體育場罩棚形態(tài)對觀眾區(qū)風環(huán)境的影響分析

孫杰紅 劉德明

(哈爾濱工業(yè)大學建筑學院,黑龍江 哈爾濱 150000)

1 概述

近些年來，隨著體育產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，體育場館的建設規(guī)模迅速擴大。觀眾作為體育消費的主體，已逐步成為體育場館設計中需要重點考慮的要素，現(xiàn)有研究表明，觀眾的使用體驗是決定體育場館運營情況的關鍵因素，因此保證觀眾的使用舒適性是體育場館設計的重點之一。尤其是體育場建筑，開敞的建筑形式使觀眾區(qū)暴露于室外，受自然環(huán)境的直接影響，在賽事集中的夏季，高溫悶熱的天氣會對觀眾體驗產(chǎn)生嚴重的不利影響。已有研究成果顯示，適量的通風能夠通過加快蒸發(fā)來幫助人體散熱，顯著改善夏季體育場觀眾區(qū)的悶熱情況，因此對體育場觀眾區(qū)風環(huán)境的研究具有重要意義。

國內(nèi)外對于建筑風環(huán)境的研究最早可以追溯到古羅馬時期，建筑巨匠維特魯威[1]觀測到風對建筑的不利影響后提出了改進措施，并將其著入《建筑十書》中。到了19世紀，隨著科學技術的快速發(fā)展，各國學者先后采用觀測、實驗等研究方法對建筑風環(huán)境進行了大量研究。從20世紀60年代起，計算機技術迅速崛起，帶動了計算流體力學的快速發(fā)展，數(shù)值模擬方法開始被應用于建筑風環(huán)境的研究中，盡管在建筑設計方向上的研究起步較晚，但研究成果頗豐：Anastasios I.Stamou[2]運用CFD模擬計算空氣流速及不同入口溫度條件下的場內(nèi)溫度分布，計算得到的平均速度和溫度用來確定平均熱感覺指數(shù)(PMV)和預測不滿意百分數(shù)(PPD)，并評估競技場不同區(qū)域的熱舒適條件；顧磊等[3]對體育場開洞情況進行了模擬研究，得出適量開洞可以卸荷并改善場內(nèi)通風；T.Van Hooff和B.Blocken[4,5]通過對阿姆斯特丹體育場自然通風的模擬，對模擬實驗網(wǎng)格精度進行了研究，兩人還通過模擬實驗得出對建筑風場分布起主要影響作用的是環(huán)境風速、風向及周邊地物；W.D.Janssen等[6]對荷蘭Eindhoven工業(yè)大學校園進行風環(huán)境模擬并選用了多種風舒適評估體系對結果進行了評估；陸陽、劉德明等[7]對體育場內(nèi)場風環(huán)境進行了模擬，探究了體育場內(nèi)場風環(huán)境的影響因素。

從國內(nèi)外關于體育場風環(huán)境CFD模擬研究的成果可以看出，現(xiàn)階段的研究主要集中在體育場結構安全和設備節(jié)能優(yōu)化上，如體育場罩棚風壓、體育館的節(jié)能通風等，對于體育場觀眾區(qū)的研究關注度不足?？紤]到觀眾在體育場設計中的重要地位，本文選取體育場觀眾區(qū)風環(huán)境為研究對象，簡化出三組不同罩棚形態(tài)的體育場模型，基于控制變量法的原則設計并進行模擬實驗，對比分析模擬結果并提出優(yōu)化設計策略，力求為體育場罩棚形態(tài)的深化設計提供依據(jù)。

2 模擬軟件及實驗設計

本文運用STAR-CCM+數(shù)值模擬軟件，探究在不同體育場罩棚形態(tài)下的觀眾區(qū)風環(huán)境情況。

2.1 模擬軟件選擇

鑒于數(shù)值模擬在流場流動方向上的重要性和普及性，大量的商業(yè)化通用軟件涌現(xiàn)出來可供選擇，STAR-CCM+軟件操作流程清晰明確，可以自動劃分網(wǎng)格，且支持高精度的多面體網(wǎng)格，內(nèi)置大量實用的物理模型，收斂精度高，可視化的后處理功能強大，與其他軟件相比優(yōu)勢巨大，因此本文選擇STAR-CCM+進行模擬實驗。

2.2 實驗模型建立

基于大量的體育場基本資料調研與歸納，綜合使用情況與整體數(shù)量，目前最適宜我國大中城市的體育場坐席規(guī)模為30 000座左右的中型體育場，因此本文的實驗模型選擇為30 000座的體育場?；A模型采用國際400 m標準場地，場地邊緣距離觀眾區(qū)首層的最小平面距離為6 m，看臺簡化為一層并交圈排布，最終模型平面最大外尺寸為287 m×211 m，高度為56 m，在此基礎上可進行一系列罩棚形態(tài)的變化，見圖1，圖2。

