基于體育場館照明的馬道設(shè)置方法的研究

林若慈，朱 悅

(1.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013; 2.飛利浦(中國)投資有限公司，北京 100600)

引言

體育場館的照明系統(tǒng)是場館最重要的設(shè)施之一，也是體育場館中技術(shù)要求最高的部分，照明的好壞會直接影響競賽公平、轉(zhuǎn)播效果、球員安全、觀眾氣氛等一系列最重要的競賽核心內(nèi)容。而其中，馬道的設(shè)置對體育照明無疑是至關(guān)重要的，它不僅會嚴重影響照明的質(zhì)量和數(shù)量，同時還會帶來更多的能源消耗。對于體育場館來說，馬道位置的設(shè)置與建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、照明等多個專業(yè)相關(guān)，不同的專業(yè)會有不同的側(cè)重點，而且往往還會有交叉，這也是造成馬道位置會被多方所隨意修改的原因，甚至于致使馬道無法利用。

然而，在長期的場館建設(shè)中，很多參與者對照明的重要性并沒有放在最關(guān)注的位置，因此在設(shè)計中出現(xiàn)了很多與要求相違背的做法，馬道的設(shè)置完全沒有考慮到標準中對照明最基本的要求，如馬道的位置離邊線太近，甚至就在邊線內(nèi)，這就導(dǎo)致了無論提高多少水平照度邊線處的垂直照度也很難達到標準值；或者馬道的高度過低，滿足不了場地照明對眩光角度的限制要求，造成嚴重眩光；還有的馬道太短，造成比賽場地兩端頭底線位置幾乎沒有垂直照度，或者照度很低等。此外，就照明節(jié)能而言，根據(jù)相關(guān)資料及對實際場館的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果表明，對于同類場館相同級別的場地照明功率密度LPD值甚至可相差幾倍，這其中很重要的原因之一就是馬道位置設(shè)置不合理。通過對體育場館馬道位置的研究，提出馬道的正確設(shè)置方法，進一步規(guī)范馬道的設(shè)計準則，力求建筑師在進行體育場館建筑設(shè)計時能充分兼顧照明專業(yè)對馬道的要求。

1 體育照明的基本要求

對于體育照明來說，競賽、轉(zhuǎn)播和安全是最重要的組成部分。隨著體育運動和競賽項目的日趨發(fā)展和普及，參與者和觀看比賽的人越來越多，對照明的要求也就越來越高。照明設(shè)施必須保證運動員和裁判員能夠看清比賽場地上的一切活動和場景，這樣他們才能發(fā)揮出最佳水平，觀眾也需要在宜人的環(huán)境和舒適的條件下觀看比賽。與此同時照明設(shè)計還應(yīng)為觀看比賽的廣大電視觀眾提供高質(zhì)量的電視轉(zhuǎn)播畫面。此外對于人員密集的體育場館，確保大批人群安全出入體育場館及在緊急情況下迅速疏散，照明也極為重要。

關(guān)于對體育場館的照明數(shù)量和質(zhì)量指標要求在《體育場館照明設(shè)計及檢測標準》JGJ153已有詳細規(guī)定，在照明設(shè)計時對轉(zhuǎn)播比賽場地照明還應(yīng)強調(diào)以下方面的要求：

1.1 照明與競賽相關(guān)的要求

(1)燈具的安裝位置一般不允許在場地正上方，某些運動如羽毛球、乒乓球等要求會更加嚴格；

(2)大部分場地存在不允許安裝燈具的區(qū)域，主要針對比賽時照明會對主視線產(chǎn)生不利影響，如排球、羽毛球、網(wǎng)球等；

(3)燈具安裝位置和投射角度避免對運動員產(chǎn)生眩光；

(4)防止燈具的直射光或反射光(水池面)對運動員和觀眾席產(chǎn)生影響。

1.2 照明與轉(zhuǎn)播相關(guān)的要求

(1)攝像機方向的垂直照度及其均勻度要滿足攝像和轉(zhuǎn)播的要求；

(2)色溫會影響攝像機白平衡的調(diào)節(jié)，對轉(zhuǎn)播級別的體育場館，要求Tcp>4000 K(一般轉(zhuǎn)播)或5500K(高清轉(zhuǎn)播)；

(3)顯色指數(shù)會影響轉(zhuǎn)播、攝像的色彩還原程度，對于轉(zhuǎn)播級別的體育場館，Ra>80(一般轉(zhuǎn)播)或Ra>90(高清轉(zhuǎn)播)；

