寒地全民健身中心空間布局與自然通風(fēng)性能相關(guān)性研究＊

李晉陽 黃勇 張龍巍 陳磐

隨著《全民健身綱要》的推行，各地全民健身中心大量興建，其大空間通風(fēng)性能問題也逐漸引起建筑師的關(guān)注。作為建筑性能的主要研究要素之一，自然通風(fēng)對(duì)于調(diào)節(jié)室內(nèi)熱濕環(huán)境與空氣質(zhì)量有著顯著的效果。利用設(shè)計(jì)手段優(yōu)化室內(nèi)自然通風(fēng)效率，不僅能夠改善室內(nèi)環(huán)境舒適度，還可以降低能源消耗，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。這在當(dāng)今倡導(dǎo)綠色低碳、節(jié)能減排的時(shí)代背景下，有著深遠(yuǎn)的意義。

作為體育建筑的一個(gè)分支，全民健身中心室內(nèi)空間對(duì)場地環(huán)境的要求沒有專業(yè)比賽場館那般苛刻，無需過度依賴中央空調(diào)系統(tǒng)，在提高了建筑對(duì)自然通風(fēng)需求的同時(shí)也對(duì)通過優(yōu)化建筑形態(tài)改善室內(nèi)通風(fēng)效果提出了新的要求。目前，全民健身中心設(shè)計(jì)有著從單一功能走向復(fù)合功能的趨勢[1]，這就使得全民健身中心設(shè)計(jì)既要適應(yīng)民眾體育活動(dòng)多元化大空間設(shè)計(jì)的要求，也要應(yīng)對(duì)多種空間組合形式帶來的室內(nèi)自然通風(fēng)問題。因此，開展全民健身中心的空間布局與自然通風(fēng)性能的相關(guān)性研究十分必要。

1 國內(nèi)外研究趨勢與本研究定位

1.1 室內(nèi)通風(fēng)性能研究聚焦于天井、中庭

既往有關(guān)建筑室內(nèi)通風(fēng)的研究多集中在辦公建筑和公共類建筑，且通常關(guān)注天井、中庭等豎向腔體對(duì)建筑通風(fēng)的影響，而對(duì)建筑本體形態(tài)與空間布局關(guān)注不足。楊建坤等對(duì)中庭內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行研究，證明自然通風(fēng)在過渡季節(jié)能有效改善室內(nèi)熱環(huán)境[2]。李傳成等對(duì)武漢某教學(xué)樓中庭內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)中庭垂直溫度梯度對(duì)自然通風(fēng)影響很大，中庭外窗的充分開啟有利于夏季自然通風(fēng)和節(jié)能[3]。李浩達(dá)對(duì)中庭的平面布局、剖面布局、組合中庭和環(huán)境設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行闡述，基于通風(fēng)效果根據(jù)具體問題提出一系列相對(duì)完善的中庭空間設(shè)計(jì)策略[4]。以上文獻(xiàn)就腔體植入對(duì)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響進(jìn)行了研究，證明了腔體對(duì)室內(nèi)通風(fēng)的有利影響，但這些研究均是通過腔體植入來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)性能的優(yōu)化，對(duì)于建筑本體設(shè)計(jì)要素對(duì)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的研究相對(duì)不足。

1.2 室內(nèi)通風(fēng)與空間布局相關(guān)研究不足

既有關(guān)于通風(fēng)與空間布局的研究集多中于外部環(huán)境，如建筑形體、建筑間距、建筑群布局、城市街道等，而對(duì)建筑內(nèi)部空間布局引發(fā)的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境變化討論較少。丁勇等對(duì)重慶市部分建筑戶型室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境舒適情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)通過改變建筑朝向和局部改變建筑布局設(shè)計(jì)可以顯著改善室內(nèi)自然通風(fēng)效果[5]。宋修教等對(duì)《建筑設(shè)計(jì)資料集》中辦公建筑、教學(xué)建筑等平面進(jìn)行了歸納，針對(duì)平面空間劃分對(duì)建筑自然通風(fēng)性能的影響進(jìn)行了研究[6]。目前對(duì)于通過優(yōu)化室內(nèi)空間形態(tài)或空間布局改善室內(nèi)自然通風(fēng)的研究取得了一定成果，空間布局對(duì)室內(nèi)通風(fēng)的改善作用也得到了驗(yàn)證，但對(duì)不同功能類型、不同空間特點(diǎn)的建筑空間布局與通風(fēng)性能的研究還相對(duì)不足。

