國家體育場(鳥巢)夜景照明修復(fù)提升

丁志強(qiáng)，李占杰，陳藝紅，黃思平

(中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044)

引言

國家體育場(鳥巢)位于北京奧林匹克公園中心區(qū)南部，為北京2008年奧運(yùn)會的主體育場，如今即將成為北京2022年冬奧會及冬殘奧會開、閉幕式主會場。北京，作為世界上唯一一座舉辦夏奧和冬奧的“雙奧”之城將再次舉世矚目，而同樣作為舉辦“雙奧”開、閉幕式的體育場館已悄然走過了15個年頭，如今面臨著諸多有待修復(fù)提升的問題，而夜景照明尤為明顯。如何對鳥巢夜景照明進(jìn)行修復(fù)提升，使其既能讓世人接受又能展現(xiàn)全新面貌成為本項(xiàng)目的重點(diǎn)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 場館概述

自2008年作為奧運(yùn)會主體育場至今，鳥巢見證了北京奧運(yùn)會的成功舉辦，至今是世界范圍內(nèi)重要的當(dāng)代建筑作品，其獨(dú)特且大膽的結(jié)構(gòu)形態(tài)展現(xiàn)出強(qiáng)大的視覺沖擊力，主體鋼結(jié)構(gòu)形成整體的巨型大跨度交叉旋轉(zhuǎn)編織式“鳥巢”結(jié)構(gòu)，體育場看臺為呈碗狀的鋼筋混凝土框架，屋頂部是由上層ETFE膜和下層及內(nèi)環(huán)側(cè)壁的PTFE膜包裹的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，形成一個開放且巨大的城市“灰空間”，也正是這些開敞的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和集散大廳包圍的組合方式[1]，剪影出了極具中國特色的夜間形象，成為了一個文化地標(biāo)，運(yùn)營至今并歡迎著所有的游客前來打卡留念。

1.2 照明回顧(2008年& 2012年)

2008年，在綜合考慮了鳥巢的建筑形態(tài)、實(shí)施落地性、綠色照明理念等條件后最終確定了由三大部分組成的照明效果(圖1)。一是選用紅光、白光、黃光調(diào)配的燈具投射核心筒和觀眾看臺背部的紅墻，呈現(xiàn)帶有暖色調(diào)的中國紅形象；二是2～6層邊梁位置的投光燈打亮立面鋼架內(nèi)側(cè)及左右兩側(cè)所形成的U形面；三是置于屋頂層的投光燈打亮上下膜結(jié)構(gòu)及之間的鋼架結(jié)構(gòu)。所有投光燈點(diǎn)位以每250 W金鹵燈和400 W鈉燈各一盞為一組[2]。到2012年，對鳥巢夜景照明工程進(jìn)行升級改造，主要完成了沿屋頂層外圍鋼架106W的LED燈具的安裝以提升亮度。通過實(shí)地勘察及鳥巢區(qū)域相關(guān)亮度、色溫、照度等信息的收集，發(fā)現(xiàn)從效果上，鋼架及紅墻處都已出現(xiàn)亮度降低、亮度及色調(diào)不勻的問題，并且紅墻因?yàn)?、4層是玻璃的材質(zhì)與1、2、5層為涂料材質(zhì)的實(shí)墻形成效果上的偏差。從安裝條件上發(fā)現(xiàn)燈具及走線均有不同程度的老化，以及因?yàn)閺?fù)雜且苛刻的安裝條件產(chǎn)生效果上的欠缺。

圖1 2008年鳥巢實(shí)拍效果Fig.1 Real pics of Bird’s Nest from 2008

2 設(shè)計(jì)策略

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

還原鳥巢經(jīng)典夜間形象的同時煥發(fā)出具有新時代的生機(jī)將是這次改造的核心目標(biāo)。通過對周邊夜環(huán)境亮度數(shù)據(jù)的采集、對原設(shè)計(jì)目標(biāo)及現(xiàn)場亮度數(shù)據(jù)的對比、以及照度計(jì)算的模擬，得出屋頂及立面鋼架的平均亮度值為20 cd/m2、紅墻為25 cd/m2(圖2)。通過不同位置的燈具組合控制，可以分別在平日、一般節(jié)日和重大節(jié)日呈現(xiàn)不同效果。

2.2 項(xiàng)目亮點(diǎn)及難點(diǎn)

用壽命長、能效高、維護(hù)更少的LED燈具替換原有傳統(tǒng)光源是改造項(xiàng)目最先想到的提升辦法，考慮到項(xiàng)目的長期運(yùn)行及燈具的正常光衰，在設(shè)計(jì)階段對總體功率進(jìn)行了預(yù)留，得以盡可能地延長燈具使用時效。通過燈具的替換對2008年包括色彩和亮度的夜景效果的還原外，對部分原有效果的問題進(jìn)行了一定程度的整改；并且此次改造采用可變色投光燈，可通過控制根據(jù)不同時段需求呈現(xiàn)多元化的夜景效果；控制也提升為開放式協(xié)議，可滿足未來項(xiàng)目運(yùn)營需求，并實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的用電節(jié)能。

