某援外国家体育场场地照明设计初探

中信集团武汉市建筑设计院 喻 辉

1 工程概况

本项目为中国援助某非洲国家体育场项目，地处南半球热带沿海地区，项目选址于该国国家公路的旁侧，距该国首都市区约14km，临海约5～6km，距货运港口约10km，出市区沿途为居民区和正在开发的地段，交通便利。

图1 某援外国家体育场鸟瞰图

本体育场为特级体育场，占地面积约为24.69hm2，体育场规模为41740座，设国际标准比赛场地（足球、田径场）一块。体育场总建筑面积约为4.1万m2，地上4层，体育场看台西侧设罩棚，高度为37.2m。该体育场建成后，可以举行国际、地区和区域锦标赛及低于该级别的赛事，包括国际足球、田径比赛，还可以举办大型集会等活动。工程总投资近4亿元人民币。

本体育场比赛场地配套设施满足国际足联、国际田联举办洲际比赛对赛场照明系统要求。

2 照明方式选择

本项目足球、田径比赛场地照明设计首先要确定布光方式。体育场场地照明的布光方式系根据体育场的规模标准、平剖面体型及环境等多种因素来决定，根据现有各种国际标准足球场地照明设计经验，一般采用四塔、多塔、光带、混合式几种方式。其中全部采用灯塔（四塔、多塔）的方式，和全部采用灯带的方式，其照明灯具布置可以做到完全对称，容易形成场地均匀视觉照明效果，是比较理想的布光方式。但对体育场的平剖面体型有相应的要求，例如四塔方式一般要求体育场四周看台无罩棚，可以让灯塔的光线无遮挡地投射到场地上；反之，灯带方式则要求体育场看台至少两个长边方向均设有罩棚，以利用罩棚结构安装光带。

本体育场根据当地的气候特点，文化背景以及项目的投资控制需要，建筑设计最终选择了单面罩棚的方式，因此不宜采用对称的布灯方式。在本项目初步设计中，采用的是四塔方式，但是避开罩棚的遮光影响，灯塔布置位置已经部分超出了《体育建筑设计规范》JGJ31-2003中第10.3.27条推荐的位置，如果采用这种四塔布光方式，会产生两个不利影响：一是对南北两侧看台观众造成强烈的直射眩光；二是主席台正面方向上垂直照度明显不足，故此方案不可取。最终，根据本项目建筑体型特点，场地照明设计采用了塔带结合的混合式布灯方式，如图2所示。

照明设计中，灯塔的位置选择了规范推荐的位置，设置于球门中线与场地端线成15º、与半场中心线与边线成5º的两线相交点后延长线形成的三角区域内，如图2中阴影部分。要求灯塔高度能限制眩光，其最下排投光灯至球场中心与地面夹角≥25º，经计算最下排投光灯高度要求≥51m；灯带安装在西侧罩棚钢结构体上，为限制眩光，各灯具的投射角也要求≥25º。根据此要求配合结构的计算，其罩棚钢结构上边沿高度定为37.5m，灯具安装在罩棚钢结构下方1.6m处马道侧面，保证照明设计满足控制眩光的要求。

3 照度标准的选定

根据《建筑照明设计标准》GB50034-2004的规定：在有彩电转播的体育建筑照度标准中，最大摄影距离为150m时，田径场地照度为1000lx，足球场为1500lx。但是考虑到本项目应具备举办非洲杯足球赛或世界杯足球赛的标准，因此，足球赛场照明还必须满足国际单项体育组织的有关规定。我们查阅了国际体育联合会（GAISF）颁布的有关体育场馆人工照明标准，国际足联颁布的《足球场人工照明指南》(2002版)等国际专业体育照明标准，由于目前洲际比赛的转播已经普遍采用HDTV（高清电视）转播，因此最终将足球场定位为满足HDTV转播重大国际比赛的要求，其足球场最大垂直照度定为2000lx。具体场地各状态下照度标准见表1，对光源的要求，在HDTV转播重大国际比赛状态下，光源的显色指数为（CRI Ra）≥90；色温Tc≥5500K，眩光指数GR≤50(见表1)。

