柳樹枝條上安裝LED點光源的技術創新

王 剛，沈 葳，高小輝，楊 晟，高希揚，虞建明

(1.杭州運河集團文化旅游有限公司,浙江 杭州 310000;2.浙江城建規劃設計院有限公司,浙江 杭州 310000;3.杭州市運河集團,浙江 杭州 310000;4.浙江浙坤工程管理有限公司,浙江 杭州 310000)

引言

2008年，杭州運河集團負責實施運河主城區段(三堡船閘-石祥路)景觀亮燈建設。面向全世界征集杭州運河夜景規劃方案，最終由法國著名燈光設計大師羅杰主持設計。經過對大運河文化特質和底蘊的梳理，并結合人文地域風貌，確定以藍綠燈與中國燈籠組合形成的“水墨丹青”意境為主基調開展運河亮燈設計，勾勒21 km運河夜景藍圖。如圖1所示，其總體設計構思是通過景觀燈光藝術表現運河內在氣質，選擇的藍綠色、青色系，可以令夜色下的運河籠罩一層薄霧，透出神秘和浪漫的韻味，月光照映下猶如一幅中國傳統的水墨丹青古畫。此外，2016年9月杭州舉辦的G20峰會對城市夜景提出了世界級的要求，運河需打造更高級的夜景燈光產品來迎接此次峰會。

運河十景中的十里銀湖墅、江橋暮雨長度約3 km，有三百多顆楊柳樹，據《湖墅小志》載：“江漲橋與華光橋作八字式，河面極為開闊，有時暮雨蕭蕭，頗有詩意，而入夜蟹火漁燈如點點繁星，稱‘江橋漁火’輝映岸上，更是別有情趣。”這就是所謂的“江橋暮雨”。而“十里銀湖墅”包涵兩種意義，一是商旅云集、帆檣卸泊、百貨登市的經濟內涵，二是歷史上所流通的主要商品之特色及其所呈現的商業生態內涵。即使拋開經濟因素不論，湖墅依然飽含“銀山銀海”的歷史人文質地。

本文以京杭大運河杭州景區“江橋暮雨”、“十里銀湖墅”景點為研究試點，以LED點光源在柳樹安裝為研究對象，通過對點光源安裝的技術、控制程序、安裝方式、景觀協調的創新，使點光源白天完全隱藏在柳樹葉中，夜晚亮燈時達到“瀑布銀河、繁星點點”的壯觀效果，再現了古時杭州的繁華盛景，打造出世界級夜景燈光。

圖1 杭州運河的夜景Fig.1 Night view of the Grand Canal

1 技術創新

1.1 LED點光源

1)LED二次封裝技術。相較于傳統的DIP發光二極管燈串，LED點光源從壽命、效果、維護等角度都有明顯的優勢[1]，而這些優勢存在的一大原因，便是LED等的二次封裝技術。LED二次封裝是在完成電子線路焊接后，在LED封裝或模塊及其驅動或控制電路上使用共混改性RPVC混合材料進行封裝，以實現防水、防塵和防護。二次封裝技術[2]采用共混改性RPVC混合基材，集材料質量高，技術先進。采用混合改性技術的混合型抗UV包裝材料，具有較強的耐候性、耐熱性和耐寒性、抗靜電性能。它可以使用10年而不會自行開裂，可用于-40 ℃環境，防護等級達到IP68，這是照明領域的最高級別保護。阻燃防護等級達到最高等級V-0級別，當從火源移開時，可實現防火自熄。二次封裝特殊技術特性包括：IP 68，防火V-0，防紫外線4～5級，防鹽霧，抗沖擊，LED工作環境溫度(-40～55 ℃)。

2)LED燈具防護等級。LED燈具的防護燈具有別于傳統戶外燈具，采用的是IP68等級[3]。傳統戶外燈具通常使用交流模式驅動，其中LED通常在直流模式下供電，因此在直流模式下供電的LED可能會引起電化學腐蝕效應。LED模塊中使用的許多組件都是由錫(如用于焊接LED和導線電纜進行數據傳輸或導電的材料或用來焊接PCB板上的IC的材料)和銅制成(銅線線纜本身和PCB板通常是由銅制成)。如果LED二次封裝質量不好， 水滲透進去了，這將提供錫和銅之間的一個優越的電化學腐蝕環境。如我們所知，電解是直流電流通過離子物質，該離子物質可以化解或溶解在合適的溶劑中，這導致電極處的化學反應和材料的分離[4]，錫將會慢慢地被溶解掉。 如果是在氯化鈉溶液中，即使在銅和銅之間，電化學腐蝕也會發生，銅將被溶解。