(4)燈具安裝位置和投射角度有時還會對攝像機產(chǎn)生眩光。

1.3 安全要求

這需要滿足國家和項目地區(qū)所要求的應(yīng)急照明規(guī)定。

2 馬道設(shè)置需要考慮的問題

2.1 馬道設(shè)計中可能產(chǎn)生的誤區(qū)

(1)建筑設(shè)計師對馬道美觀的要求之一：馬道設(shè)置在鋼架或網(wǎng)架內(nèi)部。照明標準規(guī)定，在燈具與場地之間不能有障礙物存在。而很多人認為燈具裝在鋼架里面，光可以通過鋼架縫隙傳遞即可，這是非常錯誤的觀點。如果燈具數(shù)量較多，擋掉的這部分光是不能忽略的。當燈具的部分光線被結(jié)構(gòu)所阻擋，受影響的不僅僅是被照面獲得的光減少了，這種不規(guī)則的被照亮的鋼架不但不美觀，反而會起到反作用。為了避免這種現(xiàn)象，很多項目的馬道安裝在鋼架內(nèi)部，而燈具吊到鋼架下部安裝，雖然可以杜絕上面的現(xiàn)象，但所有的安裝、調(diào)試、維修都要人員到馬道下面完成，一是失去了馬道作為載體的便利性，二是可能會造成一定的安全隱患，因此可以說馬道設(shè)置在鋼架內(nèi)部是極不合理的。

(2)建筑設(shè)計師對馬道美觀的要求之二：馬道位置與建筑結(jié)構(gòu)，如頂棚的造型相關(guān)聯(lián)。首先需要說明，在燈具開啟或者比賽進行時，燈具的相對中心光強可以達到2×104～3×104cd/klm，絕對光強可以達到2×106～5×106cd ，亮度很高，如果直視燈具，由于人眼對光線的自適應(yīng)性，如此高的燈具表面亮度其背景會被看成一片漆黑，根本無法看清背景的樣式、顏色等，就實際情況而言，觀眾的注意力也都全部集中在場地而非頂部，因此可以說，頂部的馬道造型或裝飾，都是無法在正常使用時受到關(guān)注的。而如果過度強調(diào)馬道和頂棚之間的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果很可能會影響場地照明的合理性。在體育場館照明中，可以在不影響功能需求的前提下，兼顧建筑的美觀。

2.2 空間設(shè)施對照明系統(tǒng)的阻擋

在有些場館項目中，由于前期多個專業(yè)的溝通協(xié)調(diào)不通暢，使得通風(fēng)管道、管線、音響設(shè)備等會出現(xiàn)在低于馬道標高的位置，對燈光造成遮擋，這是完全不符合要求的。有的場館空間有媒體視頻設(shè)備，往往會對燈具投射的光線造成阻擋，在照明設(shè)計時要盡量避開這些設(shè)施。

2.3 馬道幾何尺寸、剛性要求及荷載問題

在馬道上不但需要安裝燈具、音響設(shè)備，還要承載電纜、橋架或線槽、安裝附件等大量設(shè)備，同時還要承載人的通行、維修操作等，因此過小的尺寸會無法滿足承載要求。此外，由于大功率燈具的鎮(zhèn)流器箱體往往都是分離式的，需要安裝在馬道上，因此建議馬道寬度不宜低于1m，凈空高度不宜低于1.5m。

對馬道剛性的要求是燈具的投射位置不會因馬道的扭曲和變形造成偏差，相對于體育館照明，高質(zhì)量燈具投射角的精度需要控制在2°以內(nèi)，而體育場要求的精度會更高。同時對馬道的剛性要求也會隨著增加。

由此可見，馬道需要較大的荷載能力才能滿足功能和安全需求，實踐經(jīng)驗表明，HDTV級別的體育建筑馬道的荷載需要達到350～400kg/m才能滿足要求，而過低的荷載預(yù)留可能會發(fā)生危險。

3 馬道位置的設(shè)置方法

在體育場館馬道的設(shè)計中，需要考慮以上所有因素，而其中最重要的是馬道位置對照明效果的影響，以下將主要對這部分內(nèi)容進行分析研究。

3.1 水平照度、垂直照度與馬道的關(guān)系

在轉(zhuǎn)播級別的體育照明中，往往主攝像機和輔助攝像機分別設(shè)置在不同的方向，具體的位置與運動的特點有關(guān)。這里以主、輔攝像機分別設(shè)置在比賽場地的邊線后和底線后為例進行論述。