4 照明设计及计算

体育场场地照明的功能要求相对特殊，正式比赛总是伴随着电视转播，电视转播对照明的需求成为光源选择的一个主要因素，因此场地照明光源要求具有高照度、高均匀度、高色温、高显色性的特点。目前普遍采用金属卤化物灯，结合该项目场地投射距离远的特点，设计选择了大功率、光效高的光源 ：2000W，400V双端短弧金卤灯，光源的显色指数为（CRI Ra）≥90 ；色温Tc=5600。

灯具的选择要求综合考虑合适的配光曲线、配套元件的安装、维护方式以及对环境的适应性等多种因素。在灯具的设计上选择了体育照明专用灯具，该灯具具有多种配光曲线可根据场地照明要求选择；灯具结构采用模块化设计，镇流器及其他附属装置均可分离使用；后开启式，灯具附有刻度盘并可配套使用专用瞄准镜（主轴与灯具主光轴完全重合），方便现场安装及精确调试；灯体采用高压铸铝，镀玻璃膜高效反光器，3mm耐高温钢化玻璃前窗，防护等级IP65，迎风面积小，重量轻，安全维护方便，灯具对南半球热带沿海地区的气候适应性很好。

比赛场地举办不同的运动项目、使用功能不同时其照度水平各不相同，具体可见表1。因而需设置多灯兼顾各种场景照明，并对多灯实现分级控制，以满足不同的照度水平需求。

表1 足球场、田径场场地照明标准

综上所述，根据照明系统的整体方案，通过计算机辅助设计，对多方案进行模拟计算，最后选择出本项目的最优化方案如下：本体育场场地照明布光方式采用塔带结合方式，主席台一侧（看台西侧）灯具安装在观众席上方罩棚前沿下的马道上，主席台对面（看台东侧）灯具安装在两座照明灯塔上。场地照明灯具选用了348套全套进口的体育照明专用灯具和光源。其中马道上安装204套，每座灯塔上安装72套，两座灯塔对称分布。各场景照明计算结果见表2，并通过对足球场均匀取约90个参考点的眩光计算，其眩光指数GR≤50。可见各种状态下的照度水平、照度均匀度，眩光指数，光源的显色指数及色温均较好地满足了设计标准。

表2 足球场、田径场照度计算表

5 应急照明

体育场场地的应急照明包含两种不同功能用途的应急照明，分别是事故状态下保证人员疏散的疏散照明和停电故障状态下保证电视正常转播的最小照明（应急TV）。

保证人员疏散的疏散照明主要设置于观众席，本项目设计采用可瞬间启动的卤钨灯，应急时设计平均照度不低于10lx，保证人员在火灾或其他紧急事故情况下能安全疏散。

保证电视正常转播的最小照明，是为确保洲际比赛过程中发生突然停电故障时，仍能保证比赛正常进行和电视正常转播最小照明而设置的应急照明。应急TV照明设置场所为比赛场地，根据国际体育联合会（GAISF）颁布的体育场馆人工照明标准，应急TV垂直照度应选择1000lx，约为本体育场设计最高照度状态的1/2。经计算，采用约一半的赛场照明灯具作应急照明使用。应急TV照明在工程实施中还要注意，由于金卤灯在停电熄灭后，不加措施的正常再燃需要几分钟的时间，这样会使比赛及电视转播出现中断情况，因此《体育建筑设计规范》JGJ31-2003规定：本级别的比赛场地照明在电源转换的过程中，应有保证光源瞬间再点燃的技术措施。一般常用的措施是采用灯具设置热触发器，保证瞬间再点燃；或者是所设置的备用电源切换时间不大于5ms，保证金卤灯不熄灭。本项目通过对上述两方案的经济技术比较，设计中采用了EPS电源作应急TV的电源切换过渡和备用电源，保证应急电源的切换时间不大于5ms，满足了赛会的要求。

6 照明智能控制

根据洲际比赛的标准，比赛场地灯光采用智能照明控制系统，以先进的计算机技术和通信技术为基础，以集散控制方式为系统结构，采用综合协调的控制方式，对照明灯具及其馈电线路实施全面的动态控制，以满足不同运动项目、不同使用功能对照明系统的要求，做到分级控制。

本体育场的智能照明控制系统采用C-BUS数字式智能灯光控制系统，该系统由数字控制模块、数字控制键、PC机、数据线、电器箱构成其物理结构，运行专用的控制软件进行操作，实现各模式的智能控制及各项相关功能。灯塔及罩棚上的灯具均为6灯一回路，各级照明可根据照度计算分别组合开启各回路灯具，以达到最佳照明效果。

