基于体育场馆照明的马道设置方法的研究

林若慈，朱 悦

(1.中国建筑科学研究院，北京 100013; 2.飞利浦(中国)投资有限公司，北京 100600)

引言

体育场馆的照明系统是场馆最重要的设施之一，也是体育场馆中技术要求最高的部分，照明的好坏会直接影响竞赛公平、转播效果、球员安全、观众气氛等一系列最重要的竞赛核心内容。而其中，马道的设置对体育照明无疑是至关重要的，它不仅会严重影响照明的质量和数量，同时还会带来更多的能源消耗。对于体育场馆来说，马道位置的设置与建筑、结构、电气、照明等多个专业相关，不同的专业会有不同的侧重点，而且往往还会有交叉，这也是造成马道位置会被多方所随意修改的原因，甚至于致使马道无法利用。

然而，在长期的场馆建设中，很多参与者对照明的重要性并没有放在最关注的位置，因此在设计中出现了很多与要求相违背的做法，马道的设置完全没有考虑到标准中对照明最基本的要求，如马道的位置离边线太近，甚至就在边线内，这就导致了无论提高多少水平照度边线处的垂直照度也很难达到标准值；或者马道的高度过低，满足不了场地照明对眩光角度的限制要求，造成严重眩光；还有的马道太短，造成比赛场地两端头底线位置几乎没有垂直照度，或者照度很低等。此外，就照明节能而言，根据相关资料及对实际场馆的调查统计结果表明，对于同类场馆相同级别的场地照明功率密度LPD值甚至可相差几倍，这其中很重要的原因之一就是马道位置设置不合理。通过对体育场馆马道位置的研究，提出马道的正确设置方法，进一步规范马道的设计准则，力求建筑师在进行体育场馆建筑设计时能充分兼顾照明专业对马道的要求。

1 体育照明的基本要求

对于体育照明来说，竞赛、转播和安全是最重要的组成部分。随着体育运动和竞赛项目的日趋发展和普及，参与者和观看比赛的人越来越多，对照明的要求也就越来越高。照明设施必须保证运动员和裁判员能够看清比赛场地上的一切活动和场景，这样他们才能发挥出最佳水平，观众也需要在宜人的环境和舒适的条件下观看比赛。与此同时照明设计还应为观看比赛的广大电视观众提供高质量的电视转播画面。此外对于人员密集的体育场馆，确保大批人群安全出入体育场馆及在紧急情况下迅速疏散，照明也极为重要。

关于对体育场馆的照明数量和质量指标要求在《体育场馆照明设计及检测标准》JGJ153已有详细规定，在照明设计时对转播比赛场地照明还应强调以下方面的要求：

1.1 照明与竞赛相关的要求

(1)灯具的安装位置一般不允许在场地正上方，某些运动如羽毛球、乒乓球等要求会更加严格；

(2)大部分场地存在不允许安装灯具的区域，主要针对比赛时照明会对主视线产生不利影响，如排球、羽毛球、网球等；

(3)灯具安装位置和投射角度避免对运动员产生眩光；

(4)防止灯具的直射光或反射光(水池面)对运动员和观众席产生影响。

1.2 照明与转播相关的要求

(1)摄像机方向的垂直照度及其均匀度要满足摄像和转播的要求；

(2)色温会影响摄像机白平衡的调节，对转播级别的体育场馆，要求Tcp>4000 K(一般转播)或5500K(高清转播)；

(3)显色指数会影响转播、摄像的色彩还原程度，对于转播级别的体育场馆，Ra>80(一般转播)或Ra>90(高清转播)；

(4)灯具安装位置和投射角度有时还会对摄像机产生眩光。

1.3 安全要求

这需要满足国家和项目地区所要求的应急照明规定。

2 马道设置需要考虑的问题

2.1 马道设计中可能产生的误区

(1)建筑设计师对马道美观的要求之一：马道设置在钢架或网架内部。照明标准规定，在灯具与场地之间不能有障碍物存在。而很多人认为灯具装在钢架里面，光可以通过钢架缝隙传递即可，这是非常错误的观点。如果灯具数量较多，挡掉的这部分光是不能忽略的。当灯具的部分光线被结构所阻挡，受影响的不仅仅是被照面获得的光减少了，这种不规则的被照亮的钢架不但不美观，反而会起到反作用。为了避免这种现象，很多项目的马道安装在钢架内部，而灯具吊到钢架下部安装，虽然可以杜绝上面的现象，但所有的安装、调试、维修都要人员到马道下面完成，一是失去了马道作为载体的便利性，二是可能会造成一定的安全隐患，因此可以说马道设置在钢架内部是极不合理的。

