国家雪车雪橇中心赛道照明设计与研究

李宝华，韩茹雪，王 旭，王明辉,王永杰

(1.中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044；2.豪尔赛科技集团股份有限公司，北京 100160；3.建科公共设施运营管理有限公司，北京 100044；4.北京正界照明设计有限公司，北京 100024)

引言

雪车、雪橇项目起源于19世纪末，是冬奥会雪上竞赛中速度最快、危险性系数高、专业性强的项目，对竞赛场地要求严苛，场馆建设费用昂贵，后期运行和维护投入不菲，所以到目前为止，全世界总共只有16座标准雪车雪橇场馆，分布在11个国家。其中，10座位于欧洲，美国和加拿大各有2座，日本和韩国各有1座(分别位于长野和平昌)，位于札幌的曾举行1972年冬奥会的雪车雪橇比赛赛道已被拆除[1]。中国北京延庆赛区的国家雪车雪橇中心将成为亚洲第三座满足奥运比赛要求的雪车雪橇场馆，也是中国第一座雪车雪橇场馆。

随着这项运动的发展和普及，参与和观看比赛的人越来越多，对照明质量的要求也越来越高，照明设施必须保证运动员和教练员能够看清比赛场地上所发生的一切活动和场景，这样他们才能达到最佳表现，观众也能得到更好的观赛体验。

目前国内对于雪车雪橇赛道照明工程项目的技术资料和相关指南较少，缺乏可借鉴的相关经验，而国际经验的封闭性较强，可参考的价值有限。本文结合国家雪车雪橇中心赛道照明的设计实践，对雪车雪橇中心赛道照明强电系统、控制系统及照明支撑系统的设计需求、方法、难点及注意事项进行梳理。

1 项目背景

国家雪车雪橇中心是北京2022年冬奥会及冬残奥会延庆赛区场馆设施建设项目的子项目之一，包括：赛道区、出发区1、出发区2、出发区3、结束区、训练道冰屋、团队车库、制冷机房、运营及后勤综合区、媒体转播区、主观众广场等。作为雪车、雪橇比赛场地，赛场提供观众坐席2 000个和站席8 000个。赛道分为54个制冷单元，全长1 975 m，垂直落差超过121 m，由16个角度、倾斜度都不同的弯道组成特色是设有一个360°的回旋弯。

2019年9月17日，国家雪车雪橇中心赛道主体结构全部完工，标志着我国第一条高强度双曲面雪车雪橇赛道实现合龙贯通(图1)。2020年9月30日，国家雪车雪橇中心赛道完成制冰，并于10月9日完成首滑。北京冬奥会期间，国家雪车雪橇中心将承担雪车、钢架雪车、雪橇三个项目的全部比赛。

图1 国家雪车雪橇中心赛道Fig.1 The track of Beijing Yanqing National Sliding Center

2 技术需求

雪车、雪橇赛道的照明设计首先需要符合我国相关设计规范要求，满足观众观看的需求以及不同场景的照明使用需求。除此之外，也需要满足相关技术组织及单位提出的需求。奥组委、国际无舵雪橇联合会(International Luge Federation(FIL))及国际雪车和钢架雪车联盟(International Bobsleigh Skeleton Federation(IBSF))负责提出雪车、雪橇赛道需求并对赛道进行认证。媒体和奥林匹克转播服务公司(OBS)是赛道奥运竞赛转播照明的主要需求提出方及最终验收组织。

2.1 相关规范及转播需求

雪车、雪橇赛道照明配电及控制的设计主要参考《体育建筑设计规范》(JGJ 31—2003)、《供配电系统设计规范》(GB 50052—2009)、《低压配电设计规范》(GB 50054—2011)、《体育场馆照明设计及检测标准》(JGJ 153—2016)、《体育建筑电气设计规范》(JGJ 354—2014)及《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)等规范进行设计。以上规范涉及建筑场馆等级划分、照明标准值、光源及灯具、照明及节能、照明配电与控制、照明检测等相关内容，并提供了一些设计和计算方法供设计人员参考。

