中信集團武漢市建筑設計院 喻 輝

1 工程概況

本項目為中國援助某非洲國家體育場項目，地處南半球熱帶沿海地區(qū)，項目選址于該國國家公路的旁側(cè)，距該國首都市區(qū)約14km，臨海約5～6km，距貨運港口約10km，出市區(qū)沿途為居民區(qū)和正在開發(fā)的地段，交通便利。

圖1 某援外國家體育場鳥瞰圖

本體育場為特級體育場，占地面積約為24.69hm2，體育場規(guī)模為41740座，設國際標準比賽場地（足球、田徑場）一塊。體育場總建筑面積約為4.1萬m2，地上4層，體育場看臺西側(cè)設罩棚，高度為37.2m。該體育場建成后，可以舉行國際、地區(qū)和區(qū)域錦標賽及低于該級別的賽事，包括國際足球、田徑比賽，還可以舉辦大型集會等活動。工程總投資近4億元人民幣。

本體育場比賽場地配套設施滿足國際足聯(lián)、國際田聯(lián)舉辦洲際比賽對賽場照明系統(tǒng)要求。

2 照明方式選擇

本項目足球、田徑比賽場地照明設計首先要確定布光方式。體育場場地照明的布光方式系根據(jù)體育場的規(guī)模標準、平剖面體型及環(huán)境等多種因素來決定，根據(jù)現(xiàn)有各種國際標準足球場地照明設計經(jīng)驗，一般采用四塔、多塔、光帶、混合式幾種方式。其中全部采用燈塔（四塔、多塔）的方式，和全部采用燈帶的方式，其照明燈具布置可以做到完全對稱，容易形成場地均勻視覺照明效果，是比較理想的布光方式。但對體育場的平剖面體型有相應的要求，例如四塔方式一般要求體育場四周看臺無罩棚，可以讓燈塔的光線無遮擋地投射到場地上；反之，燈帶方式則要求體育場看臺至少兩個長邊方向均設有罩棚，以利用罩棚結(jié)構安裝光帶。

本體育場根據(jù)當?shù)氐臍夂蛱攸c，文化背景以及項目的投資控制需要，建筑設計最終選擇了單面罩棚的方式，因此不宜采用對稱的布燈方式。在本項目初步設計中，采用的是四塔方式，但是避開罩棚的遮光影響，燈塔布置位置已經(jīng)部分超出了《體育建筑設計規(guī)范》JGJ31-2003中第10.3.27條推薦的位置，如果采用這種四塔布光方式，會產(chǎn)生兩個不利影響：一是對南北兩側(cè)看臺觀眾造成強烈的直射眩光；二是主席臺正面方向上垂直照度明顯不足，故此方案不可取。最終，根據(jù)本項目建筑體型特點，場地照明設計采用了塔帶結(jié)合的混合式布燈方式，如圖2所示。

照明設計中，燈塔的位置選擇了規(guī)范推薦的位置，設置于球門中線與場地端線成15o、與半場中心線與邊線成5o的兩線相交點后延長線形成的三角區(qū)域內(nèi)，如圖2中陰影部分。要求燈塔高度能限制眩光，其最下排投光燈至球場中心與地面夾角≥25o，經(jīng)計算最下排投光燈高度要求≥51m；燈帶安裝在西側(cè)罩棚鋼結(jié)構體上，為限制眩光，各燈具的投射角也要求≥25o。根據(jù)此要求配合結(jié)構的計算，其罩棚鋼結(jié)構上邊沿高度定為37.5m，燈具安裝在罩棚鋼結(jié)構下方1.6m處馬道側(cè)面，保證照明設計滿足控制眩光的要求。

