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體育場館照明規劃設計及發展趨勢(二)

2019/07/05

體育場館照明規劃設計及發展趨勢(二)

一、引言

現代體育運動是隨著人類社會的發展逐步成長和成熟起來的。體育運動離不開體育場館的建設。體育場館照明作為體育場館建設的一部分,其特點是燈光照射空間大、距離遠,照度技術要求高。因此,體育場館照明設計的重點是館內場地照明,也就是比賽用光。館內場地照明是一項功能性強、技術性高、難度較大的設計,既要滿足各類體育項目比賽的要求,又要有利于運動員技術水平的發揮,還要有利于裁判作出正確評判,同時更要兼顧觀眾席上各個方位的觀看效果。下面,我們以此類亮化項目的業務分類、照明要求和設計基本考慮等方面作為切入點,進一步詳細論述現代專業體育場館照明的規劃設計和發展趨勢。

二、體育運動的分類

1. 體育運動的級別

在不同的場館中,對不同的運動級別有不同的照明要求,目前常見的運動級別如下:

(1)娛樂活動。

(2)業余水平:業余訓練,包括體能訓練、非比賽的活動、國內比賽。

(3)專業水平:專業訓練,包括體能訓練、國內比賽、帶彩色電視轉播的國內/國際比賽,以及HDTV轉播比賽。

綜合體育場館有復雜的使用功能和電視轉播要求,體育場館首先應按使用功能的規定進行功能分級,然后再提供相對應的體育照明設計和效果。

2. 體育運動的具體分類

基于對照明的要求,體育運動可以分為兩類:以空中運動為主的運動及以地面運動為主的運動,在這兩類運動中,又可以分為多方向運動和單方向運動。

(1)空中運動

空中運動是指運動對象除在地面外,還會在空中飛行。

1)多向空中運動。運動員和觀眾會從多個方向及位置觀看運動物體,此時照明的垂直照度往往比水平照度更為重要,同時應嚴格控制眩光,將燈具布置于常用觀察方向以外。典型的多向空中運動有:籃球、足球、手球、羽毛球、棒球、壁球、網球和排球。

2)單向空中運動。運動員和觀眾從地面的固定點觀看物體,此時在起點需要較多考慮水平照度,而在運動過程中及終點要求足夠的垂直照度,在起點的燈具以向下照射為主,而終點則以高角度照射。典型的單向空中運動有:高爾夫、雙向飛碟、高山滑雪等。

(2)地面運動

地面運動是指運動始終在地面或離地不高的空間內進行,運動員和觀眾在正常情況下不會向上看。

1)多向地面運動。運動員和觀眾從多個方面觀看運動,通常只往下看或水平觀察,要求有均勻度較好的水平照度,同時還應有必要的垂直照度。典型的運動有:拳擊、冰球、曲棍球、滑冰、游泳跳水及摔跤。

2)單向地面運動。觀察目標通常在靠近地面的垂直面上,此時應重點考慮直面的照度,可通過燈具的投射方向滿足照明,同時在起點處保證運動員及觀眾視覺舒適。典型的運動有:射箭、射擊、保齡球。

針對以上兩種類型的運動,又有兩個因素決定照明的需求,即運動物體的視覺尺寸大小及速度。視覺大小取決于物體的物理尺寸及觀看距離,而速度則取決于物體的絕對速度及相對于運動員、觀眾的方向。如果運動物體的速度提高、尺寸變小,則照明要求更高。對運動員而言,不同的運動有其不同的主要觀察方向,如網球的主觀察方向是縱向的,這些主觀察方向將直接影響燈具的布置。因此在進行燈具布置前,應認真考慮這些因素。

三、體育照明的要求

體育照明的目的是通過對運動物體及周圍環境的亮度控制,提供一種舒適的照明環境,使運動員、觀眾、電視攝像機、照相機能夠清晰地捕捉到目標,因此有許多量化和非量化的要求。

1. 照度

體育照明最基本的要求是給運動員、觀眾、電視攝像機、照相機提供令人滿意的照度水平,由于對電視攝像機、照相機照明的要求已超出對運動本身和觀眾席的要求,因此在設計初始就應了解清楚照度的要求。照度決定于:

