基于視線分析的看臺參數(shù)化設(shè)計(jì)

杜信池

體育館建設(shè)的核心目標(biāo)在于舉辦與觀看體育賽事。觀賽看臺和比賽場地是體育場館設(shè)計(jì)的核心要素。本文通過研究分析看臺設(shè)計(jì)要素，以視線分析為基礎(chǔ)，提出了看臺參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法，以算法快速響應(yīng)生成符合看臺需求的形式，旨在提高設(shè)計(jì)效率并為未來的體育館設(shè)計(jì)實(shí)踐提供支持。

競賽型體育館以其比賽場地和觀賽看臺為設(shè)計(jì)核心，同時(shí)周邊輔以配套的門廳、交通等服務(wù)空間，為運(yùn)動員和觀眾們提供了高品質(zhì)的體育賽事體驗(yàn)。在體育館的設(shè)計(jì)中，比賽場地和觀賽看臺是最為重要的組成部分。當(dāng)比賽需求明確時(shí)，場地的設(shè)計(jì)可以迅速明確其尺寸、標(biāo)準(zhǔn)等要素。相比之下，看臺則需要基于視線分析進(jìn)行逐層的設(shè)計(jì)，以確保每個(gè)座位都能夠觀看到比賽的核心部分。這種設(shè)計(jì)方法需要考慮到觀眾視線的高度、角度和遮擋等因素，因此需要進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化和調(diào)整。為了解決這個(gè)問題，近年來，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開始越來越多采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。通過將設(shè)計(jì)過程轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)公式和計(jì)算機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)參數(shù)的自動調(diào)整和反饋。設(shè)計(jì)師只需要在計(jì)算機(jī)上輸入設(shè)計(jì)條件，比如觀眾數(shù)量、視線高度和角度等，程序就可以自動生成符合要求的看臺設(shè)計(jì)。這種方法不僅大大減少了設(shè)計(jì)時(shí)間和人力成本，而且可以確保設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和一致性。因此，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法在看臺設(shè)計(jì)中具有極大的應(yīng)用前景。通過采用這種方法，設(shè)計(jì)師可以快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)各類需求，推動體育場館的設(shè)計(jì)和建設(shè)不斷向前發(fā)展。

一、體育館看臺設(shè)計(jì)的重要性

看臺是觀眾的主要座位區(qū)，它們在決定體育館的容量、安全性和舒適度方面起著至關(guān)重要的作用。在看臺設(shè)計(jì)的過程中，視線分析是一個(gè)非常重要的因素。體育場看臺的視線分析是指評價(jià)觀眾在看臺座位上的視覺視角和視線的過程。隨著國內(nèi)各類大型賽事的舉辦，體育比賽的觀眾人數(shù)日益增多，觀眾對賽事本身的關(guān)注度越來越高。在各類豐富的比賽過程中，觀眾對比賽場地上發(fā)生的競技活動進(jìn)行觀賽，觀眾既需要關(guān)注球隊(duì)陣型分部、球隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)布置等大范圍的場景信息，也需要關(guān)注球員技術(shù)動作、球類旋轉(zhuǎn)等具體細(xì)節(jié)的運(yùn)動信息。運(yùn)動場地到觀賽看臺的視線傳達(dá)過程中，其完整性和準(zhǔn)確性就是視線分析需要解決的問題。通過對看臺的不同區(qū)域進(jìn)行視線分析，設(shè)計(jì)可以計(jì)算看臺的高度、斜率和配置，確定看臺的高度、寬度和長度，確定看臺的座椅的配置和布局。視線分析的最終目標(biāo)是確定最佳的座位安排和看臺形式，確保所有觀眾都能暢通無阻地觀看比賽場地并能夠充分享受比賽。

二、看臺設(shè)計(jì)與視線分析

1.視線分析的基本參數(shù)

《體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ31-2003）中明確規(guī)定，體育場館的看臺設(shè)計(jì)必須進(jìn)行視線分析，從而確保觀眾能夠獲得良好的觀賽體驗(yàn)。視點(diǎn)位置、視線升高差和通視曲線等因素，都必須被考慮在內(nèi)。視點(diǎn)位置的選擇應(yīng)基于對應(yīng)運(yùn)動項(xiàng)目的需求，如果是兼容多個(gè)項(xiàng)目類型的場館，則應(yīng)以視點(diǎn)最不利的項(xiàng)目作為研究對象。連接觀眾眼位和視點(diǎn)位置即為觀賽最不利視線，為保證前排觀眾不遮擋后排觀眾，設(shè)計(jì)師還需要計(jì)算視線升高差C 值（圖1）。也就是說，后排觀眾通過前排觀眾時(shí)的視線必須高于前排觀眾頭頂?shù)母叨?，前排觀眾的眼位與后排觀眾通過前排位置時(shí)的高差即為視線升高差（C）。這個(gè)計(jì)算過程將確保每個(gè)觀眾都能夠欣賞到運(yùn)動員的比賽和動作?！扼w育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》針對不同項(xiàng)目和實(shí)現(xiàn)質(zhì)量等級，明確要求了視點(diǎn)位置及各排視線升高差的最小值。

