基于冬季觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬的寒區(qū)專業(yè)足球場(chǎng)界面優(yōu)化研究
——以天津地區(qū)為例

史立剛，杜旭（通訊作者），崔昭杰/SHI Ligang, DU Xu (Corresponding Author), CUI Zhaojie

1 研究背景與內(nèi)容

隨著健康中國(guó)戰(zhàn)略和體育強(qiáng)國(guó)建設(shè)的政策1）出臺(tái)實(shí)施，體育建筑的發(fā)展呈現(xiàn)出專業(yè)化和全民化的二律背反現(xiàn)象。作為職業(yè)足球的空間載體，專業(yè)足球場(chǎng)建設(shè)是我國(guó)足球事業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)前中國(guó)足球超級(jí)聯(lián)賽（簡(jiǎn)稱中超）的場(chǎng)均觀賽人數(shù)已達(dá)到2.41萬(wàn)人[1]，而我國(guó)專業(yè)足球場(chǎng)地的建設(shè)，存在嚴(yán)重的地區(qū)發(fā)展不平衡問(wèn)題。足球賽事的承辦，存在寒暖季節(jié)性差異的制約。足球觀賽環(huán)境的維護(hù)，存在普眾與運(yùn)動(dòng)員身體素質(zhì)差距的區(qū)別，特別是在我國(guó)寒冷地區(qū)，冬季看臺(tái)區(qū)的觀賽舒適度將直接影響到場(chǎng)內(nèi)上座率，重塑專業(yè)足球場(chǎng)的建成微環(huán)境尤其重要。既往的體育建筑風(fēng)環(huán)境研究注重閾值變化較大的風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響研究，而缺少風(fēng)對(duì)觀眾區(qū)氣候微環(huán)境舒適度及空間品質(zhì)的影響研究。國(guó)內(nèi)外風(fēng)環(huán)境舒適度領(lǐng)域雖已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但由于時(shí)代、國(guó)情及地域氣候的差異，其數(shù)據(jù)信息不盡相同，特別是缺乏對(duì)我國(guó)寒冷地區(qū)冬季室外舒適風(fēng)速的精細(xì)化界定，且關(guān)于模擬技術(shù)輔助體育建筑界面形態(tài)設(shè)計(jì)的定量研究亦較為有限。

本文選擇天津?yàn)楹涞貐^(qū)代表城市，以專業(yè)足球場(chǎng)看臺(tái)區(qū)風(fēng)環(huán)境為研究對(duì)象，基于大量的CFD模擬實(shí)驗(yàn)，分析評(píng)價(jià)不同界面形態(tài)對(duì)看臺(tái)風(fēng)環(huán)境的影響機(jī)制，為我國(guó)寒區(qū)相似地區(qū)的專業(yè)足球場(chǎng)界面的形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支點(diǎn)。

2 寒冷地區(qū)冬季室外受風(fēng)感舒適風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)的擬定

人們?cè)谑彝鈭?chǎng)所逗留的時(shí)間長(zhǎng)度受物理?xiàng)l件和心理作用共同影響，其中，城市微氣候會(huì)起到至關(guān)重要的作用[2]。從美國(guó)國(guó)家氣象服務(wù)中心NWS和加拿大氣象服務(wù)中心MSC修正的風(fēng)寒溫度公式2）[3]可以看出，在我國(guó)北方寒冷地區(qū)，風(fēng)致冷作用較為突出，特別是在溫濕度較低時(shí)，風(fēng)速對(duì)體感溫度的作用力能夠直接影響暴露在戶外環(huán)境中的行人舒適度。但由于我國(guó)寒冷地區(qū)地域遼闊，氣候差異較大，再加上建筑形式及個(gè)體差異等因素的影響，現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并無(wú)風(fēng)環(huán)境評(píng)估細(xì)節(jié)，以致眾多實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)依據(jù)參差不齊。因此，本文嘗試從吹風(fēng)感受的角度建立地域化的風(fēng)環(huán)境評(píng)估準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則也是對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化的前提。