1.3 研究定位

為了適應(yīng)城市高密度環(huán)境以及城市居民對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的需求，現(xiàn)代體育場館有著向高空發(fā)展的趨勢，因此對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)層平面空間布局展開研究具有實(shí)際意義。鑒于體育場館功能的需求，優(yōu)化空間布局以及通風(fēng)界面形態(tài)成為優(yōu)化室內(nèi)通風(fēng)性能的主要手段。基于以上原因，本研究以寒地全民健身中心為研究對(duì)象，以“核心大空間+輔助小空間”的典型建筑空間特征為基礎(chǔ)，根據(jù)空間圍合特點(diǎn)構(gòu)建基礎(chǔ)空間布局模式，選取合理的通風(fēng)界面形態(tài)作為控制變量，模擬風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)下空間布局與開口界面形態(tài)對(duì)室內(nèi)通風(fēng)的影響。

2 空間布局與風(fēng)環(huán)境模擬參數(shù)設(shè)定

2.1 環(huán)境參數(shù)

本研究選取北方中部典型寒地城市沈陽的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)作為模擬條件，針對(duì)北方寒地城市氣候下全民健身中心空間布局與自然通風(fēng)性能的關(guān)系進(jìn)行研究。使用LBT（Ladybug Tools）軟件對(duì)沈陽市氣象環(huán)境數(shù)據(jù)CSWD（Chinese Standard Weather Data）進(jìn)行分析，假定室外干球溫度區(qū)間在18～28℃、相對(duì)濕度在80%以下，適宜采用自然通風(fēng)進(jìn)行室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)顯示全年有6個(gè)月具備有條件利用自然通風(fēng)改善室內(nèi)溫濕度環(huán)境，其中主要時(shí)間段集中在春夏兩季。

利用軟件生成沈陽市春夏兩季風(fēng)玫瑰圖（圖1)，春季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂掀巷L(fēng)，平均溫度10.5℃，平均風(fēng)速2.98m/s，最高風(fēng)速12m/s；夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，平均溫度23.6℃，平均風(fēng)速2.02m/s，最高風(fēng)速7m/s。本研究以春夏兩季平均風(fēng)速為模擬環(huán)境條件，設(shè)定距地面10m處的參考風(fēng)速為2.5m/s，風(fēng)向?yàn)檎巷L(fēng)。

2.2 模型參數(shù)

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，全民健身中心建筑在空間布局與空間尺度上針對(duì)民眾健身的使用需求均進(jìn)行了優(yōu)化[7]。與傳統(tǒng)競技型體育館相比，全民健身中心省去了觀眾區(qū)，為多層空間層疊模式提供了更有利的自然通風(fēng)與采光；與訓(xùn)練型體育館相比，全民健身中心滿足了不同活動(dòng)對(duì)場地空間的使用要求，加強(qiáng)了空間功能復(fù)合性和豐富性，使得內(nèi)部空間布局更加自由。

