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

隨著健康中國戰(zhàn)略和體育強(qiáng)國建設(shè)的政策1）出臺實施，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)足球場建設(shè)是我國足球事業(yè)發(fā)展的必然趨勢。當(dāng)前中國足球超級聯(lián)賽（簡稱中超）的場均觀賽人數(shù)已達(dá)到2.41萬人[1]，而我國專業(yè)足球場地的建設(shè)，存在嚴(yán)重的地區(qū)發(fā)展不平衡問題。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)，存在普眾與運動員身體素質(zhì)差距的區(qū)別，特別是在我國寒冷地區(qū)，冬季看臺區(qū)的觀賽舒適度將直接影響到場內(nèi)上座率，重塑專業(yè)足球場的建成微環(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)荷載對結(jié)構(gòu)安全的影響研究，而缺少風(fēng)對觀眾區(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)，但由于時代、國情及地域氣候的差異，其數(shù)據(jù)信息不盡相同，特別是缺乏對我國寒冷地區(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)計的定量研究亦較為有限。

本文選擇天津為寒冷地區(qū)代表城市，以專業(yè)足球場看臺區(qū)風(fēng)環(huán)境為研究對象，基于大量的CFD模擬實驗，分析評價不同界面形態(tài)對看臺風(fēng)環(huán)境的影響機(jī)制，為我國寒區(qū)相似地區(qū)的專業(yè)足球場界面的形態(tài)優(yōu)化設(shè)計提供理論支點。

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

人們在室外場所逗留的時間長度受物理條件和心理作用共同影響，其中，城市微氣候會起到至關(guān)重要的作用[2]。從美國國家氣象服務(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，風(fēng)速對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。但由于我國寒冷地區(qū)地域遼闊，氣候差異較大，再加上建筑形式及個體差異等因素的影響，現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并無風(fēng)環(huán)境評估細(xì)節(jié)，以致眾多實驗結(jié)果的評價依據(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)境評估準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則也是對模擬結(jié)果進(jìn)行評價和對空間環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化的前提。

2.1 國內(nèi)外現(xiàn)行風(fēng)舒適準(zhǔn)則

目前國際上較為常用的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)舒適性評估準(zhǔn)則[6]等，其均基于城市氣候?qū)敉獠煌顒宇愋突蛐袨闋顟B(tài)下的舒適風(fēng)速進(jìn)行了界定（表1）。荷蘭NEN8100風(fēng)舒適評估標(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、情緒宣泄、現(xiàn)場氛圍等因素影響，在觀賽環(huán)境下，現(xiàn)場觀眾對冬季室外風(fēng)環(huán)境的忍受力也會增加。鑒于主體狀態(tài)的特殊性，既有的評價體系缺乏明確的對應(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)感舒適度評價準(zhǔn)則

2018年10月末至11月初，筆者在天津市南開區(qū)、津南區(qū)、和平區(qū)、北辰區(qū)等地的室外公共活動場所，對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卷調(diào)查，并同時測量被調(diào)研時間點內(nèi)的瞬時風(fēng)速及溫度條件，擬追蹤由風(fēng)速變化帶來的寒冷季節(jié)室外人群舒適度變化規(guī)律。本次共發(fā)放問卷400份，收回有效問卷378份，有效率94.5%。通過對問卷數(shù)據(jù)的整理得到受訪者對風(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，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的時候，人體吹風(fēng)感舒適度較好；當(dāng)0.76m/s≤v≤2.76m/s時候，人體吹風(fēng)感舒適度最好；當(dāng)2.76＜v≤4.76m/s的時候，人體吹風(fēng)感舒適度較差；而當(dāng)v＞4.76m/s的時候，人們難以在室外進(jìn)行長時間活動?？紤]到冬季風(fēng)環(huán)境對大氣污染物擴(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)舒適度評價指標(biāo)（表2）。

1 MCSV與V散點圖

表2 我國寒冷地區(qū)寒冷賽季室外吹風(fēng)感受舒適度評價指標(biāo)

3 建立CFD數(shù)值模擬平臺

3.1 確定建模域及計算域

結(jié)合我國近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)計算并簡化得到初始專業(yè)足球場模型尺寸為 201m（L）×161m（W）×35m（H）， 計 算域尺寸為900m×1100m×210m （含小計算域尺寸300m×250m×50m），此時模擬計算阻塞率滿足小于3%的要求（圖2）。

2 模型及計算域模型

3. 2確定實驗變量

筆者通過對國內(nèi)外28個30,000～40,000座專業(yè)足球場的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)界面通透性是影響足球場空間環(huán)境品質(zhì)提升的關(guān)鍵因素，也是當(dāng)前足球場設(shè)計研究的理論短板。因此，將本文所研究的足球場建筑界面分為內(nèi)界面（Internal boundary，簡稱“I”）、頂界面（Top boundary，簡稱“T”）和側(cè)界面（Side boundary，簡稱“S”）3個部分（圖3）。內(nèi)界面是指看臺區(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)分類簡圖

表3 專業(yè)足球場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）來流風(fēng)向

為參考實際風(fēng)速條件，筆者根據(jù)全球航空例行天氣預(yù)報報告和美國國家海洋與大氣管理局的綜合地表數(shù)據(jù)庫報告[10]，對天津市2014-2018年，每年寒冷賽季每日比賽時段（3-4月、11月/15:00-22:00）的時均風(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，得到參考數(shù)據(jù)3640個（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udf程序載入求解器。并取與足球場長軸方向夾角分別為0°、22.5°、45°、67.5°及90°方向來流風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬（表5），此時風(fēng)速大小取統(tǒng)計數(shù)據(jù)較高風(fēng)速平均值的最大整值10m/s。由圖可知，風(fēng)向的改變對觀眾席風(fēng)環(huán)境的影響較大，因此，在瞬時變換較為復(fù)雜的風(fēng)環(huán)境條件下，選擇高頻自然風(fēng)向具有一定的實際參考價值。

