國家雪車雪橇中心賽道照明設計與研究

李寶華，韓茹雪，王 旭，王明輝,王永杰

(1.中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044；2.豪爾賽科技集團股份有限公司，北京 100160；3.建科公共設施運營管理有限公司，北京 100044；4.北京正界照明設計有限公司，北京 100024)

引言

雪車、雪橇項目起源于19世紀末，是冬奧會雪上競賽中速度最快、危險性系數(shù)高、專業(yè)性強的項目，對競賽場地要求嚴苛，場館建設費用昂貴，后期運行和維護投入不菲，所以到目前為止，全世界總共只有16座標準雪車雪橇場館，分布在11個國家。其中，10座位于歐洲，美國和加拿大各有2座，日本和韓國各有1座(分別位于長野和平昌)，位于札幌的曾舉行1972年冬奧會的雪車雪橇比賽賽道已被拆除[1]。中國北京延慶賽區(qū)的國家雪車雪橇中心將成為亞洲第三座滿足奧運比賽要求的雪車雪橇場館，也是中國第一座雪車雪橇場館。

隨著這項運動的發(fā)展和普及，參與和觀看比賽的人越來越多，對照明質(zhì)量的要求也越來越高，照明設施必須保證運動員和教練員能夠看清比賽場地上所發(fā)生的一切活動和場景，這樣他們才能達到最佳表現(xiàn)，觀眾也能得到更好的觀賽體驗。

目前國內(nèi)對于雪車雪橇賽道照明工程項目的技術資料和相關指南較少，缺乏可借鑒的相關經(jīng)驗，而國際經(jīng)驗的封閉性較強，可參考的價值有限。本文結(jié)合國家雪車雪橇中心賽道照明的設計實踐，對雪車雪橇中心賽道照明強電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及照明支撐系統(tǒng)的設計需求、方法、難點及注意事項進行梳理。

1 項目背景

國家雪車雪橇中心是北京2022年冬奧會及冬殘奧會延慶賽區(qū)場館設施建設項目的子項目之一，包括：賽道區(qū)、出發(fā)區(qū)1、出發(fā)區(qū)2、出發(fā)區(qū)3、結(jié)束區(qū)、訓練道冰屋、團隊車庫、制冷機房、運營及后勤綜合區(qū)、媒體轉(zhuǎn)播區(qū)、主觀眾廣場等。作為雪車、雪橇比賽場地，賽場提供觀眾坐席2 000個和站席8 000個。賽道分為54個制冷單元，全長1 975 m，垂直落差超過121 m，由16個角度、傾斜度都不同的彎道組成特色是設有一個360°的回旋彎。

2019年9月17日，國家雪車雪橇中心賽道主體結(jié)構全部完工，標志著我國第一條高強度雙曲面雪車雪橇賽道實現(xiàn)合龍貫通(圖1)。2020年9月30日，國家雪車雪橇中心賽道完成制冰，并于10月9日完成首滑。北京冬奧會期間，國家雪車雪橇中心將承擔雪車、鋼架雪車、雪橇三個項目的全部比賽。

圖1 國家雪車雪橇中心賽道Fig.1 The track of Beijing Yanqing National Sliding Center

2 技術需求

雪車、雪橇賽道的照明設計首先需要符合我國相關設計規(guī)范要求，滿足觀眾觀看的需求以及不同場景的照明使用需求。除此之外，也需要滿足相關技術組織及單位提出的需求。奧組委、國際無舵雪橇聯(lián)合會(International Luge Federation(FIL))及國際雪車和鋼架雪車聯(lián)盟(International Bobsleigh Skeleton Federation(IBSF))負責提出雪車、雪橇賽道需求并對賽道進行認證。媒體和奧林匹克轉(zhuǎn)播服務公司(OBS)是賽道奧運競賽轉(zhuǎn)播照明的主要需求提出方及最終驗收組織。