在本研究中，我們將單層大空間圍繞布置輔助空間作為基準(zhǔn)的空間布局形式，按照輔助空間圍合模式的差別，將全民健身中心分為單側(cè)布置、對(duì)側(cè)布置、L形布置和U形布置4種模式，進(jìn)而探討不同空間模式下室內(nèi)自然通風(fēng)情況。根據(jù)既有研究對(duì)全民健身中心空間尺寸的建議[8]，設(shè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)如下：主體大空間長、寬和高分別為60m、40m和12m，輔助空間進(jìn)深12m，層高6m，將此條件與布局模式結(jié)合，確定8種空間布局模式的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停▓D2)。同時(shí)，利用參數(shù)建模工具對(duì)建筑開口界面?zhèn)€數(shù)進(jìn)行控制，開口界面占?jí)γ姹仍O(shè)定為0.15，輔助空間開口界面中心點(diǎn)間距為6m，大空間開口界面中心點(diǎn)間距設(shè)定為9.5m、9m、8m、7m、6m、5.5m、5m、4.5m共8種條件，對(duì)應(yīng)界面開口個(gè)數(shù)為6至13個(gè)。

2.3 模擬參數(shù)

研究聚焦于不同建筑形態(tài)下室內(nèi)風(fēng)場情況，故忽略太陽輻射以及室內(nèi)熱源對(duì)室內(nèi)氣體流動(dòng)的影響。研究基于建筑尺寸采用雷諾平均N—S方程組模型（RANS）進(jìn)行計(jì)算求解，利用Grasshopper平臺(tái)Butterfly插件調(diào)用Open FOAM工具進(jìn)行CFD模擬。為了反應(yīng)真實(shí)的室內(nèi)外流場情況，在模擬中引入外部計(jì)算域。參考建筑外部環(huán)境計(jì)算域的模擬要求，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行如下設(shè)置：設(shè)定建筑高度為H，建筑迎風(fēng)面、頂面和兩側(cè)計(jì)算域?yàn)?H，建筑背風(fēng)面計(jì)算域?yàn)?0H（圖3）。在模擬計(jì)算中，為了優(yōu)化網(wǎng)格的準(zhǔn)確性，對(duì)建筑表面及建筑內(nèi)部空氣流動(dòng)出入口進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，以此獲得較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果[9]。

3 模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 單側(cè)布局模式

單側(cè)布局模式是最基礎(chǔ)的“大空間+輔助空間”平面布局模式，其布局方式根據(jù)輔助空間所處大空間的方位可細(xì)分為3種類型，即輔助空間位于單側(cè)迎風(fēng)布局、單側(cè)背風(fēng)布局、單側(cè)側(cè)風(fēng)布局（圖2a—2c）。根據(jù)模擬結(jié)果繪制擬合曲線（圖4）和1.5m高度處界面開口數(shù)為10時(shí)3種類型布局的室內(nèi)風(fēng)速云圖（圖5）。

模擬結(jié)果顯示，室內(nèi)最大風(fēng)速與平均風(fēng)速數(shù)值由高到低分別為背風(fēng)布局、側(cè)風(fēng)布局、迎風(fēng)布局，其中迎風(fēng)布局與背風(fēng)布局相比，最大風(fēng)速與平均風(fēng)速降幅度均達(dá)26.8%，可見輔助空間布置位置對(duì)室內(nèi)空間整體風(fēng)環(huán)境有著較大影響。

3種布局模式下0.1～0.3m/s與0.3～0.5m/s風(fēng)速區(qū)間占比均較高，室內(nèi)空氣流動(dòng)較為良好。其中，背風(fēng)布局與側(cè)風(fēng)布局的風(fēng)速區(qū)間占比接近，均在32%左右，而迎風(fēng)布局下0.1～0.3m/s舒適風(fēng)速區(qū)間占比高達(dá)44.3%，遠(yuǎn)高于0.3～0.5m/s風(fēng)速區(qū)間的21.5%，此時(shí)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境較為理想。

3種布局模式下室內(nèi)風(fēng)場存在較大差異。背風(fēng)布局模式下，室外氣流直接流進(jìn)大空間，此時(shí)室內(nèi)窗口附近2m范圍形成高速分區(qū)。同時(shí)由于建筑進(jìn)深變大，背風(fēng)側(cè)輔助空間形成明顯穿堂風(fēng)。側(cè)風(fēng)布局模式下，大空間內(nèi)氣體流通相對(duì)均勻，但輔助空間空氣流動(dòng)性較差，形成較大范圍的靜風(fēng)區(qū)。迎風(fēng)布局模式下，大空間與輔助空間室內(nèi)均形成穿堂風(fēng)，空氣流場分布不均，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境舒適性較差。