2.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行風(fēng)舒適準(zhǔn)則

目前國(guó)際上較為常用的Lawson & Penwarden風(fēng)舒適準(zhǔn)則[4]、Davenport & Isyumov建議風(fēng)舒適準(zhǔn)則[5]、Soligo風(fēng)舒適性評(píng)估準(zhǔn)則[6]等，其均基于城市氣候?qū)敉獠煌顒?dòng)類型或行為狀態(tài)下的舒適風(fēng)速進(jìn)行了界定（表1）。荷蘭NEN8100風(fēng)舒適評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[7]規(guī)定戶外靜坐和漫步狀態(tài)下舒適風(fēng)速閾值為5m/s，我國(guó)綠建標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在冬季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，室外休息區(qū)風(fēng)速宜小于2m/s[8]。然而，考慮到球迷律動(dòng)、情緒宣泄、現(xiàn)場(chǎng)氛圍等因素影響，在觀賽環(huán)境下，現(xiàn)場(chǎng)觀眾對(duì)冬季室外風(fēng)環(huán)境的忍受力也會(huì)增加。鑒于主體狀態(tài)的特殊性，既有的評(píng)價(jià)體系缺乏明確的對(duì)應(yīng)指標(biāo)。

表1 觀眾不同行為方式下的舒適風(fēng)速限值

2.2 構(gòu)建寒冷地區(qū)寒冷賽季室外吹風(fēng)感舒適度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

2018年10月末至11月初，筆者在天津市南開(kāi)區(qū)、津南區(qū)、和平區(qū)、北辰區(qū)等地的室外公共活動(dòng)場(chǎng)所，對(duì)16～55歲之間的被訪者進(jìn)行吹風(fēng)感受及人體舒適感受問(wèn)卷調(diào)查，并同時(shí)測(cè)量被調(diào)研時(shí)間點(diǎn)內(nèi)的瞬時(shí)風(fēng)速及溫度條件，擬追蹤由風(fēng)速變化帶來(lái)的寒冷季節(jié)室外人群舒適度變化規(guī)律。本次共發(fā)放問(wèn)卷400份，收回有效問(wèn)卷378份，有效率94.5%。通過(guò)對(duì)問(wèn)卷數(shù)據(jù)的整理得到受訪者對(duì)風(fēng)速條件與吹風(fēng)感受舒適度的關(guān)系（圖1），從圖中可以看出當(dāng)人體舒適感平均投票值（MCSV）為0時(shí)，中性風(fēng)速為1.76m/s；擬合數(shù)學(xué)模型的斜率為0.25，即人體吹風(fēng)感受舒適度等級(jí)以4m/s風(fēng)速差值的改變而改變，即在低溫條件下，當(dāng)0≤v＜0.76m/s的時(shí)候，人體吹風(fēng)感舒適度較好；當(dāng)0.76m/s≤v≤2.76m/s時(shí)候，人體吹風(fēng)感舒適度最好；當(dāng)2.76＜v≤4.76m/s的時(shí)候，人體吹風(fēng)感舒適度較差；而當(dāng)v＞4.76m/s的時(shí)候，人們難以在室外進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)。考慮到冬季風(fēng)環(huán)境對(duì)大氣污染物擴(kuò)散的影響，以1m/s作為城市優(yōu)化風(fēng)速最小值，構(gòu)建本文的吹風(fēng)舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)（表2）。

1 MCSV與V散點(diǎn)圖

表2 我國(guó)寒冷地區(qū)寒冷賽季室外吹風(fēng)感受舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 建立CFD數(shù)值模擬平臺(tái)

3.1 確定建模域及計(jì)算域

結(jié)合我國(guó)近10年中超平均上座率和80%上座率上限的要求，擬定研究模型容量為30,000座[9]，空間平面形態(tài)為四面倒圓角且四面連續(xù)布置，坐席剖面形態(tài)為上下兩層坐席且設(shè)置層間環(huán)形單層包廂，罩棚空間形態(tài)為四面平直貫通式罩棚。經(jīng)計(jì)算并簡(jiǎn)化得到初始專業(yè)足球場(chǎng)模型尺寸為 201m（L）×161m（W）×35m（H）， 計(jì) 算域尺寸為900m×1100m×210m （含小計(jì)算域尺寸300m×250m×50m），此時(shí)模擬計(jì)算阻塞率滿足小于3%的要求（圖2）。