2.1 相關規(guī)范及轉(zhuǎn)播需求

雪車、雪橇賽道照明配電及控制的設計主要參考《體育建筑設計規(guī)范》(JGJ 31—2003)、《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB 50052—2009)、《低壓配電設計規(guī)范》(GB 50054—2011)、《體育場館照明設計及檢測標準》(JGJ 153—2016)、《體育建筑電氣設計規(guī)范》(JGJ 354—2014)及《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)等規(guī)范進行設計。以上規(guī)范涉及建筑場館等級劃分、照明標準值、光源及燈具、照明及節(jié)能、照明配電與控制、照明檢測等相關內(nèi)容，并提供了一些設計和計算方法供設計人員參考。

其中，國家雪車、雪橇中心賽道冬奧會賽時承擔HDTV轉(zhuǎn)播重大國際比賽，冬奧會賽后可承擔業(yè)余比賽、專業(yè)訓練、專業(yè)比賽、TV轉(zhuǎn)播國家比賽、國際比賽、TV轉(zhuǎn)播重大國家比賽、重大國際比賽，有條件承擔HDTV轉(zhuǎn)播重大國際比賽。賽時賽后均有檢修及應急照明需求。根據(jù)JGJ 153—2016中表3.0.1體育及場館照明分級，國家雪車、雪橇中心照明設計需滿足等級Ⅵ場館對應的表4.3.16雪車、雪橇場地照明標準值中的相關標準值[2]，如表1所示。

表中Eh——水平照度；Evmai——主攝像機方向垂直照度；Evaux——輔攝像機方向垂直照度；U1——最小照度與最大照度之比；U2——最小照度與平均照度之比。Ra——一般顯色指數(shù)；R9——光源對第9種標準顏色樣品的顯色指數(shù)；Tcp——相關色溫；GR——眩光指數(shù)。

表1 雪車、雪橇場地照明標準值

因本場館承擔奧運賽時轉(zhuǎn)播功能，媒體和奧林匹克轉(zhuǎn)播服務公司(OBS)指南中提出的照明需求需一一落實。OBS對照明設計團隊的要求是在滿足照度、均勻性、陰影、對比度、眩光、反射眩光、頻閃、色溫、顯色指數(shù)等技術參數(shù)的前提下，將光學、運動和OBS的攝像理念這三個元素結(jié)合起來，設計出高質(zhì)量的照明。因奧運比賽的特殊性以及轉(zhuǎn)播設備的升級更新，對于與表1標準值不同的，經(jīng)與各單位、組織溝通，賽道轉(zhuǎn)播照明標準以媒體和奧林匹克轉(zhuǎn)播服務公司(OBS)指南及溝通結(jié)果中的照明需求為準,包含但不局限于以下內(nèi)容：

1)賽道有轉(zhuǎn)播需求區(qū)域任一點最小攝像機導向照度不低于1 600 lx且不大于2 850 lx[2](圖2)；

圖2 賽道與攝像機位置關系參考Fig.2 Track and camera position reference

2)所有主攝像機方向眩光指數(shù)應≤40，燈具避免瞄準以攝像機為中心的50°錐形范圍且避免反射光對攝像機工作的影響；

3)賽道外其他區(qū)域的光線不應對賽道照明質(zhì)量造成影響；

4)冰面反射的光線不應對攝像機及人員造成影響；

5)賽道冰面不可存在陰影；

6)由于奧運會舉辦時間較短，因此奧運會期間賽道照明可允許高出對應項目所要求照度標準值20%～25%，維護系數(shù)可按0.95考慮；

7)所有燈具應無閃爍(FKF),燈具驅(qū)動器及控制裝置應為電子型，輸出頻率≥1 000 Hz。優(yōu)先選擇低功率燈具，燈具應來自同一制造商的同一生產(chǎn)批次；

