2022年冬奧會北京賽區場地照明工程應用

楊 波

(瑪斯柯照明設備上海有限公司，上海 201107)

引言

第24屆冬季奧林匹克運動會將于2022年2月4日在北京開幕，本次冬奧會共設7個大項、15個分項、109個小項的比賽，金牌總數將達到109枚，創冬奧歷史新高。本次冬奧會分為北京賽區、延慶賽區和張家口賽區，承擔全部滑冰、滑雪、冰球、冰壺、冬季兩項、雪車和雪橇的比賽任務。本文就筆者親自參與的部分賽事照明工程包括首鋼大跳臺、國家體育館、國家游泳中心、國家越野滑雪中心等項目的應用實踐進行了總結歸納，希望對中國冰雪運動場地照明的發展有參考作用。

1 冬奧會場地照明要求

從2016年的里約奧運會開始，LED燈具逐步取代金鹵燈成為體育賽事場地照明應用中的主流技術，2018年平昌冬奧會以及2020年東京奧運會，所有場地照明均采用LED技術，4K轉播技術應用到電視轉播中，這一點在OBS體育轉播照明通用指南中體現得非常明顯。

體育照明的對象和需求不同于其他照明。它更加側重對場內外的眩光和外溢光的控制、確保提供給運動員發揮出最佳競技狀態的光環境，能讓觀眾在舒適、無眩光、無外溢光狀態下觀看比賽、記分牌、視屏和場地內的一切活動，提供給媒體確保圖像質量、無陰影和眩光的拍攝環境。

我們常見的與賽事照明有關的標準分為國際照明委員會(CIE)標準、國際單項體育組織標準、國際轉播機構標準以及國家或地區標準。我國國內標準主要有《體育場館照明設計和檢測標準》(JGJ 153—2016)[1]、《體育建筑電氣設計規范》(JGJ 354—2014)[2]、《LED體育照明應用技術要求》(GB/T 38539—2020)[3]等。國際奧委會電視轉播機構(OBS)就冬奧會照明標準專門出版了《Sports Broadcast Lighting Generic Guidelines》對奧運賽事場地照明做出了詳細的要求，與其他場館的照明要求有顯著差別，主要體現如下：

1)攝像機垂直照度(Ec)要求最小值大于1 600 lx。不同于其他標準要求的平均照度，OBS要求的是最小值，奧運會比賽期間的最低限值；移動式攝像機垂直照度(Ev)不低于“主”攝像機照度的0.7倍。

2)均勻度要求大幅度提高。這是對賽事場地照明設計的一大挑戰。攝像機垂直照度最小值/最大值U1≥0.7(高于JGJ 153 VI級HDTV轉播重大國家、國際比賽的0.6)，最小值/平均值U2≥0.8(高于JGJ 153 VI級HDTV轉播重大國家、國際比賽的0.7)；比賽場地每個計算點上四個方向上的最小垂直照度與最大垂直照度之比不小于0.6。

3)均勻度梯度UG大幅度提高到每2 m均勻度梯度小于10%。JGJ 153中要求當計算和測量網格小于5 m時，每2 m不應大于10%；當計算和測量網格不小于5 m時，每4 m不應大于20%。

4)眩光指數(攝像機)提高到低于40。通常場地的眩光指數要求為不高于50。大大提高了對場地的眩光控制要求，對燈具的安裝位置有更高的要求。

5)對光源色度參數提出了新的要求。除了要求顯色指數Ra≥85，相關色溫Tk≥5 600 K以外，還提出了電視轉播顏色復現指數TLCI的要求大于85，特殊顯色指數R9不小于45。

6)完全無頻閃照明(Flicker Free)，避免鏡頭眩光。要求頻閃不應影響極慢動作攝像機(通常為300～900幀/s以上)的拍攝。對燈具的最終位置和攝像機的幾何關系提出了嚴格要求，這也意味著對奧運體育建筑提出了很高的要求。

