国家体育场(鸟巢)夜景照明修复提升

丁志强，李占杰，陈艺红，黄思平

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

引言

国家体育场(鸟巢)位于北京奥林匹克公园中心区南部，为北京2008年奥运会的主体育场，如今即将成为北京2022年冬奥会及冬残奥会开、闭幕式主会场。北京，作为世界上唯一一座举办夏奥和冬奥的“双奥”之城将再次举世瞩目，而同样作为举办“双奥”开、闭幕式的体育场馆已悄然走过了15个年头，如今面临着诸多有待修复提升的问题，而夜景照明尤为明显。如何对鸟巢夜景照明进行修复提升，使其既能让世人接受又能展现全新面貌成为本项目的重点。

1 项目概况

1.1 场馆概述

自2008年作为奥运会主体育场至今，鸟巢见证了北京奥运会的成功举办，至今是世界范围内重要的当代建筑作品，其独特且大胆的结构形态展现出强大的视觉冲击力，主体钢结构形成整体的巨型大跨度交叉旋转编织式“鸟巢”结构，体育场看台为呈碗状的钢筋混凝土框架，屋顶部是由上层ETFE膜和下层及内环侧壁的PTFE膜包裹的围护结构，形成一个开放且巨大的城市“灰空间”，也正是这些开敞的钢结构网格和集散大厅包围的组合方式[1]，剪影出了极具中国特色的夜间形象，成为了一个文化地标，运营至今并欢迎着所有的游客前来打卡留念。

1.2 照明回顾(2008年& 2012年)

2008年，在综合考虑了鸟巢的建筑形态、实施落地性、绿色照明理念等条件后最终确定了由三大部分组成的照明效果(图1)。一是选用红光、白光、黄光调配的灯具投射核心筒和观众看台背部的红墙，呈现带有暖色调的中国红形象；二是2～6层边梁位置的投光灯打亮立面钢架内侧及左右两侧所形成的U形面；三是置于屋顶层的投光灯打亮上下膜结构及之间的钢架结构。所有投光灯点位以每250 W金卤灯和400 W钠灯各一盏为一组[2]。到2012年，对鸟巢夜景照明工程进行升级改造，主要完成了沿屋顶层外围钢架106W的LED灯具的安装以提升亮度。通过实地勘察及鸟巢区域相关亮度、色温、照度等信息的收集，发现从效果上，钢架及红墙处都已出现亮度降低、亮度及色调不匀的问题，并且红墙因为3、4层是玻璃的材质与1、2、5层为涂料材质的实墙形成效果上的偏差。从安装条件上发现灯具及走线均有不同程度的老化，以及因为复杂且苛刻的安装条件产生效果上的欠缺。

图1 2008年鸟巢实拍效果Fig.1 Real pics of Bird’s Nest from 2008

2 设计策略

2.1 设计目标

还原鸟巢经典夜间形象的同时焕发出具有新时代的生机将是这次改造的核心目标。通过对周边夜环境亮度数据的采集、对原设计目标及现场亮度数据的对比、以及照度计算的模拟，得出屋顶及立面钢架的平均亮度值为20 cd/m2、红墙为25 cd/m2(图2)。通过不同位置的灯具组合控制，可以分别在平日、一般节日和重大节日呈现不同效果。

2.2 项目亮点及难点

用寿命长、能效高、维护更少的LED灯具替换原有传统光源是改造项目最先想到的提升办法，考虑到项目的长期运行及灯具的正常光衰，在设计阶段对总体功率进行了预留，得以尽可能地延长灯具使用时效。通过灯具的替换对2008年包括色彩和亮度的夜景效果的还原外，对部分原有效果的问题进行了一定程度的整改；并且此次改造采用可变色投光灯，可通过控制根据不同时段需求呈现多元化的夜景效果；控制也提升为开放式协议，可满足未来项目运营需求，并实现项目的用电节能。

项目在设计及施工阶段需要考虑原有设备管线的利旧，并要保证施工工程期间的正常亮灯，复杂的现场条件需要增加特殊机械及施工措施。因为新冠疫情影响光源芯片生产以及供货商工厂所在地控制用电的政策都影响着施工进度，而严格的场馆管控限制工人进场人数，也让工期愈加紧张。鸟巢改造作为重点建筑的高规格项目，项目所用灯具从采购到施工必须做到严格把关、有条不紊，这对各单位高度密切的配合都提出了更高的要求。

图2 亮度对比分析Fig.2 Brightness contrast analysis

3 技术实施

3.1 灯具提升

此次改造灯具的提升主要包括：照明效果、安装方式、安全措施等方面。

3.1.1 投光灯

投光灯实施的位置为2、3、4、5、6层边梁以及顶部钢架。此次提升采用可变色的LED灯具替换原有白光金卤灯及黄光钠灯，使鸟巢可以在未来有更多模式的可能性。为了更有效的利用灯具输出，增加了黄色灯珠的配比，实现高亮度的黄光效果。对应不同的照射距离及被照面范围，选用合适的功率及出光角度。防眩格栅改为可旋转角度的，有利于后期调整。为了保证灯具使用安全，此次改造增加了防坠落措施。

3.1.2 线型灯

线型灯实施的位置为核心筒外环红墙(1、2、5、6、7层)及红色玻璃(3、4层)、核心筒内环红墙(2、5层)。对于线型灯的提升主要是如下三个方面：

(1)核心筒立面的均匀度。原应用于核心筒位置的灯具全部采用一种配光曲线，采用的是对称宽配光，这种配光适合于远投墙面，效果上中间较亮，上下有较明显暗区。另外现场安装条件复杂，部分位置不具备远距离安装条件，导致只能近距离安装，造成墙面上部曝光严重，下部墙面暗区明显(图3)。此次提升首先排查安装条件，为便于采购控制选型种类，归纳为距墙10～15 cm、90～100 cm两个位置，对应两个位置选择相适应的配光角度：距墙10～15 cm选用小角度洗墙偏配光(图4)，距墙90～100 cm选用擦墙偏配光(图5)。