圖1 視線升高差（來源：自繪）

2.視線分析的邏輯關(guān)系

在視線分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)師可通過繪圖法逐層對看臺坐席進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師應(yīng)首先確定首排位置和看臺排距，然后通過繪圖法逐層向后延伸，確定后排觀眾眼位和坐席的土建平面。在斷面作圖的過程中，設(shè)計(jì)應(yīng)將由基礎(chǔ)視點(diǎn)引來的視線通過前排觀眾眼位以上升高差的位置，向后排延伸，與后排坐席的垂直面（由前排坐席垂直面向后移動看臺排距得來）相交，得出后排的觀眾眼位，由后排眼位向下觀眾視高（國內(nèi)一般為1150mm），可得出后排坐席的位置。逐層向后延伸繪圖，最終得出整個(gè)看臺的斷面。初步的看臺斷面完成后，設(shè)計(jì)師需要另外考慮看臺的疏散安全、觀看俯角、前后排高層等諸多問題，對看臺斷面和通視曲線進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以確保所有觀眾都能夠享受到最佳觀賽體驗(yàn)。

三、看臺設(shè)計(jì)的參數(shù)化模型

在各種客觀條件的約束下，視點(diǎn)位置、視線升高差、首排位置、看臺排距等變量相互制約、共同作用，決定了整個(gè)通視曲線的變化。為兼顧多方面因素，設(shè)計(jì)師需要反復(fù)調(diào)整各個(gè)變量，以期得到最理想的觀眾看臺設(shè)計(jì)形式。設(shè)計(jì)師可以利用GRASSHOPPER 與Python工具構(gòu)建看臺的參數(shù)化模型，將看臺視線分析的參數(shù)和邏輯組織起來。這樣的參數(shù)化模型可以幫助設(shè)計(jì)師快速進(jìn)行各種變量的調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)計(jì)方案的快速比較和選擇。模型還可以通過多種可視化手段，讓設(shè)計(jì)師更清晰地了解場館看臺的空間結(jié)構(gòu)和通視曲線的變化，從而進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為觀眾提供更好的觀賽體驗(yàn)。

1.看臺參數(shù)化模型的構(gòu)建邏輯

通過對看臺視線分析與設(shè)計(jì)的研究，將看臺的斷面生成設(shè)計(jì)邏輯分解為以下幾個(gè)步驟，重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)視線要求，同時(shí)滿足實(shí)際施工問題，保證最終看臺的設(shè)計(jì)滿足各方面的需求。

（1）確定基本視點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并確定斷面在場地平面的基本位置。因場地的不同角度均需要滿足視線分析的要求，實(shí)踐中的斷面設(shè)計(jì)常需要選取最不利的角度為看臺設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)。（2）確定看臺的首排位置。受看臺下空間布置的影響，首排看臺有時(shí)并不置于最底層，位置的確定需要綜合考慮體育館總體平面布置、看臺下空間凈高的要求，需要保證與整體設(shè)計(jì)的同步。（3）在一些大型體育館中，觀眾看臺可能分別設(shè)置為池座、樓座甚至包廂，看臺設(shè)計(jì)并不連續(xù)，在參數(shù)化模型中考慮該情況，加入了看臺分段設(shè)計(jì)的參數(shù)。（4）構(gòu)建看臺逐層設(shè)計(jì)的參數(shù)化邏輯?？磁_的繪制作為一種幾何作圖的過程，受各種因子和參數(shù)的綜合影響，通過循環(huán)算法，逐層繪制出看臺的形式，并可根據(jù)參數(shù)的變化快速反應(yīng)出最新的對應(yīng)看臺。（5）優(yōu)化看臺斷面形式。上述逐層生成的看臺高差多為小數(shù)，且各層均不相同。考慮到實(shí)際施工問題，參數(shù)化模型中可根據(jù)上一步逐層循環(huán)繪制得出的斷面形式對看臺高差進(jìn)行歸整與統(tǒng)一。（6）看臺模型的三維生成與驗(yàn)證。看臺的設(shè)計(jì)最終需要落實(shí)為三維的模型，程序?qū)⒆罱K選定的設(shè)計(jì)斷面沿場地周邊放樣，生成出最終的立體形態(tài)。