系统采用开放式网络拓扑结构，所有数字控制模块均存储有全部控制方案，某一点出现故障不会影响其它部分。可实现PC机电子地图可视控制、数字式开关“一触即得”式控制和就地手动控制三种控制方式。数字式继电器安装与灯具的电器一同安装在电器柜内。

7 防雷与接地

本体育场低压配电系统接地形式为TN-S系统，变压器中性点接地发电机中性点接地、电气设备保护接地、电梯机房接地、弱电系统设备接地及防雷接地均共同利用结构基础内钢筋，形成综合接地。考虑到在同一低压配电系统中，宜采用一种系统接地型式的原则，场地照明配电系统仍采用TN-S系统的接地形式。虽然灯塔设于室外，灯塔与主体建筑及配电电源点距离近（距看台外墙仅2.0m左右），其接地线（PE线）长度短，电位偏移极小，断PE线可能性小。而灯塔本身设备接地体易于与综合接地网联通，故灯塔未采用室外灯具常用的TT系统。

灯塔高59m，为周边最高构筑物，在灯塔顶部设置避雷针，灯塔底部设置接地螺栓，防雷接地利用灯塔结构基础, 将灯塔底部接地钢筋与承台底部筋焊接，并与体育场整体基础钢筋网连通，扩大接地体，大幅降低接地电阻。为防止雷电波的侵入，由灯塔、灯带照明配线进出室内的穿线金属道、电缆的金属外皮在进出处与防雷接地装置就近相连。设于罩棚下的照明灯具外壳、电缆桥架均就近与金属马道、罩棚钢结构体作等电位联结。为防雷击电磁脉冲，场地照明配电箱均设电涌保护装置SPD。

图3 智能照明控制系统网络图

8 照明设备的安装、维护

体育场场地照明作为一种专业照明，其安装维护要求较之常见民用照明系统有更为特殊的要求；同时，本项目作为援外工程项目，所处地理位置、气候特点、维护水平较国内工程均大相径庭，也对照明设备安装、维护提出了不同的要求。

首先，除控制设备外全套照明设备均设置于室外环境，防水防尘是必须的，故本项目的灯具防护等级均为IP65，最大限度防止外部环境（水气、灰尘）对灯具的影响；根据本项目地处临海城市，其海风、盐雾对室外电气设备（如室外灯具、配电设备）有相当的腐蚀性，根据当地考察经验，设计中结合设备特点采用不同方式解决防腐问题：灯具外壳采用高压铸铝灯体及3mm耐高温钢化玻璃前窗；灯塔则采用高品质的全钢结构，所有部件均在出厂前做热镀锌防腐处理；室外线路敷设均采用电缆沿热镀锌槽式电缆桥架、热镀锌厚壁钢管及塑料软管。控制电气设备则全部设于室内，并对外壳作防腐处理，从而降低全套设备的后期维护保养的工作量。

其次，考虑设备的运输距离长、现场安装条件一般、以及体育场的项目整体立面外观，对两座灯塔提出了强度高、重量轻、体量小的要求。设计中，我们将灯塔上金卤灯的镇流器及启动元件设于室内控制箱内，大大减小了灯具重量，同时灯具外形选择迎风面小的灯具，通过上述措施降低灯塔结构重量，最终灯塔选用升降吊篮式体育场照明专用灯塔，塔体采用5节20边形杆体，厂商成品现场插接安装，运输、安装极为方便；灯塔外置电动升降吊篮，上部灯架设置维护工作平台、并配置手持式电动升降机械，灯塔本身不设动力机械以减少重量，方便维护。

第三，罩棚下部钢结构体上设置照明维护马道，灯具分两层安装于马道的侧护栏，与马道形成一体，马道下方安装照明配电桥架。马道同时解决了灯具安装支撑点、照明配线通道和灯具安装维护问题。

喻 辉

1993年6月毕业于湖北工学院（现为湖北工业大学）电气技术专业，高级工程师、国家注册电气工程师。现任湖北省（武汉市）建筑电气专业委员会秘书长、委员。设计获奖代表作有：武汉万科四季花城（获2005年建设部部级城乡优秀勘察设计二等奖，获2006年度全国优秀工程勘察设计奖铜质奖）；武汉大学中南医院门诊楼（湖北省优秀设计二等奖）；明泽创业大厦（湖北省优秀设计二等奖）等。