一、體育場照明的重要性
對(duì)于一座現(xiàn)代化的體育場，不但要求建筑外形美觀大方、各種體育設(shè)備齊全完善，而且要求有良好的照明環(huán)境，即要求有合適、均勻的照度和亮度、理想的光色，有立體感及無眩光等。除保證滿足觀眾良好的視看效果外，還必須保證裁判員、運(yùn)動(dòng)員和比賽項(xiàng)目所需的照明要求以及應(yīng)保證有良好的電視轉(zhuǎn)播效果。
照明是依靠光線的功能，保證燈光作用于運(yùn)動(dòng)員、裁判員、觀眾的眼睛、產(chǎn)生視覺，才能看見體育場地上的一切，如場地環(huán)境的明暗、物體、建筑、器具及服裝等表面的顏色、觀看目標(biāo)的形狀和大小、深度、立體感及運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)和體育場的氣氛等等。所以，良好的照明在現(xiàn)代體育場中占有重要地位。
一般，在一個(gè)體育場的照明設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮以下三方面的因素：
1、滿足運(yùn)動(dòng)比賽時(shí)運(yùn)動(dòng)員的視覺要求，并且使燈光對(duì)比賽的客觀影響降到最低程度。
2、滿足觀眾的視覺要求，使燈光對(duì)觀看比賽時(shí)所引起的不適感覺降低到最低程度。
3、滿足彩電轉(zhuǎn)播的照明要求，盡可能提高轉(zhuǎn)播質(zhì)量。
總之，照明與運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的比賽要求密切相關(guān)，與觀眾視看效果密切相關(guān)，沒有良好照明設(shè)施的體育場是不完整的體育場，必將嚴(yán)重影響它的使用功能。
二、體育場照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
為了得到良好的照明設(shè)計(jì)方案，合理利用光線的分布來滿足運(yùn)動(dòng)員、觀眾、裁判員視覺以及良好的電視轉(zhuǎn)播效果的要求，必需先確定照明標(biāo)準(zhǔn)，包括照度標(biāo)準(zhǔn)和照明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。照明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其中包括眩光、光源色溫有顯色性要求，光的方向性、節(jié)能要求等。
照度標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)國際體聯(lián)第83號(hào)推薦照度要求及《民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》gbj133－90中第2.2.9條中的規(guī)定，提出以下照度標(biāo)準(zhǔn)幾點(diǎn)說明：
1、根據(jù)《民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》gbj133－90中第2.2.9－1條中規(guī)定：足球場比賽照度標(biāo)準(zhǔn)值：當(dāng)觀看距離為120m時(shí)，為150～200～300lx；觀看距離為160m時(shí)，為200～300～500lx；觀看距離為200m時(shí)，為300～500～750lx.觀看距離指觀眾席最后一排到場地邊線的距離。
2、根據(jù)《民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》gbj133－90中第2.2.9－2條中規(guī)定：電視轉(zhuǎn)播需要的垂直照度：最大拍攝距離分為三組，
①對(duì)于足球項(xiàng)目而言，最在拍攝距離為25m時(shí)平均垂直照度應(yīng)為750lx；最大拍攝距離為75m時(shí)平均垂直照度應(yīng)為1000lx；最大拍攝距離為150m時(shí)平均垂直照度為1500lx；
②對(duì)于田徑項(xiàng)目而言，最大拍攝距離為25m時(shí)平均垂直照度應(yīng)為500lx；最大拍攝距離為75m平均垂直照度應(yīng)為750lx；最大拍攝距離為150m時(shí)平均垂直照度為1000lx.上述每個(gè)垂直照度用于一個(gè)給定的運(yùn)動(dòng)等級(jí)和給定的最在拍攝距離相對(duì)于1.0m垂直面的值，各照度值的中間值用于其它拍攝距離。
3、上述照度指體育場的最終平均照度，設(shè)計(jì)時(shí)選取的初始照度必須計(jì)入維護(hù)系數(shù)，一般可采用0.7～0.8的數(shù)值。
4、水平照度的均勻度：照度均勻度一般用最小照度與最大照度之比表示，也可用最小照度與平均照度之比表示，最小照度與最大照度的比值應(yīng)大于0.5.
