京张高铁官厅水库特大桥景观照明创新设计研究

杨翰超 王向东

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

近年来,随着路桥建设的迅猛发展,特别是高速铁路大跨度桥梁建设逐年增加,与此相适应的桥梁照明也随之迅猛发展。桥梁照明包含功能照明、景观照明及特殊照明等。多模式、长距离的桥梁照明不仅对光源、灯具及控制方式提出安全、可靠、节能、高效的技术要求,也对照明的供电系统提出更高的要求[1]。桥梁不仅是交通枢纽,还象征着城市的经济地位和技术水平,往往成为地标性景观。因此,桥梁夜景照明也成为城市夜景照明的重要景观之一[2]。为让夜景照明能突出桥梁本身的建筑特色,并兼顾环保节能与管理效率,体现以人为本的思想[3],国内众多学者对桥梁景观照明的设计及技术应用进行研究。禹凯等从夜景照明工程的意义出发,分析夜景照明工程规划设计要点及相关注意事项[4];何杰等从桥梁整体美感和内在艺术性出发,对其具体设计思路进行相关探讨[2];田再强等简叙城市桥梁夜景照明设计原则,简要分析城市桥梁夜景照明设计要点[5];梁业颖等从桥梁景观照明的要求、原则出发,对桥梁景观照明中如何合理运用LED提出建议[6];刘富河等介绍桥梁夜景照明的设计原则及设计要点,从照明要素、立体感、色彩表现等方面进行阐述[7];朱光瑞等以济南黄河大桥的景观照明设计实践为例,对怎样更好的运用桥梁照明,通过灯光文化使其成为这座城市的标志进行论述[8-9]。

综上所述,目前对于桥梁景观照明设计的相关技术和要点的研究已经比较成熟,但仍局限于城市公路桥和人行桥等。但对于铁路钢桁梁结构桥梁,因其造型独特,照明效果难以表现,且面临钢结构的振动影响大、防腐和行车安全要求高,以及如何避免灯光干扰等多重难点,目前尚无应用先例。以下结合前人研究经验,对京张高铁官厅水库特大桥景观照明的设计构思和设计方案进行介绍,并提出相关解决方案,研究出适用于铁路钢桁梁桥梁的创新性景观照明设计方法。

1 工程概况

1.1 桥梁设计

官厅水库特大桥为冬奥会交通保障项目京张高铁重点工程“一桥两隧”中的“一桥”,位于张家口市怀来县境内,全长9077.89m,是全线重点工程[10]。其中,主桥采用8孔110m曲弦钢桁梁桥式,在大坝上游16.7km处跨越北京市备用水源地、一级水源保护区官厅水库库区,主桥立面布置见图1。

图1 主桥立面布置(单位:m)

桥面系采用正交异性钢桥面板,跨中桁高19m,桁宽13.8m,下部主墩采用双柱式矩形截面。其轮廓外形与拱桥相近,采用多孔布置,线条柔美而有韵律,古典中融合现代技术,犹如一道彩虹跨越过平静湖面。

1.2 设计范围

官厅水库特大桥景观照明专项设计是中国铁路总公司关于建设“精品工程、智能京张”的设计创新类工程化建设项目之一,设计范围主要包括官厅水库特大桥在跨越官厅水库的880m主桥段的景观照明工程,里程范围为DK97+944.45～DK99+224.45。

2 整体构思

对于景观照明设计,优秀的整体构思至关重要,不仅是设计的精髓所在,而且能令设计成果具有个性化、专业化和与众不同的效果[11]。整体构思阶段工作主要包括设计理念和设计思路的确立,其中设计理念是设计构思过程中确立的主导思想,将赋予设计文化内涵和风格特点;而设计思路则是对设计理念的进一步细化和延伸,为制定具体设计方案指明方向。