图3 改造前红墙效果Fig.3 The original light effect of red wall

图4 洗墙配光Fig.4 Wall washing light distribution

图5 擦墙配光Fig.5 Wall wiping light distribution

(2)核心筒立面色彩。此次提升工程，线性灯具采用红白黄三色灯珠，依靠混光呈现中国红的颜色表达。选用高品质芯片，严格控制白光的显色性及色容差。对红色涂料和红色玻璃墙体分别控制，调试出最适合的颜色比例，使二者色彩上相接近，实现红色核心筒效果的整体性(图6)。

(3)灯具的防眩。灯具的防眩处理，设计上从两个方面解决。一是灯具发光表面的眩光，采用外置挡光板；二是控制墙面的反射曝光，采用带倾斜角度同透镜偏光角度一致的防眩格栅。为了找到减少光损失与防眩效果的平衡点，项目参与各方进行了多次的现场试验，确定格栅的高度、密度和倾斜角度。

图6 改造后红墙效果Fig.6 The renovated light effect of red wall

3.1.3 灯具的样品确认

确认样品的工作分为两个阶段。第一阶段，品牌比选，一共有8个品牌提供了灯具样品，试灯过程在两个地方进行，首先是在暗房间测量灯具光学方面的参数并记录灯具外观尺寸，然后在实际应用位置模拟测试(图7)。灯具的比选通过数据量化，选出最佳品牌，并组织专家评审会为项目把关。第二阶段，确定品牌后对灯具进行优化。针对现场实际情况进行试灯，为了提高效率，要求厂家同时提供多种设计方案进行比选，反复试验得出最佳效果灯具(图8)。

图7 现场试灯Fig.7 Light testing on site

图8 洗墙均匀度数据分析Fig.8 Data analysis of uniformity of wall washing

3.1.4 灯具安装调试

由于项目工期紧张的原因，此项目的安装与调试是同步进行的，标准安装位置大面积实施的同时，特殊安装细节位置的反复试验也在同步进行。项目各方高频率全过程的紧密配合换来了项目的圆满完成(图9)。

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

3.2 配电系统

根据灯具系统与原系统对比，虽然灯具总功率的峰值是增加的，然而平日或节日通过控制系统调节后的实际使用功率却是减少的，故本项目有了利用原配电系统的可能性。首先复核原配电系统低压配电室内断路器的整定值，复核原配电干线，确认每条干线可负载的功率范围，由于原系统采用的是树干式，即每个核心筒一条干线，不同层所负载的灯具不同，每个核心筒的层数不同，最高处有7层，最低处仅有4层，屋顶由4根干线负载。通过对整体负荷进行分类、统计发现配电系统的总承载能力要大于灯具的总负荷，但4个核心筒区域的灯具负荷却要比线缆所能承载的负荷大，而且即使能满足负荷的系统，电箱内的回路数量也远无法满足现有灯具需求。经过对负荷的再分配，对各解决方案从实施、经济、安全、影响等方面进行对比分析，最终采用替换部分电箱，将灯具按照满足干线负载量重新划分的方案，这样即减少施工难度，又经济安全，对原有系统的改动也压缩到了最小。

由于将原有LED灯具、钠灯具全部替换为LED灯具，所产生的谐波如果不加以控制，会对电网造成较大危害，且不利于节能环保。为解决谐波干扰，选用灯具时要求谐波含有值满足《电磁兼容 限值 谐波电源发射值(设备每项输入电流≤16A)》(GB 17625.1—2012)的规定，设备订货前，厂家需提供实测谐波含有值数据；在配电方面，三相照明线路的各项负荷分配保持平衡，最大项、最小项与三相负荷平均值差距控制在15%以内；要求选择带有功率补偿功能的开关电源，补偿后的功率因数不小于90%，这有效地降低了无功功率所带来的损害。

3.3 控制系统

本项目采用EIB总线智能控制系统和DMX512控制系统；分时段、多模式、多场景控制，合理确定开关灯时间，可以有效节约能源；EIB总线控制系统控制强电回路的模块通断，因电箱位置和数量未有变化，并且原有控制线路经过检测后仍可以利用，所以此部分仅对软件系统进行重新安装，并经过调试后可正常运行。关于DMX512控制系统，由于更换后所有灯具全部采用DMX512控制方式，增加体量巨大，且对原有DMX512控制系统进行检测，发现已无法利用，于是考虑全部进行更换，采用在每个核心筒放置一台交换机作为数据汇聚层级，在屋顶放置一台交换机作为数据汇聚层级，采用信号线循环方式连接至每层的分控器，可有效避免某一段线路出现问题后，信号传输受阻。分别在中央控制室、冬奥指挥中心和控制中心分别设置主控设备，与各交换机采用光纤进行连接，并对各控制室设置指令级别，确定指令的优先级以确保各模式控制不会产生冲突。

4 结语

未来，“城市更新”将会越来越多的涉及，照明改造提升可以对一座建筑还原或重塑夜景形象，尤其是在当下国家“双碳”政策的号召下，一大批过去的传统光源将逐渐退出历史舞台，更高效、精准的LED灯具和更先进的照明技术会随着经典建筑的修复提升被更多照明设计从业人员所运用。希望通过对本项目全过程的梳理和总结对同类型的改造工程提供一定的思路和参考。