5、垂直照度的均勻度：最小照度與最大照度的比值應(yīng)大于0.4，才能滿足主電視攝像的要求。
照明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
1、眩光
體育照明的關(guān)鍵除提供足夠的水平和垂直照度以外，還需要減少眩光，從而達(dá)到亮而無眩光的效果。眩光是影響照明質(zhì)量的最重要因素之一。根據(jù)cie no.83出版物“彩電系統(tǒng)的體育場地照明”，場內(nèi)最大眩光指數(shù)grmax應(yīng)小于50.眩光額定值gr愈小，眩光限制愈好，眩光額定值為50時(shí)。眩光額定值gr由下列公式算出：
gr=27＋24lg，lvl/lve 0.9 1式中，lvl是燈具產(chǎn)生的光幕亮度，lve是環(huán)境產(chǎn)生的光幕亮度。一般在計(jì)算照度時(shí)，應(yīng)計(jì)算不同方向的眩光額定值gr，在gr<50時(shí)，即可行。眩光的限制除了合理確定燈具的選型，安裝高度和排列方式外，還可以采取提高賽場背景照度的方法。
2、光源色溫及顯色性要求
為達(dá)到良好的彩電轉(zhuǎn)播效果，體育場的照明質(zhì)量不但與照度有關(guān)，而且與照明光源的色溫及顯色性有緊密關(guān)系。我國《民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》gbj133－90中第3.3.2條中規(guī)定：彩電轉(zhuǎn)播用一般光源顯色指數(shù)ra不應(yīng)小于65.依據(jù)cie no.83號(hào)出版物及國際足聯(lián)的要求，光源相關(guān)色溫tc大于5000k和光源顯色指數(shù)ra大于等于80，以達(dá)到最佳的現(xiàn)場照明效果及彩電轉(zhuǎn)播效果。
3、光的方向性
燈具的俯角不僅影響垂直照度，同時(shí)也對(duì)運(yùn)動(dòng)員、觀眾和裁判有可能產(chǎn)生較大眩光影響。對(duì)地體育場照明設(shè)計(jì)，應(yīng)選擇好燈具的瞄準(zhǔn)方向。另外，主攝像機(jī)與另一側(cè)過來的光線之比例應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，而照明的最重點(diǎn)是在足球場的中央及禁區(qū)設(shè)置。
4、節(jié)能要求
照明節(jié)能重在采用合理的照明方案和高效的照明裝置，降低線路損耗及良好的照明控制。體育建筑屬照明用電較大的建筑項(xiàng)目，從節(jié)能意義上講，僅比較初始投資費(fèi)用，而不以最低運(yùn)行成本為基礎(chǔ)選擇得出的照明設(shè)計(jì)不是合理的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)具體情況，將初始投資及運(yùn)行成本綜合加以考慮。
應(yīng)選擇高效率的光源和燈具，采用能耗較低的鎮(zhèn)流器等附件，并加補(bǔ)償電容，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。照明設(shè)計(jì)應(yīng)有多種開燈模式及對(duì)應(yīng)的控制方案?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)燈具數(shù)量，為不同需要的比賽和活動(dòng)提供合適的照明，控制方案要簡單、實(shí)用，并具有較強(qiáng)的靈活性。
三、體育場照明設(shè)計(jì)的計(jì)算
體育場照明設(shè)計(jì)的照度計(jì)算通常有三種方法：一是單位面積容量估算法；二是平均照度計(jì)算法，用以計(jì)算被照面上的平均照度；三是逐點(diǎn)計(jì)算法，可以精確的計(jì)算出某一點(diǎn)的照度。
1.單位面積容量估算法基本公式：
n=p×a/pl2
式中：n—泛光燈燈數(shù)；pl—每臺(tái)泛光燈功率w；p—單位面積功率w/m2；a—被照面積m2。
m=1/η×η1×u×u1×k3
式中：m—簡化系數(shù)；η—燈具效率；η1—光源效率，1m/w；u—利用系數(shù)；u1—照度均勻度；k—燈具維護(hù)系數(shù)，一般取0.7～0.8.
為簡化計(jì)算，按照η=0.6、u=0.75、u1=0.7、k=0.7給出不同光源的m值見表2.
p=m×e4
式中e為最小照度，lx.