其中，国家雪车、雪橇中心赛道冬奥会赛时承担HDTV转播重大国际比赛，冬奥会赛后可承担业余比赛、专业训练、专业比赛、TV转播国家比赛、国际比赛、TV转播重大国家比赛、重大国际比赛，有条件承担HDTV转播重大国际比赛。赛时赛后均有检修及应急照明需求。根据JGJ 153—2016中表3.0.1体育及场馆照明分级，国家雪车、雪橇中心照明设计需满足等级Ⅵ场馆对应的表4.3.16雪车、雪橇场地照明标准值中的相关标准值[2]，如表1所示。

表中Eh——水平照度；Evmai——主摄像机方向垂直照度；Evaux——辅摄像机方向垂直照度；U1——最小照度与最大照度之比；U2——最小照度与平均照度之比。Ra——一般显色指数；R9——光源对第9种标准颜色样品的显色指数；Tcp——相关色温；GR——眩光指数。

表1 雪车、雪橇场地照明标准值

因本场馆承担奥运赛时转播功能，媒体和奥林匹克转播服务公司(OBS)指南中提出的照明需求需一一落实。OBS对照明设计团队的要求是在满足照度、均匀性、阴影、对比度、眩光、反射眩光、频闪、色温、显色指数等技术参数的前提下，将光学、运动和OBS的摄像理念这三个元素结合起来，设计出高质量的照明。因奥运比赛的特殊性以及转播设备的升级更新，对于与表1标准值不同的，经与各单位、组织沟通，赛道转播照明标准以媒体和奥林匹克转播服务公司(OBS)指南及沟通结果中的照明需求为准,包含但不局限于以下内容：

1)赛道有转播需求区域任一点最小摄像机导向照度不低于1 600 lx且不大于2 850 lx[2](图2)；

图2 赛道与摄像机位置关系参考Fig.2 Track and camera position reference

2)所有主摄像机方向眩光指数应≤40，灯具避免瞄准以摄像机为中心的50°锥形范围且避免反射光对摄像机工作的影响；

3)赛道外其他区域的光线不应对赛道照明质量造成影响；

4)冰面反射的光线不应对摄像机及人员造成影响；

5)赛道冰面不可存在阴影；

6)由于奥运会举办时间较短，因此奥运会期间赛道照明可允许高出对应项目所要求照度标准值20%～25%，维护系数可按0.95考虑；

7)所有灯具应无闪烁(FKF),灯具驱动器及控制装置应为电子型，输出频率≥1 000 Hz。优先选择低功率灯具，灯具应来自同一制造商的同一生产批次；

8)光源色温应为5 600 K，所有灯具应具有相同的色温。R9需≥45。照明灯具需符合我国电气安全标准，符合IEC 60598等相关IEC标准；

9)灯具需设置防眩光措施并满足转播需求；

10)奥运会期间环境温度对照明质量的影响需要提前考虑；

11)冰面反射系数选取0.7。

可见，在满足规范要求照度标准的前提下，照明设计需严格控制灯具选型与布置、均匀度梯度及眩光指数等照明参数。出于节能考虑，照明设计在满足规范及转播需求的前提下需注意赛道平均水平照度与平均垂直照度的比值，一般此数值不大于2，设计师可根据实际情况优化设计。

2.2 负荷等级及供电需求

雪车、雪橇赛道电力负荷需要根据体育建筑的使用需求区别对待。根据规范规定，甲级以上场馆的比赛场地电源及应急照明等用电设备，电力负荷需为一级，特级体育设施需为特别重要负荷；体育建筑的电气消防用电设备负荷等级需为该工程最高负荷等级；非比赛使用的电气设备及乙级以下体育建筑的用电设备为二级。对各种不同电力负荷等级的供电方式，除需要执行国家有关标准外，还需要符合当地供电的可能性。本项目赛道转播及应急照明赛时为一级负荷中特别重要负荷，赛后为一级负荷。所有照明负荷配备两个独立电源，并为其50%负荷配置临时柴油发电机及不间断电源UPS。

