nay, chiếu sáng đường phố không chỉ đơn thuần là để đẩy lùi bóng tối mà còn góp phần làm cho đô thị trở nên sống động, hấp dẫn và tráng lệ về đêm. Chiếu sáng đô thị đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng cuộc sống người dân, thúc đẩy phát triển thương mại và du lịch. Đây không chỉ là mối quan tâm của các công ty chiếu sáng đô thị và các nhà thiết kế mà còn là mối quan tâm chung của toàn xã hội. Tuy nhiên, trong điều kiện thiếu hụt điện năng, việc chiếu sáng quảng cáo đôi khi bị cho là lãng phí và không hiệu quả. Do đó, cần có đánh giá chính xác và khách quan về hiệu quả kinh tế - xã hội của chiếu sáng đô thị, không chỉ xem xét hiệu quả trực tiếp mà cả hiệu quả gián tiếp lâu dài trong việc quảng bá, thúc đẩy thương mại, dịch vụ và du lịch. Việc cân nhắc cẩn thận các yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa hệ thống chiếu sáng đô thị.

Ban đầu, hệ thống chiếu sáng chỉ tập trung vào việc đẩy lùi bóng tối, dựa trên tiêu chí độ rọi của nguồn sáng. Tuy nhiên, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đường phố ngày càng hiện đại, tốc độ giao thông tăng cao, phương pháp thiết kế chiếu sáng đơn giản dựa trên độ rọi không còn đảm bảo an toàn giao thông. Thiết kế hệ thống chiếu sáng công cộng đòi hỏi sự phát triển của công nghệ, các phương pháp và nội dung thiết kế cũng biến đổi theo. Thiết bị chiếu sáng ngày càng hiện đại, phương pháp tính toán và thiết kế ngày càng hoàn thiện và chính xác, cùng với yêu cầu về chất lượng chiếu sáng ngày càng cao. Sự ra đời của phương pháp tỉ số R năm 1965 bởi CIE là minh chứng rõ nét cho sự phát triển này, phương pháp này đã tính đến độ chói trung bình, hệ số phản xạ mặt đường, độ tương phản ánh sáng… để đảm bảo tầm nhìn tối ưu cho người lái xe. Sau đó, phương pháp độ chói điểm ra đời năm 1975, cung cấp độ chính xác cao hơn trong thiết kế.

Phần này giải thích về khái niệm độ rọi và độ chói trong thiết kế chiếu sáng. Độ rọi là đại lượng vật lý đo lượng ánh sáng chiếu trên một đơn vị diện tích, thường được đo bằng Lux. Công thức tính độ rọi được nêu, cho thấy độ rọi phụ thuộc vào cường độ sáng, khoảng cách từ nguồn sáng đến bề mặt và góc nghiêng của bề mặt. Độ chói, khác với độ rọi, đặc trưng cho sự phát sáng của chính bề mặt vật thể, được đo bằng Lm/m². Văn bản phân tích sự khác biệt giữa hai khái niệm này và nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cân bằng cả hai yếu tố trong thiết kế để tránh gây chói mắt, đảm bảo an toàn và thoải mái cho người sử dụng. Ví dụ về bóng đèn sợi đốt có cùng quang thông nhưng độ chói khác nhau do chất liệu vỏ bóng minh họa rõ nét cho sự khác biệt này. Độ chói còn phụ thuộc vào hướng quan sát và tính chất phản quang của bề mặt. Ngay cả bề mặt đường nhựa được chiếu sáng cũng có thể gây chói mắt người lái xe vào ban đêm.

Phần này tập trung vào hai thông số quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng ánh sáng: nhiệt độ màu và chỉ số hoàn màu (CRI). Nhiệt độ màu được đo bằng độ Kelvin (K), phản ánh màu sắc của ánh sáng phát ra từ nguồn sáng. Văn bản cung cấp các dải nhiệt độ màu tương ứng với các điều kiện ánh sáng tự nhiên như ánh sáng mặt trời lúc lặn, ánh sáng ban ngày, ánh sáng khi trời nhiều mây. Việc lựa chọn nhiệt độ màu phù hợp với đặc điểm tâm sinh lý con người rất quan trọng, biểu đồ Kruithof được đề cập đến như một tiêu chuẩn lựa chọn nguồn sáng dựa trên độ rọi và nhiệt độ màu. Chỉ số hoàn màu (CRI) thể hiện khả năng tái tạo màu sắc của vật thể dưới ánh sáng đó. CRI càng cao, khả năng tái tạo màu sắc càng tốt. Văn bản cũng giải thích nguyên nhân dẫn đến sự biến đổi màu sắc của vật thể do sự khác nhau trong phổ ánh sáng phát ra từ nguồn sáng và vật thể. Việc sử dụng CRI phù hợp có ảnh hưởng đến môi trường sống và chi phí đầu tư, đặc biệt trong các hộ gia đình có mức sống cao.

