京張高鐵官廳水庫特大橋景觀照明創新設計研究

楊翰超 王向東

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

近年來,隨著路橋建設的迅猛發展,特別是高速鐵路大跨度橋梁建設逐年增加,與此相適應的橋梁照明也隨之迅猛發展。橋梁照明包含功能照明、景觀照明及特殊照明等。多模式、長距離的橋梁照明不僅對光源、燈具及控制方式提出安全、可靠、節能、高效的技術要求,也對照明的供電系統提出更高的要求[1]。橋梁不僅是交通樞紐,還象征著城市的經濟地位和技術水平,往往成為地標性景觀。因此,橋梁夜景照明也成為城市夜景照明的重要景觀之一[2]。為讓夜景照明能突出橋梁本身的建筑特色,并兼顧環保節能與管理效率,體現以人為本的思想[3],國內眾多學者對橋梁景觀照明的設計及技術應用進行研究。禹凱等從夜景照明工程的意義出發,分析夜景照明工程規劃設計要點及相關注意事項[4];何杰等從橋梁整體美感和內在藝術性出發,對其具體設計思路進行相關探討[2];田再強等簡敘城市橋梁夜景照明設計原則,簡要分析城市橋梁夜景照明設計要點[5];梁業穎等從橋梁景觀照明的要求、原則出發,對橋梁景觀照明中如何合理運用LED提出建議[6];劉富河等介紹橋梁夜景照明的設計原則及設計要點,從照明要素、立體感、色彩表現等方面進行闡述[7];朱光瑞等以濟南黃河大橋的景觀照明設計實踐為例,對怎樣更好的運用橋梁照明,通過燈光文化使其成為這座城市的標志進行論述[8-9]。

綜上所述,目前對于橋梁景觀照明設計的相關技術和要點的研究已經比較成熟,但仍局限于城市公路橋和人行橋等。但對于鐵路鋼桁梁結構橋梁,因其造型獨特,照明效果難以表現,且面臨鋼結構的振動影響大、防腐和行車安全要求高,以及如何避免燈光干擾等多重難點,目前尚無應用先例。以下結合前人研究經驗,對京張高鐵官廳水庫特大橋景觀照明的設計構思和設計方案進行介紹,并提出相關解決方案,研究出適用于鐵路鋼桁梁橋梁的創新性景觀照明設計方法。

1 工程概況

1.1 橋梁設計

官廳水庫特大橋為冬奧會交通保障項目京張高鐵重點工程“一橋兩隧”中的“一橋”,位于張家口市懷來縣境內,全長9077.89m,是全線重點工程[10]。其中,主橋采用8孔110m曲弦鋼桁梁橋式,在大壩上游16.7km處跨越北京市備用水源地、一級水源保護區官廳水庫庫區,主橋立面布置見圖1。

圖1 主橋立面布置(單位:m)

橋面系采用正交異性鋼橋面板,跨中桁高19m,桁寬13.8m,下部主墩采用雙柱式矩形截面。其輪廓外形與拱橋相近,采用多孔布置,線條柔美而有韻律,古典中融合現代技術,猶如一道彩虹跨越過平靜湖面。

1.2 設計范圍

官廳水庫特大橋景觀照明專項設計是中國鐵路總公司關于建設“精品工程、智能京張”的設計創新類工程化建設項目之一,設計范圍主要包括官廳水庫特大橋在跨越官廳水庫的880m主橋段的景觀照明工程,里程范圍為DK97+944.45～DK99+224.45。

2 整體構思

對于景觀照明設計,優秀的整體構思至關重要,不僅是設計的精髓所在,而且能令設計成果具有個性化、專業化和與眾不同的效果[11]。整體構思階段工作主要包括設計理念和設計思路的確立,其中設計理念是設計構思過程中確立的主導思想,將賦予設計文化內涵和風格特點;而設計思路則是對設計理念的進一步細化和延伸,為制定具體設計方案指明方向。

2.1 設計理念

結合京張高鐵特殊的項目定位和老京張鐵路深遠的歷史意義,確定本橋的照明設計秉承“百年京張,龍騰盛世”的設計理念。夜景照明設計是對建筑物夜間形象的塑造,對于本項目,除用燈光反映當今中國發展成就,獻禮2022北京冬奧會外,還應與橋梁富有古典韻律的造型結構相融合,著重提煉其中的歷史文化元素,將橋梁立面造型有效地轉化為光影視覺,并進行藝術美化。