1 春季、夏季風(fēng)玫瑰圖

2 空間布局模式

3 計(jì)算域設(shè)置

4 單側(cè)布局模式不同布局類型對(duì)通風(fēng)的影響

3.1.1 背風(fēng)布局模式

對(duì)不同界面開口個(gè)數(shù)下模擬結(jié)果繪制擬合曲線（圖6）。背風(fēng)布局模式下，隨著界面開口個(gè)數(shù)的增加，最大風(fēng)速呈上升趨勢，平均風(fēng)速呈下降趨勢。斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分別為0.827和—0.959，可見背風(fēng)布局模式下界面開口個(gè)數(shù)與室內(nèi)最大風(fēng)速以及平均風(fēng)速有著緊密的聯(lián)系。隨著開口個(gè)數(shù)的增加，0.0～0.3m/s風(fēng)速區(qū)間占比逐步增加，0.3～0.5m/s風(fēng)速區(qū)間占比逐漸減小，室內(nèi)0.1～0.3m/s、0.3～0.5m/s以及0.5～0.7m/s風(fēng)速區(qū)段占比相對(duì)平均，室內(nèi)通風(fēng)性能較好。

3.1.2 側(cè)風(fēng)布局模式

繪制不同界面開口個(gè)數(shù)模擬結(jié)果擬合曲線（圖7）。側(cè)風(fēng)布局模式下，隨著界面開口個(gè)數(shù)的增加，最大風(fēng)速與平均風(fēng)速均呈下降趨勢。斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分別為—0.770和—0.161，可見最大風(fēng)速與界面開口個(gè)數(shù)有著密切聯(lián)系，而平均風(fēng)速與界面開口個(gè)數(shù)關(guān)系不大。隨著開口個(gè)數(shù)的增加，0.1～0.3m/s與0.3～0.5m/s風(fēng)速區(qū)間均占較大比重，平均占比在32%左右，此時(shí)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境較為良好。

3.1.3 迎風(fēng)布局模式

繪制不同界面開口個(gè)數(shù)模擬結(jié)果擬合曲線（圖8）。迎風(fēng)布局模式下，隨著界面開口個(gè)數(shù)的增加，最大風(fēng)速與平均風(fēng)速變化不大。斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分別為—0.112和—0.408，可見最大風(fēng)速和平均風(fēng)速與界面開口個(gè)數(shù)關(guān)系較弱。隨著開口個(gè)數(shù)的增加，0.1～0.3m/s風(fēng)速區(qū)間始終占據(jù)較大比重，平均占比在43%左右，此時(shí)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境較為穩(wěn)定。

5 背風(fēng)布局、側(cè)風(fēng)布局、迎風(fēng)布局模式風(fēng)速云圖

6 背風(fēng)布局模式下界面開口個(gè)數(shù)對(duì)通風(fēng)的影響

7 側(cè)風(fēng)布局模式下界面開口個(gè)數(shù)對(duì)通風(fēng)的影響

8 迎風(fēng)布局模式下界面開口個(gè)數(shù)對(duì)通風(fēng)的影響

9 對(duì)側(cè)布局模式下界面開口個(gè)數(shù)對(duì)通風(fēng)的影響

3.2 對(duì)側(cè)布局模式

對(duì)側(cè)布局模式是兩側(cè)輔助空間布局類型中的特殊形式，可分為長邊對(duì)側(cè)布局與短邊對(duì)側(cè)布局。本研究考慮到大空間室內(nèi)采光的要求，僅對(duì)短邊對(duì)側(cè)布局模式開展模擬研究（圖2d）。