2.3 罩棚形態(tài)

通過對大量已建成體育場進行資料調研，以罩棚平面形態(tài)、罩棚剖面形態(tài)及罩棚與坐席連接處的間隙距離將體育場罩棚形態(tài)分為三組進行分類研究。

1)罩棚平面形態(tài)。罩棚平面形態(tài)是俯視圖中所顯示的罩棚形態(tài)，從數(shù)量上來說有單側、雙側、三側及四側之分，從連接方式上又有獨立和連接之分，本文依據(jù)資料調研結果，選取最常見的四種罩棚平面形態(tài)進行模擬實驗，分別為：全包式罩棚、四邊式罩棚、兩邊式罩棚和單邊式罩棚，見表1。

表1 罩棚平面形態(tài)實驗模型信息

2)罩棚剖面形態(tài)。罩棚剖面形態(tài)是沿體育場對稱軸剖切得到的罩棚形態(tài)。主要可分為上傾式罩棚、水平式罩棚和下傾式罩棚三種，見表2。

表2 罩棚剖面形態(tài)實驗模型信息

3)罩棚與坐席連接處的間隙距離。一般來說，罩棚與坐席頂部都會留有一定的間隙，間隙處可設置支撐結構或圍護結構等，間隙的距離決定了環(huán)境風流入體育場的流量和方式，本文基于資料調研的基礎，在實驗中設置間隙距離為0 m，3 m，6 m，9 m，12 m五組實驗，見表3。

表3 罩棚與坐席連接處間隙形態(tài)實驗模型信息

2.4 模擬實驗基本參數(shù)

1)計算區(qū)域。計算區(qū)域的大小決定了網(wǎng)格數(shù)量，直接影響到了模擬的正確與否。本文選取計算區(qū)域為：進風面距離模型5倍于體育場總高度，兩側面分別距離模型10倍于體育場總高度，頂界面距離模型10倍于體育場總高度，出風面距離模型20倍于體育場總高度，保證風的充分流動。2)邊界類型。在實驗中，將地面和建筑主體設置為滑移壁面，將入口邊界定義為速度入口，出口邊界定義為壓力出口，頂部及側面均為堆成平面，見圖3。3)網(wǎng)格劃分。本文選擇多面體網(wǎng)格和棱柱層網(wǎng)格結合使用。網(wǎng)格基礎尺寸20 m，根據(jù)區(qū)域不同網(wǎng)格精度不同，外流域邊界使用50%～100%的網(wǎng)格尺寸，建筑主體使用5%～8%的網(wǎng)格尺寸，罩棚部分由于厚度很薄，選擇2%～6%的網(wǎng)格尺寸。最終得到的網(wǎng)格數(shù)量在120萬左右，根據(jù)模型形態(tài)不同略有差異。4)湍流模型。本文屬于鈍體繞流的研究范疇，選取Realizable k-ε模型作為湍流模型。Realizable k-ε模型的湍流動能及其耗散率方程[8]為：

其中，Gk為平均速度梯度引起的湍動能；Gb為浮力影響引起的湍動能；YM為可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；C1，C1ε均為常數(shù)；σk為湍動能的湍流普朗特數(shù)；σε為耗散率的湍流普朗特數(shù)；C2，C1ε為常數(shù)，C1ε=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.2。

2.5 觀眾區(qū)風環(huán)境評價標準

模擬得到的結果是直觀的圖示化語言，用不同的色塊表示不同的風速，具體到某一個計算域內(nèi)的點坐標來說，能看出其風速范圍，難以看出其風速值，對于本文的研究來說，探究的是整個體育場觀眾區(qū)風環(huán)境的變化趨勢，僅關注某一點意義不大，因此本文選用圖示語言而非數(shù)值語言進行結果的說明。主要的評價依據(jù)為我國建筑法規(guī)規(guī)定的“室外人群活動舒適風速值不大于5 m/s”及夏季通風需求下避免靜風(風速<1 m/s)區(qū)域產(chǎn)生，同時觀測整個觀眾區(qū)的風速分布均勻度。

3 數(shù)值模擬實驗結果及分析

由于本文主要探究的是罩棚形態(tài)變化對觀眾區(qū)風環(huán)境的影響情況，基于控制變量法的原則，將環(huán)境風速與風向設為常量。根據(jù)2016年氣象資料顯示，全年平均風速為5.48 m/s，因此將實驗初始風速設置為5.48 m/s，風向為西偏南15°。

