京張高鐵官廳水庫特大橋景觀照明創(chuàng)新設(shè)計研究

楊翰超 王向東

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

近年來,隨著路橋建設(shè)的迅猛發(fā)展,特別是高速鐵路大跨度橋梁建設(shè)逐年增加,與此相適應(yīng)的橋梁照明也隨之迅猛發(fā)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(jié)能、高效的技術(shù)要求,也對照明的供電系統(tǒng)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(jīng)濟地位和技術(shù)水平,往往成為地標(biāo)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(huán)保節(jié)能與管理效率,體現(xiàn)以人為本的思想[3],國內(nèi)眾多學(xué)者對橋梁景觀照明的設(shè)計及技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究。禹凱等從夜景照明工程的意義出發(fā),分析夜景照明工程規(guī)劃設(shè)計要點及相關(guān)注意事項[4];何杰等從橋梁整體美感和內(nèi)在藝術(shù)性出發(fā),對其具體設(shè)計思路進(jìn)行相關(guān)探討[2];田再強等簡敘城市橋梁夜景照明設(shè)計原則,簡要分析城市橋梁夜景照明設(shè)計要點[5];梁業(yè)穎等從橋梁景觀照明的要求、原則出發(fā),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(shè)計原則及設(shè)計要點,從照明要素、立體感、色彩表現(xiàn)等方面進(jìn)行闡述[7];朱光瑞等以濟南黃河大橋的景觀照明設(shè)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(biāo)志進(jìn)行論述[8-9]。

綜上所述,目前對于橋梁景觀照明設(shè)計的相關(guān)技術(shù)和要點的研究已經(jīng)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(jié)構(gòu)橋梁,因其造型獨特,照明效果難以表現(xiàn),且面臨鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)用先例。以下結(jié)合前人研究經(jīng)驗,對京張高鐵官廳水庫特大橋景觀照明的設(shè)計構(gòu)思和設(shè)計方案進(jìn)行介紹,并提出相關(guān)解決方案,研究出適用于鐵路鋼桁梁橋梁的創(chuàng)新性景觀照明設(shè)計方法。

1 工程概況

1.1 橋梁設(shè)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(nèi),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(hù)區(qū)官廳水庫庫區(qū),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(xiàn)代技術(shù),猶如一道彩虹跨越過平靜湖面。

1.2 設(shè)計范圍

官廳水庫特大橋景觀照明專項設(shè)計是中國鐵路總公司關(guān)于建設(shè)“精品工程、智能京張”的設(shè)計創(chuàng)新類工程化建設(shè)項目之一,設(shè)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(gòu)思

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

2.1 設(shè)計理念

結(jié)合京張高鐵特殊的項目定位和老京張鐵路深遠(yuǎn)的歷史意義,確定本橋的照明設(shè)計秉承“百年京張,龍騰盛世”的設(shè)計理念。夜景照明設(shè)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(dāng)今中國發(fā)展成就,獻(xiàn)禮2022北京冬奧會外,還應(yīng)與橋梁富有古典韻律的造型結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化為光影視覺,并進(jìn)行藝術(shù)美化。

2.2 設(shè)計思路

(1)傳統(tǒng)與現(xiàn)代的結(jié)合

將橋身結(jié)構(gòu)與中國傳統(tǒng)文化相結(jié)合,并融入現(xiàn)代高鐵的理念,使設(shè)計充滿時代的厚重感。

(2)光線與造型的結(jié)合

利用變幻的多色彩燈光襯托橋梁的整體造型,將設(shè)計理念以照明效果傳達(dá)給觀看者。

(3)速度與激情的結(jié)合

動態(tài)大橋照明設(shè)計象征著飛速馳騁的中國高鐵,更是中華民族偉大復(fù)興、中國經(jīng)濟飛速發(fā)展的最好呈現(xiàn)。

3 設(shè)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(huán)境中的地位,并與周圍環(huán)境保持協(xié)調(diào)。一般情況下,橋梁的景觀照明燈具主要沿橋梁主體結(jié)構(gòu)均勻布置,并在關(guān)鍵節(jié)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(jìn)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(yīng)線性投光、點狀修飾、泛光照明3種照明表現(xiàn)手法。一般來說,對于造型獨特,結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)筑物景觀照明設(shè)計,需要對幾種照明方式結(jié)合使用,方能達(dá)到比較理想的照明效果[13]。

