國家體育場場地照明設計概論(上)

　　1.場地照明標準

　　國家體育場主要競賽項目有田徑、足球，其主要照明指標應由業主單位在體育工藝中提出，在體育工藝條件沒提出之前，場地照明可以參考表1所列的標準，國家體育場應同時滿足表1的要求。

　　1.1照度

　　運動員所需的照明水平與觀眾不一樣，運動員置身于賽場之中，相對而言視線距離較近，因而相對較低的照明水平就可滿足比賽需要；而觀眾則不同，他們的目的就是觀看比賽，相對說來，觀眾視線較遠，觀看點相對，照明要求是隨著觀看距離的增加而提高，因此，照度是觀眾觀看是否清楚的關鍵；彩色電視技術與體育競賽聯系十分緊密，促使體育比賽在全球范圍內迅速推廣和普及，彩色電視技術的發展對照明水平要求越來越高，黑白電視、彩色電視、高清晰度電視，每一次技術進步就意味著照明標準的提高；而攝影則有別于攝像，它是通過膠片感光記錄競技場面的，照片或電影效果的好壞主要取決于曝光量、清新度、顯色性等因素；賽場上還有一類群體也應得以關注，這就是場地四周的廣告，廣告只要能被現場看清楚，并能通過電視等媒體消費的傳播即可。

　　運動員的可見度既與垂直照度有關，又與水平照度有關，合適比例的水平照度和垂直照度才使物體具有立體感，物體生動、活潑。垂直照度取決于泛光燈的投射方式和位置，由于水平照度易于計算和測量，因此照度推薦值多用水平照度。觀眾數量因賽場的不同差異較大，而觀看距離與賽場的容量有關，所有賽場所要求的照度隨體育場的增大而增加。

　　1.1.1水平照度

　　1.2照度均勻度

　　CIE57要求：

　　照度均勻度至少應為U2=Emin/Eave=1?1.5，即0.67.但由于多種實際因素的限制，低照度情況下很難達到理想的照度均勻度，只要燈具許可和經濟條件允許，照度均勻度U2應不低于1?2.5，即0.4.

　　綜合上述標準，照度均勻度按表16設計。

　　1.3照度梯度

　　1.4眩光

　　1.5色彩

　　1.5.1色溫?Color temperatrue?Tk

　　1.5.2顯色性?Color rendering?Ra

　　1.6綜合照明指標

　　2.場地照明的其它要求

　　2.1亮度均勻度

　　場地照明除對照度均勻度有要求外，對亮度也有要求，應該說明一下，人眼睛看到的是物體的亮度而不是照度。亮度變化較大，尤其亮度突變，對人視覺產生不舒服的感覺。

　　2.2立體感

　　由于水平照度易于說明、計算、測量，水平面上的照度得以普遍應用。然而，運動員和觀眾的可見度取決于水平照度值和垂直面的照度的值，因此，物體的立體感與水平照度和不同方向的垂直照度的比例有關，不同比例的照度產生不同的光影效果，也就形成了不同的物體造型效果。對任一點來說，有無數個垂直面，為了方便起見，只考慮適當角度的兩個垂直面，如圖1所示。

　　如果Eh、Ev1、Ev2、Ev3、Ev4、比較接近，燈光下的運動員或物體的立體感較差，物體缺乏層次，不生動，很難看清三維空間的物體。另一方面，如果這五個參數差別較大，會造成物體立體感失真，運動員或物體外形變形和扭曲。由于視點來自各個方向，對于場地照明來說，通常采用某一點各個面的平均照度值。一般地說，如果水平照度不大于四個面任一面垂直照度的兩倍，這時的立體感是可以接受的。

　　2.3眩光燈布置

　　對每個工程泛光燈的數量由場地內的照度確定。四角布置方式，燈塔數量比側向布燈少，因此，光線進入運動員或觀眾的視野內也較少。另一方向，四角布燈用的泛光燈數量比側向布燈要多，從球場任一點看，四角布燈每個燈塔泛光燈的光強之和比側向布燈多塔或光帶方式的光強要大。實驗表明，很難在兩種布燈方式間作出選擇。通常，布燈方式的選擇和燈塔的準確位置更多地取決于造價或場地條件，而不是照明因素。