赛道由U形槽、固定柱、摇摆柱及赛道主体构成。赛道照明用电线缆及控制线路一般于U形槽槽内沿赛道通长敷设。电气设计师需要紧密结合规范要求进行相关供配电设计。由于雪车雪橇赛道里程长、高差大的特点，沿赛道均匀设置照明配电箱，各配电箱进线电缆就近引自赛道附近辅房变配电设施。因供电距离较长，进行压降和短路电流灵敏性计算是非常必要的。

2.3 控制需求

有电视转播照明的比赛场地，至少需有三级照度控制(即清扫—训练—比赛)。根据场景功能及转播需求的不同，除以上三种模式外，比赛模式还可区分国家比赛、国际比赛及HDTV三种不同场景。其中，训练模式可与国家比赛模式参考同一照明标准。为了防止电视转播时由于电源转换产生的瞬时停电现象，甲级及以上体育建筑需有保证光源瞬时再点亮的技术措施。灯光控制设计需考虑不同运动项目的灯光控制区域，可分为“男子雪车”、“男子雪橇”、“女子及男子双人雪橇”、“青少年训练、比赛”、“游客体验”五种模式。

照明控制系统采用手动和自动照明管理系统，手动控制要求既可以于塔台进行控制，塔台可以监控到赛道每一个角度，照明场景控制器设置于塔台，也可以于赛道配电箱内就地控制，用于安装调试检修与应急。自动控制于塔台通过智能系统控制各个模式的切换，当自动模式失效的情况下，可于塔台内手动强启控制各个模式。

2.4 电气安全需求

照明系统需注意安装于高处的灯具，配置防坠绳，穿线钢管去毛刺、锐边、焊渣等杂物，避免划伤线缆。赛道防雷、接地也尤其重要，不仅关乎运动员安全，也关乎制冰师及其他人员的安全。赛道每位运动员滑过后，制冰师都要进行一次洒水、布冰与保养。国家雪车、雪橇中心赛道照明配电系统采用TN-S系统，照明馈电回路均带PE线，照明配电箱内设置一级试验的电涌保护器。照明支撑系统接地连接主线采用WDZ-BYR-2.5 mm2电线，分支接地线采用WDZ-BYR-6 mm2电线，确保灯具固定横梁与构架钢梁焊接一体保证接地效果，如有灯具安装横梁未与构架钢梁焊接的，另加不小于6 m2接地线连接。

3 照明设计

3.1 模拟软件

模拟软件的合理选取可以帮助设计师更好地进行建模、计算面设置、布灯和计算，使计算结果更贴近实际，更有参考意义。Dialux与AGI这两种设计软件目前是被相关设计审查单位所认可的。

3.2 前期准备

雪车雪橇照明设计初期，需进行现场踏勘，明确体育场馆等级、照明设计范围及深度。施工过程中，建议设计人员结合施工、验收规范对管线、桥架清单、前期预留预埋情况、主要设备安装情况进行复核，对灯具、控制设备进行验货。

(1)赛道模型及图纸。

雪车、雪橇赛道结构较为复杂，每一段赛道及其遮阳帘等附属设施都不同，一般可分为直赛道、弯道、过渡段、辅房内赛道及与遮阳棚交接处。模拟计算需要与赛道模型及图纸紧密结合以确定照明灯具及支撑系统的安装位置。

(2)摄像机位置。

对于有转播需求的赛道，明确摄像机位置是进行摄像机导向照度计算的重要前提。一般情况下，媒体及转播商临近赛时介入，对摄像机位置的确定滞后于照明系统的设计且变化性较大。结合本项目设计经验，赛道摄像机分为吊装于赛道上方的固定摄像机、设置于赛道旁的手持摄像机摄影平台、设置于出发区赛道旁的滑轨摄像机，并根据实际需求可能设置摇臂摄像机及飞猫等摄像器材。