2.1 设计理念

结合京张高铁特殊的项目定位和老京张铁路深远的历史意义,确定本桥的照明设计秉承“百年京张,龙腾盛世”的设计理念。夜景照明设计是对建筑物夜间形象的塑造,对于本项目,除用灯光反映当今中国发展成就,献礼2022北京冬奥会外,还应与桥梁富有古典韵律的造型结构相融合,着重提炼其中的历史文化元素,将桥梁立面造型有效地转化为光影视觉,并进行艺术美化。

2.2 设计思路

(1)传统与现代的结合

将桥身结构与中国传统文化相结合,并融入现代高铁的理念,使设计充满时代的厚重感。

(2)光线与造型的结合

利用变幻的多色彩灯光衬托桥梁的整体造型,将设计理念以照明效果传达给观看者。

(3)速度与激情的结合

动态大桥照明设计象征着飞速驰骋的中国高铁,更是中华民族伟大复兴、中国经济飞速发展的最好呈现。

3 设计方案

3.1 灯具布置及选型

通过对灯具合理布置及选型,充分突出桥梁的被照主体在周围环境中的地位,并与周围环境保持协调。一般情况下,桥梁的景观照明灯具主要沿桥梁主体结构均匀布置,并在关键节点处采用选择性布置方式,以加强局部照明效果、消除阴影或进行定向照射[12]。

目前,常用的景观照明灯具型式主要包括洗墙灯、点光源及投光灯等(见图2),其分别对应线性投光、点状修饰、泛光照明3种照明表现手法。一般来说,对于造型独特,结构复杂的构筑物景观照明设计,需要对几种照明方式结合使用,方能达到比较理想的照明效果[13]。

图2 景观照明常用灯具

在传统的景观照明灯具中,白炽灯、高压钠灯、金卤灯等光源色温不同,显色效果各有优势,而目前采用越来越多的LED光源,其能耗较低,各项参数也可满足大部分景观照明的设计需求。应注意的是,无论选用何种灯具,都应严格控制灯具出光角度,将照明光线集中于被照区域内,以避免光污染和对行车产生干扰。

对于本工程,通过对线性投光、点状修饰、泛光照明等照明方式进行反复比选,并根据现场试装实验的结果,确定以线性投光勾勒桥梁轮廓,其他部位通过泛光照明配合辅助点亮的照明表现形式,灯具布置及选型见图3。

图3 官厅水库特大桥景观照明灯具布置

(1)拱形上弦杆

沿外侧连续布置防潮、防震、耐腐蚀线性洗墙灯,着重表现拱形的桥梁轮廓。灯具采用LED 光源,RGB三色通道,功率48W,选择窄光束的40°配光角。通过合理选择灯具安装位置和偏转角度灯具,将洗墙灯的出光范围控制在上弦杆外立面范围内,以避免多余光线透入桥梁,灯光照射区域见图4。

图4 上弦杆洗墙灯灯光位置示意(单位:mm)

(2)桥墩

在每座桥墩设防潮、防震、耐腐蚀宽光束投光灯2组,分别向上打亮上弦杆与桥墩交界处,向下打亮桥墩外立面及相邻两个侧面,形成照明效果的多个支点。灯具采用LED 光源,色温2500K,功率18W,选择宽光束60°配光角。灯具投光区域包括桥墩及其与上弦杆连接部位8.5m范围内,见图5。

图5 桥墩投光灯灯光位置示意(单位:mm)

(3)上平联

在桥梁正上方顶部垂直于线路方向的上平联两端设宽光束投光灯,从上往下投射,以内部发光的形式表现桥梁的整体结构,并兼作桥梁检修功能性照明。灯具采用LED 光源,色温2500K,功率100/150W,配光角度60°。通过合理选择灯具安装位置和偏转角度灯具,将灯具的向下投光区域严格控制在两侧员工检修通道以内,避免灯光投入线路影响行车,灯光照射区域见图6。

图6 上平联投光灯灯光位置示意(单位:mm)

3.2 灯具安装

桥梁照明灯具及支架的安装一般有抱箍安装、焊接固定、预埋螺栓或槽道、后植膨胀螺栓或化学锚栓固定等多种方式。在设计阶段,应结合桥梁不同部位结构特点对应选择合理的安装方式,在不破坏桥梁结构和防腐要求的前提下,保证灯具及构件安装的牢固性。