燈具應(yīng)盡量提供兩個方向攝像機的垂直照度，燈具的投射方向基本都是傾斜的，燈具在X和Y方向分別提供輔攝像機和主攝像機方向的垂直照度。

在轉(zhuǎn)播級別的照明中，主、輔攝像機的垂直照度有差別，如VI級為2000/1400(lx)，V級為1400/1000(lx)，IV級為1000/750(lx)，比例在1∶0.7～1∶0.75之間，因此sinA∶sinB=1∶0.75，也就是說A角要大于B角，如圖1所示。兩個方向的垂直照度都是有均勻度要求的，這就意味著所有的計算點應(yīng)該盡量按照相似的投射原理進行設(shè)計。

圖1 燈具投射方向示意圖Fig.1 Schematic diagram of aiming direction for luminaire

綜合考慮上面的角度關(guān)系，為了保障輔攝像機的垂直照度，場地底線側(cè)的馬道相當重要，底線后馬道的最佳位置是滿足投射到計算點的燈具俯視投射角度要滿足上面所說的角度關(guān)系。

3.2 燈具投射角度與馬道位置的關(guān)系

燈具投射角度直接影響水平照度Eh、垂直照度Ev、照度均勻度和眩光指數(shù)GR等各項照明指標，在馬道設(shè)計時必須給予高度重視。

(1)投射到場地近邊線處的位置要求

在體育照明中，平均水平照度和平均垂直照度都有照度比率和均勻度的要求，相比之下，垂直照度的均勻度更加復(fù)雜。燈具投射到最遠邊線和最近邊線的兩個角度φ和θ是決定各主要照明指標的重要因素，θ角度則是決定近邊線位置垂直照度、照度均勻度和照度比率的關(guān)鍵。

(2)投射到場地遠邊線處的位置要求

在體育照明中，有一個重要的指標，就是眩光指數(shù)最大值不能超過體育照明標準要求的數(shù)值：體育場GR<50，體育館GR<30，最簡單的方法可以通過φ角來預(yù)判GR是否能達到眩光限制值的要求，限制φ角主要是為了滿足眩光指數(shù)的要求。

因此，馬道的位置既要滿足θ角的要求，又要滿足φ角的要求，這也將是設(shè)置馬道時所需要考慮的最重要的條件。

4 確定馬道的位置參數(shù)

馬道的位置參數(shù)包括馬道距比賽場地近邊線的水平距離d、馬道距地面的高度h和馬道距場地中心點的水平距離s等。

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)標準和設(shè)計經(jīng)驗及計算分析研究結(jié)果可得到以下燈具安裝位置要求。

(1)國際足聯(lián)(FIFA)標準(2002、2007、2011)適用于Ⅳ、Ⅴ級的燈具設(shè)施安裝準則。

① 馬道上燈具投射到場地與遠邊線之間的夾角最小為25°，最大不超過40°。(包括雙馬道)。

四角燈塔照明燈桿上燈具投射到場地與場地中心點之間的夾角最小為25°。

② 雙排馬道后排燈具投射方向與場地近邊線的夾角宜為65°～50°。

③ 球門區(qū)后面的燈具投射到場地與場地中心點之間的夾角最小為25°，與球門中點之間的夾角為75°。

(2)設(shè)計經(jīng)驗和計算分析研究結(jié)果：綜合考慮水平照度、垂直照度、照度均勻度、照度比率、眩光限制等要求。

① 室外體育場

馬道上燈具投射到場地與遠邊線之間的夾角不小于25°，燈具投射到場地與場地近邊線之夾角不大于65°。

足球場地馬道中間位置水平投影距場地中心點的距離一般為60m～80m。

② 室內(nèi)體育館

馬道上燈具投射到場地與遠邊線之間的夾角不小于30°，燈具投射方向與場地近邊線之夾角不大于65°或60°。

單排馬道位置和燈具投射角度符合圖2要求，如采用雙排馬道，則前排馬道位置符合φ≥25°，后排馬道符合θ≤65°的要求，見圖3。

圖2 單馬道燈具投射角Fig.2 Luminaire aiming angle for single catwalk (each side)

圖3 雙馬道燈具投射角度Fig.3 Luminaire aiming angle for double catwalk (each side)

圖中：φ為燈具投射方向與場地遠邊線之夾角(單位：°)；θ為燈具投射方向與場地近邊線之夾角(單位：°)；w為場地寬度(單位：m)；d為燈具(馬道)水平投影距近邊線距離(單位：m)；h為燈具(馬道)距地面的高度(單位：m)；d′為雙馬道后排燈具(馬道)水平投影距近邊線距離(單位：m)；s為單馬道燈具(馬道)水平投影距場地中心點距離(單位：m)；s1,s2為雙馬道兩排燈具(馬道)水平投影距場地中心點距離(單位：m)。