項(xiàng)目在設(shè)計(jì)及施工階段需要考慮原有設(shè)備管線的利舊，并要保證施工工程期間的正常亮燈，復(fù)雜的現(xiàn)場條件需要增加特殊機(jī)械及施工措施。因?yàn)樾鹿谝咔橛绊懝庠葱酒a(chǎn)以及供貨商工廠所在地控制用電的政策都影響著施工進(jìn)度，而嚴(yán)格的場館管控限制工人進(jìn)場人數(shù)，也讓工期愈加緊張。鳥巢改造作為重點(diǎn)建筑的高規(guī)格項(xiàng)目，項(xiàng)目所用燈具從采購到施工必須做到嚴(yán)格把關(guān)、有條不紊，這對各單位高度密切的配合都提出了更高的要求。

圖2 亮度對比分析Fig.2 Brightness contrast analysis

3 技術(shù)實(shí)施

3.1 燈具提升

此次改造燈具的提升主要包括：照明效果、安裝方式、安全措施等方面。

3.1.1 投光燈

投光燈實(shí)施的位置為2、3、4、5、6層邊梁以及頂部鋼架。此次提升采用可變色的LED燈具替換原有白光金鹵燈及黃光鈉燈，使鳥巢可以在未來有更多模式的可能性。為了更有效的利用燈具輸出，增加了黃色燈珠的配比，實(shí)現(xiàn)高亮度的黃光效果。對應(yīng)不同的照射距離及被照面范圍，選用合適的功率及出光角度。防眩格柵改為可旋轉(zhuǎn)角度的，有利于后期調(diào)整。為了保證燈具使用安全，此次改造增加了防墜落措施。

3.1.2 線型燈

線型燈實(shí)施的位置為核心筒外環(huán)紅墻(1、2、5、6、7層)及紅色玻璃(3、4層)、核心筒內(nèi)環(huán)紅墻(2、5層)。對于線型燈的提升主要是如下三個方面：

(1)核心筒立面的均勻度。原應(yīng)用于核心筒位置的燈具全部采用一種配光曲線，采用的是對稱寬配光，這種配光適合于遠(yuǎn)投墻面，效果上中間較亮，上下有較明顯暗區(qū)。另外現(xiàn)場安裝條件復(fù)雜，部分位置不具備遠(yuǎn)距離安裝條件，導(dǎo)致只能近距離安裝，造成墻面上部曝光嚴(yán)重，下部墻面暗區(qū)明顯(圖3)。此次提升首先排查安裝條件，為便于采購控制選型種類，歸納為距墻10～15 cm、90～100 cm兩個位置，對應(yīng)兩個位置選擇相適應(yīng)的配光角度：距墻10～15 cm選用小角度洗墻偏配光(圖4)，距墻90～100 cm選用擦墻偏配光(圖5)。

圖3 改造前紅墻效果Fig.3 The original light effect of red wall

圖4 洗墻配光Fig.4 Wall washing light distribution

圖5 擦墻配光Fig.5 Wall wiping light distribution

(2)核心筒立面色彩。此次提升工程，線性燈具采用紅白黃三色燈珠，依靠混光呈現(xiàn)中國紅的顏色表達(dá)。選用高品質(zhì)芯片，嚴(yán)格控制白光的顯色性及色容差。對紅色涂料和紅色玻璃墻體分別控制，調(diào)試出最適合的顏色比例，使二者色彩上相接近，實(shí)現(xiàn)紅色核心筒效果的整體性(圖6)。

(3)燈具的防眩。燈具的防眩處理，設(shè)計(jì)上從兩個方面解決。一是燈具發(fā)光表面的眩光，采用外置擋光板；二是控制墻面的反射曝光，采用帶傾斜角度同透鏡偏光角度一致的防眩格柵。為了找到減少光損失與防眩效果的平衡點(diǎn)，項(xiàng)目參與各方進(jìn)行了多次的現(xiàn)場試驗(yàn)，確定格柵的高度、密度和傾斜角度。

圖6 改造后紅墻效果Fig.6 The renovated light effect of red wall

3.1.3 燈具的樣品確認(rèn)

確認(rèn)樣品的工作分為兩個階段。第一階段，品牌比選，一共有8個品牌提供了燈具樣品，試燈過程在兩個地方進(jìn)行，首先是在暗房間測量燈具光學(xué)方面的參數(shù)并記錄燈具外觀尺寸，然后在實(shí)際應(yīng)用位置模擬測試(圖7)。燈具的比選通過數(shù)據(jù)量化，選出最佳品牌，并組織專家評審會為項(xiàng)目把關(guān)。第二階段，確定品牌后對燈具進(jìn)行優(yōu)化。針對現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行試燈，為了提高效率，要求廠家同時提供多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選，反復(fù)試驗(yàn)得出最佳效果燈具(圖8)。

