國家速滑館“冰絲帶”場地照明設計與研究

申 偉，孫成群,朱 悅

(1.北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045；2.昕諾飛(中國)投資有限公司，北京 100026)

引言

照明是體育場館功能得以充分體現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)之一，場館的場地照明不僅會影響運動員的競技水平，而且也會影響觀眾在現(xiàn)場和通過電視轉(zhuǎn)播舒適真切地觀看賽事。因此，體育場館的照明設計應充分體現(xiàn)以人為本的設計理念，滿足比賽、觀看、轉(zhuǎn)播要求，必須同時滿足水平和垂直兩個方面的照度均勻度，還要求具備較高的顯色性，同時也應采用成熟、有效的節(jié)能措施，降低電能消耗。國家速滑館也稱冰絲帶，屬于特級體育建筑，由于其建筑呈雙曲馬鞍造型及場館內(nèi)高低錯落的雙曲馬道構造，且冰面反射面積大，安裝燈具多，對場地照明的燈光設計造成了很大困難。本文針對國家速滑館場地照明設計，闡述了冰上場館場地照明設計應關注的問題。

1 項目概況

冰絲帶位于北京市朝陽區(qū)奧林匹克公園西側(cè)，國家網(wǎng)球中心南側(cè)，冬奧會期間，它將承擔速度滑冰項目(Speed Skating)的比賽和訓練；冬奧會后，該館將成為能夠舉辦滑冰、冰球和冰壺等國際賽事及大眾進行冰上活動的多功能場館，場館坐席約為12 000座，為特級體育建筑。速滑館占地面積為166 396 m2；總建筑面積為126 000 m2；建筑高度為33.8 m；全冰面冰場規(guī)模為12 000 m2；建筑層數(shù)地上3層，地下2層。冰絲帶目前是國內(nèi)最大跨度正交雙向索網(wǎng)結(jié)構(124 m×198 m單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構)，整個工程采用了大面積柔性屋面和4疊自由曲面玻璃幕墻。

冰絲帶不是傳統(tǒng)意義的大道速滑館，而是一個全冰面的綜合場館，場地照明的設計除滿足冬奧賽時大道速滑的需求外，還要兼顧賽后多功能運營的需要。冰絲帶的冰場場地分為五個單獨制冰控制模塊,奧運會賽時：一個400 m比賽大道速滑道，滑道外賽道、內(nèi)賽道、熱身道寬度分別是5 m、4 m、5 m；奧運賽后：再增加一個4 m寬的練習大道速滑道；兩個61 m×30 m的短道速滑(兼容冰球、花樣滑冰等)標準冰場；及兩個標準冰場之間的場地。其中短道速滑場地需具有轉(zhuǎn)化為冰球、花樣滑冰等冰上運動的功能。冰面可以實現(xiàn)全冰面功能，五個區(qū)域分別控制。

2 照明設計標準

冰絲帶照明設計以現(xiàn)行的國家、奧組委及奧林匹克廣播服務公司(OBS)相關要求、國際體育組織、國際照明委員會(CIE)、國際廣播及電視機構和行業(yè)及北京市的相關標準、規(guī)則為依據(jù)，特別是OBS針對冰絲帶速滑場地照明提出的指導性文件和具體建議。本文主要討論賽時比賽場地(FOP)的具體需求。

比賽場地(FOP)位于地下一層，設計標高為-5.40 m。從場地外側(cè)至內(nèi)場依次為5 m寬緩沖區(qū)、5 m寬外賽道、4 m寬內(nèi)賽道、5 m寬熱身道、4 m寬練習道和內(nèi)場區(qū)，如圖1所示。

圖1 冰絲帶比賽場地賽道分布Fig.1 Distribution of racing track for Ice Ribbon

1)FOP賽道照度要求。FOP的主攝像機垂直照度的最小值不小于1 600 lx，F(xiàn)OP的四個方向的垂直照度(移動攝像機)、輔助攝像機垂直照度的最小值不小于1 200 lx，慢動作攝像機SSM和超慢動作攝像機的垂直照度應在2 000 lx左右，其最小值不小于1 800 lx，且需要保持極好的均勻度。水平照度和垂直照度的均勻度均為U2(最小照度與平均照度之比)>0.8,U1(最小照度與最大照度之比)>0.7；均勻度梯度UG≤10%(均一化2 m間距網(wǎng)格)。離散系數(shù)CV≤0.13。頻閃比FF<2%(1 000 fps)，F(xiàn)F<6%(600 fps)。設計計算網(wǎng)格比賽道為2 m×2 m;熱身道是4 m×4 m。場地冰面反射率取0.6。

2)內(nèi)場照度要求。垂直照度的最小值不小于1 200 lx；均勻度>0.7；離散系數(shù)CV≤0.13；移動攝像垂直照度Evmain(主攝像機方向垂直照度)×75%；頻閃比FF<2%(1 000 fps)，F(xiàn)F<6%(600 fps)。

