特大型體育館斗屏設(shè)計(jì)優(yōu)化淺析

劉真全, 蔡雄飛

(1.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,武漢 430014;2.中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司,武漢 430014)

1 項(xiàng)目概況

本文介紹的體育館坐席數(shù)1.8 萬(wàn)座,為特大型甲級(jí)體育館,是全運(yùn)會(huì)閉幕式主會(huì)場(chǎng)及競(jìng)技體操項(xiàng)目主賽場(chǎng),同時(shí)滿足承辦亞運(yùn)會(huì)(籃排球等單項(xiàng))賽事及籃排球世錦賽等單項(xiàng)國(guó)際賽事需求,并滿足賽后文藝演出、集會(huì)、展示、全民健身的綜合利用要求,是集休閑公共空間和運(yùn)動(dòng)功能為一體的綜合型建筑。 總建筑面積約為108 283m2,地上5 層,屋面最高點(diǎn)42.36m,看臺(tái)觀眾席最高處直徑130m,體育館鳥(niǎo)瞰圖如圖1 所示。

圖1 體育館鳥(niǎo)瞰圖

2 設(shè)計(jì)規(guī)范

國(guó)內(nèi)目前暫無(wú)明確的針對(duì)斗屏的智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn),僅有JGJ 31-2003《體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》、SJ/T 11406-2009《體育場(chǎng)館用LED 顯示屏規(guī)范》、GB/T 29458-2012《體育場(chǎng)館LED 顯示屏使用要求及檢驗(yàn)方法》、JGJ/T 179-2009《體育建筑智能化系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》《FIBA Guide to Basketball Facilities》以及其他國(guó)際單項(xiàng)體育組織相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為其設(shè)計(jì)參考依據(jù)。 相關(guān)條文摘抄如表1,作為設(shè)計(jì)和計(jì)算斗屏的基本參數(shù)依據(jù)。

目前關(guān)于超高清視頻的技術(shù)要求方面也沒(méi)有明確的規(guī)范要求,但超高清屬于大力推廣的一項(xiàng)技術(shù)。

工信部與國(guó)家廣播電視總局及中央廣播電視總臺(tái)聯(lián)合印發(fā)了《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2019-2022 年)》,明確提出“按照‘4K 先行、兼顧8K’的總體技術(shù)路線,大力推進(jìn)超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展和相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用”。 不少省市(如上海市、廣東省)也相繼發(fā)布了各自的《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》,全國(guó)的超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車(chē)道。

體育相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)參考條文 表1

廣電總局印發(fā)了《超高清視頻標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》2020 版,在文教娛樂(lè)版塊提出超高清視頻標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)包含:“超高清互動(dòng)顯示屏、超高清影院系統(tǒng)、超高清視頻會(huì)議系統(tǒng)等標(biāo)準(zhǔn),主要規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量,指導(dǎo)超高清技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用”。 該《指南》對(duì)超高清應(yīng)用于顯示屏有明確表述。

3 原始設(shè)計(jì)情況

根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范及前期各種指導(dǎo)性文件,體育館斗屏前期主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

(1)安裝及維修平臺(tái),用于安裝卷?yè)P(yáng)機(jī)及大屏維護(hù),包括賽事后期轉(zhuǎn)為商用時(shí)用于安裝商用投光投影設(shè)備。

(2)上層環(huán)形廣告文字屏,用于播放廣告或者發(fā)布文字信息等。

(3)4 塊主屏,斗屏的主要設(shè)備,用于播放現(xiàn)場(chǎng)影像及比分等。

(4)內(nèi)側(cè)4 塊內(nèi)邊屏,靠近斗屏位置的觀眾存在視線盲區(qū),無(wú)法觀看到主屏信息,可通過(guò)內(nèi)側(cè)屏獲得到比分及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等信息。 斗屏的優(yōu)化前原始設(shè)計(jì)立面圖如圖2 所示。