OBS对于摄像机的设置原则是赛道全覆盖，上一个摄像头覆盖区域的末端即是下一个摄像机覆盖区域的开始。每一个弯道的内侧均设有摄像机位。通常，OBS使用70∶30的原则，即70%区域由主摄像机覆盖，30%由专业摄像机和回像摄像机覆盖。建议以上提及的所有摄像机按主摄像机考虑。因此，照明设计师进行照明设计时需对整体赛道进行模拟计算，使全赛道照明标准满足相关规范及转播需求，尽可能减小媒体及转播商介入后的设计与工程修改。

(3)防翻滚、遮阳帘等其他结构构件。

对于可能影响照明设计和照明效果的赛道周边结构，照明设计师需要提前引起重视，考虑是否对灯具安装位置及照明质量存在影响，避免设计方案调整与现场拆改。

雪车雪橇又被称为“雪上F1方程式”，雪车、雪橇项目运动员的速度很快，最高值超过130 km/h，存在较高的失误风险，对赛道的安全性与精密度要求非常高，因此整条赛道设置安全防护系统。设置赛道防翻滚及安全挡板，防止运动员飞出运动轨迹、飞出赛道。防翻滚作为赛道的一部分，保障运动员安全性，因此其设计优先级高于照明系统。一般设置于进入弯道、弯道及出弯道段的赛道高起侧，由于其位置及形状的特殊性，对照明系统的影响是巨大的。防翻滚对照明系统的影响，一方面体现于因其结构占用空间对灯具安装位置的影响，另一方面体现于因其结构遮挡光线导致阴影。竞赛难度越大的赛道，其防翻滚结构尺寸越大，对照明系统的影响越大，且由于运动员运动过程中速度快、视野窄，冰面上出现阴影会严重影响运动员的判断和竞赛表现。

防翻滚对照明系统的影响需要通过向赛道外侧移动灯具或下降灯具高度来解决，照明设计师需要积极跟进防翻滚的设计进度，结合防翻滚设计文件，提前与相关专业及单位沟通，针对性的提出照明方案与照明系统需求。

(4)雪车、雪橇多需要在白天进行比赛，永久/临时遮挡物会对竞赛场地的照度均匀度造成影响。需要注意的遮挡物包括建筑物、悬挂屏幕、旗杆、挡板等。

(5)国家雪车、雪橇中心赛道位于小海坨山南坡，太阳辐射对赛道质量的影响巨大。地形气候保护系统利用遮阳屋面、高角度遮阳、低角度遮阳即对风、雨、雪的遮蔽将南坡变北坡。照明灯具安装于遮阳棚棚底，灯具选型时需要考虑到棚底距赛道高度变化对照明质量的影响(图3)；并且由于照明系统一般会出现于观众视野内，照明设计师在保障照明效果的同时也需格外注意其结构是否美观，通常包括对照明系统外观颜色、隐蔽性和与天花结合的效果等，需要照明设计师在前期加以关注并给相关单位提出意见。

图3 弯道遮阳帘与灯具系统位置参考Fig.3 Position reference of curve sunshade and lamp system

3.3 照明设计

设计师结合项目实际情况与技术需求进行赛道照明设计，并与审查单位积极沟通，明确方案可行性推进优化设计。照明设计中需注意以下内容。

3.3.1 计算面设置

照明设计师需对赛道全程分三个计算面(见图4)进行照明计算：

1)主摄像机方向计算面A：计算面尺寸6 m×1 m，计算面底距赛道底1 m。

2)其他摄像机方向计算面B：计算面尺寸1 m×1 m，计算面底距赛道底1 m。

3)水平计算面C：计算面尺寸6 m×1 m，计算面贴冰面设置。

3.3.2 灯具布置

雪车、雪橇赛道照明灯具沿赛道屋面下方通长布置，整条赛道采用人工照明满足比赛、转播及现场观看需求。灯具布置需要注意光线的连续性，原则上灯具需端对端安装，呈现出连续的光路，避免因高速运动造成明暗切换的闪烁效应。由于赛道屋面高度可能不同，不同高度设置不同功率的灯具设计及实施难度较大，对于高度变化不大的区域可适当通过对支撑系统进行优化，局部下降灯具安装高度，尽可能使赛道灯具保持在同一高度。