2.2 設計思路

(1)傳統與現代的結合

將橋身結構與中國傳統文化相結合,并融入現代高鐵的理念,使設計充滿時代的厚重感。

(2)光線與造型的結合

利用變幻的多色彩燈光襯托橋梁的整體造型,將設計理念以照明效果傳達給觀看者。

(3)速度與激情的結合

動態大橋照明設計象征著飛速馳騁的中國高鐵,更是中華民族偉大復興、中國經濟飛速發展的最好呈現。

3 設計方案

3.1 燈具布置及選型

通過對燈具合理布置及選型,充分突出橋梁的被照主體在周圍環境中的地位,并與周圍環境保持協調。一般情況下,橋梁的景觀照明燈具主要沿橋梁主體結構均勻布置,并在關鍵節點處采用選擇性布置方式,以加強局部照明效果、消除陰影或進行定向照射[12]。

目前,常用的景觀照明燈具型式主要包括洗墻燈、點光源及投光燈等(見圖2),其分別對應線性投光、點狀修飾、泛光照明3種照明表現手法。一般來說,對于造型獨特,結構復雜的構筑物景觀照明設計,需要對幾種照明方式結合使用,方能達到比較理想的照明效果[13]。

圖2 景觀照明常用燈具

在傳統的景觀照明燈具中,白熾燈、高壓鈉燈、金鹵燈等光源色溫不同,顯色效果各有優勢,而目前采用越來越多的LED光源,其能耗較低,各項參數也可滿足大部分景觀照明的設計需求。應注意的是,無論選用何種燈具,都應嚴格控制燈具出光角度,將照明光線集中于被照區域內,以避免光污染和對行車產生干擾。

對于本工程,通過對線性投光、點狀修飾、泛光照明等照明方式進行反復比選,并根據現場試裝實驗的結果,確定以線性投光勾勒橋梁輪廓,其他部位通過泛光照明配合輔助點亮的照明表現形式,燈具布置及選型見圖3。

圖3 官廳水庫特大橋景觀照明燈具布置

(1)拱形上弦桿

沿外側連續布置防潮、防震、耐腐蝕線性洗墻燈,著重表現拱形的橋梁輪廓。燈具采用LED 光源,RGB三色通道,功率48W,選擇窄光束的40°配光角。通過合理選擇燈具安裝位置和偏轉角度燈具,將洗墻燈的出光范圍控制在上弦桿外立面范圍內,以避免多余光線透入橋梁,燈光照射區域見圖4。

圖4 上弦桿洗墻燈燈光位置示意(單位:mm)

(2)橋墩

在每座橋墩設防潮、防震、耐腐蝕寬光束投光燈2組,分別向上打亮上弦桿與橋墩交界處,向下打亮橋墩外立面及相鄰兩個側面,形成照明效果的多個支點。燈具采用LED 光源,色溫2500K,功率18W,選擇寬光束60°配光角。燈具投光區域包括橋墩及其與上弦桿連接部位8.5m范圍內,見圖5。

圖5 橋墩投光燈燈光位置示意(單位:mm)

(3)上平聯

在橋梁正上方頂部垂直于線路方向的上平聯兩端設寬光束投光燈,從上往下投射,以內部發光的形式表現橋梁的整體結構,并兼作橋梁檢修功能性照明。燈具采用LED 光源,色溫2500K,功率100/150W,配光角度60°。通過合理選擇燈具安裝位置和偏轉角度燈具,將燈具的向下投光區域嚴格控制在兩側員工檢修通道以內,避免燈光投入線路影響行車,燈光照射區域見圖6。

圖6 上平聯投光燈燈光位置示意(單位:mm)

3.2 燈具安裝

橋梁照明燈具及支架的安裝一般有抱箍安裝、焊接固定、預埋螺栓或槽道、后植膨脹螺栓或化學錨栓固定等多種方式。在設計階段,應結合橋梁不同部位結構特點對應選擇合理的安裝方式,在不破壞橋梁結構和防腐要求的前提下,保證燈具及構件安裝的牢固性。