(5)依據(jù)規(guī)范計(jì)算得到比分屏的最小尺寸為14.59m2,最大的像素中心距為11.78mm。 斗屏的主要原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)列表如表2 所示。

斗屏的主要原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 表2

原始設(shè)計(jì)高于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),滿足項(xiàng)目前期各方要求。

圖2 斗屏優(yōu)化前立面圖

4 4K 超高清升級(jí)優(yōu)化

該項(xiàng)目作為全運(yùn)會(huì)的開(kāi)幕式場(chǎng)館,在主體結(jié)構(gòu)已完工的情況下,業(yè)主根據(jù)當(dāng)前最新的全運(yùn)會(huì)執(zhí)委會(huì)技術(shù)文件、國(guó)家各部委辦法的法規(guī)性文件及以往各屆全運(yùn)會(huì)主辦方提供的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),對(duì)斗屏視頻顯示畫(huà)面的清晰度提出了更高要求,為此4K 顯示首次應(yīng)用到斗屏設(shè)計(jì)中。 視頻清晰度按照行業(yè)等級(jí)的劃分如表3 所示。

視頻清晰度行業(yè)等級(jí)劃分 表3

4.1 大屏尺寸計(jì)算

屏幕尺寸跟總像素?cái)?shù)成正比,跟點(diǎn)間距成反比。 采用4K 超高清顯示,總像素大大增加,要滿足結(jié)構(gòu)荷載要求則需要減少屏幕尺寸大小,進(jìn)而只能減少點(diǎn)間距;但點(diǎn)間距的降低又會(huì)帶來(lái)價(jià)格的急劇上升。 所以需要綜合考慮功能性和經(jīng)濟(jì)因素,選擇一個(gè)合適的點(diǎn)間距,使綜合效益達(dá)到最佳。

(1)主視頻屏及比分屏面積分析

主視頻屏及比分屏采用4K 超高清傳輸,顯示屏的點(diǎn)間距越小,所需要的大屏面積也會(huì)越小,對(duì)比關(guān)系如表4 所示。

大屏像素與面積對(duì)比關(guān)系 表4

設(shè)計(jì)思路是在滿足結(jié)構(gòu)荷載和最大像素中心距要求的前提下,盡量將視頻屏面積做大,以獲得更佳的觀看效果。 從表4 可以看到采用4K 超高清傳輸時(shí)中間P4 點(diǎn)間距時(shí)需要的大屏面積為132.7m2,大屏自重將增大,復(fù)核結(jié)構(gòu)總荷載將超過(guò)限重50t,故此方案不可行。 P2 點(diǎn)間距時(shí),結(jié)構(gòu)荷載完全滿足要求,但是屏幕總面積太小,與該場(chǎng)館的定位不符,如擴(kuò)大面積,則引起造價(jià)的增加。 所以我們將目光聚集到點(diǎn)間距為P3 的情形,經(jīng)核算此時(shí)總荷載未超過(guò)限值,且還有一定余量,并且此時(shí)大屏底端至地面高度＞20m,不會(huì)遮擋觀眾視線,完全滿足要求。 若采用8K 超高清傳輸,P2 點(diǎn)間距時(shí)大屏面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于先有設(shè)計(jì)尺寸,荷載將明顯超過(guò)結(jié)構(gòu)限定值,不可取;采用P1.2 間距時(shí)能滿足要求,但此時(shí)設(shè)備造價(jià)將大大提升。 采用4K 超高清與8K 超高清傳輸時(shí),人眼幾乎分辨不出差別,4K清晰度已經(jīng)完全滿足現(xiàn)有要求,經(jīng)過(guò)綜合考慮成本與實(shí)際效果,決定放棄8K 超高清傳輸,采用4K,P3點(diǎn)間距超高清視頻模式。

經(jīng)過(guò)與廠家核實(shí),P3 室內(nèi)型產(chǎn)品主流點(diǎn)間距為P2.97,顯示模組像素為250×250mm,實(shí)際顯示尺寸計(jì)算如下。