2.平均照度計(jì)算法，運(yùn)用以下公式可以計(jì)算出燈具的數(shù)量。
n=e×a/η×f×k5
式中：n—燈具的數(shù)量個(gè)；e—表面平均照度lx，由表1查得：a—被照面面積m2；η—燈具的效率；f—光通量1m；k—維護(hù)系數(shù)，取0.7～0.8.以上兩種照度計(jì)算法應(yīng)用較普遍，主要用于照度的估算，比較適合方案和初步設(shè)計(jì)階段。
3.點(diǎn)光源逐點(diǎn)計(jì)算法
采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行逐點(diǎn)計(jì)算。泛光燈的尺寸與其照射的距離相比要小的多，因此泛光燈可被當(dāng)作點(diǎn)光源，一盞燈具照度計(jì)算的數(shù)學(xué)模型如公式6所示。
eφcosα±d/h×sinαeh=ψeh
6式中，eh：一盞燈照射到垂直立面上產(chǎn)生的平均照度lx，eh用公式7計(jì)算：
eh=iθ×cosθ/r27
iθ—θ角照射方向的光強(qiáng)cd；r—光源至被照面間的距離m；h—光源至垂直立面的垂直計(jì)算距離m；d—r在垂直立面上的投影m；α—斜面與水平面的夾角，單位為度；θ—燈具光束中心與水平面的夾角，單位為度；ψ—系數(shù)，ψ=cosα±d/h×sinα。
四、體育場照明燈具分類與布置方式
在照明設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的燈具。通常對(duì)于側(cè)面布燈方式，采用光束為扇形b或c型泛光燈的利用系數(shù)要高體育場照明設(shè)計(jì)的照度計(jì)算通常有三種方法：一是單位面積容量估算法；二是平均照度計(jì)算法，用以計(jì)算被照面上的平均照度；三是逐點(diǎn)計(jì)算法，可以精確的計(jì)算出某一點(diǎn)的照度。
1.單位面積容量估算法基本公式：
n=p×a/pl2
式中：n—泛光燈燈數(shù)；pl—每臺(tái)泛光燈功率w；p—單位面積功率w/m2；a—被照面積m2。
m=1/η×η1×u×u1×k3
式中：m—簡化系數(shù)；η—燈具效率；η1—光源效率，1m/w；u—利用系數(shù)；u1—照度均勻度；k—燈具維護(hù)系數(shù)，一般取0.7～0.8.
為簡化計(jì)算，按照η=0.6、u=0.75、u1=0.7、k=0.7給出不同光源的m值。
p=m×e4
式中e為最小照度，lx。
2.平均照度計(jì)算法，運(yùn)用以下公式可以計(jì)算出燈具的數(shù)量。
n=e×a/η×f×k5
式中：n—燈具的數(shù)量；e—表面平均照度lx，由表1查得：a—被照面面積m2；η—燈具的效率；f—光通量1m；k—維護(hù)系數(shù)，取0.7～0.8.以上兩種照度計(jì)算法應(yīng)用較普遍，主要用于照度的估算，比較適合方案和初步設(shè)計(jì)階段。
3.點(diǎn)光源逐點(diǎn)計(jì)算法
采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行逐點(diǎn)計(jì)算。泛光燈的尺寸與其照射的距離相比要小的多，因此泛光燈可被當(dāng)作點(diǎn)光源，一盞燈具照度計(jì)算的數(shù)學(xué)模型如公式6所示。
eφcosα±d/h×sinαeh=ψeh
6式中，eh：一盞燈照射到垂直立面上產(chǎn)生的平均照度lx，eh用公式7計(jì)算：
eh=iθ×cosθ/r27
iθ—θ角照射方向的光強(qiáng)cd；r—光源至被照面間的距離m；h—光源至垂直立面的垂直計(jì)算距離m；d—r在垂直立面上的投影m；α—斜面與水平面的夾角，單位為度；θ—燈具光束中心與水平面的夾角，單位為度；ψ—系數(shù)，ψ=cosα±d/h×sinα。于圓柱對(duì)稱光束a型泛光燈。對(duì)于四塔布燈方式，采用圓柱對(duì)稱光束a型泛光燈的利用系數(shù)要高于扇形b或c型泛光燈。
4.燈具的布置方式
為有效地利用光源的光通量，還應(yīng)根據(jù)投射距離選擇泛光燈光束角的大小。
1、四塔式布燈
①四角燈塔位置應(yīng)選在球門中線民地底線成15°角、半場中心線與邊線成5°角的兩線相交后延長線所夾得空間范圍，并宜將燈塔設(shè)置在場地的對(duì)角線上。將泛光燈安裝在4個(gè)高塔上，這種布置型式適用于沒有挑棚的體育場，其照明利用率較低；而且要解決好燈具的維護(hù)檢修問題。