3 照度標準的選定

根據(jù)《建筑照明設計標準》GB50034-2004的規(guī)定：在有彩電轉(zhuǎn)播的體育建筑照度標準中，最大攝影距離為150m時，田徑場地照度為1000lx，足球場為1500lx。但是考慮到本項目應具備舉辦非洲杯足球賽或世界杯足球賽的標準，因此，足球賽場照明還必須滿足國際單項體育組織的有關規(guī)定。我們查閱了國際體育聯(lián)合會（GAISF）頒布的有關體育場館人工照明標準，國際足聯(lián)頒布的《足球場人工照明指南》(2002版)等國際專業(yè)體育照明標準，由于目前洲際比賽的轉(zhuǎn)播已經(jīng)普遍采用HDTV（高清電視）轉(zhuǎn)播，因此最終將足球場定位為滿足HDTV轉(zhuǎn)播重大國際比賽的要求，其足球場最大垂直照度定為2000lx。具體場地各狀態(tài)下照度標準見表1，對光源的要求，在HDTV轉(zhuǎn)播重大國際比賽狀態(tài)下，光源的顯色指數(shù)為（CRI Ra）≥90；色溫Tc≥5500K，眩光指數(shù)GR≤50(見表1)。

4 照明設計及計算

體育場場地照明的功能要求相對特殊，正式比賽總是伴隨著電視轉(zhuǎn)播，電視轉(zhuǎn)播對照明的需求成為光源選擇的一個主要因素，因此場地照明光源要求具有高照度、高均勻度、高色溫、高顯色性的特點。目前普遍采用金屬鹵化物燈，結(jié)合該項目場地投射距離遠的特點，設計選擇了大功率、光效高的光源 ：2000W，400V雙端短弧金鹵燈，光源的顯色指數(shù)為（CRI Ra）≥90 ；色溫Tc=5600。

燈具的選擇要求綜合考慮合適的配光曲線、配套元件的安裝、維護方式以及對環(huán)境的適應性等多種因素。在燈具的設計上選擇了體育照明專用燈具，該燈具具有多種配光曲線可根據(jù)場地照明要求選擇；燈具結(jié)構采用模塊化設計，鎮(zhèn)流器及其他附屬裝置均可分離使用；后開啟式，燈具附有刻度盤并可配套使用專用瞄準鏡（主軸與燈具主光軸完全重合），方便現(xiàn)場安裝及精確調(diào)試；燈體采用高壓鑄鋁，鍍玻璃膜高效反光器，3mm耐高溫鋼化玻璃前窗，防護等級IP65，迎風面積小，重量輕，安全維護方便，燈具對南半球熱帶沿海地區(qū)的氣候適應性很好。

比賽場地舉辦不同的運動項目、使用功能不同時其照度水平各不相同，具體可見表1。因而需設置多燈兼顧各種場景照明，并對多燈實現(xiàn)分級控制，以滿足不同的照度水平需求。

表1 足球場、田徑場場地照明標準

綜上所述，根據(jù)照明系統(tǒng)的整體方案，通過計算機輔助設計，對多方案進行模擬計算，最后選擇出本項目的最優(yōu)化方案如下：本體育場場地照明布光方式采用塔帶結(jié)合方式，主席臺一側(cè)（看臺西側(cè)）燈具安裝在觀眾席上方罩棚前沿下的馬道上，主席臺對面（看臺東側(cè)）燈具安裝在兩座照明燈塔上。場地照明燈具選用了348套全套進口的體育照明專用燈具和光源。其中馬道上安裝204套，每座燈塔上安裝72套，兩座燈塔對稱分布。各場景照明計算結(jié)果見表2，并通過對足球場均勻取約90個參考點的眩光計算，其眩光指數(shù)GR≤50。可見各種狀態(tài)下的照度水平、照度均勻度，眩光指數(shù)，光源的顯色指數(shù)及色溫均較好地滿足了設計標準。

表2 足球場、田徑場照度計算表

5 應急照明

體育場場地的應急照明包含兩種不同功能用途的應急照明，分別是事故狀態(tài)下保證人員疏散的疏散照明和停電故障狀態(tài)下保證電視正常轉(zhuǎn)播的最小照明（應急TV）。