從以上特殊要求可知，奧運轉播要求的不僅是更多的光，而且是更高質量的光，因為高質量轉播照明要求的光本身并未改變，只是隨著技術進步的影響，將演播室照明設計理念應用到冬奧場館中是確保轉播團隊制作高品質圖像的關鍵，從而對光的質量提出了更高的要求。

2 國家體育館——如何降低冰場擋板陰影成為一個行業難題

奧運會冰球比賽場地尺寸一般為60 m×30 m(圖1)，冰球場由107 cm高的擋板圍住，擋板會產生陰影，擋板上方會有防護玻璃嵌板，玻璃嵌板會產生反光，這都需要在照明設計中考慮。在實際工程中，擋板陰影成為困擾場地使用方的一大世紀難題，很多場館建設方、設計顧問方、管理方想盡了各種辦法來消除擋板陰影，降低陰影對運動員和比賽的影響，但收效甚微。細心的電視和現場觀眾在觀看職業冰球聯賽時應該可以清晰地看到球場上的陰影，包括很多職業冰球賽場。圖2為一個實際工程案例中的陰影，可以看出陰影十分明顯，圖2左圖中擋板陰影區照度與場地區照度比值約為0.51～0.53，圖2右圖中擋板陰影區照度與場地區照度比值約為0.64～0.66，圖2右圖較圖2左圖有改善，但陰影還是很明顯。圖3為擋板陰影非常明顯的冰球場地。

圖1 冰球比賽場地Fig.1 Ice hockey rink

圖2 冰球比賽場地擋板陰影Fig.2 Ice hockey rink board shadow

圖3 擋板陰影非常明顯的冰球場地Fig.3 Ice hockey rink with hard rink board shadows

為了盡量將陰影控制在最小的范圍內，我們從燈具平面布置、型號選擇、配光應用、投射角度等方面進行了精心設計，以求達到最佳效果，最終控制擋板陰影區照度與場地區照度比值達到0.75以上，現場肉眼感覺陰影已經不明顯。對比全世界現有的冰球場地，國家體育館的擋板陰影控制得已經是最好的之一，在解決這個世界性的工程難題方面取得了飛躍式的進步(圖4)。

圖4 國家體育館擋板陰影控制Fig.4 Shadows from the boards were minimized at National Indoor Stadium

在設計時我們不僅充分利用了內、外兩圈馬道，還利用了當中的連接馬道并設計了特殊安裝支架，將部分燈具安裝到沒有馬道但可以安裝燈具的地方，滿足照明設計的要求，達到最佳的照明效果。

燈具選型方面，我們選擇了192套TLC-LED-1 200W和50套TLC-LED-400W的燈具安裝在32～35 m高的馬道上，燈具色溫為5 700 K，顯色指數最小值為90，高于通常標準中的平均值90的要求，特殊顯色指數R9≥61，TLCI≥90，眩光指數最大值僅為19，遠遠低于最高限值。同時其他參數和設計結果均滿足OBS要求。最終實際效果如圖5所示。

圖5 國家體育館實際效果圖Fig.5 Real scene image of National Indoor Stadium

3 首鋼大跳臺——場地照明設計及Ball-TrackerTM技術的應用

首鋼滑雪大跳臺中心是2022年北京冬奧會自由式滑雪大跳臺和單板滑雪大跳臺比賽項目場館。首鋼滑雪大跳臺由賽道、裁判塔和看臺區域三部分組成，賽道長164 m、最寬處34 m、最高點60 m。選手從大跳臺滑下后，將完成空翻、回轉等技術動作。北京冬奧會時，首鋼滑雪大跳臺將產生4塊金牌。2019年首鋼大跳臺已成功承接了2019沸雪北京國際雪聯單板及自由式滑雪大跳臺世界杯賽事。