根據(jù)模擬結(jié)果繪制擬合曲線（圖9）和1.5m高度室內(nèi)風(fēng)速云圖（圖10）。在對(duì)側(cè)布局模式下，隨著界面開口個(gè)數(shù)的增加，最大風(fēng)速呈上升趨勢，平均風(fēng)速呈下降趨勢。斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分別為0.627和—0.922，可見對(duì)側(cè)布局模式下界面開口個(gè)數(shù)與室內(nèi)最大風(fēng)速以及平均風(fēng)速關(guān)系較為明顯，且向不同趨勢發(fā)展。此布局模式下0.3～0.5m/s風(fēng)速區(qū)間占比略高于0.1～0.3m/s風(fēng)速區(qū)間。隨著開口個(gè)數(shù)的增加，0.1～0.7m/s風(fēng)速區(qū)間占比不斷提高，0.1m/s以下與0.7m/s以上風(fēng)速區(qū)間占比不斷下降。

10 對(duì)側(cè)布局模式風(fēng)速云圖

3.3 L形布局模式

L形布局模式是兩側(cè)輔助空間布局的常見形式，相較于對(duì)側(cè)布局L形布局能夠?qū)⑤o助空間更好的集中，功能組織更加便利，但存在采光面相對(duì)較小，通風(fēng)流暢度降低等問題。本研究將L形布局分為迎風(fēng)L形布局與背風(fēng)L形布局（圖2e,2f）。

根據(jù)模擬結(jié)果繪制擬合曲線（圖11）和1.5m高度室內(nèi)風(fēng)速云圖（圖12）。隨著界面開口個(gè)數(shù)的增加，背風(fēng)L形布局最大風(fēng)速呈上升趨勢，平均風(fēng)速呈下降趨勢；迎風(fēng)L形布局最大風(fēng)速與平均風(fēng)速變化不大。其模擬結(jié)果與單側(cè)布局下背風(fēng)布局和迎風(fēng)布局吻合。風(fēng)速云圖顯示，背風(fēng)L形布局西側(cè)輔助空間空氣流場明顯優(yōu)于迎風(fēng)L形布局，但其大空間南側(cè)進(jìn)風(fēng)界面向內(nèi)2m范圍形成高速風(fēng)場。

3.4 U形布局模式

U形布局模式同樣可分為背風(fēng)U形布局與迎風(fēng)U形布局模式兩種（圖2g,2h）。根據(jù)模擬結(jié)果繪制擬合曲線（圖13）和1.5m高度室內(nèi)風(fēng)速云圖（圖14）。在背風(fēng)U形布局模式下，隨著界面開口個(gè)數(shù)的增加，最大風(fēng)速呈上升趨勢，平均風(fēng)速呈下降趨勢。斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分別為0.860和—0.952，可見背風(fēng)U形布局模式下界面開口個(gè)數(shù)與室內(nèi)最大風(fēng)速以及平均風(fēng)速關(guān)系較為明顯。而在在迎風(fēng)U形布局模式下，界面開口個(gè)數(shù)的增加對(duì)最大風(fēng)速和平均風(fēng)速幾乎沒有影響。此外，界面開口個(gè)數(shù)對(duì)兩種U形布局模式風(fēng)速區(qū)間影響不大。背風(fēng)與迎風(fēng)U形布局0～0.7m/s風(fēng)速區(qū)間平均占比分別為80.6%和75.9%，相差4.7%。其中0.1～0.3m/s風(fēng)速區(qū)間平均占比分別為49.1%和26.6%，相差22.5%。可見背風(fēng)U形布局室內(nèi)風(fēng)速分布明顯優(yōu)于迎風(fēng)U形布局。

