體育場罩棚形態對觀眾區風環境的影響分析

孫杰紅 劉德明

(哈爾濱工業大學建筑學院,黑龍江 哈爾濱 150000)

1 概述

近些年來，隨著體育產業的蓬勃發展，體育場館的建設規模迅速擴大。觀眾作為體育消費的主體，已逐步成為體育場館設計中需要重點考慮的要素，現有研究表明，觀眾的使用體驗是決定體育場館運營情況的關鍵因素，因此保證觀眾的使用舒適性是體育場館設計的重點之一。尤其是體育場建筑，開敞的建筑形式使觀眾區暴露于室外，受自然環境的直接影響，在賽事集中的夏季，高溫悶熱的天氣會對觀眾體驗產生嚴重的不利影響。已有研究成果顯示，適量的通風能夠通過加快蒸發來幫助人體散熱，顯著改善夏季體育場觀眾區的悶熱情況，因此對體育場觀眾區風環境的研究具有重要意義。

國內外對于建筑風環境的研究最早可以追溯到古羅馬時期，建筑巨匠維特魯威[1]觀測到風對建筑的不利影響后提出了改進措施，并將其著入《建筑十書》中。到了19世紀，隨著科學技術的快速發展，各國學者先后采用觀測、實驗等研究方法對建筑風環境進行了大量研究。從20世紀60年代起，計算機技術迅速崛起，帶動了計算流體力學的快速發展，數值模擬方法開始被應用于建筑風環境的研究中，盡管在建筑設計方向上的研究起步較晚，但研究成果頗豐：Anastasios I.Stamou[2]運用CFD模擬計算空氣流速及不同入口溫度條件下的場內溫度分布，計算得到的平均速度和溫度用來確定平均熱感覺指數(PMV)和預測不滿意百分數(PPD)，并評估競技場不同區域的熱舒適條件；顧磊等[3]對體育場開洞情況進行了模擬研究，得出適量開洞可以卸荷并改善場內通風；T.Van Hooff和B.Blocken[4,5]通過對阿姆斯特丹體育場自然通風的模擬，對模擬實驗網格精度進行了研究，兩人還通過模擬實驗得出對建筑風場分布起主要影響作用的是環境風速、風向及周邊地物；W.D.Janssen等[6]對荷蘭Eindhoven工業大學校園進行風環境模擬并選用了多種風舒適評估體系對結果進行了評估；陸陽、劉德明等[7]對體育場內場風環境進行了模擬，探究了體育場內場風環境的影響因素。

從國內外關于體育場風環境CFD模擬研究的成果可以看出，現階段的研究主要集中在體育場結構安全和設備節能優化上，如體育場罩棚風壓、體育館的節能通風等，對于體育場觀眾區的研究關注度不足?？紤]到觀眾在體育場設計中的重要地位，本文選取體育場觀眾區風環境為研究對象，簡化出三組不同罩棚形態的體育場模型，基于控制變量法的原則設計并進行模擬實驗，對比分析模擬結果并提出優化設計策略，力求為體育場罩棚形態的深化設計提供依據。

2 模擬軟件及實驗設計

本文運用STAR-CCM+數值模擬軟件，探究在不同體育場罩棚形態下的觀眾區風環境情況。

2.1 模擬軟件選擇

鑒于數值模擬在流場流動方向上的重要性和普及性，大量的商業化通用軟件涌現出來可供選擇，STAR-CCM+軟件操作流程清晰明確，可以自動劃分網格，且支持高精度的多面體網格，內置大量實用的物理模型，收斂精度高，可視化的后處理功能強大，與其他軟件相比優勢巨大，因此本文選擇STAR-CCM+進行模擬實驗。

2.2 實驗模型建立

基于大量的體育場基本資料調研與歸納，綜合使用情況與整體數量，目前最適宜我國大中城市的體育場坐席規模為30 000座左右的中型體育場，因此本文的實驗模型選擇為30 000座的體育場。基礎模型采用國際400 m標準場地，場地邊緣距離觀眾區首層的最小平面距離為6 m，看臺簡化為一層并交圈排布，最終模型平面最大外尺寸為287 m×211 m，高度為56 m，在此基礎上可進行一系列罩棚形態的變化，見圖1，圖2。