1)比分屏尺寸計(jì)算

a)比分屏寬度按表4 要求的11.52m,高度仍按原設(shè)計(jì)2.51m 計(jì)算,完全滿足規(guī)范要求。 寬度需要模組11.52/0.25=46 個(gè);高度需要2.51/0.25=10個(gè);計(jì)算實(shí)際顯示尺寸如表5。

b)視頻屏寬度為11.52m,顯示比例16 ∶9,計(jì)算實(shí)際顯示尺寸如表6。

比分屏寬度為11.52m 的計(jì)算實(shí)際顯示尺寸 表5

視頻屏寬為11.52m,高為5.76m,需要46(寬)×26(高)的模組(箱體)組成視頻顯示屏。

2)內(nèi)側(cè)比分屏最小面積計(jì)算

根據(jù)GB/T 29458-2012 第5.3.1 條,最大視距與字符高度的計(jì)算公式如式(1)。

式中,Hmax為最大視距,m;k 為視距系數(shù),一般取345;d 為字符高度,m(字符為16 點(diǎn)陣漢字)。

考慮最遠(yuǎn)到三層包廂層(同時(shí)也是VIP 區(qū))可能會(huì)被遮擋視線,需要借助內(nèi)側(cè)屏觀看比分,測(cè)得此時(shí)至大屏距離約為45m,可以計(jì)算得到字符高度為式(2)。

根據(jù)GB/T 29458-2012 第5.2.1.1 條,斗屏比分屏至少能夠顯示16 點(diǎn)陣漢字12 行,行間距不小于字符的1/10,每行至少能夠顯示36 個(gè)漢字。

因字高d=0.1 304m,合并字間距高度總和為 0.1 304×1.1=0.1 434m。 要滿足規(guī)范至少能夠顯示12 行漢字的要求,比分屏高度為0.1 434×12=1.722m。

漢字寬高比設(shè)為0.85,故而字寬為0.1 304×0.85=0.11 084m。 根據(jù)規(guī)范每行至少能夠顯示36個(gè)漢字的要求,所以比分屏寬度為0.11 084×36=3.99m。

按顯示評(píng)分項(xiàng)目字符數(shù)要求,計(jì)算出比分屏顯示區(qū)域需滿足以下最小面積S 如式(3)。

原設(shè)計(jì)尺寸3.84m(長(zhǎng))×1.92m(高),P6 點(diǎn)間距,顯示模組像素為192×192mm,需要 20(寬)×10(高)的模組(箱體)組成顯示屏,已經(jīng)滿足要求。 但考慮到主屏的面積增大,為了整體協(xié)調(diào),適當(dāng)增加橫向模組數(shù)為23 個(gè),得到最終寬度為23×0.192=4.416m。

(2)角屏設(shè)計(jì)

為了使整體效果更好,設(shè)計(jì)4 塊錐面角屏將四個(gè)角的縫隙填滿,點(diǎn)間距與主屏幕保持一致,采用P3 點(diǎn)間距,角屏輻射角度為14°。 角屏的高度同主屏一致,為9.0m。 通過(guò)理想模型與近似錐面的切割匹配,得到錐面屏的最終形態(tài),轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖3所示。

(3)頂部圓形環(huán)屏尺寸選擇

圖3 角屏設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換過(guò)程

頂部圓形屏主要用于播放廣告和文字,為節(jié)省造價(jià),采用P6 點(diǎn)間距,顯示模組像素為192 ×192mm。 主屏及角屏已經(jīng)確定,通過(guò)繪圖軟件或者簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算很容易得到環(huán)形屏的周長(zhǎng)方向?yàn)?12 個(gè)模組,長(zhǎng)度為59.904m;為使總荷載不超過(guò)限值,決定在原基礎(chǔ)上適當(dāng)減少環(huán)形屏的高度,經(jīng)過(guò)多次比對(duì),最終選擇豎向尺寸為5 個(gè)模組,高度為0.96m。