圖2 景觀照明常用燈具

在傳統(tǒng)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(yōu)勢,而目前采用越來越多的LED光源,其能耗較低,各項參數(shù)也可滿足大部分景觀照明的設(shè)計需求。應(yīng)注意的是,無論選用何種燈具,都應(yīng)嚴(yán)格控制燈具出光角度,將照明光線集中于被照區(qū)域內(nèi),以避免光污染和對行車產(chǎn)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(jìn)行反復(fù)比選,并根據(jù)現(xiàn)場試裝實驗的結(jié)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(xiàn)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(cè)連續(xù)布置防潮、防震、耐腐蝕線性洗墻燈,著重表現(xiàn)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(zhuǎn)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(nèi),以避免多余光線透入橋梁,燈光照射區(qū)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(shè)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(cè)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(qū)域包括橋墩及其與上弦桿連接部位8.5m范圍內(nèi),見圖5。

圖5 橋墩投光燈燈光位置示意(單位:mm)

(3)上平聯(lián)

在橋梁正上方頂部垂直于線路方向的上平聯(lián)兩端設(shè)寬光束投光燈,從上往下投射,以內(nèi)部發(fā)光的形式表現(xiàn)橋梁的整體結(jié)構(gòu),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(zhuǎn)角度燈具,將燈具的向下投光區(qū)域嚴(yán)格控制在兩側(cè)員工檢修通道以內(nèi),避免燈光投入線路影響行車,燈光照射區(qū)域見圖6。

圖6 上平聯(lián)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(yù)埋螺栓或槽道、后植膨脹螺栓或化學(xué)錨栓固定等多種方式。在設(shè)計階段,應(yīng)結(jié)合橋梁不同部位結(jié)構(gòu)特點對應(yīng)選擇合理的安裝方式,在不破壞橋梁結(jié)構(gòu)和防腐要求的前提下,保證燈具及構(gòu)件安裝的牢固性。

(1)鋼箱梁結(jié)構(gòu)

橋梁的拱形上弦桿為鋼箱梁結(jié)構(gòu),厚36mm。為充分保證桿件內(nèi)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(chuàng)新性設(shè)計了獨立的外置遮光罩,見圖7,以避免燈具直接與橋體結(jié)構(gòu)連接。遮光罩顏色與橋體一致用以隱藏?zé)艟?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(xù)設(shè)置的遮光罩之間利用連接片首尾相連,進(jìn)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(jié)構(gòu)

橋梁上平聯(lián)為工形鋼結(jié)構(gòu),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(lián)投光燈安裝示意(單位:mm)

(3)混凝土結(jié)構(gòu)

橋墩為混凝土結(jié)構(gòu),利用橋墩角鋼的圍欄。將燈具安裝支架與其進(jìn)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(qū)段,列車經(jīng)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(gòu)件安裝采用鐵路橋梁專用的抗震防倒退螺栓,內(nèi)襯防松橡膠墊片,螺母采用雙開槽防松技術(shù),燈具均加防墜落吊鏈,以最大限度保障行車安全。

3.3 設(shè)計主題

為實現(xiàn)更好的照明效果,采用動態(tài)的照明表現(xiàn)方式,重點凸顯其文化特性,更為直觀地將設(shè)計理念傳遞給觀看者。通過對橋梁結(jié)構(gòu)形式、功能定位、地域環(huán)境、文化背景、觀測點位置等多種因素進(jìn)行綜合分析,最終設(shè)計以下幾種動態(tài)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(xiàn)從單條到多條魚同時跳躍的場景,將中國傳統(tǒng)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(cè)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(xiàn)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(huán)奧運