8)光源色溫應為5 600 K，所有燈具應具有相同的色溫。R9需≥45。照明燈具需符合我國電氣安全標準，符合IEC 60598等相關IEC標準；

9)燈具需設置防眩光措施并滿足轉(zhuǎn)播需求；

10)奧運會期間環(huán)境溫度對照明質(zhì)量的影響需要提前考慮；

11)冰面反射系數(shù)選取0.7。

可見，在滿足規(guī)范要求照度標準的前提下，照明設計需嚴格控制燈具選型與布置、均勻度梯度及眩光指數(shù)等照明參數(shù)。出于節(jié)能考慮，照明設計在滿足規(guī)范及轉(zhuǎn)播需求的前提下需注意賽道平均水平照度與平均垂直照度的比值，一般此數(shù)值不大于2，設計師可根據(jù)實際情況優(yōu)化設計。

2.2 負荷等級及供電需求

雪車、雪橇賽道電力負荷需要根據(jù)體育建筑的使用需求區(qū)別對待。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，甲級以上場館的比賽場地電源及應急照明等用電設備，電力負荷需為一級，特級體育設施需為特別重要負荷；體育建筑的電氣消防用電設備負荷等級需為該工程最高負荷等級；非比賽使用的電氣設備及乙級以下體育建筑的用電設備為二級。對各種不同電力負荷等級的供電方式，除需要執(zhí)行國家有關標準外，還需要符合當?shù)毓╇姷目赡苄?。本項目賽道轉(zhuǎn)播及應急照明賽時為一級負荷中特別重要負荷，賽后為一級負荷。所有照明負荷配備兩個獨立電源，并為其50%負荷配置臨時柴油發(fā)電機及不間斷電源UPS。

賽道由U形槽、固定柱、搖擺柱及賽道主體構成。賽道照明用電線纜及控制線路一般于U形槽槽內(nèi)沿賽道通長敷設。電氣設計師需要緊密結(jié)合規(guī)范要求進行相關供配電設計。由于雪車雪橇賽道里程長、高差大的特點，沿賽道均勻設置照明配電箱，各配電箱進線電纜就近引自賽道附近輔房變配電設施。因供電距離較長，進行壓降和短路電流靈敏性計算是非常必要的。

2.3 控制需求

有電視轉(zhuǎn)播照明的比賽場地，至少需有三級照度控制(即清掃—訓練—比賽)。根據(jù)場景功能及轉(zhuǎn)播需求的不同，除以上三種模式外，比賽模式還可區(qū)分國家比賽、國際比賽及HDTV三種不同場景。其中，訓練模式可與國家比賽模式參考同一照明標準。為了防止電視轉(zhuǎn)播時由于電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的瞬時停電現(xiàn)象，甲級及以上體育建筑需有保證光源瞬時再點亮的技術措施。燈光控制設計需考慮不同運動項目的燈光控制區(qū)域，可分為“男子雪車”、“男子雪橇”、“女子及男子雙人雪橇”、“青少年訓練、比賽”、“游客體驗”五種模式。

照明控制系統(tǒng)采用手動和自動照明管理系統(tǒng)，手動控制要求既可以于塔臺進行控制，塔臺可以監(jiān)控到賽道每一個角度，照明場景控制器設置于塔臺，也可以于賽道配電箱內(nèi)就地控制，用于安裝調(diào)試檢修與應急。自動控制于塔臺通過智能系統(tǒng)控制各個模式的切換，當自動模式失效的情況下，可于塔臺內(nèi)手動強啟控制各個模式。

2.4 電氣安全需求

照明系統(tǒng)需注意安裝于高處的燈具，配置防墜繩，穿線鋼管去毛刺、銳邊、焊渣等雜物，避免劃傷線纜。賽道防雷、接地也尤其重要，不僅關乎運動員安全，也關乎制冰師及其他人員的安全。賽道每位運動員滑過后，制冰師都要進行一次灑水、布冰與保養(yǎng)。國家雪車、雪橇中心賽道照明配電系統(tǒng)采用TN-S系統(tǒng)，照明饋電回路均帶PE線，照明配電箱內(nèi)設置一級試驗的電涌保護器。照明支撐系統(tǒng)接地連接主線采用WDZ-BYR-2.5 mm2電線，分支接地線采用WDZ-BYR-6 mm2電線，確保燈具固定橫梁與構架鋼梁焊接一體保證接地效果，如有燈具安裝橫梁未與構架鋼梁焊接的，另加不小于6 m2接地線連接。