①運動的速度、運動物體的視覺大小。

②運動員的競技水平。

③運動員的年齡。

④觀眾席的容量。

⑤彩色電視轉播要求。

1)水平照度

體育照明的水平照度值通常是指,在場地地面上或場地上高1m處水平平面上的水平照度。對大多數空中運動,運動并不僅僅局限于地面上,因此水平照度不是唯一重要的照明指標。相對而言,水平照度比垂直照度簡單,容易計算。

2)垂直照度

對觀察垂直面上的物體來說,垂直照度是必須的。觀眾觀看運動員比賽時,是以某一垂直面的垂直照度為基礎的。運動員周身的照明環境可以4個互相垂直的垂直面。垂直照度用來衡量這幾個垂直面上的照明水平,它對彩色電視轉播或照相的質量有著決定性的作用。垂直照度與主攝像機位置密切相連,在普通的比賽中,除一些特別的運動,如射擊、高爾夫等,大部分體育運動對垂直照度不做特殊要求,只有在做彩色電視轉播時,才需特別考慮垂直照度。

2. 照明光源的顏色特性

在體育照明中,人工光源的顏色特性起著決定性的作用,當然,也要考慮自然光對整個體育照明設計的影響。光源的顏色特性有兩個重要參數:光源的色溫(Tc)或相關色溫CCT(單位都是K)和光源的一般顯色指數Ra,它們均依賴于光源的光譜能量分布。

光源色溫Tc可表示為光源給人帶來的色表感覺。自然白光(色溫為4000K左右)類似早晨的陽光,給人以明亮自然的感覺,多用于室內體育館照明;日光色白光(色溫為5000K以上)類似中午的陽光,給人以明亮興奮的感覺,多用于室外體育照明。對有彩色電視轉播要求的體育照明,為得到理想的畫面質量,攝像機、照相機只能通過調節“白點設置”解決顏色偏差,但人眼無法調節,況且經調整后的畫面質量也不可能是最好的,因此應選擇合適的光源作為體育照明光源。

體育場館照明的視覺環境取決于光源的一般顯色指數Ra。Ra越高,照明后的環境與實際環境越接近,環境越舒適。對顏色還原要求越來越高的電視轉播的體育照明,如果采用LED照明,則除對LED照明燈具一般顯色指數Ra有要求外,還需要對色數顯色指數,如R9等提出要求。

3. 眩光

眩光在體育照明中是一個特別重要的參數,眩光控制不佳,會導致運動員、觀眾嚴重的視覺困難,從而影響比賽。眩光可分為失能眩光和不舒適眩光,在體育照明中這些眩光均由燈具的直接眩光及環境的反射眩光造成。由于體育照明中使用大量中功率或大功率HID投光燈具,而HID光源本身放電管的發光亮度非常高,因此完全消除眩光是不可能的,但可以通過多種方式降低或減小眩光。

在體育照明中,眩光程度取決于燈具的光強分布、燈具的瞄準點方向及數量、燈具布置和安裝高度,以及照明區域內的背景亮度。目前,CIE已經對室外體育場及室外區域照明的眩光做了統一的評價。在體育場中,觀測者位置的不同及觀察方向的不同,視覺內的眩光程度也是不一樣的。當在體育場中安裝點光源燈具時,對于給定的觀測者位置和給定的觀看方向(低于眼睛水平),其眩光程度取決于由燈具對人眼產生的等效光幕亮度Lv1和觀察者前方視覺環境所產生的等效光幕亮度Lve。場地的放射比對眩光的計算結果有很大影響,反射率越高,環境光幕亮度Lve越大,眩光越小。因此,在照明設計時,應該取合適的場地反射率,這樣計算出的眩光指數才是可靠的。眩光指數越低,說明眩光控制越好。

四、體育照明設計的基本考慮

1. 照明光源的選擇

體育照明的光源選擇與其他照明一樣,可以從光源顯色性Ra、光源色溫Tc、光源光效、壽命等方面選擇考慮光源。目前,體育照明中常用的光源為直管型熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓汞燈或高壓鈉燈。而LED體育照明燈具也已經逐步從訓練場館照明開始應用,隨著產品光度性能和系統效能的進一步提高,將逐步在有專業的彩色電視轉播的體育場館應用。