(1)直赛道(图5)。直赛道于屋面下至少应安装两排端到端线性灯具，结合控制需求一般为“2+2”的灯具组合。安装位置需避免在赛道及其侧壁冰面造成阴影，灯具不可安装于赛道中心线的正上方，同时需避免对观众造成直射眩光。

(2)弯道(图6)。弯道为了满足照度及控制需求，可能需要设置两排以上的灯具，需将其视为两条“线”。换言之，如果需要三排灯具，则需要将其中两排并排在一起视作单独的一排灯具，即“1+3”的灯具组合。

图4 直赛道(a)及弯道(b)计算面设置参考图Fig.4 Reference diagram for setting calculation surface of straight track (a) and curve (b)

图5 直赛道Fig.5 Straight track

图6 弯道Fig.6 Curve

(3)过渡段(图7)。过渡段指直赛道与弯道、弯道与弯道衔接处，灯具布置一般在“2+2”与“1+3”、“1+3”与“3+1”间切换，并且由于进入弯道后防翻滚设施尺寸逐渐增大，赛道外侧灯具可采用下吊方式减轻因防翻滚遮挡光路导致的冰面阴影。

图7 过渡段Fig.7 Transition section

(4)辅房内赛道及与遮阳棚交接处(图8)。除遮阳棚外，赛道会穿过出发区、结束区及沿赛道辅房，这些位置屋面可能远高于遮阳棚屋面下高度，如果将灯具下吊安装，其支撑系统不仅下吊高度大、结构难度大、施工难度大而且不美观。经与单项组织及转播商沟通，允许于高大空间使用点型投光灯进行照明。但需注意，一方面应严格控制灯具瞄准角及眩光，注意照明系统与屋面的结合方式，避免影响建筑美观；另一方面，需严格把控线型投光灯与点型投光灯交接处的照明质量，保证光路的连续性，避免对运动员造成影响。

图8 辅房内赛道及与遮阳棚交接处Fig.8 Track and junction with sunshade in the building

3.3.3 眩光值计算

眩光等级GR表示人眼从10(不明显)至90(不耐)的眩光级别，雪车、雪橇赛道眩光最大允许值为40，一般照明模拟软件均可对其进行计算。设计师不仅要基于软件数值进行把控，还需要在施工过程中结合实际感观进行调整。

3.3.4 均匀度梯度计算

均匀度梯度用某一网格点与其八个相邻网格点的照度比表示，用来控制照度水平在网格点间的变化，是减弱和消除赛道表面阴影的重要控制参数。指南要求2 m计算网格上的均匀度梯度应≤10。均匀度梯度的计算由式(1)给出，如图9所示。

UG=Max((|Eij-Exy|/Exy)×(dstep÷d))

forpandq= 1 to 3

(1)

式中，dstep是需要渐变的距离。d是点(x，y)和点(p，q)之间的距离。

图9 均匀度梯度计算Fig.9 Uniformity gradient calculation

建议结合均匀度梯度于照明计算中进行阴影分析，包括赛道侧帮阴影、侧帮水平阴影、防翻滚下方阴影。以国家雪车雪橇中心赛道一处弯道照明计算为例，此计算结果满足运动员及转播需求(图10～图12)。

图10 侧帮照度计算Fig.10 Side slope illumination calculation

图11 侧帮水平照度计算Fig.11 Horizontal illuminance calculation of side slope

图12 防翻滚下方照度计算Fig.12 Illuminance calculation under deflector

4 结束语

雪车、雪橇赛道照明设计其重点在于设计资料的持续跟进与照明需求的及时提出，与单项组织、转播商、建筑师、灯具供应商等的良好沟通是达成优质照明效果的基础。结合我国国情，根据各地区的气候和地理差异、经济和技术发展水平、民族习惯以及传统因素，遵循可持续发展的原则，因地制宜地进行设计，为运动员及观众提供高质量的光环境，让更多的人了解冰上运动、走进冰上运动。