(2)建筑设计师对马道美观的要求之二：马道位置与建筑结构，如顶棚的造型相关联。首先需要说明，在灯具开启或者比赛进行时，灯具的相对中心光强可以达到2×104～3×104cd/klm，绝对光强可以达到2×106～5×106cd ，亮度很高，如果直视灯具，由于人眼对光线的自适应性，如此高的灯具表面亮度其背景会被看成一片漆黑，根本无法看清背景的样式、颜色等，就实际情况而言，观众的注意力也都全部集中在场地而非顶部，因此可以说，顶部的马道造型或装饰，都是无法在正常使用时受到关注的。而如果过度强调马道和顶棚之间的对应关系，结果很可能会影响场地照明的合理性。在体育场馆照明中，可以在不影响功能需求的前提下，兼顾建筑的美观。

2.2 空间设施对照明系统的阻挡

在有些场馆项目中，由于前期多个专业的沟通协调不通畅，使得通风管道、管线、音响设备等会出现在低于马道标高的位置，对灯光造成遮挡，这是完全不符合要求的。有的场馆空间有媒体视频设备，往往会对灯具投射的光线造成阻挡，在照明设计时要尽量避开这些设施。

2.3 马道几何尺寸、刚性要求及荷载问题

在马道上不但需要安装灯具、音响设备，还要承载电缆、桥架或线槽、安装附件等大量设备，同时还要承载人的通行、维修操作等，因此过小的尺寸会无法满足承载要求。此外，由于大功率灯具的镇流器箱体往往都是分离式的，需要安装在马道上，因此建议马道宽度不宜低于1m，净空高度不宜低于1.5m。

对马道刚性的要求是灯具的投射位置不会因马道的扭曲和变形造成偏差，相对于体育馆照明，高质量灯具投射角的精度需要控制在2°以内，而体育场要求的精度会更高。同时对马道的刚性要求也会随着增加。

由此可见，马道需要较大的荷载能力才能满足功能和安全需求，实践经验表明，HDTV级别的体育建筑马道的荷载需要达到350～400kg/m才能满足要求，而过低的荷载预留可能会发生危险。

3 马道位置的设置方法

在体育场馆马道的设计中，需要考虑以上所有因素，而其中最重要的是马道位置对照明效果的影响，以下将主要对这部分内容进行分析研究。

3.1 水平照度、垂直照度与马道的关系

在转播级别的体育照明中，往往主摄像机和辅助摄像机分别设置在不同的方向，具体的位置与运动的特点有关。这里以主、辅摄像机分别设置在比赛场地的边线后和底线后为例进行论述。

灯具应尽量提供两个方向摄像机的垂直照度，灯具的投射方向基本都是倾斜的，灯具在X和Y方向分别提供辅摄像机和主摄像机方向的垂直照度。

在转播级别的照明中，主、辅摄像机的垂直照度有差别，如VI级为2000/1400(lx)，V级为1400/1000(lx)，IV级为1000/750(lx)，比例在1∶0.7～1∶0.75之间，因此sinA∶sinB=1∶0.75，也就是说A角要大于B角，如图1所示。两个方向的垂直照度都是有均匀度要求的，这就意味着所有的计算点应该尽量按照相似的投射原理进行设计。

图1 灯具投射方向示意图Fig.1 Schematic diagram of aiming direction for luminaire

综合考虑上面的角度关系，为了保障辅摄像机的垂直照度，场地底线侧的马道相当重要，底线后马道的最佳位置是满足投射到计算点的灯具俯视投射角度要满足上面所说的角度关系。

3.2 灯具投射角度与马道位置的关系

灯具投射角度直接影响水平照度Eh、垂直照度Ev、照度均匀度和眩光指数GR等各项照明指标，在马道设计时必须给予高度重视。

(1)投射到场地近边线处的位置要求

在体育照明中，平均水平照度和平均垂直照度都有照度比率和均匀度的要求，相比之下，垂直照度的均匀度更加复杂。灯具投射到最远边线和最近边线的两个角度φ和θ是决定各主要照明指标的重要因素，θ角度则是决定近边线位置垂直照度、照度均匀度和照度比率的关键。

(2)投射到场地远边线处的位置要求

在体育照明中，有一个重要的指标，就是眩光指数最大值不能超过体育照明标准要求的数值：体育场GR<50，体育馆GR<30，最简单的方法可以通过φ角来预判GR是否能达到眩光限制值的要求，限制φ角主要是为了满足眩光指数的要求。