依據(jù)上述提供的馬道設(shè)計準則對典型場館的馬道位置(圖1)的設(shè)計參數(shù)按式(1)和式(2)進行計算：

(1)

h=d×tgθ

(2)

對于雙馬道(圖3)，設(shè)定前排馬道正好處在近邊線上方且前后兩排馬道高度相同，這樣就很容易計算出馬道的各項設(shè)計參數(shù)。

計算結(jié)果如表1—表9 所示，表中的馬道計算參數(shù)基本上都能達到照明設(shè)計的要求。

表1 室外體育場單馬道燈具安裝高度與各計算參數(shù)對應(yīng)表Table 1 Single catwalk (each side) for athletics-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

關(guān)于計算結(jié)果的幾點說明：

(1)表1、表2中θ角度取值70°時，往往會導(dǎo)致近邊線附近的垂直照度不足且水平/垂直照度比率失調(diào)，一般不建議采用。

(2)對于小型的比賽場地一般可不采用雙馬道，如專用藍排球館等。

表2 室外體育場雙馬道燈具安裝高度與各計算參數(shù)對應(yīng)表Table 2 Double catwalk (each side) for athletics-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

表3 專用足球場單馬道燈具安裝高度與各計算參數(shù)對應(yīng)表Table 3 Single catwalk (each side) for soccer-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

表4 專用足球場雙馬道燈具安裝高度與各計算參數(shù)對應(yīng)表Table 4 Double catwalk (each side) for soccer-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

表5 綜合體育館單馬道燈具安裝高度與各計算參數(shù)對應(yīng)表Table 5 Single catwalk (each side) for gymnasium-Luminairemouting height and calculation parameters in corresponding table

表6 體育館雙馬道燈具安裝高度與各計算參數(shù)對應(yīng)表Table 6 Double catwalk (each side) for gymnasium-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

表7 專用籃排球館單馬道燈具安裝高度與各計算參數(shù)對應(yīng)表Table 7 Single catwalk (each side) for basketball-Luminairemouting height and calculation parameters in corresponding table

表8 網(wǎng)球館單馬道燈具安裝高度與各計算參數(shù)對應(yīng)表Table 8 Double catwalk (each side) for tennis-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

(3)考慮到游泳跳水館的特殊性，比賽級的游泳跳水館原則上應(yīng)采用雙馬道布置方式。

(4)表9中游泳館的計算參數(shù)只是按一般原則進行的推算，并不完全適用于實際的照明設(shè)計，尤其是轉(zhuǎn)播級的場館除了要考慮對運動員產(chǎn)生的眩光外，還要考慮水面反射眩光對觀眾席的影響，且跳水的高度計算也比較復(fù)雜，需要專題論述。

表9 游泳館雙排馬道燈具安裝高度與各計算參數(shù)對應(yīng)表Table 9 Single catwalk (each side) for swimming pool-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

上述計算中馬道高度是指其中心點的位置高度，馬道端點的位置高度可以根據(jù)以下原則確定：室外體育場馬道端點上燈具投射方向與場地中心點的夾角不小于25°，室內(nèi)體育館馬道端點上燈具投射方向與場地中心點的夾角不小于30°。

5 馬道的形狀和數(shù)量

對于體育照明來說，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師需要更多地了解燈具安裝位置的要求 ，綜合之前所敘述的內(nèi)容，即燈具位置需要符合以下要求。

(1)燈具最近的投射角度(影響Eh、Ev數(shù)值、Eh/Ev比例關(guān)系、均勻度)。

(2)燈具最遠的投射角度(影響Eh、Ev數(shù)值、Eh/Ev比例關(guān)系、均勻度、GR眩光指數(shù)最大值)。

(3)燈具不允許安裝的位置(如場地正上方，球門區(qū)底線兩側(cè)15°范圍，比賽時運動員的主視線方向等)。

(4)其他可能影響照明質(zhì)量和設(shè)備安裝的因素。

5.1 馬道的形狀

在很多情況下，馬道設(shè)計往往需要考慮建筑美觀和造型，這樣就會需要更多的燈具數(shù)量和更大的能耗等，通常需要在兩者之間達到權(quán)衡。最理想的馬道形式最好能與比賽場地的形狀相對應(yīng)，如圓形場地采用圓形馬道、橢圓形場地采用橢圓馬道、方形場地采用方形馬道等等。