2.看臺參數(shù)化模型的使用場景

通過該程序算法（圖2）的應(yīng)用，設(shè)計(jì)師在看臺設(shè)計(jì)過程中得到了高效且精確的技術(shù)支持。基于不同的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)師可以迅速生成多個(gè)看臺設(shè)計(jì)方案，并通過該算法對每個(gè)方案的視線質(zhì)量進(jìn)行評估，從而選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案作為后續(xù)深化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。另外，該程序算法還具備驗(yàn)證現(xiàn)有看臺設(shè)計(jì)的功能，幫助設(shè)計(jì)師更加全面地評估設(shè)計(jì)或改造方案的可行性。設(shè)計(jì)師可以輸入已有的看臺設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，利用程序算法進(jìn)行斷面分析和優(yōu)化。

圖2 GRASSHOPPER程序（來源：自繪）

四、參數(shù)化模型的實(shí)踐應(yīng)用

本文以亞運(yùn)會手球館為例介紹本程序在看臺生成設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。杭州亞運(yùn)會手球館位于浙江師范大學(xué)蕭山校區(qū)西南角，是杭州亞運(yùn)會新建場館中唯一一個(gè)位于高校內(nèi)的競賽場館，作為一個(gè)為亞運(yùn)賽事準(zhǔn)備的校園體育館，在滿足亞運(yùn)會使用要求的前提下，設(shè)計(jì)需要盡可能地降低建設(shè)成本，提高功能布置的利用效率。

手球館看臺設(shè)計(jì)需求：項(xiàng)目總建筑面積約16300平方米。由于受到用地尺寸限制，主比賽館比賽廳尺寸僅為64m×50m。比賽廳需要容納一個(gè)40m×20m的手球比賽場地及其緩沖區(qū)域，以及約2000 名觀眾的觀賽需求（圖3）。因場館面積緊湊且比賽場地面積較大，看臺的首排位置盡量貼近比賽場地緩沖區(qū)域布置，從而盡可能多的提升觀眾看臺的座席數(shù)量。在平面位置基本確定的前提下，設(shè)計(jì)中必須兼顧空間高度和整個(gè)看臺的斷面坡度，以確保觀賽體驗(yàn)和觀眾安全。

圖3 手球館形式示意圖（來源：自繪）

看臺生成過程中，設(shè)計(jì)師在程序中設(shè)定了手球場地邊線尺寸及基本視點(diǎn)高度0.6m，以確?？磁_視線質(zhì)量等級可以滿足II 級要求。對于池座看臺的首排位置，設(shè)計(jì)師根據(jù)比賽場地緩沖區(qū)域的大小設(shè)定其平面輪廓?？紤]到看臺下南北向出入場館的通道暢通，首層高度設(shè)定不低于通道高度與結(jié)構(gòu)板厚度的累加，即2.3m。

樓座看臺首排平面位置根據(jù)二層走道位置確定，其下部空間為衛(wèi)生間，考慮衛(wèi)生間空間凈高及其上部吊頂、結(jié)構(gòu)，高度設(shè)定不低于2.5m。除此之外，其他設(shè)計(jì)參數(shù)也可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，例如看臺座席間距可以在0.8m 至0.9m 之間調(diào)節(jié)，看臺高度可以在0.4m 至0.55m 之間調(diào)節(jié)。在確定了上述各個(gè)參數(shù)的基本范圍后，設(shè)計(jì)師將首排位置、首排高度、座席間距等設(shè)為幾組不同的數(shù)據(jù)，觀察其對看臺形式的影響?；谏鲜鰠?shù)及比賽廳輪廓設(shè)定，程序自動生成了看臺斷面，并將其放樣為三維模型。在此過程中，各個(gè)參數(shù)的變化共同作用于最終的看臺形式，需要互動調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)效果。通過對諸多成果的比較，設(shè)計(jì)師最終選擇了在體驗(yàn)感和經(jīng)濟(jì)性之中較為平衡的看臺形式，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行看臺深化設(shè)計(jì)（圖4）。

圖4 看臺照片（來源：自繪）

五、總結(jié)

本文以看臺參數(shù)化設(shè)計(jì)為例，展示了數(shù)字技術(shù)在體育場館設(shè)計(jì)中的重要性。參數(shù)化設(shè)計(jì)方法可以快速準(zhǔn)確地生成符合要求的設(shè)計(jì)形式，加速設(shè)計(jì)生成和評估的過程。此外，它也可以用于評估設(shè)計(jì)的合理性和可行性，為設(shè)計(jì)師制定更合理、更符合實(shí)際需要的設(shè)計(jì)方案提供指導(dǎo)。因此，該方法的應(yīng)用將為體育場館提供更多的設(shè)計(jì)可能性和選擇，并有望成為體育建筑領(lǐng)域的重要工具和研究方向。