3 照明設計

3.1 模擬軟件

模擬軟件的合理選取可以幫助設計師更好地進行建模、計算面設置、布燈和計算，使計算結(jié)果更貼近實際，更有參考意義。Dialux與AGI這兩種設計軟件目前是被相關設計審查單位所認可的。

3.2 前期準備

雪車雪橇照明設計初期，需進行現(xiàn)場踏勘，明確體育場館等級、照明設計范圍及深度。施工過程中，建議設計人員結(jié)合施工、驗收規(guī)范對管線、橋架清單、前期預留預埋情況、主要設備安裝情況進行復核，對燈具、控制設備進行驗貨。

(1)賽道模型及圖紙。

雪車、雪橇賽道結(jié)構較為復雜，每一段賽道及其遮陽簾等附屬設施都不同，一般可分為直賽道、彎道、過渡段、輔房內(nèi)賽道及與遮陽棚交接處。模擬計算需要與賽道模型及圖紙緊密結(jié)合以確定照明燈具及支撐系統(tǒng)的安裝位置。

(2)攝像機位置。

對于有轉(zhuǎn)播需求的賽道，明確攝像機位置是進行攝像機導向照度計算的重要前提。一般情況下，媒體及轉(zhuǎn)播商臨近賽時介入，對攝像機位置的確定滯后于照明系統(tǒng)的設計且變化性較大。結(jié)合本項目設計經(jīng)驗，賽道攝像機分為吊裝于賽道上方的固定攝像機、設置于賽道旁的手持攝像機攝影平臺、設置于出發(fā)區(qū)賽道旁的滑軌攝像機，并根據(jù)實際需求可能設置搖臂攝像機及飛貓等攝像器材。

OBS對于攝像機的設置原則是賽道全覆蓋，上一個攝像頭覆蓋區(qū)域的末端即是下一個攝像機覆蓋區(qū)域的開始。每一個彎道的內(nèi)側(cè)均設有攝像機位。通常，OBS使用70∶30的原則，即70%區(qū)域由主攝像機覆蓋，30%由專業(yè)攝像機和回像攝像機覆蓋。建議以上提及的所有攝像機按主攝像機考慮。因此，照明設計師進行照明設計時需對整體賽道進行模擬計算，使全賽道照明標準滿足相關規(guī)范及轉(zhuǎn)播需求，盡可能減小媒體及轉(zhuǎn)播商介入后的設計與工程修改。

(3)防翻滾、遮陽簾等其他結(jié)構構件。

對于可能影響照明設計和照明效果的賽道周邊結(jié)構，照明設計師需要提前引起重視，考慮是否對燈具安裝位置及照明質(zhì)量存在影響，避免設計方案調(diào)整與現(xiàn)場拆改。

雪車雪橇又被稱為“雪上F1方程式”，雪車、雪橇項目運動員的速度很快，最高值超過130 km/h，存在較高的失誤風險，對賽道的安全性與精密度要求非常高，因此整條賽道設置安全防護系統(tǒng)。設置賽道防翻滾及安全擋板，防止運動員飛出運動軌跡、飛出賽道。防翻滾作為賽道的一部分，保障運動員安全性，因此其設計優(yōu)先級高于照明系統(tǒng)。一般設置于進入彎道、彎道及出彎道段的賽道高起側(cè)，由于其位置及形狀的特殊性，對照明系統(tǒng)的影響是巨大的。防翻滾對照明系統(tǒng)的影響，一方面體現(xiàn)于因其結(jié)構占用空間對燈具安裝位置的影響，另一方面體現(xiàn)于因其結(jié)構遮擋光線導致陰影。競賽難度越大的賽道，其防翻滾結(jié)構尺寸越大，對照明系統(tǒng)的影響越大，且由于運動員運動過程中速度快、視野窄，冰面上出現(xiàn)陰影會嚴重影響運動員的判斷和競賽表現(xiàn)。