4.2 大屏實(shí)際分辨率計(jì)算

(1)矩形屏分辨率計(jì)算

與分辨率計(jì)算相關(guān)的公式如下:

顯示屏基本參數(shù)如表7 所示。

可以得到P2.97 點(diǎn)間距下單位方向的像素?cái)?shù)為: N= 250/2.97= 84.17,取整數(shù)為84 個(gè)。 同理P6 點(diǎn)間距下單位方向的像素?cái)?shù)為M=192/6=32,由此可以計(jì)算得到顯示屏實(shí)際的分辨率,以主屏為例。

顯示屏基本參數(shù) 表7

橫向方向的分辨率為K=84×46=3 864。

比分屏豎向方向的分辨率為K=84×10=840。

視屏屏豎向方向的分辨率為K = 84×26 =2 184。

同理可以計(jì)算得到環(huán)型屏的實(shí)際分辨率為長(zhǎng)和寬為9 984×160。

內(nèi)邊屏實(shí)際分辨率為長(zhǎng)和寬為736×320。

(2)錐形屏實(shí)際分辨率計(jì)算

錐形屏展開(kāi)面積為一個(gè)扇形,下口很窄,為了使實(shí)際效果盡量靠近模型計(jì)算值,設(shè)計(jì)時(shí)選用小尺寸模組,模組尺寸為62.5×250mm 和62.5×125mm兩種規(guī)格。

錐型屏的高度及點(diǎn)間距與主屏一致,可得其豎向方向的像素?cái)?shù)為3 024;其上口寬度為2 785mm,下口為641mm,按照主屏的計(jì)算分辨率的方法,得到上口分辨率為735,下口橫向分辨率為210。 最終斗型屏的參數(shù)如表8 所示。

斗型屏最終參數(shù) 表8

4.3 采用4K 傳輸對(duì)系統(tǒng)的要求

由表3 可以看到,4K 超高清的像素應(yīng)是1080P的4 倍,由此數(shù)據(jù)流量大大提升。

(1)寬帶要求

4K 內(nèi)容需要的傳輸速率(按H. 265 標(biāo)準(zhǔn)壓縮后):12～40 Mbps,也就是1.5～5M/s 的速度。

鑒于4K 傳輸?shù)母咚俾室约氨确旨耙曨l信號(hào)的高穩(wěn)定性要求,將系統(tǒng)所用線纜從銅纜升級(jí)為單模光纖。

(2)傳輸方式選擇

4K 超高清要求最高能夠傳輸無(wú)壓縮信號(hào)3Gbps,目前主流的傳輸方式主要有三種,其區(qū)別如表9。

由于該項(xiàng)目屬于重大賽事的主場(chǎng)館,高可靠性是第一考量,故淘汰不成熟的HdBaseT 方式;另一方面4k 要求高傳輸率,故淘汰HD-SDI 方式。 最終選擇HDMI-2.0 方式傳輸,同時(shí)鑒于其傳輸距離只有10m,所以在視頻拼接器與設(shè)備之間增加4K 發(fā)送盒,HDMI-2.0 只在拼接器與4K 發(fā)送盒之間使用,4K 發(fā)送盒與設(shè)備之間長(zhǎng)距離的傳輸采用單模光纖。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4。

目前主流三種傳輸方式對(duì)比表 表9

圖4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

5 屏體結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化

大屏面積增加必然使荷載超過(guò)結(jié)構(gòu)原始限值,為此必須減少斗屏系統(tǒng)的重量,進(jìn)行輕量化優(yōu)化。

整個(gè)斗屏結(jié)構(gòu)采用懸掛方式懸掛于場(chǎng)館正中間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的四個(gè)球節(jié)點(diǎn)上。 吊裝的重量主要來(lái)源于三個(gè)方面:(1)頂部升降平臺(tái)系統(tǒng)的自重,主要設(shè)備為卷?yè)P(yáng)機(jī);(2)LED 顯示屏本身的自重;(3)搭載LED 顯示屏結(jié)構(gòu)的重量。