分別以罩棚平面形態(tài)、罩棚剖面形態(tài)及罩棚與坐席連接處的間隙距離為依據(jù)設置三組模擬實驗，實驗模型選取2.3中的簡化模型，體育館長軸方向為正南正北方向，實驗結果如圖4～圖6所示。

1)罩棚平面形態(tài)模擬實驗結果及分析。分析：a.在外環(huán)境風速、風向一定的條件下，觀眾區(qū)的平均風速呈現(xiàn)出全包式罩棚最低，雙邊式罩棚最高的趨勢，靜風區(qū)域的范圍大小則呈現(xiàn)出單邊式罩棚最小，全包式罩棚最大的趨勢。b.當環(huán)境風從體育場西側與短軸呈15°交角流入場內(nèi)時，四種罩棚形態(tài)下的體育場觀眾區(qū)風環(huán)境都呈現(xiàn)出東側風速高于西側風速的趨勢，除全包式罩棚外，其余三種罩棚形態(tài)下的風場最高風速普遍出現(xiàn)在東南角部，最低區(qū)出現(xiàn)在西南角部。c.除全包式罩棚外，其余三種罩棚均在觀眾區(qū)出現(xiàn)高風速圈與低風速圈的現(xiàn)象，隨著圍合感減弱，高、低風速圈區(qū)域逐漸擴大，風速分布均勻度下降。

2)罩棚剖面形態(tài)模擬實驗結果及分析。分析：a.在外環(huán)境風速、風向一定的條件下，罩棚上傾時會在東南、西北區(qū)域形成漩渦，西側觀眾區(qū)平均風速明顯高于東側；罩棚水平時觀眾區(qū)平均風速在三種罩棚剖面形態(tài)下最小，整個觀眾區(qū)范圍內(nèi)存在多處風速驟變的區(qū)域，極小面積區(qū)內(nèi)最大風速差達到7 m/s左右，西側主席臺位置處于靜風區(qū)域內(nèi)；罩棚下傾時，觀眾區(qū)平均風速最大，在東南側局部出現(xiàn)小面積低風速圈，靜風區(qū)域面積極小。b.從風場分布均勻度來看，表現(xiàn)最好的是下傾式罩棚，其次水平式罩棚，最差的是上傾式罩棚，風速分布均勻性隨著罩棚內(nèi)側與場地垂直距離的增大而下降。c.從靜風區(qū)域來看，當罩棚由下傾變?yōu)樯蟽A時，罩棚與坐席最高處間隙逐漸減小，進風量減少，場內(nèi)平均風速逐漸減小，因此上傾式罩棚形態(tài)下體育場觀眾區(qū)內(nèi)靜風區(qū)域面積最大。

3)罩棚與坐席連接處的間隙距離模擬實驗結果及分析。分析：a.在外環(huán)境風速、風向一定的條件下，觀眾區(qū)的平均風速在間隙距離為0 m時最大，隨著間隙距離增大而降低，當間隙距離為9 m時，觀眾區(qū)平均風速達到最小，隨著間隙距離繼續(xù)增大，觀眾區(qū)平均風速也開始增大。b.在罩棚與坐席間隙距離增大的整個過程中，當間隙距離為6 m時，風場分布均勻度及靜風區(qū)域面積范圍都達到該組最佳，基本不存在差值較大的風漩渦，靜風區(qū)域面積很小。

4 結語

本文選取體育場觀眾區(qū)風環(huán)境為研究對象，基于控制變量的原則，模擬比較不同罩棚形態(tài)下體育場觀眾區(qū)的風場分布情況，得出結論如下:1)總的來說，罩棚形態(tài)是影響觀眾區(qū)風環(huán)境的主要因素之一，隨著罩棚形態(tài)的變化，體育場觀眾區(qū)風環(huán)境產(chǎn)生明顯變化。2)隨著體育場罩棚圍合感的減弱，觀眾區(qū)平均風速增大，風速分布均勻度降低，但靜風區(qū)域面積減小。因此可以根據(jù)體育場不同的選址需求選取適宜的罩棚形式，大風地區(qū)可多采用全包式罩棚。3)下傾式罩棚相比上傾式罩棚及水平式罩棚來說，能保證觀眾區(qū)的平均風速最適宜，風速分布均勻度最佳，靜風區(qū)域面積最小，因此大風地區(qū)的體育場設計應考慮多采用下傾式罩棚形式。4)體育場罩棚與坐席連接處的間隙存在一個最適宜自身的距離值，使觀眾區(qū)風環(huán)境質量最佳。無論大于或小于這個距離值，觀眾區(qū)風環(huán)境質量都會有所下降，因此在設計中應結合場地比賽的需求，充分考慮間隙距離的合理取值。

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