Phần này đề cập đến các hiện tượng quang học như phản xạ đều, phản xạ khuyếch tán, truyền xạ khuyếch tán và khúc xạ ánh sáng. Phản xạ đều là hiện tượng lý tưởng xảy ra trên các bề mặt rất mịn, nhẵn. Phản xạ khuyếch tán xảy ra khi ánh sáng bị tán xạ theo nhiều hướng khác nhau trên bề mặt không nhẵn. Truyền xạ khuyếch tán cũng tương tự, nhưng đối với ánh sáng truyền qua vật liệu. Khúc xạ là hiện tượng thay đổi hướng của tia sáng khi đi qua các môi trường có chiết suất khác nhau. Trong kỹ thuật chiếu sáng, khúc xạ được ứng dụng để điều chỉnh hướng ánh sáng, ví dụ như trong các bộ đèn “hình tổ ong” với góc đỉnh 90 độ. Sự che chắn của bộ phận che chụp đèn nhằm ngăn cản ánh sáng trực tiếp gây chói mắt và bảo vệ đèn khỏi tác động môi trường. Phạm vi che chắn được đặc trưng bằng góc giữa đường thẳng đứng qua tâm nguồn sáng và phương mà mắt người bắt đầu không còn bị loá.

Phương pháp tỉ số R, được CIE đưa ra năm 1965, là một phương pháp thiết kế chiếu sáng đường phố. Phương pháp này tính đến độ chói trung bình trên mặt đường, hệ số phản xạ của mặt đường, và độ tương phản ánh sáng trong trường quan sát – những yếu tố ảnh hưởng đến tầm nhìn của người lái xe. Mục tiêu là đảm bảo người lái xe có tầm nhìn tối ưu. Phương pháp này cho phép tính toán tương đối chính xác mà không cần số liệu chi tiết của đèn và bộ đèn. Sau khi tính toán được quang thông, người thiết kế mới tra cứu catalogue để lựa chọn đèn và bộ đèn phù hợp. Phương pháp tỉ số R chủ yếu được sử dụng cho thiết kế sơ bộ, xác định quang thông, công suất, số lượng và cách bố trí đèn. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ tính đến độ rọi trung bình, chưa xét đến độ chói từng điểm trong tầm nhìn của người lái xe. Do đó, sau khi thiết kế sơ bộ bằng phương pháp tỉ số R, cần phải sử dụng phương pháp độ chói điểm để kiểm tra xem giải pháp thiết kế đã đạt yêu cầu chưa. Các bước thiết kế sơ bộ bao gồm: xác định kích thước hình học của đường, vỉa hè, cấp chiếu sáng, độ phủ mặt đường và chọn cấp chiếu sáng, Lux, tỉ số R, độ phủ mặt đường dựa trên bảng tiêu chuẩn; và xét phương án bố trí đèn, bao gồm chiều cao cột đèn, tầm nhô của cần đèn, phương án chiếu sáng...

Phương pháp độ chói điểm, được giới thiệu năm 1975, là một phương pháp chính xác hơn phương pháp tỉ số R. Phương pháp này xét đến độ chói từng điểm trong tầm nhìn của người lái xe, đảm bảo độ đồng đều chung và độ đồng đều dọc trục đường. Vị trí quan sát được xác định cách cột đèn đầu tiên 60m theo phương trục đường và cách mép đường 1/4 bề rộng lòng đường. Người lái xe quan sát toàn bộ các điểm trong mạng lưới. Mạng lưới tính toán độ chói được xác định bằng cách chia chiều rộng đường thành các ô lưới có bề rộng khoảng 3-5m theo phương trục đường và 1/3 bề rộng mỗi làn đường theo phương ngang. Độ rọi hoặc độ chói tại mỗi điểm được tính bằng tổng độ rọi hoặc độ chói do tất cả các đèn trong mạng lưới chiếu đến, cộng với tổng độ rọi hoặc độ chói của các đèn trước và sau mạng lưới có ảnh hưởng đến điểm đó. Việc xét đèn nào nằm ngoài mạng lưới có ảnh hưởng đến điểm tính toán phụ thuộc vào độ rọi hoặc độ chói do đèn đó chiếu đến. Nếu giá trị này nhỏ và không ảnh hưởng đến kết quả tính toán, ta có thể bỏ qua. Phương pháp này cho phép tính toán chính xác mà không cần số liệu chi tiết của đèn và bộ đèn. Chỉ sau khi tính toán được quang thông, người thiết kế mới tra cứu catalogue để lựa chọn đèn và bộ đèn phù hợp.