2.3 罩棚形態

通過對大量已建成體育場進行資料調研，以罩棚平面形態、罩棚剖面形態及罩棚與坐席連接處的間隙距離將體育場罩棚形態分為三組進行分類研究。

1)罩棚平面形態。罩棚平面形態是俯視圖中所顯示的罩棚形態，從數量上來說有單側、雙側、三側及四側之分，從連接方式上又有獨立和連接之分，本文依據資料調研結果，選取最常見的四種罩棚平面形態進行模擬實驗，分別為：全包式罩棚、四邊式罩棚、兩邊式罩棚和單邊式罩棚，見表1。

表1 罩棚平面形態實驗模型信息

2)罩棚剖面形態。罩棚剖面形態是沿體育場對稱軸剖切得到的罩棚形態。主要可分為上傾式罩棚、水平式罩棚和下傾式罩棚三種，見表2。

表2 罩棚剖面形態實驗模型信息

3)罩棚與坐席連接處的間隙距離。一般來說，罩棚與坐席頂部都會留有一定的間隙，間隙處可設置支撐結構或圍護結構等，間隙的距離決定了環境風流入體育場的流量和方式，本文基于資料調研的基礎，在實驗中設置間隙距離為0 m，3 m，6 m，9 m，12 m五組實驗，見表3。

表3 罩棚與坐席連接處間隙形態實驗模型信息

2.4 模擬實驗基本參數

1)計算區域。計算區域的大小決定了網格數量，直接影響到了模擬的正確與否。本文選取計算區域為：進風面距離模型5倍于體育場總高度，兩側面分別距離模型10倍于體育場總高度，頂界面距離模型10倍于體育場總高度，出風面距離模型20倍于體育場總高度，保證風的充分流動。2)邊界類型。在實驗中，將地面和建筑主體設置為滑移壁面，將入口邊界定義為速度入口，出口邊界定義為壓力出口，頂部及側面均為堆成平面，見圖3。3)網格劃分。本文選擇多面體網格和棱柱層網格結合使用。網格基礎尺寸20 m，根據區域不同網格精度不同，外流域邊界使用50%～100%的網格尺寸，建筑主體使用5%～8%的網格尺寸，罩棚部分由于厚度很薄，選擇2%～6%的網格尺寸。最終得到的網格數量在120萬左右，根據模型形態不同略有差異。4)湍流模型。本文屬于鈍體繞流的研究范疇，選取Realizable k-ε模型作為湍流模型。Realizable k-ε模型的湍流動能及其耗散率方程[8]為：

其中，Gk為平均速度梯度引起的湍動能；Gb為浮力影響引起的湍動能；YM為可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；C1，C1ε均為常數；σk為湍動能的湍流普朗特數；σε為耗散率的湍流普朗特數；C2，C1ε為常數，C1ε=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.2。

2.5 觀眾區風環境評價標準

模擬得到的結果是直觀的圖示化語言，用不同的色塊表示不同的風速，具體到某一個計算域內的點坐標來說，能看出其風速范圍，難以看出其風速值，對于本文的研究來說，探究的是整個體育場觀眾區風環境的變化趨勢，僅關注某一點意義不大，因此本文選用圖示語言而非數值語言進行結果的說明。主要的評價依據為我國建筑法規規定的“室外人群活動舒適風速值不大于5 m/s”及夏季通風需求下避免靜風(風速<1 m/s)區域產生，同時觀測整個觀眾區的風速分布均勻度。

3 數值模擬實驗結果及分析

由于本文主要探究的是罩棚形態變化對觀眾區風環境的影響情況，基于控制變量法的原則，將環境風速與風向設為常量。根據2016年氣象資料顯示，全年平均風速為5.48 m/s，因此將實驗初始風速設置為5.48 m/s，風向為西偏南15°。

分別以罩棚平面形態、罩棚剖面形態及罩棚與坐席連接處的間隙距離為依據設置三組模擬實驗，實驗模型選取2.3中的簡化模型，體育館長軸方向為正南正北方向，實驗結果如圖4～圖6所示。