2 模型及計(jì)算域模型

3. 2確定實(shí)驗(yàn)變量

筆者通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外28個(gè)30,000～40,000座專業(yè)足球場(chǎng)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)界面通透性是影響足球場(chǎng)空間環(huán)境品質(zhì)提升的關(guān)鍵因素，也是當(dāng)前足球場(chǎng)設(shè)計(jì)研究的理論短板。因此，將本文所研究的足球場(chǎng)建筑界面分為內(nèi)界面（Internal boundary，簡(jiǎn)稱“I”）、頂界面（Top boundary，簡(jiǎn)稱“T”）和側(cè)界面（Side boundary，簡(jiǎn)稱“S”）3個(gè)部分（圖3）。內(nèi)界面是指看臺(tái)區(qū)的坐席界面，頂界面為外圍護(hù)界面中的罩棚部分，側(cè)界面為外圍護(hù)界面中垂直于地面的墻體及結(jié)構(gòu)等，并將行為或視線可穿越部分的面積與其所屬界面面積的比值計(jì)算內(nèi)界面的孔隙率和側(cè)界面的空隙率，以罩棚與坐席最高點(diǎn)之間的遮擋程度作為頂界面的通透率。并以頂部界面通透率、內(nèi)界面孔隙率、側(cè)界面空隙率為變量，抽象出9種單一變量物理模型（表3）。

3 界面形態(tài)分類簡(jiǎn)圖

表3 專業(yè)足球場(chǎng)不同界面通透率物理模型示意

3.3 設(shè)制模擬參數(shù)及邊界條件

（1）模擬參數(shù)

本文研究的室外風(fēng)環(huán)境問(wèn)題屬于穩(wěn)態(tài)不可壓縮、低速湍流范疇，湍流模型為realizable k-ε模型，離散方法為基于FVM的simple算法，離散方程為二階方程，求解精度為10-4。

（2）來(lái)流風(fēng)向

為參考實(shí)際風(fēng)速條件，筆者根據(jù)全球航空例行天氣預(yù)報(bào)報(bào)告和美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局的綜合地表數(shù)據(jù)庫(kù)報(bào)告[10]，對(duì)天津市2014-2018年，每年寒冷賽季每日比賽時(shí)段（3-4月、11月/15:00-22:00）的時(shí)均風(fēng)速數(shù)值和持續(xù)高風(fēng)日的風(fēng)速及風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到參考數(shù)據(jù)3640個(gè)（表4）。為更準(zhǔn)確地模擬自然界風(fēng)環(huán)境，本文將城市梯度風(fēng)及湍流方程以u(píng)df程序載入求解器。并取與足球場(chǎng)長(zhǎng)軸方向夾角分別為0°、22.5°、45°、67.5°及90°方向來(lái)流風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬（表5），此時(shí)風(fēng)速大小取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較高風(fēng)速平均值的最大整值10m/s。由圖可知，風(fēng)向的改變對(duì)觀眾席風(fēng)環(huán)境的影響較大，因此，在瞬時(shí)變換較為復(fù)雜的風(fēng)環(huán)境條件下，選擇高頻自然風(fēng)向具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

表4 2014-2018寒冷賽季天津地區(qū)室外風(fēng)速概況

表5 不同來(lái)流風(fēng)向下觀眾區(qū)整體風(fēng)速云圖

表6 不同來(lái)流風(fēng)速下觀眾區(qū)整體風(fēng)速云圖

（3）來(lái)流風(fēng)速

統(tǒng)計(jì)時(shí)段平均風(fēng)速約為3.7m/s，最大風(fēng)速約為15m/s，并據(jù)此設(shè)定4.0m/s、7.0m/s、10.0m/s、13.0m/s和15.0m/s為來(lái)流風(fēng)，并使其與足球場(chǎng)長(zhǎng)軸方向夾角為22.5°，對(duì)同一模型分別進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)（表6）。從表中可以看出，僅改變風(fēng)速大小對(duì)足球場(chǎng)觀眾區(qū)的風(fēng)環(huán)境分布規(guī)律并沒(méi)有產(chǎn)生很大影響，且當(dāng)v＜7m/s時(shí)，整場(chǎng)風(fēng)環(huán)境變化不夠敏感，而當(dāng)v＞13m/s時(shí)，整場(chǎng)風(fēng)環(huán)境較為惡劣；而當(dāng)來(lái)流風(fēng)速為10m/s時(shí)，觀眾區(qū)存在靜風(fēng)區(qū)、低風(fēng)區(qū)、高風(fēng)區(qū)等多種風(fēng)速區(qū)，且風(fēng)場(chǎng)變化較為敏感，風(fēng)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，能夠?yàn)楹罄m(xù)的研究提供指導(dǎo)性建議。從表4可以看出，統(tǒng)計(jì)時(shí)段高頻風(fēng)向?yàn)槲鞅逼憋L(fēng)（即與正北方向成22.5°）。綜上，最終確定來(lái)流工況為風(fēng)速10m/s，風(fēng)向與足球場(chǎng)長(zhǎng)軸交角為22.5°（圖 4）。