3)觀眾席照度要求。主攝像機對觀眾席的前12排的垂直照度應該達到主攝像機對FOP的垂直照度數(shù)值的25%～30%，在前20排的最后一排，主攝像機垂直照度達到FOP主攝像機垂直照度的10%。觀眾席前12排頻閃與FOP一致；觀眾席Tcp色溫與FOP一致。

4)光照質(zhì)量要求。眩光指數(shù)GR<40；GR預定義ρ=0.7；Tcp色溫5600 K；CRI顯色指數(shù)Ra>85、R9>45、TLCI>85、CRIR1～R15>85。

5)主攝像機機位處照度計算。根據(jù)OBS的要求，主攝像機的定義為多個位置的固定機位，至少包括以下位置：高位攝像機，位于 500 m終點線大約25°位置；高位攝像機，位于 1 000 m起始線大約15°位置；攝像機朝前，以內(nèi)側(cè)賽道為中心；攝像機朝后，以內(nèi)側(cè)車道為中心；1 000 m起始線處；FOP水平處，緩沖區(qū)外側(cè)，第一條曲線末端；FOP水平處，緩沖區(qū)外側(cè)，最后一條曲線的末端；FOP水平，曲線中心內(nèi)場；軌道攝像機，緩沖區(qū)外側(cè)，從1 500 m開始到第一條曲線的起點。

3 照明計算方法

本項目使用的專業(yè)體育照明計算軟件為Calculux area軟件，近年來多屆奧運會、冬奧會、世界杯足球賽、歐洲杯足球賽超過一半的場館照明設計均采用此軟件，具有很高的真實性和可靠性，軟件界面如圖2所示。

此軟件具有提供本項目的照明設計全部所需參數(shù)的能力，包括控制模式、照度、均勻度、CV、UG、GR等。本項目中，軟件的計算結(jié)果是所有照明的深化設計基礎，施工圖、末端配電和控制邏輯等都是基于計算結(jié)果完成的。

4 照明設計的難度及策略

4.1 燈具的安裝

由于冰絲帶建筑呈雙曲馬鞍造型，東西屋面高點為33.8 m，南北屋面低點為15.8 m。結(jié)合雙曲馬鞍的場館造型，同時考慮場地照明、擴聲及消防設備等綜合需求，場地內(nèi)設置了三圈馬道。全部場地照明燈具均安裝在馬道上，如圖3所示。

圖3 場地燈具布置圖Fig.3 Lighting layout for site

4.2 照度均勻度

由于雙曲造型的3圈馬道，造成了燈具安裝高度差異很大(如圖4所示)，對照度的均勻度帶來較大的影響。

圖4 燈具不同安裝高度Fig.4 Mounting height of luminaire

為保證照度均勻度，本項目不采用常規(guī)工程的一到兩種大功率燈具的方式，而是采用多種功率、不同配光形式的燈具，多功率等級燈具混合使用,功率范圍為450～900 W(如圖5所示)。即使是馬道同一位置，例如內(nèi)環(huán)馬道燈具雙側(cè)照射，燈具照射方向、角度不同、冰面反射要求不同，功率也有區(qū)別。具體燈具安裝高度及功率的選擇見表1。

表1 燈具安裝高度及功率的選擇Table 1 Position、mounting height and power of the lamp

圖5 不同燈具的布置Fig.5 The layout for different kinds of lamps

4.3 控制冰面反射光對轉(zhuǎn)播機位的影響

速度滑冰的冰面，在低角度下，就像一面鏡子，控制冰面反射光是場地照明實施的最大難點。根據(jù)OBS的要求，燈具的布置除消除對攝像機的直接眩光，還需要考慮冰面的反射，主攝像機拍攝FOP和熱身道時，不允許有反射眩光或眩光(skip light)，如圖6所示。燈具應該安裝于從攝像機位置拍攝過去無倒影的區(qū)域。

圖6 冰面反射光控制Fig.6 Control ice reflected light

由于本場館為全冰面場地，冰面面積大，馬道受場館造型的原因，為雙曲造型，燈具的安裝收到制約，同時本場館轉(zhuǎn)播攝像機數(shù)量比較多，因此避免冰面反射對攝像機的影響難度非常大，需要針對每個攝像機進行驗證，其驗證過程也比較復雜。分析示例如下：

根據(jù)OBS要求，需要評測三個位置A、B、C的反射眩光狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 評測反射眩光A、B、C三個位置Fig.7 Measure the reflection glare for point A、B、C

圖8中反映的是反射眩光和燈具位置的關系，有些區(qū)域從反射眩光角度出發(fā)，不宜設置燈具，但根據(jù)攝像機垂直照度要求，這些區(qū)域還必須需要安裝燈具才能滿足要求。

圖8 反射眩光和燈具位置的關系Fig.8 The relationship between the reflected light and the position of lighting