升降平臺(tái)維持原設(shè)計(jì),采用4 臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)升降方式,鋼絲繩以上(含鋼絲繩)LED 升降系統(tǒng)部分在既有平臺(tái)上增加的總重量為13.5t。

為了降低斗屏總重量,采用以下兩項(xiàng)主要措施。

(1)降低LED 顯示屏本身自重:傳統(tǒng)鈑金材質(zhì)機(jī)箱LED 顯示屏的重量45kg/m2,改為36kg/m2的壓鑄鋁材質(zhì)機(jī)箱LED 顯示屏,在降低顯示屏自重的同時(shí),還要保證顯示屏機(jī)箱的強(qiáng)度,最終該項(xiàng)目選用輕型合金材質(zhì)的機(jī)箱,P3 機(jī)箱重量計(jì)劃為20kg/m2,P6 屏體單位重量為30kg/m2,屏體總重量(包含P6、P3)為11.6t。

(2)減少搭載LED 顯示屏的結(jié)構(gòu)自重:充分考慮只有4 個(gè)吊點(diǎn)(4 臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī),4 個(gè)吊點(diǎn),增加1 臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī),增加3t 的卷?yè)P(yáng)機(jī)自重),同時(shí)保證鋼結(jié)構(gòu)起升過(guò)程中不會(huì)被拉“散架”;傳統(tǒng)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)攤到每平米顯示屏,重量65kg/m2,該項(xiàng)目采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)鋁合金結(jié)構(gòu),攤到每平米顯示屏,重量45kg/m2,大大降低了承重結(jié)構(gòu)的自重,框架總重量為21.15t,結(jié)構(gòu)圖紙如圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)圖紙

通過(guò)以上措施,最終斗型LED 視頻顯示屏滿足4K 超高清視頻播放的需求,總顯示面積達(dá)到541.2m2,成為全國(guó)最大面積的顯示屏,同時(shí)總重量為(11.6+21.15)×1.1(升降廠家提供動(dòng)荷載系數(shù))+13.5=49.53t,小于限重50t。 升級(jí)后斗屏的正視圖和頂視圖如圖6～7 所示。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后,在沒(méi)有突破荷載限值的前提下,傳輸?shù)囊暺燎逦取⑵聊怀叽缇玫捷^大提升,同時(shí)增加了角屏,使得整體效果更震撼,在有限的條件下將提升效果發(fā)揮到了最大,其優(yōu)化設(shè)計(jì)前后比較如表10。

6 結(jié)束語(yǔ)

圖6 升級(jí)后斗屏正視圖

圖7 升級(jí)后斗屏俯視圖

中央斗屏是體育館大屏系統(tǒng)的重要組成部分,也是場(chǎng)館中比較出彩的部分,在后期商業(yè)運(yùn)營(yíng)中扮演了重要的角色。 本設(shè)計(jì)采用了多項(xiàng)新技術(shù):(1)體育館中央斗屏采用4K 超高清顯示,在全國(guó)范圍內(nèi)為首次,大大提升了我國(guó)籃球場(chǎng)館的建設(shè)水平。 (2)顯示屏的面積做到了目前全國(guó)最大,達(dá)到540.78m2。 (3)利用多項(xiàng)措施使產(chǎn)品輕量化,保證大屏面積增大而總荷載不超過(guò)原有設(shè)計(jì)值。

此次斗屏多項(xiàng)指標(biāo)創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)之最,同時(shí)克服了主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完工,結(jié)構(gòu)荷載無(wú)法增加的困難,對(duì)類(lèi)似工程具有較好的借鑒意義,希望帶動(dòng)更多更先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到斗屏設(shè)計(jì)中。

優(yōu)化設(shè)計(jì)前后比較 表10