基于草坪采光效率的寒地膜結(jié)構(gòu)專業(yè)足球場罩棚設(shè)計研究

陸詩亮，王彬竹，郭旗

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室，哈爾濱 150006）

0 引言

2023 年亞洲杯、2021 年新世俱杯（延期）即將在我國舉辦，世界級足球賽事的刺激激發(fā)了社會資本的投資熱情，2019 年起我國迎來大型專業(yè)足球場的建設(shè)熱潮。因此不同于田徑體育場，專業(yè)足球場需保證草坪質(zhì)量，對場地光環(huán)境要求更高。FIFA 頒布《Football Stadiums-Technical Recommendations and Requirements》后[1]，新建專業(yè)足球場罩棚需為全包形式，罩棚陰影隨之增大，導(dǎo)致投入巨大的專業(yè)草坪常由于光照不足出現(xiàn)斑禿、裸地等現(xiàn)象，現(xiàn)有足球場常備人工照明補光燈彌補草坪光照，但每套補光燈價格為120 萬人民幣，可覆蓋面積僅為400～500/m2，無法從根本上解決場地草坪采光不足的問題。膜結(jié)構(gòu)罩棚由于具有透光性能、自重輕、理化性能穩(wěn)定、安裝便捷、形態(tài)多變、成本可控，于罩棚設(shè)立透光區(qū)是提升專業(yè)足球場競賽區(qū)草坪采光效率的重要技術(shù)手段，占我國近3 年新建、改造專業(yè)足球場總數(shù)的71.64%，并呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢。然而，國內(nèi)外研究多集中于專業(yè)足球場對城市風(fēng)環(huán)境的影響[2-5]、遮雨效果以及熱舒適性能[6-8]等方面，場地光環(huán)境優(yōu)化為目標導(dǎo)向的專業(yè)足球場膜結(jié)構(gòu)罩棚設(shè)計面臨無法可依、無據(jù)可查的窘境。隨著罩棚透光區(qū)設(shè)立，雖然在一定程度上可以提高草坪的采光效率，但如圖1 所示，其帶來的遮光效果的下降以及陰影形態(tài)的問題直接影響觀眾觀賽的視覺舒適性[9]。而關(guān)于罩棚透光區(qū)面積缺少定量研究成果，草坪光照需求與觀眾觀賽視覺舒適需求矛盾無法有效平衡。膜結(jié)構(gòu)罩棚設(shè)計理論向設(shè)計應(yīng)用轉(zhuǎn)化的瓶頸，直接推動專業(yè)足球場膜結(jié)構(gòu)罩棚設(shè)計的定量研究。文中采用Radiance[10]作為模擬引擎，以2023 亞洲杯主場大連梭魚灣專業(yè)足球場為例，以膜結(jié)構(gòu)專業(yè)足球場罩棚尺度為自變量，以場地草坪所受的日累積光量為因變量，研究在高緯度寒地地區(qū)有利于專業(yè)足球場草坪采光效率提升的罩棚設(shè)計策略，以期為專業(yè)足球場罩棚尺度的確定提供定量依據(jù)。

圖1 罩棚透光區(qū)的負面影響

1 研究過程

1.1 模擬對象

團隊于2020 年8 月～2021 年4 月主持了2023亞洲杯主場之一，大連梭魚灣專業(yè)足球場的設(shè)計工作，對其模型信息、場地信息、環(huán)境信息掌握充分。