防翻滾對照明系統(tǒng)的影響需要通過向賽道外側(cè)移動燈具或下降燈具高度來解決，照明設計師需要積極跟進防翻滾的設計進度，結(jié)合防翻滾設計文件，提前與相關專業(yè)及單位溝通，針對性的提出照明方案與照明系統(tǒng)需求。

(4)雪車、雪橇多需要在白天進行比賽，永久/臨時遮擋物會對競賽場地的照度均勻度造成影響。需要注意的遮擋物包括建筑物、懸掛屏幕、旗桿、擋板等。

(5)國家雪車、雪橇中心賽道位于小海坨山南坡，太陽輻射對賽道質(zhì)量的影響巨大。地形氣候保護系統(tǒng)利用遮陽屋面、高角度遮陽、低角度遮陽即對風、雨、雪的遮蔽將南坡變北坡。照明燈具安裝于遮陽棚棚底，燈具選型時需要考慮到棚底距賽道高度變化對照明質(zhì)量的影響(圖3)；并且由于照明系統(tǒng)一般會出現(xiàn)于觀眾視野內(nèi)，照明設計師在保障照明效果的同時也需格外注意其結(jié)構是否美觀，通常包括對照明系統(tǒng)外觀顏色、隱蔽性和與天花結(jié)合的效果等，需要照明設計師在前期加以關注并給相關單位提出意見。

圖3 彎道遮陽簾與燈具系統(tǒng)位置參考Fig.3 Position reference of curve sunshade and lamp system

3.3 照明設計

設計師結(jié)合項目實際情況與技術需求進行賽道照明設計，并與審查單位積極溝通，明確方案可行性推進優(yōu)化設計。照明設計中需注意以下內(nèi)容。

3.3.1 計算面設置

照明設計師需對賽道全程分三個計算面(見圖4)進行照明計算：

1)主攝像機方向計算面A：計算面尺寸6 m×1 m，計算面底距賽道底1 m。

2)其他攝像機方向計算面B：計算面尺寸1 m×1 m，計算面底距賽道底1 m。

3)水平計算面C：計算面尺寸6 m×1 m，計算面貼冰面設置。

3.3.2 燈具布置

雪車、雪橇賽道照明燈具沿賽道屋面下方通長布置，整條賽道采用人工照明滿足比賽、轉(zhuǎn)播及現(xiàn)場觀看需求。燈具布置需要注意光線的連續(xù)性，原則上燈具需端對端安裝，呈現(xiàn)出連續(xù)的光路，避免因高速運動造成明暗切換的閃爍效應。由于賽道屋面高度可能不同，不同高度設置不同功率的燈具設計及實施難度較大，對于高度變化不大的區(qū)域可適當通過對支撐系統(tǒng)進行優(yōu)化，局部下降燈具安裝高度，盡可能使賽道燈具保持在同一高度。

(1)直賽道(圖5)。直賽道于屋面下至少應安裝兩排端到端線性燈具，結(jié)合控制需求一般為“2+2”的燈具組合。安裝位置需避免在賽道及其側(cè)壁冰面造成陰影，燈具不可安裝于賽道中心線的正上方，同時需避免對觀眾造成直射眩光。

(2)彎道(圖6)。彎道為了滿足照度及控制需求，可能需要設置兩排以上的燈具，需將其視為兩條“線”。換言之，如果需要三排燈具，則需要將其中兩排并排在一起視作單獨的一排燈具，即“1+3”的燈具組合。