3)點光源的光學條件和光學實驗數據。目前常用的白光LED發光制作方式有[5]：①使用藍光LED激發黃色熒光層， 使得激發出的黃光與部分未被熒光粉吸收的藍光混光后形成白光。②直接使用紅綠藍3種單色LED混光后形成白光。本課題所使用的LED的光和顏色都是經過嚴格篩選的，為了達到“瀑布銀河， 繁星點點”的視覺效果，設計師特地選了兩個不同直徑的點光源(20 mm 和90 mm，以下簡稱直徑為20 mm和90 mm的點光源分別為20點光源和90點光源), 具體參數見圖2，比起傳統的DIP發光二極管燈串(直徑只有7 mm：8～9 lm)，這個LED點光源不止擁有更加高的光通量(20點光源：15 lm; 90點光源：150 lm),這樣不止可以確保更遠的視覺距離，而且最關鍵的是：20點光源和90點光源被穿插和布置在同一棵樹里，這樣將會在亮燈后可以呈現出一個有層次感的亮度視覺效果。與此同時， 在不同的區域，不同的顏色和色溫的燈也被應用在不同的區域，江橋暮雨區域用了黃光(586 nm)，十里銀湖墅則用了正白光 (6 500 K), 這樣能夠呈現兩種截然不同的視覺效果和給觀眾多一個新鮮的選擇。在LED封裝過程中可能產生光和顏色質量的變數有： 封裝材料的一致性，注塑設備和設備之間的機械差異，注塑的技術和熟練，封裝的環境和溫度，封裝的厚度和形狀等等。另外，封裝材料的導熱能力也是非常重要的，所有LED的光色參數都會隨著LED的PN節的溫度而相應改變，被封裝了的LED必須有效的把LED熱能從里往外導熱，以便所有的光電參數可以保持一致性。整個技術的關鍵是一個卓越的二次封裝的材料和封裝過程不可過多地改變顆粒LED的光色的質量，如果有變化的話，LED個體和LED群體的改變，變化也必須是一致性的，這樣才能有效的保證所生產出來的一致性和均勻性。安排專業的檢測人員在檢測和校準中心為LED二次封裝的比對進行光學實驗[6]，用的設備是遠方光電的2 m積分球HAAS 2000 還有GO2000 臥式分布光度計設備， 所有的設備都是校準和溯源到國家計量院的。

圖2 20點光源和90點光源的黃光(586 nm)和正白光(6 500 K)的光譜曲線圖Fig.2 Spectral graph of yellow light (586 nm) and positive white light (6 500 K) of 20-point source and 90-point source

1.2 衛星同步控制程序

我們采用了衛星控制技術實現單燈控制的創新技術[7]，每個燈閃亮完全可以任意聯動，解決了傳統控制聯動性差、刻板等問題[8]。如圖3所示，基本上每棵樹上掛了平均5～6個支架； 一個支架上有三串20點光源和兩串90點光源， 20點光源每串長3 m共有15顆， 90點光源每串長3 m共有4顆，兩岸共裝飾了300多棵樹。同時，為了讓這些燈具能“行動統一聽指令”，還特別編寫了一套衛星控制程序，確保3 km范圍內的每一個光源都能在規定時間內亮起、變幻，形成流星瀑布及星光閃爍的效果，視覺沖擊力強，場面壯觀。由于樹木較為分散，距離較遠，因此選擇多臺主機衛星同步的方案，這樣每臺主控制器只控制距離較近的幾棵樹，在一定程度上降低了多臺分控器級聯情況的產生，也減少了網線使用的數量，相對降低了人工操作時出錯的概率[9]。

圖3 衛星同步控制系統Fig.3 Satellite synchronous control system

1.3 創新性工藝安裝方式

運河游步道位置條件特殊，無法使用大型登高車，且使用登高梯也無法滿足柳樹臨水面燈具安裝的需求，經過一次又一次的安裝方式的嘗試，最終采用大型工程船配合登高車，克服運河沿水面燈具及支架安裝難度較大的困難，完成燈具及相關設施的安裝工作。燈具需要安裝在樹上，但又不能直接懸掛于樹干上，經過多方比較，最終決定將燈具固定在支架上，這樣做較好的解決了燈具的安裝問題，推廣至沿線景點，實現圖4的燈具排布形式。

圖4 點光源安裝平面圖Fig.4 Point source installation plan

在支架安裝過程中，發現原定使用的支架重量過大，最終使用了直徑較小重量更輕的鍍鋅管，同時樹的頂端因承重問題又盡量多的使用鋼絲吊裝。

關于控制器之間如何級聯的難題，前期提出兩種方案。方案1：按照常規控制器的級聯方案，使用網線連接各控制器。因為該項目樹木較多，若采取該方案需要較多網線，施工時需要更多管線，增大施工難度。故該方案被否決。方案2：使用交換機進行級聯控制。這種做法可以減少網線使用使用數量，同時使控制器之前的級聯變為并行控制，也避免了后期燈具大面積不亮的問題出現。最終通過比較，決定按圖5所示，使用方案2來進行控制器級聯。