Văn bản đề cập đến các phương án bố trí đèn chiếu sáng đường phố, bao gồm bố trí hai bên đối diện (áp dụng khi lòng đường rộng, nhiều làn xe hoặc đèn được đặt rất cao) và bố trí hai bên so le. Bố trí hai bên đối diện có ưu điểm là dẫn hướng tốt, thuận lợi cho trang trí chiếu sáng và kết hợp chiếu sáng vỉa hè. Điều kiện đảm bảo độ rọi đồng đều là l ≤ h (l là bề rộng dải phân cách, h là chiều cao treo đèn). Một số quốc gia sử dụng kiểu đèn lắp trên dây treo dọc dải phân cách. Độ chói (G) cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét. TCXDVN 259:2001 quy định G ≥ 4, còn tiêu chuẩn CIE quy định G ≥ 5. Ánh sáng phụ từ quảng cáo hoặc nhà dân có thể giảm ảnh hưởng của độ chói đèn đường. Khoảng cách cột đèn (e) và chiều cao treo đèn (h) cần đảm bảo độ đồng đều dọc trục đường khi sử dụng các loại chao đèn khác nhau. Trên cầu, do yêu cầu mỹ quan cao, nên bố trí đèn hai bên đối diện được ưu tiên. Hai bên chân cầu, do có nhiều cây cối, có thể bố trí đèn trên giải phân cách trung tâm để tiết kiệm kinh phí và điện năng.

Đồ án tốt nghiệp tập trung vào thiết kế cung cấp điện chiếu sáng cho cầu Bính - Hải Phòng. Đây là một dự án thực tế, nhằm ứng dụng các kiến thức lý thuyết đã được học vào một công trình cụ thể. Mục tiêu là thiết kế một hệ thống chiếu sáng hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và đảm bảo tính thẩm mỹ cho cầu Bính. Phạm vi thiết kế bao gồm việc lựa chọn vị trí lắp đặt đèn, kiểu bố trí đèn, và tính toán tiết diện dây dẫn phù hợp. Việc thiết kế cần đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về chiếu sáng đường giao thông và đảm bảo tính an toàn, tiết kiệm năng lượng và tính thẩm mỹ.

Dựa trên yêu cầu về tính kinh tế, tiết kiệm năng lượng và tính thẩm mỹ, đồ án đề xuất phương án bố trí đèn khác nhau cho các vị trí khác nhau trên cầu Bính. Trên cầu, do yêu cầu mỹ quan và trang trí cao, phương pháp bố trí đèn hai bên đối diện được lựa chọn. Hai bên chân cầu, do có nhiều cây cối và không đòi hỏi mỹ quan cao, phương pháp bố trí đèn trên giải phân cách trung tâm được xem xét để tiết kiệm kinh phí lắp đặt và điện năng tiêu thụ. Việc lựa chọn phương án bố trí đèn cần cân nhắc đến các yếu tố như chiều rộng lòng đường, số làn đường, chiều cao cột đèn, khoảng cách giữa các cột đèn, và các tiêu chuẩn chiếu sáng liên quan. Mục tiêu là tạo ra một hệ thống chiếu sáng đồng đều, hiệu quả và đáp ứng được yêu cầu về mỹ quan của công trình.

Để đảm bảo hiệu quả cung cấp điện cho hệ thống chiếu sáng, đồ án đề xuất sử dụng mạch cung cấp ba pha hình sao có dây trung tính, với các đèn được phân bố đều trên từng pha. Việc bố trí máy biến áp đặt tại chân cầu phía bên Hải Phòng giúp đảm bảo điện áp rơi đến đèn cuối nhỏ hơn giá trị cho phép, tránh tình trạng giảm hiệu suất chiếu sáng và đảm bảo tuổi thọ của đèn. Việc lựa chọn tiết diện dây dẫn dựa trên tính toán dòng điện và điện áp rơi trên dây dẫn, đảm bảo sự an toàn và hoạt động ổn định của hệ thống. Mục tiêu là tối ưu hóa việc sử dụng điện năng và giảm thiểu tổn thất điện năng trên đường dây. Sơ đồ mạng chiếu sáng được trình bày chi tiết trong đồ án để minh họa cho hệ thống cấp điện.