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

圖13 五環(huán)奧運主題實景效果

(5)和平鴿

利用上弦桿與橋墩結(jié)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(dá)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(fù)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(fēng)格各異的效果,表現(xiàn)當(dāng)今中國繁榮昌盛、蓬勃發(fā)展的壯麗景象,見圖16。

圖16 復(fù)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(yīng),共同講述一段穿越歷史時空的動人故事,并根據(jù)燈具點亮數(shù)量的不同,設(shè)置一般模式、一般節(jié)日模式和重大節(jié)日模式等3種不同方案模式。

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

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

重大節(jié)日模式:全部燈具配合點亮,具體呈現(xiàn)橋梁輪廓,主桁及橋墩結(jié)構(gòu),運用多色彩燈光變幻,實現(xiàn)全部7種主題的最優(yōu)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(tǒng)實現(xiàn)。照明控制系統(tǒng)除了應(yīng)保證燈具能按照既定程序穩(wěn)定可靠的點亮外,尚應(yīng)與鐵路常規(guī)做法相結(jié)合,滿足后期運營維護(hù)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(xié)議的智能燈光控制系統(tǒng),具有抗干擾能力強、控制數(shù)據(jù)傳輸量大、單只燈具故障不影響其他燈具等優(yōu)點[14]。

本項目的照明控制系統(tǒng)在就地端采用總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),將每側(cè)的照明燈具按照每個橋墩對稱劃分為9個供電和控制區(qū)域,在每個控制區(qū)域分別設(shè)照明分控器1臺,具有燈光控制信號通道,通過RS485驅(qū)動芯片引出485總線,將并行信號發(fā)送至末端的LED燈具實現(xiàn)控制[15]。照明主控器設(shè)置于橋尾,用于存放裝有播放列表和數(shù)據(jù)文件的SD卡,并通過撥碼開關(guān)設(shè)置對控制器不同的IP地址進(jìn)行區(qū)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(xiàn)連接。

為實現(xiàn)后臺遠(yuǎn)程控制功能,在橋梁就近的管轄工區(qū)照明監(jiān)控室內(nèi)設(shè)置景觀照明控制主站,通過鐵路專用通信通道實現(xiàn)與就地端控制器的通信功能,可以實時監(jiān)控每個控制器的工作狀態(tài),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析及處理,具有區(qū)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(tǒng)原理

4 其他研究內(nèi)容

4.1 照明供電

本工程設(shè)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(cè)設(shè)箱式變電站供電,電源由鐵路一級負(fù)荷貫通線、綜合負(fù)荷貫通線分別接引。由于燈具數(shù)量多、供電臂長等原因,每個供電和控制區(qū)域分別設(shè)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(jié)構(gòu)作為防雷引下裝置,經(jīng)驗證,符合GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定要求[18]。低壓配電采用TN-S接地方式,所有電氣設(shè)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(yǎng)護(hù)人員提供2.5kN荷載的維修平臺,以完成上弦桿、上平聯(lián)等位置較高處燈具的維修更換;而設(shè)置在橋墩處的投光燈,由檢修人員通過爬梯至橋墩圍欄內(nèi)直接維修。

4.4 現(xiàn)場工程實踐

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

5 結(jié)語

對京張高鐵官廳水庫特大橋景觀照明設(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)性的介紹和總結(jié),通過對照明整體構(gòu)思、燈具布置及選型、燈具安裝、設(shè)計主題、控制方式等關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行研究,設(shè)計出一套適用于鐵路鋼桁梁結(jié)構(gòu)橋梁的景觀照明系統(tǒng)。

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(huán)奧運、和平鴿、煙花璀璨、復(fù)興繁榮等多個有機銜接且富有文化內(nèi)涵的動態(tài)照明主題進(jìn)行呈現(xiàn),燈光與橋梁造型密切結(jié)合,表現(xiàn)形式豐富。另一方面,通過對燈具選型和安裝方式進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的近遠(yuǎn)程控制,大幅提高運營維護(hù)的便利性。