如圖2（a）所示，其罩棚為全包圍罩棚形式，滿足研究的預(yù)設(shè)條件，因此選取其作為文中的研究對象。該專業(yè)足球場位于我國寒冷地區(qū)，總建筑面積約13.6萬m2，有效坐席數(shù)達6.3 萬座。如圖2（b）所示，罩棚采用雙層索系結(jié)構(gòu)，膜材料選擇ETFE 膜與PTFE 膜的組合方案，其中外環(huán)采用364 片透明度為13%的PTFE，內(nèi)環(huán)采用透明度為70%的ETFE 膜材；外部環(huán)梁R0為126m，PTFE 內(nèi)邊緣R1為58m；內(nèi)環(huán)附有ETFE 并根據(jù)國際足聯(lián)要求完全覆蓋觀眾席，ETFE 內(nèi)邊緣R2為48m。為提高模擬效率，對足球場模型進行一定的簡化處理。足球場罩棚每片PTFE 膜材間施工時做焊縫處理間距極小，可在模擬模型中忽略其焊縫；罩棚下方索結(jié)構(gòu)極為輕薄，主要的撐桿、拱桿直徑為400mm，索直徑為80～110mm，在模擬時均可忽略；由于PTFE 膜材透光率較低其下部的馬道并不會產(chǎn)生陰影，因此忽略馬道。故將罩棚的實際模型簡化為只有連續(xù)的PTFE 與ETFE 兩種膜材的抽象模型。以美國賓夕法尼亞等大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的EpwMap 中的氣象資料為基礎(chǔ)，為減小模擬誤差，模擬時采用大連地區(qū)平均氣候天空模型，該天空模型基于平均氣候生成每個月內(nèi)的平均氣候數(shù)據(jù)。

圖2 大連梭魚灣專業(yè)足球場罩棚概況

1.2 研究方法

文中的研究技術(shù)路線如圖3 所示，其自變量為EFTE 透光區(qū)面積，因變量為草坪的日累積光量。研究通過改變透光區(qū)面積大小尋求其與日累積光量之間的相關(guān)性后繪制回歸曲線，尋求兩者之間的函數(shù)關(guān)系，找出增長率拐點后確定透光區(qū)面積的合理取值。從而在保證罩棚遮光效果的前提下[1]，達到提高競賽區(qū)草坪日累積光量的目的。

圖3 技術(shù)路線

（1）自變量：罩棚透光區(qū)面積。在保持足球場罩棚結(jié)構(gòu)形式不變的情況下，因每塊膜材需通過環(huán)索固定，所以通過將部分PTFE 替換為ETFE 的方式控制ETFE 膜材寬度△R，來改變透光區(qū)面積。據(jù)現(xiàn)有罩棚環(huán)索位置如圖4 所示，根據(jù)△R 寬度不同將罩棚設(shè)置為如表1 所示透光區(qū)面積不同的6 種形態(tài)F0～F5，作為研究對象。為避免透光區(qū)面積過大影響罩棚遮光效果，將透光區(qū)面積控制在16500m2內(nèi)。

表1 罩棚不同透光區(qū)面積方案

圖4 大連梭魚灣足球場罩棚詳解（單位：m）

大連梭魚灣足球場競賽區(qū)草坪中的高羊茅、黑麥草、早熟禾按照75∶15∶10 的重量比進行混合，這3個草種均屬于冷季草坪草種，將高羊茅的高抗逆性和適應(yīng)性與早熟禾的強再生性、結(jié)合起來。其生長和發(fā)育受光、水分、溫度、礦物質(zhì)多種因素的影響，其中光的影響最大，光照的強度、時間、光質(zhì)都對草坪的生長起到不同的作用[12]。

（2）因變量：草坪日累積光量。有效光合輻射（PAR），與光照時間作為單一變量并不能完全反應(yīng)采光效率[13]；草坪日累積光量（DLI）是指1d 內(nèi)草坪光合作用的光積累量，是有效光合輻射與1d 內(nèi)光照時間的乘積，即以24h 作為時間單位進行光合有效輻射積累量的計算[14]，草坪的日累積光量可以較為完整的衡量專業(yè)足球場中草坪的采光效率。根據(jù)國際足聯(lián)規(guī)定，競賽區(qū)草坪日累積光量需達12mol·m-2·d-1來促進生長，并且人工修復(fù)比賽所造成的磨損和撕扯。