3.1 場地照明設計

大跳臺場地照明設計按照出發、助滑道、起跳、空中飛行、著陸、停止區的不同照明需求區分。在與建筑照明顧問反復溝通并進行了多稿設計后，為了更好地體現出建筑特色，不破壞原有建筑輪廓，我們采用了更符合建筑特色的短桿體育照明解決方案。將大跳臺原助滑道到起跳區原設計的6根近70 m的高桿替換成16根9.1 m、可以直接與建筑鋼結構本體連接的短桿設計，此為大跳臺場地照明的創新使用，完美替換安裝到地面的大燈桿，達到更好的效果，如圖6所示。

圖6 原有高桿設計方案與實際短桿設計方案實景效果比較Fig.6 Comparison between the original high pole design and the actual short pole design

首鋼大跳臺的場地照明設計以滿足奧運比賽功能為原則，采用了不同功率和型號的大功率LED燈具，出發區的燈具為中功率LED燈具，安裝在其上方的鋼結構上；助滑到起跳區空間采用中大功率LED燈具，安裝在短桿上，短桿上同時安裝了RGBW燈具；起跳到緩沖區主要為大功率LED燈具，安裝在地面6根高桿上；同時安裝了部分提供空中照度的Ball-TrackerTM燈具，提供足夠的空中照度，滿足主攝像機最小值為1 600 lx，并確保運動員運動軌跡清晰可見且不受照明影響。選用的燈具型號多達6種，其中TLC-LED-1200W 68套、TLC-LED-900W 8套、TLC-LED-1500W 86套、TLC-LED-600W 4套、TLC-LED-575W 8套、TLC-RGBW-600W 16套，場地照明總功耗為226.82 kW。

3.2 Ball-TrackerTM技術在大跳臺的首次使用

在起跳和空中飛行區，除了滿足奧運照明技術指標以外，我們還特意設計了特色的TLC-LED-575W的燈具，即Ball-TrackerTM技術,為起跳區上空提供充足的空中照度，提高空中能見度，使運動員的每個動作清晰可見，讓觀眾和攝像機更清晰地捕捉到運動員起跳后空中的運動軌跡，如圖7、圖8所示。圖8中上圖為Ball-TrackerTM技術下，空中球清晰可見；下圖為傳統技術下，空中球效果不佳。圖9顯示為項目完工后的實際效果。

圖7 Ball-TrackerTM技術讓運動員動作清晰可見Fig.7 Ball-TrackerTM Technology provides visibility of athletes’ movements

4 張家口國家越野滑雪中心——LSG系統在室外場地的應用

張家口古楊樹賽區越野滑雪2.5km轉播賽道的照明設計方案共計采用了1 298套TLC-LED-1500W的大功率LED燈具LSG系統，燈具色溫5 700 K，Ra>90，R9>61，TLCI>90，頻閃百分比小于1%，滿足OBS要求，圖10所示為項目實景圖。

4.1 照明設計

(1)賽道根據攝像機覆蓋范圍分段設計，每段賽道的固定攝像機垂直照度最小值>1 600 lx，均勻度U1>0.7、U2>0.8。

(2)技術樓(體育場)區域的燈桿設置在外圍，減少主要攝像機拍攝范圍內的燈桿影響。此區域采用較高的燈桿，高度為40 m和50 m，共8根。

圖8 Ball-TrackerTM技術與傳統技術的對比Fig.8 Comparison between Ball-TrackerTM Technology and traditional technology

圖9 2019沸雪北京國際雪聯自由式滑雪大跳臺世界杯賽事Fig.9 2019 Air & Style Beijing Fis Big Air World Cup

圖10 國家越野滑雪中心現場實景照片Fig.10 Real scene photo of National Cross-Country Skiing Center

(3)2.5km賽道選用的燈桿為27 m標準LSG系統，共51根，根據攝像機位的設置將燈桿布置在攝像機的同側，確保攝像機照度。在兩個雪道相鄰并行時，采用共桿的設計，并且將燈桿布置在非鄰近區域，減少對運動的影響。所有燈桿布置根據地形高低起伏設置。