對于攝像機B，內(nèi)圈馬道的向內(nèi)側(cè)安裝的燈具，如果不進行光線控制，將會在攝像機視野內(nèi)形成眩光(skip glare)，如圖9所示。

圖9 冰面反射對轉(zhuǎn)播機位的影響Fig.9 Effect of ice reflection on retransmission position

針對上述問題，在照明設計中提出以下解決方案：

1)選擇不同功率和配光角度的燈具，確定合理的馬道安裝位置，利用BIM技術，為每一盞燈具精確定位，選擇合適的照射角度。

2)單純的遮光板對冰面倒影幫助不大，故采用加裝合理的控光格柵方式。

3)賽時在內(nèi)場鋪設非反光的地墊。

在解決問題的同時，也帶來了不利影響：

1)為減輕或防止冰面反射，增加了控光格柵，給燈具效率帶來較大損耗，這部分燈具需要在原計算選型功率基礎上增加一級，會造成整體能耗的增加。越是嚴格的遮蔽措施對燈具效率影響越大。

2)根據(jù)不同的高度及位置，采用不同功率不同型號的燈具對冰面反射光的控制有很大的幫助，但會帶來燈具數(shù)量的增加。

4.4 建筑信息模型(BIM)在場地照明中的應用

受到三圈高低不同的雙曲馬道的制約，且從節(jié)能出發(fā)，本工程室內(nèi)場地上空設置低輻射反射膜，同時考慮美觀所有的燈具安裝不能低于反射膜的下端，由于反射膜的存在，造成所有的場地照明燈具、場芯風道、消防噴灑頭、燈光、音響、強弱電管線、屋面太陽能光伏發(fā)電的引下線纜均需要敷設在馬道上，馬道上管線密布，對照度計算和燈具的安裝等造成了很大的困難。同時場地1/4區(qū)域內(nèi)每盞燈具的安裝高度和角度都有差異，是比較復雜的3D結(jié)構，傳統(tǒng)的平面燈具設計圖紙，很難真實地反映燈具在不同高度馬道上的具體位置(包括水平投影位置和高度位置)。所以本工程利用BIM技術建模，真實地反映出每盞燈具的安裝詳情，在馬道上各專業(yè)的管線安裝前，提前發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整管線，為燈具的安裝調(diào)試及檢修預留出必要的空間，如圖10所示。

圖10 場地照明BIM模型Fig.10 BIM for lighting collocation scheme

4.5 賽時應急模式的校驗

場地照明對賽事和轉(zhuǎn)播至關重要，因此OBS要求，所有的場地照明燈具分為A、B兩個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)各帶50%照明負荷。本次冬奧會50%場地照明，不是指50%的場地照明燈具，而是保證50%場地照明照度所涉及的燈具。從供電系統(tǒng)上A、B兩個系統(tǒng)也是分開的。一旦出現(xiàn)供電故障，需要保證50%場地照明不受影響，包括水平、垂直照度和均勻度等，如圖11、圖12所示。

圖11 A組燈具50%場地照明計算Fig.11 50% lighting calculation for group A

圖12 B組燈具50%場地照明計算Fig.12 50% lighting calculation for group B

4.6 燈光控制

場地照明的燈光控制既要關注賽時，也要很好的兼顧賽后。特別是要滿足賽后包括大道速滑、短道速滑、冰上舞蹈、全冰面體育活動等多種功能需求。

全部賽時燈具在賽后均投入運營使用，通過控制系統(tǒng)的開關燈+調(diào)光組合完成速滑比賽、2塊冰場的獨立使用及全冰面活動的照明要求。

本次使用的燈具全部是DMX512調(diào)光控制，由高清晰彩電轉(zhuǎn)播的HDTV模式向下延伸的更低模式均由調(diào)光完成。

賽后的轉(zhuǎn)換如無新增要求，無需進行調(diào)整，僅需控制系統(tǒng)軟件調(diào)整即可完成。

場館照明控制系統(tǒng)可以對照明燈具進行單燈、分組或分區(qū)控制，根據(jù)需要進行場景切換，如正式比賽、訓練、清掃、安全等多種模式。可實現(xiàn)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能自動發(fā)出聲光報警信號；能設定、修改和重置系統(tǒng)參數(shù)；設置直接手動控制；能對照明系統(tǒng)能耗進行監(jiān)測和統(tǒng)計；對燈具的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測；對燈具運行時數(shù)、開關次數(shù)進行統(tǒng)計；同時為今后的燈光表演預留與相關的通訊接口。燈光控制系統(tǒng)構架如圖13所示。

圖13 燈光控制系統(tǒng)構架圖Fig.13 Topology of lighting control system

5 結(jié)束語

由于本工程正在實施過程中，結(jié)合產(chǎn)品的場地照明設計還沒有完成，OBS對場地照明方案、轉(zhuǎn)播機位仍在討論中，因此場地照明的方案還會不斷地優(yōu)化完善，隨著燈具的安裝測試，將會有技術數(shù)據(jù)不斷更新。