保證人員疏散的疏散照明主要設置于觀眾席，本項目設計采用可瞬間啟動的鹵鎢燈，應急時設計平均照度不低于10lx，保證人員在火災或其他緊急事故情況下能安全疏散。

保證電視正常轉(zhuǎn)播的最小照明，是為確保洲際比賽過程中發(fā)生突然停電故障時，仍能保證比賽正常進行和電視正常轉(zhuǎn)播最小照明而設置的應急照明。應急TV照明設置場所為比賽場地，根據(jù)國際體育聯(lián)合會（GAISF）頒布的體育場館人工照明標準，應急TV垂直照度應選擇1000lx，約為本體育場設計最高照度狀態(tài)的1/2。經(jīng)計算，采用約一半的賽場照明燈具作應急照明使用。應急TV照明在工程實施中還要注意，由于金鹵燈在停電熄滅后，不加措施的正常再燃需要幾分鐘的時間，這樣會使比賽及電視轉(zhuǎn)播出現(xiàn)中斷情況，因此《體育建筑設計規(guī)范》JGJ31-2003規(guī)定：本級別的比賽場地照明在電源轉(zhuǎn)換的過程中，應有保證光源瞬間再點燃的技術措施。一般常用的措施是采用燈具設置熱觸發(fā)器，保證瞬間再點燃；或者是所設置的備用電源切換時間不大于5ms，保證金鹵燈不熄滅。本項目通過對上述兩方案的經(jīng)濟技術比較，設計中采用了EPS電源作應急TV的電源切換過渡和備用電源，保證應急電源的切換時間不大于5ms，滿足了賽會的要求。

6 照明智能控制

根據(jù)洲際比賽的標準，比賽場地燈光采用智能照明控制系統(tǒng)，以先進的計算機技術和通信技術為基礎，以集散控制方式為系統(tǒng)結(jié)構，采用綜合協(xié)調(diào)的控制方式，對照明燈具及其饋電線路實施全面的動態(tài)控制，以滿足不同運動項目、不同使用功能對照明系統(tǒng)的要求，做到分級控制。

本體育場的智能照明控制系統(tǒng)采用C-BUS數(shù)字式智能燈光控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)字控制模塊、數(shù)字控制鍵、PC機、數(shù)據(jù)線、電器箱構成其物理結(jié)構，運行專用的控制軟件進行操作，實現(xiàn)各模式的智能控制及各項相關功能。燈塔及罩棚上的燈具均為6燈一回路，各級照明可根據(jù)照度計算分別組合開啟各回路燈具，以達到最佳照明效果。

系統(tǒng)采用開放式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，所有數(shù)字控制模塊均存儲有全部控制方案，某一點出現(xiàn)故障不會影響其它部分?？蓪崿F(xiàn)PC機電子地圖可視控制、數(shù)字式開關“一觸即得”式控制和就地手動控制三種控制方式。數(shù)字式繼電器安裝與燈具的電器一同安裝在電器柜內(nèi)。

7 防雷與接地

本體育場低壓配電系統(tǒng)接地形式為TN-S系統(tǒng)，變壓器中性點接地發(fā)電機中性點接地、電氣設備保護接地、電梯機房接地、弱電系統(tǒng)設備接地及防雷接地均共同利用結(jié)構基礎內(nèi)鋼筋，形成綜合接地?？紤]到在同一低壓配電系統(tǒng)中，宜采用一種系統(tǒng)接地型式的原則，場地照明配電系統(tǒng)仍采用TN-S系統(tǒng)的接地形式。雖然燈塔設于室外，燈塔與主體建筑及配電電源點距離近（距看臺外墻僅2.0m左右），其接地線（PE線）長度短，電位偏移極小，斷PE線可能性小。而燈塔本身設備接地體易于與綜合接地網(wǎng)聯(lián)通，故燈塔未采用室外燈具常用的TT系統(tǒng)。