(1)鋼箱梁結構

橋梁的拱形上弦桿為鋼箱梁結構,厚36mm。為充分保證桿件內部的氣密防腐,最終決定采用打盲孔的方式固定燈具,孔深20mm,安裝后,對螺栓孔位置采用聚硫密封膠封閉。

對于上弦桿洗墻燈,創新性設計了獨立的外置遮光罩,見圖7,以避免燈具直接與橋體結構連接。遮光罩顏色與橋體一致用以隱藏燈具,在白天形成 “見光不見燈”的效果,同時起到限制眩光、提高燈具使用壽命等的作用。連續設置的遮光罩之間利用連接片首尾相連,進一步提高安裝牢固性。

圖7 洗墻燈外置遮光罩安裝示意(單位:mm)

(2)工形鋼結構

橋梁上平聯為工形鋼結構,通過通孔將螺栓直接將燈具固定在工形鋼截面下部,見圖8。

圖8 上平聯投光燈安裝示意(單位:mm)

(3)混凝土結構

橋墩為混凝土結構,利用橋墩角鋼的圍欄。將燈具安裝支架與其進行焊接固定,見圖9。

圖9 橋墩投光燈安裝示意(單位:mm)

由于該處位于高鐵列車350km/h行駛區段,列車經過時會形成氣動力,加之橋面本身的微小的振動,都可能引起固定件的疲勞和松脫。因此,燈具構件安裝采用鐵路橋梁專用的抗震防倒退螺栓,內襯防松橡膠墊片,螺母采用雙開槽防松技術,燈具均加防墜落吊鏈,以最大限度保障行車安全。

3.3 設計主題

為實現更好的照明效果,采用動態的照明表現方式,重點凸顯其文化特性,更為直觀地將設計理念傳遞給觀看者。通過對橋梁結構形式、功能定位、地域環境、文化背景、觀測點位置等多種因素進行綜合分析,最終設計以下幾種動態照明主題。

(1)魚躍龍門

利用一段燈光的流動營造出跳動的效果,恰似魚兒從水面躍出躍入,配合投光燈點亮,好似濺起的水花。可實現從單條到多條魚同時跳躍的場景,將中國傳統文化融入到照明效果中,見圖10。