在光源選擇時,還應考慮光源的顏色偏移。當許多光源被安裝在同一個場館時,這些光源間的顏色偏差應最小,不論是金屬鹵化物光源,還是LED光源,均應光源間的色溫的偏差。傳統光源間的色溫偏差應小于150K/300K(室內/室外應用);如果為LED照明系統,其照明系統間的色容差應小于5SDCM(色容差單位)。

2. 照明燈具的選擇

燈具的發展離不開光源的推動,大功率汞燈和長弧氙燈的出現促進了體育場照明用投光燈具的發展。早期用鋼板或鋁板做外殼制成燈具,20世紀70年代末出現了鋁壓鑄外殼方形投光燈及減少眩光的非對稱柱面反射器投光燈,20世紀90年代隨著緊湊型金屬鹵化物光源的出現,緊湊型大功率投光燈開始出現在體育照明中,并立刻占據了主導地位。而現在則慢慢開始了LED照明燈具在體育照明中的應用。現在體育照明對燈具的要求有如下幾點:(1)燈具外形小型化;(2)燈具功率及配光曲線;(3)燈具壓鑄鋁外殼及高防塵防水(IP)等級;(4)燈具的安全性及維護;(5)眩光小,溢出光少;(6)燈具應有準確瞄準功能設計;(7)燈具應有熱啟動裝置。

五、體育照明標準推薦

目前在我國的體育場館照明設計實踐中,基本可參照4類標準:

(1)國際照明組織的標準,包括國際照明委員會(CIE)、北美照明工程學會(IESNA)、歐洲標準(EN)等。其中,涉及的標準包括:

CIE42:《網球場照明》(Lighting for Tennis);

CIE45:《冰上運動照明》(Lighting for Ice Sports);

CIE57:《足球場照明》(Lighting for Football);

CIE58:《體育館照明》(Lighting for Sports Hall);

CIE62:《游泳池照明》(Lighting for Swimming Pools);

CIE67:《體育照明裝置的光度學要求和測量指南》(Guide for the Photometric Specification and Measurement of Sports Lighting Installations);

CIE83:《體育運動場地彩電轉播照明》(Guide for the lighting of Sports Events for Color Television and Film Systems);

CIE112:《室外體育和區域照明的眩光評價系統》(Glare Evaluation System for Use Within Outdoor Sports and Area Lighting);

CIE169:《體育賽事中用于彩電和攝影的實用照明設計準則》(Practical Designs Guidelines for the Lighting of Sport Events for Color Television and Filming);

IESNA:Lighting Handbook(10th);

EN 12193Light and Lighting Sports Lighting

(2)國際體育組織的照明標準,包括國際田徑聯合會(International Association of Athletics Federations,IAAF)、國際足球聯合會(Federation Internationale de Football Association,FIFA)、國際籃球聯合會(Federation Internationale de Basketball,FIBA)、國際網球聯合會(International Tennis Federation,ITF),以及由56個單項體育聯合會組成的國際體育聯合會(General Association of International Sports Federations,GAISF)等體育機構或聯合轉播機構出版的針對性的照明標準。

(3)各項重大體育賽事、組織或轉播機構出版的照明標準,如奧運會、世界杯、亞運會、大運會等大型綜合運動會對各項運動照明的要求,或單項體育世界錦標賽轉播機構頒布的照明要求。

(4)中國國家照明標準,目前我國實行的專業的體育照明標準為《體育場館照明設計及檢測標準》(JGJ153)。隨著中國北京2008年奧運會、2010年廣州亞運會、2011年深圳大運會的成功召開,這些賽事中的許多世界先進水平的體育場館照明為中國體育照明的發展帶來了巨大的推動力,也促進了中國對體育照明的研究和更好的應用。《體育場館照明設計及檢測標準》(JGJ153)是在綜合了奧運會照明標準、亞運會照明標準、CIE 169文件、GASIF V14版標準、EN12193,以及各個體育單項組織對照明的特殊要求后,又結合中國體育建筑的特點和對體育照明的特殊需求,通過廣泛調查研究,總結大量的體育場館照明實踐經驗和檢測數據后編制而成。因此,此標準非常符合目前中國在北京奧運會后對體育照明的需求,這是目前體育照明設計中非常全面、具體、專業的標準推薦。


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