燈塔高59m，為周邊最高構筑物，在燈塔頂部設置避雷針，燈塔底部設置接地螺栓，防雷接地利用燈塔結(jié)構基礎, 將燈塔底部接地鋼筋與承臺底部筋焊接，并與體育場整體基礎鋼筋網(wǎng)連通，擴大接地體，大幅降低接地電阻。為防止雷電波的侵入，由燈塔、燈帶照明配線進出室內(nèi)的穿線金屬道、電纜的金屬外皮在進出處與防雷接地裝置就近相連。設于罩棚下的照明燈具外殼、電纜橋架均就近與金屬馬道、罩棚鋼結(jié)構體作等電位聯(lián)結(jié)。為防雷擊電磁脈沖，場地照明配電箱均設電涌保護裝置SPD。

圖3 智能照明控制系統(tǒng)網(wǎng)絡圖

8 照明設備的安裝、維護

體育場場地照明作為一種專業(yè)照明，其安裝維護要求較之常見民用照明系統(tǒng)有更為特殊的要求；同時，本項目作為援外工程項目，所處地理位置、氣候特點、維護水平較國內(nèi)工程均大相徑庭，也對照明設備安裝、維護提出了不同的要求。

首先，除控制設備外全套照明設備均設置于室外環(huán)境，防水防塵是必須的，故本項目的燈具防護等級均為IP65，最大限度防止外部環(huán)境（水氣、灰塵）對燈具的影響；根據(jù)本項目地處臨海城市，其海風、鹽霧對室外電氣設備（如室外燈具、配電設備）有相當?shù)母g性，根據(jù)當?shù)乜疾旖?jīng)驗，設計中結(jié)合設備特點采用不同方式解決防腐問題：燈具外殼采用高壓鑄鋁燈體及3mm耐高溫鋼化玻璃前窗；燈塔則采用高品質(zhì)的全鋼結(jié)構，所有部件均在出廠前做熱鍍鋅防腐處理；室外線路敷設均采用電纜沿熱鍍鋅槽式電纜橋架、熱鍍鋅厚壁鋼管及塑料軟管?？刂齐姎庠O備則全部設于室內(nèi)，并對外殼作防腐處理，從而降低全套設備的后期維護保養(yǎng)的工作量。

其次，考慮設備的運輸距離長、現(xiàn)場安裝條件一般、以及體育場的項目整體立面外觀，對兩座燈塔提出了強度高、重量輕、體量小的要求。設計中，我們將燈塔上金鹵燈的鎮(zhèn)流器及啟動元件設于室內(nèi)控制箱內(nèi)，大大減小了燈具重量，同時燈具外形選擇迎風面小的燈具，通過上述措施降低燈塔結(jié)構重量，最終燈塔選用升降吊籃式體育場照明專用燈塔，塔體采用5節(jié)20邊形桿體，廠商成品現(xiàn)場插接安裝，運輸、安裝極為方便；燈塔外置電動升降吊籃，上部燈架設置維護工作平臺、并配置手持式電動升降機械，燈塔本身不設動力機械以減少重量，方便維護。

第三，罩棚下部鋼結(jié)構體上設置照明維護馬道，燈具分兩層安裝于馬道的側(cè)護欄，與馬道形成一體，馬道下方安裝照明配電橋架。馬道同時解決了燈具安裝支撐點、照明配線通道和燈具安裝維護問題。

喻 輝

1993年6月畢業(yè)于湖北工學院（現(xiàn)為湖北工業(yè)大學）電氣技術專業(yè)，高級工程師、國家注冊電氣工程師。現(xiàn)任湖北?。ㄎ錆h市）建筑電氣專業(yè)委員會秘書長、委員。設計獲獎代表作有：武漢萬科四季花城（獲2005年建設部部級城鄉(xiāng)優(yōu)秀勘察設計二等獎，獲2006年度全國優(yōu)秀工程勘察設計獎銅質(zhì)獎）；武漢大學中南醫(yī)院門診樓（湖北省優(yōu)秀設計二等獎）；明澤創(chuàng)業(yè)大廈（湖北省優(yōu)秀設計二等獎）等。