　　CIE建議不要將眩光和照度聯在一起，因為在其它因素相同時，隨著照度增加，人眼的適應水平也在增加，實際上，對眩光的的敏感程度不受影響。

　　2.3.2泛光燈光強分布

　　無論四角布燈還是側向布燈，泛光燈一定要采用窄光束的燈具，以照射到離燈最遠的賽場區域，光束十分之一最大光強與最大光強之間的夾角不應大于12°，超出這范圍過多的溢出光也能產生眩光。

　　2.3.3燈具的投射方向

　　為有效地滿足照度的要求，泛光燈必須在其整個壽命期內準確瞄準并保持設計位置。對運動員來說，守門員最易受攻擊，因此，守門員是否受到眩光控制的重要。至于眩光，對觀眾而言，球場側面公共區域的前部和球門后面觀看條件最差，在設計泛光燈的投射方向時，這些位置都被用來考核眩光控制優劣的缺點，第3章“場地照明方式”將詳細說明。

　　2.3.4環境亮度

　　運動員和觀眾所看到的泛光燈外表殼度取決于人的視線從明亮的球場移到燈具時的亮度梯度。球場周圍有看臺、平臺、圍欄，它們的反射系數適中，只要這些區域的照度大約為賽場度的四分之一，眩光的影響將大為減少。因此，重要的看臺的顏色不要太暗。這些區域的照度值通常能用泛光燈的溢出光實驗，當然，泛光燈要滿足2.3.2部分的光強控制要求。

　　在沒有看臺和平臺的小場地，常見的問題是環境亮度較低。少數能提高環境度。然而，已經發現：球場周圍的較低淺色的圍欄可以顯著改善泛光燈的視覺效果。國家體育場附場可能會遇到這個問題。

　　2.3.5觀眾席照明

　　觀眾席照明有三個目的：一是為觀眾提供必要的照明；二改善環境亮度，使場地－觀眾席－泛光燈自然過渡，不出現亮度突變，有利于眩光控制；三是有利于彩色電視攝像，產生層次分明的背景環境。

　　由表16可知，觀眾席平均垂直照度應不小于場地照明平均垂直照度的25％。

　　如何設置觀眾席照明?目前有兩種方法：一是設置專用的觀眾席照明燈具，例如，2002年日－韓世界杯札幌圓頂體育場、阿姆斯特丹體育場、廣東奧林匹克體育場等采用了專用觀眾席照明燈具；另一種為場地照地照明燈具的溢出光給觀眾席照明，只要能滿足觀眾席照明要求，這種方法還是比較經濟的，北京工人體育場、2000奧運會主體育場?Stadium Australia等沒有專門觀眾席照明燈具。

　　3.場地照明方式

　　3.1場地照明方式的選擇

　　國家體育場帶可開啟的屋頂，其建筑、結構特點決定了場地照明方式只能選擇同式光帶布燈?Side lighting arrangements?，四角式、周邊式、混合式布燈不適合國家體育場。如果側向式布燈不能滿足田徑比賽要求，可以將側向式布燈向南北兩方向適當延長。側向面燈的特點是照度均勻，用電量少造價較低，眩光較小，維護方便。適合足球田徑、網球等比賽。

    圖2顯示了側向布燈推薦位置，從球場長軸方向看過去，α的最小值20°只適用于訓練場和低級別的賽場，因為此時眩光控制水平較低。因此，國家體育場采用α≈25°，因為這樣設計眩光控制的較好，同時又有較高的垂直照度。α值再增大，有利于控制眩光，但垂直照度分量減少，泛光燈或馬道的投資將大大增加，結構的荷增也增大。