圖7 現(xiàn)場試燈Fig.7 Light testing on site

圖8 洗墻均勻度數(shù)據(jù)分析Fig.8 Data analysis of uniformity of wall washing

3.1.4 燈具安裝調(diào)試

由于項(xiàng)目工期緊張的原因，此項(xiàng)目的安裝與調(diào)試是同步進(jìn)行的，標(biāo)準(zhǔn)安裝位置大面積實(shí)施的同時，特殊安裝細(xì)節(jié)位置的反復(fù)試驗(yàn)也在同步進(jìn)行。項(xiàng)目各方高頻率全過程的緊密配合換來了項(xiàng)目的圓滿完成(圖9)。

圖9 鳥巢改造后效果Fig.9 The renovated light effect of Bird’s Nest

3.2 配電系統(tǒng)

根據(jù)燈具系統(tǒng)與原系統(tǒng)對比，雖然燈具總功率的峰值是增加的，然而平日或節(jié)日通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的實(shí)際使用功率卻是減少的，故本項(xiàng)目有了利用原配電系統(tǒng)的可能性。首先復(fù)核原配電系統(tǒng)低壓配電室內(nèi)斷路器的整定值，復(fù)核原配電干線，確認(rèn)每條干線可負(fù)載的功率范圍，由于原系統(tǒng)采用的是樹干式，即每個核心筒一條干線，不同層所負(fù)載的燈具不同，每個核心筒的層數(shù)不同，最高處有7層，最低處僅有4層，屋頂由4根干線負(fù)載。通過對整體負(fù)荷進(jìn)行分類、統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)配電系統(tǒng)的總承載能力要大于燈具的總負(fù)荷，但4個核心筒區(qū)域的燈具負(fù)荷卻要比線纜所能承載的負(fù)荷大，而且即使能滿足負(fù)荷的系統(tǒng)，電箱內(nèi)的回路數(shù)量也遠(yuǎn)無法滿足現(xiàn)有燈具需求。經(jīng)過對負(fù)荷的再分配，對各解決方案從實(shí)施、經(jīng)濟(jì)、安全、影響等方面進(jìn)行對比分析，最終采用替換部分電箱，將燈具按照滿足干線負(fù)載量重新劃分的方案，這樣即減少施工難度，又經(jīng)濟(jì)安全，對原有系統(tǒng)的改動也壓縮到了最小。

由于將原有LED燈具、鈉燈具全部替換為LED燈具，所產(chǎn)生的諧波如果不加以控制，會對電網(wǎng)造成較大危害，且不利于節(jié)能環(huán)保。為解決諧波干擾，選用燈具時要求諧波含有值滿足《電磁兼容 限值 諧波電源發(fā)射值(設(shè)備每項(xiàng)輸入電流≤16A)》(GB 17625.1—2012)的規(guī)定，設(shè)備訂貨前，廠家需提供實(shí)測諧波含有值數(shù)據(jù)；在配電方面，三相照明線路的各項(xiàng)負(fù)荷分配保持平衡，最大項(xiàng)、最小項(xiàng)與三相負(fù)荷平均值差距控制在15%以內(nèi)；要求選擇帶有功率補(bǔ)償功能的開關(guān)電源，補(bǔ)償后的功率因數(shù)不小于90%，這有效地降低了無功功率所帶來的損害。

3.3 控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用EIB總線智能控制系統(tǒng)和DMX512控制系統(tǒng)；分時段、多模式、多場景控制，合理確定開關(guān)燈時間，可以有效節(jié)約能源；EIB總線控制系統(tǒng)控制強(qiáng)電回路的模塊通斷，因電箱位置和數(shù)量未有變化，并且原有控制線路經(jīng)過檢測后仍可以利用，所以此部分僅對軟件系統(tǒng)進(jìn)行重新安裝，并經(jīng)過調(diào)試后可正常運(yùn)行。關(guān)于DMX512控制系統(tǒng)，由于更換后所有燈具全部采用DMX512控制方式，增加體量巨大，且對原有DMX512控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)已無法利用，于是考慮全部進(jìn)行更換，采用在每個核心筒放置一臺交換機(jī)作為數(shù)據(jù)匯聚層級，在屋頂放置一臺交換機(jī)作為數(shù)據(jù)匯聚層級，采用信號線循環(huán)方式連接至每層的分控器，可有效避免某一段線路出現(xiàn)問題后，信號傳輸受阻。分別在中央控制室、冬奧指揮中心和控制中心分別設(shè)置主控設(shè)備，與各交換機(jī)采用光纖進(jìn)行連接，并對各控制室設(shè)置指令級別，確定指令的優(yōu)先級以確保各模式控制不會產(chǎn)生沖突。

4 結(jié)語

未來，“城市更新”將會越來越多的涉及，照明改造提升可以對一座建筑還原或重塑夜景形象，尤其是在當(dāng)下國家“雙碳”政策的號召下，一大批過去的傳統(tǒng)光源將逐漸退出歷史舞臺，更高效、精準(zhǔn)的LED燈具和更先進(jìn)的照明技術(shù)會隨著經(jīng)典建筑的修復(fù)提升被更多照明設(shè)計(jì)從業(yè)人員所運(yùn)用。希望通過對本項(xiàng)目全過程的梳理和總結(jié)對同類型的改造工程提供一定的思路和參考。