(4)FOP照明設計采用了數十種不同配光的光線，設計評估了場地特點、場地尺寸、燈具安裝高度、照度要求以及光線投射角度、距離等各方面因素的影響，對于場地內、場地邊、場地角等不同區域，結合光線投射距離遠近和角度，多種光線配合使用，達到最佳的照明效果。

(5)大部分燈具安裝在燈桿頂端，部分投射距離較近的燈具安裝在燈桿中部，有利于光線的有效利用。兩種安裝位置的燈具都能確保燈具的投射與水平方向的夾角≥25°，即燈具投射與豎直方向的夾角≤65°。

4.2 眩光和外溢光控制

(1)TLC-LED系列燈具采用特制的內置單片式反射片和外置眩光控制器結合的方式控制光線，照明方式更準確、更靈活、更節能，保證照明設計效果。

(2)燈具內部配有精心設計的透鏡、反光片和單片式反射片，實現光線精準控制。燈具內部透鏡、反光片如圖11所示。

(3)燈具配有特殊設計的外置眩光控制器，多種不同尺寸的外置眩光控制器根據場地特點和光線的具體投射來選擇使用，如圖12所示。

圖11 燈具內部透鏡、反光片Fig.11 Internal lens and reflector of the fixture

圖12 燈具外置眩光控制器Fig.12 External light control visor of the fixture

圖13 Musco(左)和其他LED燈具(右)的實際場地效果對比照片Fig.13 Comparison between Musco(left) and other LED (right)

(4)外置眩光控制器結合燈具的內置眩光控制器的綜合使用，可以很好地控制眩光，同時將原本投射到場地外的光線投射到場地，提高光線利用率，圖13為Musco燈具與其他LED燈具的場地效果對比圖。

4.3 LSG系統的應用

LSG標準5件套系統，極大地減少了現場的安裝和調試工作量，加快了工程進度。

TLC-LED系列燈具配備專業設計的成套LSG系統，從混凝土樁基，到鍍鋅鋼桿、桿內線束、電氣箱以及桿頂照明組件為一套完整的照明設備(圖14)，自帶激光瞄準系統，現場安裝簡單迅速，不用現場制作鋼筋混凝土基礎，可大大縮短工期，降低施工費用。

圖14 LSG標準5件套系統Fig.14 LSG 5 Easy Pieces System

(1)燈具萬向節投射角度工廠設置和燈桿激光瞄準系統：每個燈具的水平投射角度和垂直投射角度是根據項目設定好并且在出廠前全部調好(圖15)，現場只需根據具體情況的調整做出微調，燈桿激光瞄準系統使安裝極為簡單且調試容易，保證了照明設計結果與實際安裝效果相同。

圖15 工廠預調燈具角度和LSG系統激光瞄準裝置Fig.15 Factory preset angle position and Pole Alignment system

(2)工廠定制安裝支撐臂：作為標準5件套產品之一，燈具通過支撐臂與燈桿鏈接，每根支撐臂上帶有的瞄準刻度盤可協助現場快速簡便安裝，利于維護或重新調整安裝位置，安全高效。所有線束內部走線，安裝便捷、安全可靠，外形簡潔、美觀、堅固，無外露導線。

(3)桿內線束：自帶成品線束快速接頭，并帶有防墜系統，安全可靠，自帶編號，快速簡單完成安裝。

(4)鍍鋅鋼桿：燈桿與基礎套接式安裝，快速簡單，每根燈桿自帶激光瞄準系統，現場快速簡便定位燈桿轉向。

(5)預制混凝土樁基：施工面小，開挖直徑小，不需要支模、綁鋼筋過程，施工周期短。基礎自帶接地系統，基礎養護周期短，隔天可以吊裝。

(6)工廠定制電氣箱：驅動器與燈具分體設計，分體距離最遠可達2 000 m，有利于燈具及驅動的散熱，延長使用壽命；驅動器箱安裝在燈桿底部，降低燈桿承重，安裝靈活、便捷，有利于日常維護。