(1)钢箱梁结构

桥梁的拱形上弦杆为钢箱梁结构,厚36mm。为充分保证杆件内部的气密防腐,最终决定采用打盲孔的方式固定灯具,孔深20mm,安装后,对螺栓孔位置采用聚硫密封胶封闭。

对于上弦杆洗墙灯,创新性设计了独立的外置遮光罩,见图7,以避免灯具直接与桥体结构连接。遮光罩颜色与桥体一致用以隐藏灯具,在白天形成 “见光不见灯”的效果,同时起到限制眩光、提高灯具使用寿命等的作用。连续设置的遮光罩之间利用连接片首尾相连,进一步提高安装牢固性。

图7 洗墙灯外置遮光罩安装示意(单位:mm)

(2)工形钢结构

桥梁上平联为工形钢结构,通过通孔将螺栓直接将灯具固定在工形钢截面下部,见图8。

图8 上平联投光灯安装示意(单位:mm)

(3)混凝土结构

桥墩为混凝土结构,利用桥墩角钢的围栏。将灯具安装支架与其进行焊接固定,见图9。

图9 桥墩投光灯安装示意(单位:mm)

由于该处位于高铁列车350km/h行驶区段,列车经过时会形成气动力,加之桥面本身的微小的振动,都可能引起固定件的疲劳和松脱。因此,灯具构件安装采用铁路桥梁专用的抗震防倒退螺栓,内衬防松橡胶垫片,螺母采用双开槽防松技术,灯具均加防坠落吊链,以最大限度保障行车安全。

3.3 设计主题

为实现更好的照明效果,采用动态的照明表现方式,重点凸显其文化特性,更为直观地将设计理念传递给观看者。通过对桥梁结构形式、功能定位、地域环境、文化背景、观测点位置等多种因素进行综合分析,最终设计以下几种动态照明主题。

(1)鱼跃龙门

利用一段灯光的流动营造出跳动的效果,恰似鱼儿从水面跃出跃入,配合投光灯点亮,好似溅起的水花。可实现从单条到多条鱼同时跳跃的场景,将中国传统文化融入到照明效果中,见图10。