　　邊線附近對泛光燈的仰角由角度β決定，如果水平照度與垂直照度之間有恰當的比例，則β角不應大于75°

　　大多數情況下，，裝在屋頂上的照明裝置有兩排，一排在雨棚的邊緣，另一排在雨棚的中部或后部。國家體育場將通過計算并進行技術、經濟比較最終確定照明裝置的排數。如果東西看臺各設一條馬道，則有可能在馬道上裝兩排燈；另一種方案為東西看臺各設兩條馬道，每條馬道各裝一排燈。

　　值得說明一下，“國家體育場項目可行性研究報告”提出“每側布燈總長大于180m”是不合適的。表1第2個標準規定，為了保證守門員及在角球區附近進攻的球員有良好的視線條件，以球門線中點為基準，底線兩側至少15°之內不能布置照明裝置，參見圖3所示。

　　3.2馬道的確定

　　如上所述，通過照明計算，并結合體育場建筑、結構特點，最終確定馬道的數量、位置、高度等。如圖2所示，泛光燈距地至少15m，并α≈25°，45°≤β≤75°。馬道高度按?1?式計算：

　　h=d.tgα

　　1?式中，h、d為通過泛光燈、平行于底邊、垂直于球場平面的三角形平面的兩條直角邊，其中，d?燈的高度；d?另一條直角邊?參見圖2?。

　　總而言之，擬在東西看臺屋頂適當位置各設一條或兩條馬道?gantry?，燈具及其鎮流器箱、電纜、配電控制柜等均安裝在馬道上。馬道寬不小于1200mm.為了減小荷載，鎮流器箱一燈一箱均勻安裝在馬道上。為便于照明控制，配電控制柜深入到場地照明燈具中心，每條馬道安放2～3個控制柜，盡量減小供電距離。EPS或UPS及其雙電源切換柜安裝在馬道附近的配電間內。以400盞燈為例子，如果兩條馬道，每條馬道各安裝200盞燈，每條馬道設2個控制柜，每臺控制柜各為100盞燈供電，每臺柜供電容量為200kW，燈容量200kW＋鎮流器容量≈230kW.因此，230kW的EPS需要至少4臺柜子?750×650×2200?，外加電源切換柜，需要在馬道附近設置場地照明配電控制間。

　　3.3攝像機對照明的要求

　　2008年奧運會賽事要向全球轉播，有HDTV、普通TV、慢運作攝像、固定機位、移動攝像、應急電視等，攝像機多了，要求各點的垂直照度也高，尤其注意起跑線、終點線、投擲區、起跳點?線?、落地點、過桿處等處的垂直照度，攝像機在這些地方拍攝幾率很高。而且錄像仲裁也使用相關的影像資料進行裁決。田徑比賽還有特殊的攝像機，即110m長的導軌攝像機?rail camera?，它沿著東西兩側直線跑道外側敷設，隨著運動員跑步而移動，該段各點的垂直照度要求都很高。特寫拍攝也是常用的，而特寫拍攝要求有很高的照明質量。

　　圖5攝像機位是國際足聯認可的攝像基本機位?簡稱POV‘s?，根據需要，還可另外增加電視攝像的機位。

　　Cam.1，機位1，主攝像機位置；

　　Cam.1，機位2，通過角球區上方；

　　Cam.3，機位3，球門后方，位置較高；

　　Cam.4、5，機位4、5，球門后，位置較低；

　Cam.6、7、8，機位6、7、8，位置較低；

　　Cam.9，機位9，相反視角；

　　攝像機最少設三個，即Cam.1、2、4

　　而舉辦奧運會的綜合性主體育場只有9個機位顯然是不夠的，在2000年第27屆悉尼奧運會田徑比賽期間，主體育場Stadium Australia共設28個機位，77臺攝像機。

　　3.4附場照明

　　附場采用多塔式側向布燈，或采用四角式布燈，燈具和光源同主場。

　　4.場地照明控制方式

　　4.1主場照明控制模式

　　主體育場照明模式有：田徑訓練、田徑國內比賽、田徑TV轉播的國內比賽、田徑TV轉播的國際比賽、田徑高清晰度電視HDTV轉播、田徑應急電視TV、足球Ⅴ級國際級比賽、足球Ⅳ級國內比賽、足球Ⅲ級國內比賽、足球Ⅱ級聯賽和俱樂部比賽、足球Ⅰ級訓練賽及娛樂等12種，這是滿足比賽的最基本要求。不同的照明模式投入運行的燈具數量也不一樣，實現不同模式的照明將由照明自動控制系統完成。