表4 2014-2018寒冷賽季天津地區(qū)室外風(fēng)速概況

表5 不同來流風(fēng)向下觀眾區(qū)整體風(fēng)速云圖

表6 不同來流風(fēng)速下觀眾區(qū)整體風(fēng)速云圖

（3）來流風(fēng)速

統(tǒng)計時段平均風(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為來流風(fēng)，并使其與足球場長軸方向夾角為22.5°，對同一模型分別進(jìn)行模擬實驗（表6）。從表中可以看出，僅改變風(fēng)速大小對足球場觀眾區(qū)的風(fēng)環(huán)境分布規(guī)律并沒有產(chǎn)生很大影響，且當(dāng)v＜7m/s時，整場風(fēng)環(huán)境變化不夠敏感，而當(dāng)v＞13m/s時，整場風(fēng)環(huán)境較為惡劣；而當(dāng)來流風(fēng)速為10m/s時，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)場變化較為敏感，風(fēng)環(huán)境相對穩(wěn)定，能夠為后續(xù)的研究提供指導(dǎo)性建議。從表4可以看出，統(tǒng)計時段高頻風(fēng)向為西北偏北風(fēng)（即與正北方向成22.5°）。綜上，最終確定來流工況為風(fēng)速10m/s，風(fēng)向與足球場長軸交角為22.5°（圖 4）。

（4）數(shù)值讀取面

在粘性流動中，F(xiàn)luent計算將壁面處默認(rèn)為無滑移壁面，此時計算結(jié)果在壁面上的速度為零。因此在建立物理模型時，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）得到一個連續(xù)的三維界面，并將其設(shè)定為不對流域產(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)置為對稱面。

4 來流風(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 實驗結(jié)果分析

筆者對3.1節(jié)中歸納的9種實驗變量進(jìn)行排列組合，得到27組不同專業(yè)足球場模型及模擬實驗結(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)計建議

專業(yè)足球場內(nèi)界面的孔隙率對其觀眾區(qū)的風(fēng)速強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響作用較?。▓D5）。在進(jìn)行內(nèi)界面形態(tài)設(shè)計時給出以下優(yōu)化設(shè)計策略：建議將內(nèi)界面孔隙率設(shè)計為4%左右，此時有利于在觀眾區(qū)營造較為穩(wěn)定的風(fēng)環(huán)境；且在相同規(guī)模的場館設(shè)計要求下，相比于較高的孔隙率，該設(shè)計可增加一定的坐席數(shù)量；相比較低的孔隙率，該設(shè)計更利于賽后人流的及時疏散，能夠為大型足球賽事的發(fā)展創(chuàng)造條件。

（2）側(cè)界面形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計建議

專業(yè)足球場側(cè)界面的空隙率對其觀眾區(qū)的風(fēng)速強(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)計時給出以下優(yōu)化設(shè)計策略：1）在我國寒冷且大風(fēng)地區(qū)較選用低空隙率表皮，比較利于營造較低風(fēng)速環(huán)境；2）當(dāng)場館對通風(fēng)或空氣質(zhì)量要求較高時，可適當(dāng)增加側(cè)界面的開洞或開孔數(shù)量，且盡量應(yīng)避免無側(cè)界面結(jié)構(gòu)形態(tài)的出現(xiàn)；3）可以考慮將專業(yè)足球場的外表皮設(shè)計成可開合圍護(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)境模擬實驗結(jié)果風(fēng)速比等值線圖

（3）頂界面形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計建議

專業(yè)足球場頂界面的通透性對其觀眾區(qū)的風(fēng)速強(qiáng)度和穩(wěn)定性會產(chǎn)生一定的影響（圖7）。在進(jìn)行罩棚界面形態(tài)設(shè)計時給出以下優(yōu)化設(shè)計策略：1）當(dāng)罩棚與坐席完全連接時，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，增加場區(qū)內(nèi)部的氣流流動，減少局部渦旋或高風(fēng)，從而降低滿場平均風(fēng)速；2）對于新建專業(yè)足球場，在方案設(shè)計階段，建議使用模擬手段對罩棚與坐席之間的距離進(jìn)行預(yù)測，特別是在我國大風(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)計可開啟窗扇，在必要時采用開天窗的方式，來保證觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境的均勻性與穩(wěn)定性；4）對于已建成且罩棚與坐席間距較大的球場，在不改變原有體系結(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)板等氣動設(shè)施，以控制球場內(nèi)部的進(jìn)風(fēng)量。

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

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

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

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

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

7 頂界面通透性對觀眾區(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個方面展開了實驗，分析表征了不同界面形態(tài)組合對觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境舒適性的影響機(jī)制，以期對我國冬季風(fēng)環(huán)境相似地區(qū)專業(yè)足球場界面形態(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復(fù)雜性問題，需要更多實證研究豐富精細(xì)化設(shè)計理論。但由于篇幅和時間有限，謹(jǐn)以本文拋磚引玉，期待更深入的風(fēng)環(huán)境優(yōu)化研究推動專業(yè)足球場設(shè)計決策的健康發(fā)展。

注釋

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

2） WCT=13.12+0.6215×T-11.37×+0.3965×T×。其中，WCT為風(fēng)寒溫度（℃）；T為干球溫度計所測氣溫（℃）；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℃。