因此，马道的位置既要满足θ角的要求，又要满足φ角的要求，这也将是设置马道时所需要考虑的最重要的条件。

4 确定马道的位置参数

马道的位置参数包括马道距比赛场地近边线的水平距离d、马道距地面的高度h和马道距场地中心点的水平距离s等。

根据国内外相关标准和设计经验及计算分析研究结果可得到以下灯具安装位置要求。

(1)国际足联(FIFA)标准(2002、2007、2011)适用于Ⅳ、Ⅴ级的灯具设施安装准则。

① 马道上灯具投射到场地与远边线之间的夹角最小为25°，最大不超过40°。(包括双马道)。

四角灯塔照明灯杆上灯具投射到场地与场地中心点之间的夹角最小为25°。

② 双排马道后排灯具投射方向与场地近边线的夹角宜为65°～50°。

③ 球门区后面的灯具投射到场地与场地中心点之间的夹角最小为25°，与球门中点之间的夹角为75°。

(2)设计经验和计算分析研究结果：综合考虑水平照度、垂直照度、照度均匀度、照度比率、眩光限制等要求。

① 室外体育场

马道上灯具投射到场地与远边线之间的夹角不小于25°，灯具投射到场地与场地近边线之夹角不大于65°。

足球场地马道中间位置水平投影距场地中心点的距离一般为60m～80m。

② 室内体育馆

马道上灯具投射到场地与远边线之间的夹角不小于30°，灯具投射方向与场地近边线之夹角不大于65°或60°。

单排马道位置和灯具投射角度符合图2要求，如采用双排马道，则前排马道位置符合φ≥25°，后排马道符合θ≤65°的要求，见图3。

图2 单马道灯具投射角Fig.2 Luminaire aiming angle for single catwalk (each side)

图3 双马道灯具投射角度Fig.3 Luminaire aiming angle for double catwalk (each side)

图中：φ为灯具投射方向与场地远边线之夹角(单位：°)；θ为灯具投射方向与场地近边线之夹角(单位：°)；w为场地宽度(单位：m)；d为灯具(马道)水平投影距近边线距离(单位：m)；h为灯具(马道)距地面的高度(单位：m)；d′为双马道后排灯具(马道)水平投影距近边线距离(单位：m)；s为单马道灯具(马道)水平投影距场地中心点距离(单位：m)；s1,s2为双马道两排灯具(马道)水平投影距场地中心点距离(单位：m)。

依据上述提供的马道设计准则对典型场馆的马道位置(图1)的设计参数按式(1)和式(2)进行计算：

(1)

h=d×tgθ

(2)

对于双马道(图3)，设定前排马道正好处在近边线上方且前后两排马道高度相同，这样就很容易计算出马道的各项设计参数。

计算结果如表1—表9 所示，表中的马道计算参数基本上都能达到照明设计的要求。

表1 室外体育场单马道灯具安装高度与各计算参数对应表Table 1 Single catwalk (each side) for athletics-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

关于计算结果的几点说明：

(1)表1、表2中θ角度取值70°时，往往会导致近边线附近的垂直照度不足且水平/垂直照度比率失调，一般不建议采用。

(2)对于小型的比赛场地一般可不采用双马道，如专用蓝排球馆等。

表2 室外体育场双马道灯具安装高度与各计算参数对应表Table 2 Double catwalk (each side) for athletics-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

表3 专用足球场单马道灯具安装高度与各计算参数对应表Table 3 Single catwalk (each side) for soccer-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

表4 专用足球场双马道灯具安装高度与各计算参数对应表Table 4 Double catwalk (each side) for soccer-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

表5 综合体育馆单马道灯具安装高度与各计算参数对应表Table 5 Single catwalk (each side) for gymnasium-Luminairemouting height and calculation parameters in corresponding table

表6 体育馆双马道灯具安装高度与各计算参数对应表Table 6 Double catwalk (each side) for gymnasium-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

表7 专用篮排球馆单马道灯具安装高度与各计算参数对应表Table 7 Single catwalk (each side) for basketball-Luminairemouting height and calculation parameters in corresponding table

表8 网球馆单马道灯具安装高度与各计算参数对应表Table 8 Double catwalk (each side) for tennis-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

(3)考虑到游泳跳水馆的特殊性，比赛级的游泳跳水馆原则上应采用双马道布置方式。

(4)表9中游泳馆的计算参数只是按一般原则进行的推算，并不完全适用于实际的照明设计，尤其是转播级的场馆除了要考虑对运动员产生的眩光外，还要考虑水面反射眩光对观众席的影响，且跳水的高度计算也比较复杂，需要专题论述。

表9 游泳馆双排马道灯具安装高度与各计算参数对应表Table 9 Single catwalk (each side) for swimming pool-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

上述计算中马道高度是指其中心点的位置高度，马道端点的位置高度可以根据以下原则确定：室外体育场马道端点上灯具投射方向与场地中心点的夹角不小于25°，室内体育馆马道端点上灯具投射方向与场地中心点的夹角不小于30°。