　　4.2附場照明控制模式

　　附場照明模式有田徑訓練和足球訓練兩種。

　　4.3注意點

　　調研發現，北京工人體育場曾使用計算機照明控制系統，由于出現地誤動作和拒動作現象，迫使他們改回傳統的繼電器控制。因此，國家體育場采用智能型照明控制系統應解決好這一問題。確保萬無一失。

　　5.場地照明控制

　　5.1場地照明控制系統的要求

　　國家體育場場地照明控制采用智能型照明控制系統，它是以計算機和網絡通訊技術為基礎，集散型結構框架。結合場地照明、觀眾席照明、部分房間照明等統一控制。除特殊房間外，場地照明、觀眾席照明不需要調光，只需要開關控制。施工圖設計時，再根據房間數量、位置等情況綜合確定系統構成和調光范圍。

　　?1?計算機仿真燈位顯示：提供控制回路狀態、燈具狀態、照明模式及照明模式預覽、平均照度、燈具異常控制及故障狀態、配電系統有關參數、布燈位置圖形顯示等。

　　?2?系統管理與控制：燈具維護與統計信息、權限管理與控制、照明模式創建、修改和刪除、值班記錄、歷史數據庫、各種報表等。

　　?3?自動定時與照度控制：定時控制、組合開燈、按日照的變化邏輯開燈等。

　　?4?燈具保護控制：燈具軟啟動、軟關斷、浪涌保護等。

　　?5?狀態參數檢測。

　　?6?照明因故熄滅，自動啟動應急照明。

　　?7?照明控制系統采用總線制，并留有與整個體育場BAS聯系的接口。

　　5.2主要照明控制系統技術經濟簡介

　　智能型照明控制有很多成功應用經驗。2000年悉尼奧運會主體育場Stdium Australia采用了澳大利亞CLIPSAL?奇勝?公司生產的C－BUS智能照明控制系統，該系統曾在1999年威爾士世界橄欖球比賽Millenniun Park體育場、2000年奧運會Super Dome體育館、2001年第21屆世界大學生運動會清華跳水館、理工大學體育館、石景山體育場等得到應用。澳大利亞另一有公司Dyanlite的照明控制系統也有許多工程實例，該系統在中國早有應用，我院設計的“電力部國家電網調度控制中心工程”在1997年曾使用過。

    LCS9600/2000照明控制系統在上海八萬人體育場、廣州奧林匹克體育場得到了很好的應用。ABB公司的I－BUS技術成熟，性能超群，也是照明控制系統的候選系統。日本制造的L10系統在2002年日－韓世界杯足球賽日本幾個體育場得到應用。因此，計算機照明控制系統技術可靠、成熟，只要選擇好合適的系統，設計、施工、使用、維護得當，可以保證安全使用。

　　6.燈具與光源

　　6.1燈具

　　6.2光源

　　選擇光源時，要考慮下列因素：

　　◆光源的發光效率；

　　◆每盞燈的光通輸出；

　　◆利用率，賽場上所接受的燈光；

　　◆光源的色溫和顯色性；

　　◆啟動和再啟動特性；

　　◆每年使用的時間；

　　◆初次投資和運行成本。

　　鹵鎢燈、金屬鹵化物燈和高壓鈉燈都可用于場地照明，一般地說，鹵鎢燈由于效率較低使用越來越少，除非每年使用的時間較短。高壓鈉燈顯色性和色溫不適合彩色電視轉播，只有金屬鹵化物燈才滿足要求。

　　目前，金屬鹵化物燈性能也較大的提高，國家體育場要求采用短絕型陶瓷金屬鹵化物燈，有利于燈具配光的改善，顯色性較長弧型提高較多?短弧型Ra≈92，長弧型Ra≈82?。

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