②燈塔的高度應(yīng)使最低一排泛光燈至場地中心與場地水平地面的夾角在20°～30°，超過這一范圍，不僅使燈塔的造價(jià)大大提高，同時(shí)也會(huì)降低垂直照度與水平照度的比例，影響物體造型的立體感和降低識(shí)別運(yùn)動(dòng)物體的速度。
燈塔最低一排泛光燈至場地水平面的垂直高度可由式8確定：
h≥l×tan25°或h≥0.4663l
式中：h—燈塔最低一排泛光燈至場地水平面的垂直高度m；l—場地中心點(diǎn)至燈塔座的水平距離m。
上式中的l與h關(guān)系還可以采用下列比值確定：與場地水平面夾角為25°時(shí)，lh=2.1451；與場地水平面夾角為20°時(shí)，lh=2.7471
③燈塔頂部應(yīng)裝置防雷接地設(shè)施，接地電阻不大于10ω。燈塔頂部應(yīng)設(shè)置紅色高度標(biāo)志燈，且不少于2臺(tái)。燈塔上安裝的接線端子箱、敷設(shè)的電纜及線醴均由燈塔廠配套提供。
④燈塔設(shè)置位置及塔上最低一排泛光燈投射角度及高度應(yīng)滿足以下要求：α>5°，β>15°，20°<γ<30°，45°<θ<70°
2、混合式布燈
①將燈帶式與燈塔式有機(jī)地組合在一起的布燈方法。一般大型綜合性體育場解決照明技術(shù)效果比較好的一種布燈型式。
②混合布置，燈塔的投射角和方位布置可以適當(dāng)靈活處理，光帶的長度可以適當(dāng)縮短，光帶的高度也可適當(dāng)降低。
五、體育場照明供電設(shè)計(jì)
體育場的照明供電，一般由低壓配電室引來兩路電源供給，互為備用，手動(dòng)與自動(dòng)投切，平時(shí)兩路電源各帶50％左右的負(fù)荷，且均勻分布，以便任何一路斷電，熄滅了的燈光尚未點(diǎn)燃時(shí)，場地內(nèi)仍能保持均勻的照度分布，使一般性比賽仍可進(jìn)行。
另外，由于氣體放電燈的啟動(dòng)時(shí)間約為4～8min，再啟動(dòng)時(shí)間約為10～15min，因此，即使采用兩種電源自投，也無法使熄滅了的燈光立即點(diǎn)燃，故對(duì)有人值班的控制室，可采用兩種電源手動(dòng)互投的切換方式。對(duì)無人值班的控制室則應(yīng)采用兩路電源自投不自復(fù)的切換方式，保證比賽的正常進(jìn)行，延長光源的使用壽命。
①此種供電方式可不再另外考慮場地的應(yīng)急照明，而且當(dāng)電源轉(zhuǎn)換時(shí)仍能基本保證比賽的正常進(jìn)行。
②配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)較為復(fù)雜，造價(jià)亦相應(yīng)較高。
③采用四塔式照明時(shí)，將電源柜放在燈塔底部內(nèi)側(cè)，電源線沿?zé)羲?nèi)壁敷設(shè)，燈具的鎮(zhèn)流器箱放在塔的頂部，這種配電方式較為合理。
④采用光帶式照明時(shí)，將電源直接送到挑棚馬道上的配電柜臺(tái)，配電的分支線路可以采用沿馬道旋轉(zhuǎn)的金屬線槽敷設(shè)方式。
比賽燈的開關(guān)，主要靠交流接觸器或無觸點(diǎn)的晶閘管可控硅實(shí)現(xiàn)。用交流接觸器控制，簡單可靠，也較經(jīng)濟(jì)；用晶閘管控制，技術(shù)先進(jìn)，但價(jià)格較貴。為了便于維護(hù)和燈光方案的變化，宜采用單燈單控，也可一個(gè)開關(guān)控制2～3個(gè)燈，以不超過3個(gè)燈為宜。
氣體放電燈點(diǎn)燃時(shí)，沖擊電流很大，開啟燈光時(shí)，單燈宜間隔0.5s；組控時(shí)，宜間隔10～30s.另外，氣體放電燈的頻閃效應(yīng)對(duì)照明質(zhì)量的影響很大。由交流電源供電的氣體放電燈有二倍于電源頻率的周期性頻閃。
頻閃會(huì)使迅速運(yùn)動(dòng)的物體，出現(xiàn)幻影，這種效應(yīng)對(duì)于攝像，尤其是慢動(dòng)作攝像影響很大，放映時(shí)，會(huì)顯示出一種令人難以忍受的閃動(dòng)，頻閃還會(huì)造成視覺疲勞。通常用光通量的波動(dòng)深度fbd來衡量。
fbd=fmax－fmin/2fav×100％