但在Radiance 光模擬引擎中，光的測定主要從光照強度來進行。陳景玲求算出用一般的照度計測出晴天條件下全可見光波段的光照強度直接換算成光合有效輻射的換算系數(shù)。得：

根據(jù)以上得，DLI=P·t=L·t≥12mol/m2

式中，DLI 為每平方米1d 內(nèi)獲得的日累積光量總量，mol·m-2·d-1；P 為光合有效輻射，μmol·m-2·s-1；L 為每平方米1d 內(nèi)的平均照度，lux·m-2；T 為1d 內(nèi)的光照時間，s。

（3）采光效率衡量標準：競賽區(qū)草坪達標區(qū)域面積占比P。足球場日光照明的基礎(chǔ)計算面為競技場地草地表面，專業(yè)足球場草地區(qū)域尺寸為115m×76m，總面積8740m2。將場地模擬計算網(wǎng)格為間距設(shè)為1m，測試高度為0m，競賽區(qū)共8623個測試點。

草地競賽區(qū)的日累積光量隨日期的變化而變化，為了研究年度日累積光量變化規(guī)律，減少誤差提高模擬準確性，故通過模擬每個測試點當(dāng)前月份的平均日累積光量后計算出競賽區(qū)草坪達標區(qū)域占比P（日累積光量大于12mol 點數(shù)與總測試點數(shù)之比）來作為衡量足球場競賽區(qū)草坪的采光效率。當(dāng)P=100%時，代表當(dāng)足球場競賽區(qū)草坪完全符合國際足聯(lián)采光要求。

2 研究過程

2.1 競賽區(qū)草坪達標區(qū)域面積占比P 計算過程

以罩棚透光區(qū)面積3800m2（F1），12 月份草坪日累積光量模擬為例，如圖5 所示，首先模擬并記錄F1條件下所有測試點在12 月平均氣象數(shù)據(jù)下1d 內(nèi)的照度變化，并對其進行可視化處理。可以發(fā)現(xiàn)草坪獲得光照的時間集中在10：00～16：00 之間。以A-I9個模擬點為例，如圖6 所示，將9個點1d 中的照度變化，繪制為折線圖，折線與橫坐標所圍合黃色區(qū)域面積即為該點當(dāng)日的日累積光量，根據(jù)1 lux=0.0810×10-6mol·m-2·s-1可以計算出黃色區(qū)域的面積。并依照此方法可計算所有測試點1d 內(nèi)的日累積光量后，對其進行可視化處理后得圖7，可觀測該方案12 月份的日累積光量分布。將所有測試點的日累積光量后與12mol 對比，在8623個測試點中共有4967個點的平均日累積光量大于12mol，達到國際足聯(lián)標準要求，即P=57.60%。

圖5 方案F1 在12 月份平均照度分布

圖6 方案F1 典型測試點在12 月份1d 內(nèi)平均照度變化

圖7 方案F1 在12 月份草坪日累積光量DLI 分布

2.2 改變罩棚透光區(qū)面積

根據(jù)文中研究，探討一年中罩棚透光區(qū)面積對競賽區(qū)草坪達標區(qū)域面積占比所產(chǎn)生的影響，擬得到大連地區(qū)專業(yè)足球場罩棚最佳透光區(qū)面積。對不同透光區(qū)面積的罩棚進行模擬，每個月份競賽區(qū)草坪達標區(qū)域面積占比的數(shù)值如表2 所示。

表2 大連梭魚灣足球場不同罩棚透光區(qū)面積下的全年P(guān) 值%

如圖8 所示，將P 值匯總為全年折線圖，觀察發(fā)現(xiàn)在3～9 月時太陽高度角較高，透光區(qū)面積的改變不會對草坪達標區(qū)域面積占比造成顯著影響，透光區(qū)面積對競賽區(qū)草坪日累積光量的影響主要集中在太陽高度角較低的冬季，因此將主要的研究時間定為11月～次年1 月。