圖4 直賽道(a)及彎道(b)計算面設置參考圖Fig.4 Reference diagram for setting calculation surface of straight track (a) and curve (b)

圖5 直賽道Fig.5 Straight track

圖6 彎道Fig.6 Curve

(3)過渡段(圖7)。過渡段指直賽道與彎道、彎道與彎道銜接處，燈具布置一般在“2+2”與“1+3”、“1+3”與“3+1”間切換，并且由于進入彎道后防翻滾設施尺寸逐漸增大，賽道外側(cè)燈具可采用下吊方式減輕因防翻滾遮擋光路導致的冰面陰影。

圖7 過渡段Fig.7 Transition section

(4)輔房內(nèi)賽道及與遮陽棚交接處(圖8)。除遮陽棚外，賽道會穿過出發(fā)區(qū)、結(jié)束區(qū)及沿賽道輔房，這些位置屋面可能遠高于遮陽棚屋面下高度，如果將燈具下吊安裝，其支撐系統(tǒng)不僅下吊高度大、結(jié)構難度大、施工難度大而且不美觀。經(jīng)與單項組織及轉(zhuǎn)播商溝通，允許于高大空間使用點型投光燈進行照明。但需注意，一方面應嚴格控制燈具瞄準角及眩光，注意照明系統(tǒng)與屋面的結(jié)合方式，避免影響建筑美觀；另一方面，需嚴格把控線型投光燈與點型投光燈交接處的照明質(zhì)量，保證光路的連續(xù)性，避免對運動員造成影響。

圖8 輔房內(nèi)賽道及與遮陽棚交接處Fig.8 Track and junction with sunshade in the building

3.3.3 眩光值計算

眩光等級GR表示人眼從10(不明顯)至90(不耐)的眩光級別，雪車、雪橇賽道眩光最大允許值為40，一般照明模擬軟件均可對其進行計算。設計師不僅要基于軟件數(shù)值進行把控，還需要在施工過程中結(jié)合實際感觀進行調(diào)整。

3.3.4 均勻度梯度計算

均勻度梯度用某一網(wǎng)格點與其八個相鄰網(wǎng)格點的照度比表示，用來控制照度水平在網(wǎng)格點間的變化，是減弱和消除賽道表面陰影的重要控制參數(shù)。指南要求2 m計算網(wǎng)格上的均勻度梯度應≤10。均勻度梯度的計算由式(1)給出，如圖9所示。

UG=Max((|Eij-Exy|/Exy)×(dstep÷d))

forpandq= 1 to 3

(1)

式中，dstep是需要漸變的距離。d是點(x，y)和點(p，q)之間的距離。

圖9 均勻度梯度計算Fig.9 Uniformity gradient calculation

建議結(jié)合均勻度梯度于照明計算中進行陰影分析，包括賽道側(cè)幫陰影、側(cè)幫水平陰影、防翻滾下方陰影。以國家雪車雪橇中心賽道一處彎道照明計算為例，此計算結(jié)果滿足運動員及轉(zhuǎn)播需求(圖10～圖12)。

圖10 側(cè)幫照度計算Fig.10 Side slope illumination calculation

圖11 側(cè)幫水平照度計算Fig.11 Horizontal illuminance calculation of side slope

圖12 防翻滾下方照度計算Fig.12 Illuminance calculation under deflector

4 結(jié)束語

雪車、雪橇賽道照明設計其重點在于設計資料的持續(xù)跟進與照明需求的及時提出，與單項組織、轉(zhuǎn)播商、建筑師、燈具供應商等的良好溝通是達成優(yōu)質(zhì)照明效果的基礎。結(jié)合我國國情，根據(jù)各地區(qū)的氣候和地理差異、經(jīng)濟和技術發(fā)展水平、民族習慣以及傳統(tǒng)因素，遵循可持續(xù)發(fā)展的原則，因地制宜地進行設計，為運動員及觀眾提供高質(zhì)量的光環(huán)境，讓更多的人了解冰上運動、走進冰上運動。