5 马道的形状和数量

对于体育照明来说，建筑师和结构工程师需要更多地了解灯具安装位置的要求 ，综合之前所叙述的内容，即灯具位置需要符合以下要求。

(1)灯具最近的投射角度(影响Eh、Ev数值、Eh/Ev比例关系、均匀度)。

(2)灯具最远的投射角度(影响Eh、Ev数值、Eh/Ev比例关系、均匀度、GR眩光指数最大值)。

(3)灯具不允许安装的位置(如场地正上方，球门区底线两侧15°范围，比赛时运动员的主视线方向等)。

(4)其他可能影响照明质量和设备安装的因素。

5.1 马道的形状

在很多情况下，马道设计往往需要考虑建筑美观和造型，这样就会需要更多的灯具数量和更大的能耗等，通常需要在两者之间达到权衡。最理想的马道形式最好能与比赛场地的形状相对应，如圆形场地采用圆形马道、椭圆形场地采用椭圆马道、方形场地采用方形马道等等。

5.2 马道的最佳位置和数量

在马道设置中，究竟采用什么样的马道和几条马道合适，最根本的原则来源于上述照明要求，下面就这一问题加以论述。

(a)马道方案1 (b)马道方案2图4 马道方案1，2Fig.4 Catwalk section plan 1，2

图4(a)马道方案1，是理想的马道方案，当灯具投射到场地远、近两个边线与地面的夹角分别为25°(体育馆是30°)和65°时，两虚线的交点正好落在可以设置马道的位置上，单排马道即可完成所有的要求，钢结构的投入会最节省，效果会最简洁，虽然灯具数量不一定是最少，但马道结构和照明系统的总造价一定是最低的。如果交点比设置马道的位置低，马道需要再提高，则由于更远的投射距离，会导致灯具数量增加；如果交点比设置马道的位置高，严格来说，应该设置2条马道才能满足要求，这样马道的重量和材料投入可能会增多。

图4(b)马道方案2，是典型的双马道方案，当场地高度达不到最佳上线的条件时，使用一条马道位置无法同时满足投射到远、近两个边线的两个角度的要求时，采用两排马道可分别满足远、近边线的25°入地角、场地中线25°入地角、后排马道同时需要满足近端边线入地角小于65°的要求，并可获得极佳的照明效果。从理论上讲，双马道比单马道灯具数量要少，而且越是接近下面的点划线，灯具数量越少，但双马道的材料投入和施工量往往会比单马道增加1倍，这就需要计算多投入的马道费用是否能被整体高度降低所减少的费用使总成本得到补偿。

(a)马道方案3 (b)马道方案4图5 马道方案3，4Fig.5 Catwalk section plan 3，4

图5(a)马道方案3，是不可取的马道方案，当场地高度达不到最佳下线的条件时，使用两排马道，依然无法达到远近边线的25°入地角和65°(此角度已经是极限)入地角时，计算结果会无法满足GR的要求，灯具绝不能布置到场地的正上方，造成这个结果最大的可能是由于建筑高度不够，进而会因照明不满足要求使场馆降级使用，这也是马道中最差的方案.

图5(b)马道方案4，是马道方案1的延伸，当灯具位于比投射到场地远、近两个边线与地面的夹角分别是40°和65°的位置更高时，单排马道即可完成所有的要求，虽然钢结构的投入会最节省，但由于投射距离增加，灯具数量会随之增加，能耗和建设成本都会提升，因此，不如方案1优秀。

图6 马道方案5Fig.6 Catwalk section plan 5

图6所示的马道方案，是方案3最低极限位置，前排马道不能进入场地内的正上方，同时需要满足灯具投射到对面边线与地面夹角大于25°的要求。后排马道位置与近边的地面夹角小于65°。当低于这个位置时，场地照明的参数有可能不能全部符合要求。

最后，还必须强调以下马道位置是不符合要求的。

(1)转播级别场馆的单排马道紧贴场地边线正上方，这种马道安装的灯具无法满足近边线附近计算点的垂直照度的要求。

(2)过低的马道，就电视转播而言，尤其是对于HDTV高清转播场地，对照明的要求很高，灯具数量大、单灯功率高，在12m以下的空间使用会对运动员造成极不舒适的感觉，同时也会影响竞赛，因此高级别的体育场馆考虑到照明系统应限制马道的最低高度。

6 结语

关于马道位置的设置问题，对体育照明尤为重要，长期以来一直缺少统一的解决方法，以至于给照明设计带来很大困难。马道位置不仅影响照明的功能性指标，同时也对照明节能产生重要影响。本研究将为相关标准合理设置马道提供科学的理论依据，同时也将为改善体育场馆的照明质量和实施照明节能提供技术保障。

[1] 中华人民共和国建设部.JGJ153—2007体育场馆照明设计及检测标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] FOOTBOLL STADIUMS(FIFA).lighting and power supply. FIFA， 2007：164.