圖8 罩棚不同透光區(qū)面積P 值全年折線圖

圖9 顯示了冬季時競賽區(qū)草坪達標區(qū)域面積占比P 與罩棚透光區(qū)面積之間的關(guān)系。雖然P 隨著透光區(qū)面積的增大而增大，但當(dāng)△R 增加至18m 以上時，P的增長率明顯降低，如12 月△R=18m 時P 值為82.59%，當(dāng)△R 增加為24m 時，P 值僅提高4.16%。而且過大的透光區(qū)面積會導(dǎo)致罩棚遮陽效果變差不利于營造良好的競技環(huán)境與觀賽條件。故其罩棚透光區(qū)最佳面積為8000m2，即△R=18m。

圖9 冬季P 值同罩棚ETFE 面積關(guān)系

2.3 分析與討論

文中以大連梭魚灣專業(yè)足球場為例，通過模擬不同罩棚透光區(qū)面積下的競賽區(qū)照度變化，進一步計算競賽區(qū)草坪日累積光量，研究了寒地高緯度地區(qū)專業(yè)足球場罩棚透光區(qū)面積于草坪采光效率的作用機制。在充分考慮觀眾觀賽視覺舒適性的前提下，通過改變罩棚透光區(qū)面積的方法來使草坪采光效率達到最大化，提高草坪的成活率，降低草坪后期維護成本。

大連地區(qū)專業(yè)足球場競賽區(qū)草坪的日累積光量在3～9 月份基本可以滿足國際足聯(lián)相關(guān)要求。11 月～次年1 月時由于太陽高度角變低，草坪陰影面積的增大的原因，草坪采光難以滿足國際足聯(lián)相關(guān)標準，通過在罩棚合理設(shè)立透光區(qū)的方法可有效提高冬季競賽區(qū)的采光效率。冬季草坪采光效率會隨著罩棚透光區(qū)面積的增大而增大，當(dāng)專業(yè)足球場罩棚透光區(qū)面積達8000m2以上時，采光效率的增長率顯著下降，此時通過增大罩棚大透光區(qū)面積無法繼續(xù)提高草坪的采光效率，反之還會對觀眾觀賽的視線舒適性造成負面影響。

因此，研究在充分考慮觀賽視覺舒適性需求的同時，以提高競賽區(qū)草坪日累積光量為目標前提下，大連地區(qū)6 萬座規(guī)模專業(yè)足球場膜結(jié)構(gòu)罩棚透光區(qū)面積約為8000m2時較為合理。

3 結(jié)語

我國專業(yè)足球場的建設(shè)實踐剛剛起步，不同于綜合性體育場，其場地形態(tài)、罩棚要求、運營模式等方面均有其特殊性，場地草坪采光的需求差異僅僅是這種不同的其中之一。膜結(jié)構(gòu)作為一種正在被廣泛應(yīng)用于體育建筑的結(jié)構(gòu)形式，具有極大的應(yīng)用前景及設(shè)計潛力，其對不同類型體育建筑的設(shè)計模式、運營模式、評價模式的影響深遠，亟待研究。文中從專業(yè)足球場的草坪采光角度，以膜結(jié)構(gòu)專業(yè)足球場罩棚透光區(qū)面積為切入點，通過模擬罩棚透光區(qū)不同面積下競賽區(qū)草坪的照度變化，探討罩棚透光區(qū)面積對草坪日累積光量的影響機制，并得出大連梭魚灣球場罩棚透光區(qū)面積定量成果。為膜結(jié)構(gòu)專業(yè)足球場罩棚設(shè)計提供了一定的科學(xué)依據(jù)，期望這種研究視角可以引起對膜結(jié)構(gòu)專業(yè)足球場設(shè)計技術(shù)提升的思考并為我國專業(yè)足球場這一新體育建筑類型的科學(xué)設(shè)計提供借鑒。