圖10 魚躍龍門主題實景效果

(2)神龍戲水

通過主桁燈光的依次點亮,將橋梁的主體化作龍的身軀,猶如一條騰飛的巨龍越過水面,是對以高鐵為代表的中國速度的完美詮釋,見圖11。

圖11 神龍戲水主題實景效果

(3)二龍戲珠

主桁上兩側燈光依次點亮,相向或背向流動,營造出兩條巨龍在水面嬉戲的效果,生動再現中國神話傳說故事中的場景,見圖12。

圖12 二龍戲珠主題實景效果

(4)五環奧運

將橋梁的5個拱形結構與水中的倒影相組合,并以奧運的五色燈光點亮,表現出與奧運五環形狀相似、顏色一致的圖案,將橋梁造型與奧運主題緊密結合,見圖13。

圖13 五環奧運主題實景效果

(5)和平鴿

利用上弦桿與橋墩結合處的獨特造型,通過一段燈光的上下交替模擬和平鴿展翅效果,表達對世界安定、和平的美好祝愿,見圖14。

圖14 和平鴿主題實景效果

(6)煙花璀璨

一段段顏色各異的燈光從橋墩部向拱頂不斷流動,還原了煙花噴射而出,漫天飛舞的燦爛畫面,見圖15。

圖15 煙花璀璨主題實景效果

(7)復興繁榮

主桁上的各種顏色燈光流動變換,配合投光燈點亮,塑造出流光溢彩、風格各異的效果,表現當今中國繁榮昌盛、蓬勃發展的壯麗景象,見圖16。

圖16 復興繁榮主題實景效果

以上各個照明主題有機銜接,前后呼應,共同講述一段穿越歷史時空的動人故事,并根據燈具點亮數量的不同,設置一般模式、一般節日模式和重大節日模式等3種不同方案模式。

一般模式:僅點亮橋梁內部投光燈,主要用于平日的橋梁檢修照明,能以靜態形式表現橋梁造型。

一般節日模式:主要表現鋼梁的拱形輪廓,燈光以單色表現為主,能實現魚躍龍門及簡易的神龍戲水、二龍戲珠及和平鴿等動態主題。

重大節日模式:全部燈具配合點亮,具體呈現橋梁輪廓,主桁及橋墩結構,運用多色彩燈光變幻,實現全部7種主題的最優效果。

3.4 控制方式

上述照明主題和方案模式均需通過獨立的智能照明控制系統實現。照明控制系統除了應保證燈具能按照既定程序穩定可靠的點亮外,尚應與鐵路常規做法相結合,滿足后期運營維護需求。由于控制點位眾多、傳輸距離較長,燈光控制采用基于DMX512協議的智能燈光控制系統,具有抗干擾能力強、控制數據傳輸量大、單只燈具故障不影響其他燈具等優點[14]。

本項目的照明控制系統在就地端采用總線型網絡結構,將每側的照明燈具按照每個橋墩對稱劃分為9個供電和控制區域,在每個控制區域分別設照明分控器1臺,具有燈光控制信號通道,通過RS485驅動芯片引出485總線,將并行信號發送至末端的LED燈具實現控制[15]。照明主控器設置于橋尾,用于存放裝有播放列表和數據文件的SD卡,并通過撥碼開關設置對控制器不同的IP地址進行區分。分控器與分控器,分控器與主控器之間通過一對雙絞線實現連接。

為實現后臺遠程控制功能,在橋梁就近的管轄工區照明監控室內設置景觀照明控制主站,通過鐵路專用通信通道實現與就地端控制器的通信功能,可以實時監控每個控制器的工作狀態,并對數據進行顯示、分析及處理,具有區域控制、模式控制、定時控制等功能。照明控制原理見圖17。

圖17 照明控制系統原理

4 其他研究內容

4.1 照明供電

本工程設計總功率為127.9kW,為保證供電可靠性,采用兩路電源供電方式,在橋梁西側設箱式變電站供電,電源由鐵路一級負荷貫通線、綜合負荷貫通線分別接引。由于燈具數量多、供電臂長等原因,每個供電和控制區域分別設1個配電箱,采用樹干式的低壓配電方式[16-17]。

4.2 防雷接地

利用橋梁自身的鋼結構作為防雷引下裝置,經驗證,符合GB50057—2010《建筑物防雷設計規范》相關規定要求[18]。低壓配電采用TN-S接地方式,所有電氣設備不帶電的金屬外殼均與PE線可靠連接。

4.3 維修方式

利用橋梁配套的曲弦桁架智能檢查車輛,為養護人員提供2.5kN荷載的維修平臺,以完成上弦桿、上平聯等位置較高處燈具的維修更換;而設置在橋墩處的投光燈,由檢修人員通過爬梯至橋墩圍欄內直接維修。

4.4 現場工程實踐

對于景觀照明工程,設計與現場實施的密切配合尤其重要,只有通過現場工程實踐不斷地對設計工作加以印證和優化,方能實現比較理想的照明效果。實踐內容主要包括設計階段的燈具試裝實驗,施工階段的現場施工配合等。

5 結語

對京張高鐵官廳水庫特大橋景觀照明設計進行系統性的介紹和總結,通過對照明整體構思、燈具布置及選型、燈具安裝、設計主題、控制方式等關鍵內容進行研究,設計出一套適用于鐵路鋼桁梁結構橋梁的景觀照明系統。

本橋的景觀照明效果通過魚躍龍門、神龍戲水、二龍戲珠、五環奧運、和平鴿、煙花璀璨、復興繁榮等多個有機銜接且富有文化內涵的動態照明主題進行呈現,燈光與橋梁造型密切結合,表現形式豐富。另一方面,通過對燈具選型和安裝方式進行優化創新,最大程度保證燈具安裝的牢固性,避免燈光對行車造成干擾,解決橋梁鋼結構的振動影響、防腐和行車安全要求高等難點。橋梁的景觀照明采用智能照明控制系統實現穩定可靠的近遠程控制,大幅提高運營維護的便利性。