圖5 使用交換機級聯的控制器Fig.5 Controller for cascading switches

1.4 運河兩岸景觀的協調

在運河柳樹亮化時，主要遇到了以下的問題：

難點1：燈具、支架與樹木不協調的問題。LED點光源在樹木安裝非常重要的需解決的難題，就是點光源和線路過于明顯，容易被旁邊或對岸游客、市民看出大量線路和支架、點光源掛在樹上，與周邊景觀不協調。此段主要寫采用仿真柳葉方式美化柳樹上線路和點光源，不僅夏季仿真效果好，冬季在真的柳葉大量脫落的情況下仍看起來與真柳葉一致，無明顯差別，通過圖6的處理方式，春夏秋冬四季支架均能較好地被“掩飾”。研究結論：原來的計劃是燈直接纏在柳樹上，但初期安裝過后發現支架、點光源線路等設施外露明顯，且色差較大，影響白天的景觀協調，如何平衡白天與夜晚的景色成了設計和施工的頭號難題[10]。經過數次現場實物對比、電腦效果模擬，最后決定將部分線路刷成類同柳條顏色的外觀，同時點綴上假葉片，一小部分線體纏在假柳條上。這樣一來，兩岸柳樹幾乎完全恢復了自然景觀狀態。遠遠望去，在柳樹中安裝的燈具很難被發現。

圖6 噴漆后的實景圖Fig.6 Real shot after painting

難點2：樹木修剪對燈具的影響。燈具安裝到支架上之后，需要將支架固定在樹上。支架如何固定并且固定的位置也成了一個難題。第一個固定方案是將支架伸出樹枝外，考慮到樹木日常的修剪,如果支架伸出，可能樹木修剪人員會在工作中不慎將燈具剪斷，故該方案被否決。第二個固定方案，在安裝燈具定制挑臂支架位置在整個柳樹樹冠形立面2/3以上。這樣的安裝位置，避免了在樹木后期修剪時會觸碰到燈具的問題。最終被采納。然而這樣的位置安裝，使得安裝工人站在樓梯上安裝鍍鋅管的時候，有較大的難度。后來使用工程船，施工人員站在登高車上進行安裝，在一定程度上降低了施工難度。

2 夜景照明的效果

提升后的燈光于2016年春節前正式亮相，正如圖7 “江橋暮雨”(湖墅八景之一)與“十里銀湖墅”經典節點動態效果的展示，再現了古時杭州的繁華盛景。江橋暮雨、十里銀湖墅等節點的樹木點光源燈宛若星光瀑布，視覺沖擊力強，場面壯觀，浙江衛視、杭州電視臺、浙江日報等六十余家媒體爭相報道，好評如潮，反響熱烈。

圖7 “江橋暮雨”與 “十里銀湖墅”實景Fig.7 Real Scene of “Jiangqiao Rain” and “Shili Yinhushu”

亮燈提升有力促進了杭州運河夜游。2015年上半年杭州運河夜游客流量共計91 957人次；提升后，2016年上半年客流量共計141 472人次，同比增加超過35%，一季度增收五十余萬元，今后旅游營收可望繼續增長。目前，本文提出的柳樹安裝LED點光源的方式在南京秦淮河及城市入城口等區域都得到了推廣應用。

3 結論

亮麗的城市夜景不僅可以為人們的夜間活動創造一個良好的環境，而且對繁榮經濟、樹立和表現一個城市的夜間形象，營造高尚的文化氛圍等具有十分重要的意義。杭州G20峰會前夕，通過對京杭大運河(杭州段)德勝高架橋至登云橋段沿河的柳樹重新梳妝打扮，在總跨度長度約3 km的楊柳樹上隱蔽式地安裝了LED點光源。因為所采用的的燈具具備了最高的LED防護等級[11](包括P68防水防塵I，抗UV4～5級，抗鹽霧，阻燃V-0)， 再加上生動和變換無窮的燈光效果，并做了相應的景觀美化處理，每當夜幕降臨，杭州運河湖墅八景“江橋漁火”、“銀山銀海”的壯觀場面重現，吸引著游人的眼球；華燈初起時，運河升起的水氣和霧氣成為照明效果的組成部分，遠觀貌似一條飄舞的藍綠色綢帶，將古老運河的千年風情幻化出唯美的深遠意境。