5.2 馬道的最佳位置和數(shù)量

在馬道設(shè)置中，究竟采用什么樣的馬道和幾條馬道合適，最根本的原則來源于上述照明要求，下面就這一問題加以論述。

(a)馬道方案1 (b)馬道方案2圖4 馬道方案1，2Fig.4 Catwalk section plan 1，2

圖4(a)馬道方案1，是理想的馬道方案，當燈具投射到場地遠、近兩個邊線與地面的夾角分別為25°(體育館是30°)和65°時，兩虛線的交點正好落在可以設(shè)置馬道的位置上，單排馬道即可完成所有的要求，鋼結(jié)構(gòu)的投入會最節(jié)省，效果會最簡潔，雖然燈具數(shù)量不一定是最少，但馬道結(jié)構(gòu)和照明系統(tǒng)的總造價一定是最低的。如果交點比設(shè)置馬道的位置低，馬道需要再提高，則由于更遠的投射距離，會導(dǎo)致燈具數(shù)量增加；如果交點比設(shè)置馬道的位置高，嚴格來說，應(yīng)該設(shè)置2條馬道才能滿足要求，這樣馬道的重量和材料投入可能會增多。

圖4(b)馬道方案2，是典型的雙馬道方案，當場地高度達不到最佳上線的條件時，使用一條馬道位置無法同時滿足投射到遠、近兩個邊線的兩個角度的要求時，采用兩排馬道可分別滿足遠、近邊線的25°入地角、場地中線25°入地角、后排馬道同時需要滿足近端邊線入地角小于65°的要求，并可獲得極佳的照明效果。從理論上講，雙馬道比單馬道燈具數(shù)量要少，而且越是接近下面的點劃線，燈具數(shù)量越少，但雙馬道的材料投入和施工量往往會比單馬道增加1倍，這就需要計算多投入的馬道費用是否能被整體高度降低所減少的費用使總成本得到補償。

(a)馬道方案3 (b)馬道方案4圖5 馬道方案3，4Fig.5 Catwalk section plan 3，4

圖5(a)馬道方案3，是不可取的馬道方案，當場地高度達不到最佳下線的條件時，使用兩排馬道，依然無法達到遠近邊線的25°入地角和65°(此角度已經(jīng)是極限)入地角時，計算結(jié)果會無法滿足GR的要求，燈具絕不能布置到場地的正上方，造成這個結(jié)果最大的可能是由于建筑高度不夠，進而會因照明不滿足要求使場館降級使用，這也是馬道中最差的方案.

圖5(b)馬道方案4，是馬道方案1的延伸，當燈具位于比投射到場地遠、近兩個邊線與地面的夾角分別是40°和65°的位置更高時，單排馬道即可完成所有的要求，雖然鋼結(jié)構(gòu)的投入會最節(jié)省，但由于投射距離增加，燈具數(shù)量會隨之增加，能耗和建設(shè)成本都會提升，因此，不如方案1優(yōu)秀。

圖6 馬道方案5Fig.6 Catwalk section plan 5

圖6所示的馬道方案，是方案3最低極限位置，前排馬道不能進入場地內(nèi)的正上方，同時需要滿足燈具投射到對面邊線與地面夾角大于25°的要求。后排馬道位置與近邊的地面夾角小于65°。當?shù)陀谶@個位置時，場地照明的參數(shù)有可能不能全部符合要求。

最后，還必須強調(diào)以下馬道位置是不符合要求的。

(1)轉(zhuǎn)播級別場館的單排馬道緊貼場地邊線正上方，這種馬道安裝的燈具無法滿足近邊線附近計算點的垂直照度的要求。

(2)過低的馬道，就電視轉(zhuǎn)播而言，尤其是對于HDTV高清轉(zhuǎn)播場地，對照明的要求很高，燈具數(shù)量大、單燈功率高，在12m以下的空間使用會對運動員造成極不舒適的感覺，同時也會影響競賽，因此高級別的體育場館考慮到照明系統(tǒng)應(yīng)限制馬道的最低高度。

6 結(jié)語

關(guān)于馬道位置的設(shè)置問題，對體育照明尤為重要，長期以來一直缺少統(tǒng)一的解決方法，以至于給照明設(shè)計帶來很大困難。馬道位置不僅影響照明的功能性指標，同時也對照明節(jié)能產(chǎn)生重要影響。本研究將為相關(guān)標準合理設(shè)置馬道提供科學(xué)的理論依據(jù)，同時也將為改善體育場館的照明質(zhì)量和實施照明節(jié)能提供技術(shù)保障。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部.JGJ153—2007體育場館照明設(shè)計及檢測標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] FOOTBOLL STADIUMS(FIFA).lighting and power supply. FIFA， 2007：164.