图10 鱼跃龙门主题实景效果

(2)神龙戏水

通过主桁灯光的依次点亮,将桥梁的主体化作龙的身躯,犹如一条腾飞的巨龙越过水面,是对以高铁为代表的中国速度的完美诠释,见图11。

图11 神龙戏水主题实景效果

(3)二龙戏珠

主桁上两侧灯光依次点亮,相向或背向流动,营造出两条巨龙在水面嬉戏的效果,生动再现中国神话传说故事中的场景,见图12。

图12 二龙戏珠主题实景效果

(4)五环奥运

将桥梁的5个拱形结构与水中的倒影相组合,并以奥运的五色灯光点亮,表现出与奥运五环形状相似、颜色一致的图案,将桥梁造型与奥运主题紧密结合,见图13。

图13 五环奥运主题实景效果

(5)和平鸽

利用上弦杆与桥墩结合处的独特造型,通过一段灯光的上下交替模拟和平鸽展翅效果,表达对世界安定、和平的美好祝愿,见图14。

图14 和平鸽主题实景效果

(6)烟花璀璨

一段段颜色各异的灯光从桥墩部向拱顶不断流动,还原了烟花喷射而出,漫天飞舞的灿烂画面,见图15。

图15 烟花璀璨主题实景效果

(7)复兴繁荣

主桁上的各种颜色灯光流动变换,配合投光灯点亮,塑造出流光溢彩、风格各异的效果,表现当今中国繁荣昌盛、蓬勃发展的壮丽景象,见图16。

图16 复兴繁荣主题实景效果

以上各个照明主题有机衔接,前后呼应,共同讲述一段穿越历史时空的动人故事,并根据灯具点亮数量的不同,设置一般模式、一般节日模式和重大节日模式等3种不同方案模式。

一般模式:仅点亮桥梁内部投光灯,主要用于平日的桥梁检修照明,能以静态形式表现桥梁造型。

一般节日模式:主要表现钢梁的拱形轮廓,灯光以单色表现为主,能实现鱼跃龙门及简易的神龙戏水、二龙戏珠及和平鸽等动态主题。

重大节日模式:全部灯具配合点亮,具体呈现桥梁轮廓,主桁及桥墩结构,运用多色彩灯光变幻,实现全部7种主题的最优效果。

3.4 控制方式

上述照明主题和方案模式均需通过独立的智能照明控制系统实现。照明控制系统除了应保证灯具能按照既定程序稳定可靠的点亮外,尚应与铁路常规做法相结合,满足后期运营维护需求。由于控制点位众多、传输距离较长,灯光控制采用基于DMX512协议的智能灯光控制系统,具有抗干扰能力强、控制数据传输量大、单只灯具故障不影响其他灯具等优点[14]。

本项目的照明控制系统在就地端采用总线型网络结构,将每侧的照明灯具按照每个桥墩对称划分为9个供电和控制区域,在每个控制区域分别设照明分控器1台,具有灯光控制信号通道,通过RS485驱动芯片引出485总线,将并行信号发送至末端的LED灯具实现控制[15]。照明主控器设置于桥尾,用于存放装有播放列表和数据文件的SD卡,并通过拨码开关设置对控制器不同的IP地址进行区分。分控器与分控器,分控器与主控器之间通过一对双绞线实现连接。

为实现后台远程控制功能,在桥梁就近的管辖工区照明监控室内设置景观照明控制主站,通过铁路专用通信通道实现与就地端控制器的通信功能,可以实时监控每个控制器的工作状态,并对数据进行显示、分析及处理,具有区域控制、模式控制、定时控制等功能。照明控制原理见图17。

图17 照明控制系统原理

4 其他研究内容

4.1 照明供电

本工程设计总功率为127.9kW,为保证供电可靠性,采用两路电源供电方式,在桥梁西侧设箱式变电站供电,电源由铁路一级负荷贯通线、综合负荷贯通线分别接引。由于灯具数量多、供电臂长等原因,每个供电和控制区域分别设1个配电箱,采用树干式的低压配电方式[16-17]。

4.2 防雷接地

利用桥梁自身的钢结构作为防雷引下装置,经验证,符合GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》相关规定要求[18]。低压配电采用TN-S接地方式,所有电气设备不带电的金属外壳均与PE线可靠连接。

4.3 维修方式

利用桥梁配套的曲弦桁架智能检查车辆,为养护人员提供2.5kN荷载的维修平台,以完成上弦杆、上平联等位置较高处灯具的维修更换;而设置在桥墩处的投光灯,由检修人员通过爬梯至桥墩围栏内直接维修。

4.4 现场工程实践

对于景观照明工程,设计与现场实施的密切配合尤其重要,只有通过现场工程实践不断地对设计工作加以印证和优化,方能实现比较理想的照明效果。实践内容主要包括设计阶段的灯具试装实验,施工阶段的现场施工配合等。

5 结语

对京张高铁官厅水库特大桥景观照明设计进行系统性的介绍和总结,通过对照明整体构思、灯具布置及选型、灯具安装、设计主题、控制方式等关键内容进行研究,设计出一套适用于铁路钢桁梁结构桥梁的景观照明系统。

本桥的景观照明效果通过鱼跃龙门、神龙戏水、二龙戏珠、五环奥运、和平鸽、烟花璀璨、复兴繁荣等多个有机衔接且富有文化内涵的动态照明主题进行呈现,灯光与桥梁造型密切结合,表现形式丰富。另一方面,通过对灯具选型和安装方式进行优化创新,最大程度保证灯具安装的牢固性,避免灯光对行车造成干扰,解决桥梁钢结构的振动影响、防腐和行车安全要求高等难点。桥梁的景观照明采用智能照明控制系统实现稳定可靠的近远程控制,大幅提高运营维护的便利性。