（4）數(shù)值讀取面

在粘性流動(dòng)中，F(xiàn)luent計(jì)算將壁面處默認(rèn)為無(wú)滑移壁面，此時(shí)計(jì)算結(jié)果在壁面上的速度為零。因此在建立物理模型時(shí)，本文將坐席界面復(fù)制并垂直向上平移1.2m（人體坐視高度）得到一個(gè)連續(xù)的三維界面，并將其設(shè)定為不對(duì)流域產(chǎn)生影響但可在結(jié)果后處理中提取數(shù)據(jù)的零厚度數(shù)據(jù)等值面。

（5）壁面及其他界面條件

模型中的專業(yè)足球場(chǎng)座席及罩棚部分均設(shè)置為壁面，將零厚度數(shù)值參考面設(shè)置為內(nèi)部界面，流邊界條件為壓力出口，壁面及頂面均設(shè)置為對(duì)稱面。

4 來(lái)流風(fēng)環(huán)境示意圖

4 界面通透性模擬結(jié)果分析及建議

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

筆者對(duì)3.1節(jié)中歸納的9種實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行排列組合，得到27組不同專業(yè)足球場(chǎng)模型及模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表7-11）。

4.2 建議界面形態(tài)優(yōu)化方向

（1）內(nèi)界面形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

專業(yè)足球場(chǎng)內(nèi)界面的孔隙率對(duì)其觀眾區(qū)的風(fēng)速?gòu)?qiáng)度和穩(wěn)定性的影響作用較小（圖5）。在進(jìn)行內(nèi)界面形態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)給出以下優(yōu)化設(shè)計(jì)策略：建議將內(nèi)界面孔隙率設(shè)計(jì)為4%左右，此時(shí)有利于在觀眾區(qū)營(yíng)造較為穩(wěn)定的風(fēng)環(huán)境；且在相同規(guī)模的場(chǎng)館設(shè)計(jì)要求下，相比于較高的孔隙率，該設(shè)計(jì)可增加一定的坐席數(shù)量；相比較低的孔隙率，該設(shè)計(jì)更利于賽后人流的及時(shí)疏散，能夠?yàn)榇笮妥闱蛸愂碌陌l(fā)展創(chuàng)造條件。

（2）側(cè)界面形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

專業(yè)足球場(chǎng)側(cè)界面的空隙率對(duì)其觀眾區(qū)的風(fēng)速?gòu)?qiáng)度和穩(wěn)定性的影響作用顯著（圖6）。在進(jìn)行側(cè)界面設(shè)計(jì)時(shí)給出以下優(yōu)化設(shè)計(jì)策略：1）在我國(guó)寒冷且大風(fēng)地區(qū)較選用低空隙率表皮，比較利于營(yíng)造較低風(fēng)速環(huán)境；2）當(dāng)場(chǎng)館對(duì)通風(fēng)或空氣質(zhì)量要求較高時(shí)，可適當(dāng)增加側(cè)界面的開(kāi)洞或開(kāi)孔數(shù)量，且盡量應(yīng)避免無(wú)側(cè)界面結(jié)構(gòu)形態(tài)的出現(xiàn)；3）可以考慮將專業(yè)足球場(chǎng)的外表皮設(shè)計(jì)成可開(kāi)合圍護(hù)界面，并根據(jù)具體地區(qū)的風(fēng)況，輔助一定的模擬手段，形成一套本土化的自然通風(fēng)方案，從而達(dá)到專業(yè)足球場(chǎng)內(nèi)觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境舒適條件的高質(zhì)量要求。