式中：fmax—光通量的最大值；fmin—光通量的最小值；fav—光通量的平均值。只要將波動(dòng)深動(dòng)降至25％以下，人的視覺對(duì)頻閃將不產(chǎn)生疲勞效應(yīng)。這可通過改變配電方式來實(shí)現(xiàn)。
例如：將相鄰的氣體放電燈接在不同相位的電源上；在方案設(shè)計(jì)時(shí)，還可考慮氫不同相位的氣體放電燈所發(fā)出的光通量相到重疊等?？傊?，在大量使用氣體放電燈的體育場照明設(shè)計(jì)中必須考慮頻閃對(duì)照明質(zhì)量的影響。
六、照明應(yīng)按幾級(jí)負(fù)荷供電
根據(jù)以下兩本規(guī)范而定：《體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》 jgj31-2003和《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》jgj354-2014。
《體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》jgj31-2003第1．0．7 體育建筑等級(jí)應(yīng)根據(jù)其使用要求分級(jí)，且應(yīng)符合表1．0．7的規(guī)定。
這里根據(jù)體育場不同的使用要求，確定了體育場的建筑等級(jí)。
《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》jgj354-2014第3．2．1條 體育建筑負(fù)荷分級(jí)應(yīng)符合下列規(guī)定：
（負(fù)荷分級(jí)表3．2．1 ）
（1）包括主席臺(tái)、貴賓室及其接待室、新聞發(fā)布廳等照明負(fù)荷，應(yīng)急照明負(fù)荷，計(jì)時(shí)記分、現(xiàn)場影像采集及回放、升旗控制等系統(tǒng)及其機(jī)房用電負(fù)荷，網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、固定通信機(jī)房、擴(kuò)聲及廣播機(jī)房等用電負(fù)荷，電臺(tái)和電視轉(zhuǎn)播設(shè)備，消防和安防用電設(shè)備等；
（2）包括臨時(shí)醫(yī)療站、興奮劑檢查室、血樣收集室等用電設(shè)備，vip辦公室、獎(jiǎng)牌儲(chǔ)存室、運(yùn)動(dòng)員及裁判員用房、包廂、觀眾席等照明負(fù)荷，建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、售檢票系統(tǒng)等用電負(fù)荷，生活水泵、污水泵等設(shè)備；
（3）包括普通辦公用房、廣場照明等用電負(fù)荷；
（4）普通庫房、景觀等用電負(fù)荷。
特級(jí)體育建筑中比賽廳(場)的tv應(yīng)急照明負(fù)荷應(yīng)為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，其他場地照明負(fù)荷應(yīng)為一級(jí)負(fù)荷。
甲級(jí)體育建筑中的場地照明負(fù)荷應(yīng)為一級(jí)負(fù)荷； 乙級(jí)、丙級(jí)體育建筑中的場地照明負(fù)荷應(yīng)為二級(jí)負(fù)荷。
七、體育場照明控制
體育場及觀眾席照明控制主要形式為在專設(shè)的燈光控制室采用計(jì)算機(jī)控制臺(tái)集中控制。計(jì)算機(jī)控制臺(tái)為人機(jī)對(duì)話形式，設(shè)有燈位布置模擬盤、燈光單控、組控開關(guān)等，燈光單控開關(guān)的布置應(yīng)與燈位布置模擬盤相對(duì)應(yīng)。
可以自動(dòng)控制，也可以手動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)可以模擬現(xiàn)場開燈狀態(tài)，自動(dòng)控制及檢測燈具是否正常工作，并反饋顯示故障燈組位置，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置不同的控制方案，以滿足不同比賽內(nèi)容及活動(dòng)對(duì)照度的不同要求及同一體育項(xiàng)目不同比賽級(jí)別對(duì)照度的不同需要。預(yù)先確定若干種開燈方案，編程后存入計(jì)算機(jī)內(nèi)，根據(jù)不同的需要調(diào)用相應(yīng)的開類方案。