5 RGBW燈具與大功率LED燈具首次在奧運會比賽場地內綜合使用

生活中需要七彩陽光，色彩的變化給人們帶來美好的愉悅感，奧運賽場追求更快、更高、更強、更團結，賽場照明都是按最高標準提供，在本次北京冬奧會賽場建設中，我們首次嘗試給奧運賽場增添了色彩，運用RGBW燈具與賽場照明結合，為奧運體育賽事的娛樂性和互動性提供支持，為比賽場地的氛圍營造和體育展示提供了很多可能的選擇，同時也為賽場的后奧運時代的運營提供了很好的系統支持和良好條件。

我們采用600 W的RGBW燈具，可以提供紅、綠、藍、白光LED輸出，紅色光輸出達到12 000 lm、綠色光達到18 000 lm、藍色光達到9 000 lm、白光28 500 lm，燈具重量18 kg，反射器采用TIR光學透鏡，每套燈具含224個LED光源，外置眩光控制器長度有24英寸、16英寸、12英寸可選，遮光板末端可調節擋板提供現場微調以增強外溢光和眩光的控制。燈具可以提供圖16中三角形里面的所有顏色，圖17為TLC-LED-RGBW燈具圖。

圖16 RGBW提供的顏色選擇Fig.16 Color range provided by RGBW

圖17 TLC-LED-RGBW燈具Fig.17 TLC-LED-RGBW fixture

5.1 首鋼大跳臺賽道RGBW燈具應用

在首鋼大跳臺項目中，我們共采用了16套TLC-LED-RGBW燈具，安裝在16根嵌套在整體鋼結構中的9.1 m高的短桿上，來覆蓋整個大跳臺賽道區域，得到了非常好的效果，圖18為首鋼大跳臺賽道RGBW燈具應用實景圖。

圖18 首鋼大跳臺賽道RGBW燈具應用實景圖Fig.18 Real scene photo of RGBW application in Shougang Big Air

5.2 國家游泳中心RGBW燈具應用

24套600 W TLC-LED-RGBW燈具沿26.5 m高的馬道四周均勻分布，給比賽場地提供良好的彩色照明效果，極好地烘托了賽場氣氛，給觀眾提供良好的視覺感受，并可結合不同的應用場景使用，給賽場營運帶來非常好的便利，圖19為部分實景效果圖。

5.3 國家體育館RGBW燈具應用

32套600 W TLC-LED-RGBW燈具沿33 m高的馬道均勻布置，給北京冬奧會男子冰球比賽場地18 000座、建筑面積達80 000 m2的“冰之帆”提供了七彩燈光，可以給賽中、賽前、間歇期和賽后營運包括演唱會和其他大型活動提供了很好的舞臺。圖20為部分實景效果圖。

圖19 國家游泳中心RGBW效果實景圖Fig.19 Real scene photo of RGBW application in National Aquatics Center

圖20 國家體育館RGBW效果實景圖Fig.20 Real scene photo of RGBW application in National Indoor Stadium

6 結論

冬奧比賽的過程是短暫和精彩的，其建設過程卻是繁重和復雜的，成千上萬的建設者為冬奧工程傾注了他們的心血，也留下了豐碩的成果和遺產。這個過程中的創新和經驗總結必將影響中國的場地建設很長一段時間，引領行業的發展。從國家體育館到首鋼大跳臺、從張家口國家越野滑雪中心到國家游泳中心，我們創造了很多的第一，為2022北京冬奧會的順利舉辦提供了最好的比賽光環境和氛圍。發展冰雪運動，實現“3億人參與冰雪運動”，滿足群眾多樣化體育文化需求，推動全民健身和全民健康的深度融合，對于建設健康中國和體育強國，促進經濟社會發展，實現中華民族偉大復興的中國夢具有重要意義[4-6]。