1)罩棚平面形態模擬實驗結果及分析。分析：a.在外環境風速、風向一定的條件下，觀眾區的平均風速呈現出全包式罩棚最低，雙邊式罩棚最高的趨勢，靜風區域的范圍大小則呈現出單邊式罩棚最小，全包式罩棚最大的趨勢。b.當環境風從體育場西側與短軸呈15°交角流入場內時，四種罩棚形態下的體育場觀眾區風環境都呈現出東側風速高于西側風速的趨勢，除全包式罩棚外，其余三種罩棚形態下的風場最高風速普遍出現在東南角部，最低區出現在西南角部。c.除全包式罩棚外，其余三種罩棚均在觀眾區出現高風速圈與低風速圈的現象，隨著圍合感減弱，高、低風速圈區域逐漸擴大，風速分布均勻度下降。

2)罩棚剖面形態模擬實驗結果及分析。分析：a.在外環境風速、風向一定的條件下，罩棚上傾時會在東南、西北區域形成漩渦，西側觀眾區平均風速明顯高于東側；罩棚水平時觀眾區平均風速在三種罩棚剖面形態下最小，整個觀眾區范圍內存在多處風速驟變的區域，極小面積區內最大風速差達到7 m/s左右，西側主席臺位置處于靜風區域內；罩棚下傾時，觀眾區平均風速最大，在東南側局部出現小面積低風速圈，靜風區域面積極小。b.從風場分布均勻度來看，表現最好的是下傾式罩棚，其次水平式罩棚，最差的是上傾式罩棚，風速分布均勻性隨著罩棚內側與場地垂直距離的增大而下降。c.從靜風區域來看，當罩棚由下傾變為上傾時，罩棚與坐席最高處間隙逐漸減小，進風量減少，場內平均風速逐漸減小，因此上傾式罩棚形態下體育場觀眾區內靜風區域面積最大。

3)罩棚與坐席連接處的間隙距離模擬實驗結果及分析。分析：a.在外環境風速、風向一定的條件下，觀眾區的平均風速在間隙距離為0 m時最大，隨著間隙距離增大而降低，當間隙距離為9 m時，觀眾區平均風速達到最小，隨著間隙距離繼續增大，觀眾區平均風速也開始增大。b.在罩棚與坐席間隙距離增大的整個過程中，當間隙距離為6 m時，風場分布均勻度及靜風區域面積范圍都達到該組最佳，基本不存在差值較大的風漩渦，靜風區域面積很小。

4 結語

本文選取體育場觀眾區風環境為研究對象，基于控制變量的原則，模擬比較不同罩棚形態下體育場觀眾區的風場分布情況，得出結論如下:1)總的來說，罩棚形態是影響觀眾區風環境的主要因素之一，隨著罩棚形態的變化，體育場觀眾區風環境產生明顯變化。2)隨著體育場罩棚圍合感的減弱，觀眾區平均風速增大，風速分布均勻度降低，但靜風區域面積減小。因此可以根據體育場不同的選址需求選取適宜的罩棚形式，大風地區可多采用全包式罩棚。3)下傾式罩棚相比上傾式罩棚及水平式罩棚來說，能保證觀眾區的平均風速最適宜，風速分布均勻度最佳，靜風區域面積最小，因此大風地區的體育場設計應考慮多采用下傾式罩棚形式。4)體育場罩棚與坐席連接處的間隙存在一個最適宜自身的距離值，使觀眾區風環境質量最佳。無論大于或小于這個距離值，觀眾區風環境質量都會有所下降，因此在設計中應結合場地比賽的需求，充分考慮間隙距離的合理取值。

[1] 維特魯威.建筑十書[M].北京：知識產權出版社，2001.

[2] Anastasios I Stamou.A design methodology for settling tanks using CFD models[A].2006 IASME/WSEAS International EEESD Conference[C].2007：647-654.

[3] 顧 磊，齊宏拓，劉紅軍,等.奧運網球中心賽場風荷載和風環境數值模擬分析[J].建筑結構學報，2009，30(3)：134-143.

[4] Hooff T V，Blocken B.Coupled urban wind flow and indoor natural ventilation modelling on a high-resolution grid：A case study for the Amsterdam Arena stadium[J].Environmental Modelling & Software，2010，25(1)：51-65.

[5] Hooff T V，Blocken B.On the effect of wind direction and urban surroundings on natural ventilation of a large semi-enclosed stadium[J].Computers & Fluids，2010，39(7)：1146-1155.

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[7] 陸 陽.基于CFD模擬的體育場場地區風環境設計研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2014.

[8] L Gana，Y B Baquib，A Maffiolic.An experimental investigation of forced steady rotating turbulence[Z].2016:59-69.