11 L 形布局模式下界面開口個(gè)數(shù)對(duì)通風(fēng)的影響

12 迎風(fēng)與背風(fēng)L 形布局風(fēng)速云圖

13 U 形布局模式風(fēng)環(huán)境模擬圖

14 迎風(fēng)與背風(fēng)U 形布局風(fēng)速云圖

風(fēng)速云圖顯示，背風(fēng)U形布局模式下，雖然在南側(cè)進(jìn)風(fēng)界面產(chǎn)生2m范圍高速風(fēng)區(qū)，但主體大空間與周邊輔助空間空氣流動(dòng)良好。而迎風(fēng)U形布局模式下，南側(cè)輔助空間與大空間形成明顯穿堂風(fēng)，而東西側(cè)輔助空間空氣流動(dòng)極差，風(fēng)場分布較差。

4 結(jié)論

本研究從空間布局模式的角度探討了大空間建筑通風(fēng)性能特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)相同開窗比例下通風(fēng)界面形式與通風(fēng)性能影響關(guān)系進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論。

（1）大面寬、小進(jìn)深對(duì)室內(nèi)通風(fēng)有利。典型布局中最大風(fēng)速和最小風(fēng)速分別為對(duì)側(cè)布局模式的1.852m/s和單側(cè)迎風(fēng)布局模式的1.267m/s，兩者相差46.2%。平均風(fēng)速呈現(xiàn)規(guī)律與最大風(fēng)速接近，最大平均風(fēng)速同樣出現(xiàn)在對(duì)側(cè)布局模式，風(fēng)速為0.450m/s。最小平均風(fēng)速出現(xiàn)在迎風(fēng)L形布局，風(fēng)速為0.307m/s，單側(cè)迎風(fēng)布局模式次之，風(fēng)速為0.327m/s。而對(duì)側(cè)布局模式與單側(cè)迎風(fēng)布局模式分別為8種布局模式中面寬進(jìn)深比的兩個(gè)極端，可見大面寬、小進(jìn)深對(duì)整體通風(fēng)更加有利。

（2）背風(fēng)側(cè)布局模式對(duì)室內(nèi)通風(fēng)性能更為有利。面寬與進(jìn)深相同時(shí)，背風(fēng)L形布局和背風(fēng)U形布局的最大風(fēng)速和平均風(fēng)速兩方面均大于迎風(fēng)L形布局和迎風(fēng)U形布局，且背風(fēng)布局模式室內(nèi)風(fēng)場均勻度優(yōu)于迎風(fēng)布局模式。其原因在于迎風(fēng)側(cè)輔助空間與核心大空間連接處門洞面積小于外墻通風(fēng)界面面積，局部壓力造成室內(nèi)通風(fēng)變差，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)避免采用迎風(fēng)側(cè)布局模式。

（3）通風(fēng)界面?zhèn)€數(shù)與室內(nèi)風(fēng)速分布并無明顯規(guī)律。對(duì)側(cè)布局模式下核心大空間背風(fēng)側(cè)與迎風(fēng)側(cè)不存在輔助空間，此時(shí)開口個(gè)數(shù)對(duì)室內(nèi)風(fēng)速分布占比影響較大，開口個(gè)數(shù)越多，高速風(fēng)區(qū)占比越低，室內(nèi)風(fēng)場均勻度越好。當(dāng)核心大空間背風(fēng)側(cè)與迎風(fēng)側(cè)存在輔助空間時(shí)，界面開孔個(gè)數(shù)對(duì)室內(nèi)風(fēng)速分布影響較弱。因此如果想獲得更好的室內(nèi)通風(fēng)性能，核心空間迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)均應(yīng)避免設(shè)置輔助空間。

本文對(duì)寒地全民健身中心空間布局與自然通風(fēng)性能相關(guān)性進(jìn)行了初步的研究，而空間布局只是影響通風(fēng)性能的一個(gè)方面。建筑周圍環(huán)境條件、建筑立面開窗形式、建筑屋頂通風(fēng)條件以及通風(fēng)腔體布置等都對(duì)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生影響，未來我們也會(huì)對(duì)其他影響通風(fēng)性能的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行綜合分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)寒地全民健身中心建筑通風(fēng)性能影響因子的綜合梳理。

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