表7 專業(yè)足球場(chǎng)不同界面通透性組合模型剖透視示意圖

表8 觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果風(fēng)速比等值線圖

（3）頂界面形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

專業(yè)足球場(chǎng)頂界面的通透性對(duì)其觀眾區(qū)的風(fēng)速?gòu)?qiáng)度和穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響（圖7）。在進(jìn)行罩棚界面形態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)給出以下優(yōu)化設(shè)計(jì)策略：1）當(dāng)罩棚與坐席完全連接時(shí)，觀眾區(qū)的風(fēng)環(huán)境總體情況較差?？稍谡峙锱c坐席之間留出一定的間距，增加場(chǎng)區(qū)內(nèi)部的氣流流動(dòng)，減少局部渦旋或高風(fēng)，從而降低滿場(chǎng)平均風(fēng)速；2）對(duì)于新建專業(yè)足球場(chǎng)，在方案設(shè)計(jì)階段，建議使用模擬手段對(duì)罩棚與坐席之間的距離進(jìn)行預(yù)測(cè)，特別是在我國(guó)大風(fēng)地區(qū)，盡量避免將罩棚與坐席之間的界面完全封閉；3）可考慮在界面上設(shè)計(jì)可開(kāi)啟窗扇，在必要時(shí)采用開(kāi)天窗的方式，來(lái)保證觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境的均勻性與穩(wěn)定性；4）對(duì)于已建成且罩棚與坐席間距較大的球場(chǎng)，在不改變?cè)畜w系結(jié)構(gòu)和建筑外部形態(tài)的前提下，可以根據(jù)天氣情況采取增設(shè)導(dǎo)風(fēng)板或擋風(fēng)板等氣動(dòng)設(shè)施，以控制球場(chǎng)內(nèi)部的進(jìn)風(fēng)量。

表9 風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（S1=100%）

表10 風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（S2=50%）

表11 風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（S2=20%）

5 內(nèi)界面孔隙率對(duì)觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境影響比較

6 側(cè)界面空隙率對(duì)觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境影響比較

7 頂界面通透性對(duì)觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境影響比較（1-7繪制：杜旭）

5 結(jié)論

風(fēng)環(huán)境模擬研究是建筑形態(tài)設(shè)計(jì)的一種輔助手段，而不是唯一決定因素。本文以天津地區(qū)為例，基于數(shù)值模擬，從坐席內(nèi)界面孔隙率、側(cè)圍護(hù)界面空隙率和頂部罩棚與坐席之間的通透性3個(gè)方面展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)，分析表征了不同界面形態(tài)組合對(duì)觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境舒適性的影響機(jī)制，以期對(duì)我國(guó)冬季風(fēng)環(huán)境相似地區(qū)專業(yè)足球場(chǎng)界面形態(tài)優(yōu)化提出的策略建議。如何以滿足觀眾觀賽舒適度為目標(biāo)，在多元多變的體育建筑界面形態(tài)影響因素組合中尋求辯證的平衡是一個(gè)復(fù)雜性問(wèn)題，需要更多實(shí)證研究豐富精細(xì)化設(shè)計(jì)理論。但由于篇幅和時(shí)間有限，謹(jǐn)以本文拋磚引玉，期待更深入的風(fēng)環(huán)境優(yōu)化研究推動(dòng)專業(yè)足球場(chǎng)設(shè)計(jì)決策的健康發(fā)展。

注釋

1）《中國(guó)足球改革發(fā)展總體方案》（國(guó)辦發(fā)[2015]11號(hào)）《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》（2016）《全國(guó)足球場(chǎng)地設(shè)施建設(shè)規(guī)劃（2016—2020年）》（發(fā)改社會(huì)[2016]987號(hào)）《體育強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》（國(guó)辦發(fā)[2019]40號(hào)）《健康中國(guó)行動(dòng)（2019—2030年）》（國(guó)辦發(fā)[2019]40號(hào)）等。

2） WCT=13.12+0.6215×T-11.37×+0.3965×T×。其中，WCT為風(fēng)寒溫度（℃）；T為干球溫度計(jì)所測(cè)氣溫（℃）；V為10m高度處風(fēng)速（m/s）。修正的風(fēng)寒溫度表達(dá)式綜合考慮了低溫條件下，風(fēng)寒溫度與溫度、風(fēng)速的非線性關(guān)系。該公式的風(fēng)速適用范圍為v＞1.34m/s，溫度適用范圍為-50℃＜T＜10℃。