基于人工天穹的體育館照度均勻度實驗研究

宋海宏，姜虹臣，葛紅軍,關宇涵

(東北林業大學土木工程學院， 黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

隨著我國承辦國際化賽事的增多及全民健身熱潮和意識的出現，各類體育場館紛紛興建。近期，國家體育總局也正式印發《體育產業發展十三五規劃》，明確將體育場館作為“十三五”的重要體育產業。因此，高品質的體育場館設計，尤其是光環境將是決定觀眾視覺效果、運動員比賽公平性和電視轉發效果的關鍵。

目前，對體育場館光環境的研究多采用仿真模擬的方式。例如文獻[1]基于價值工程理論研究了體育場館的天然采光環境設計；文獻[2]研究了系統優化理論在體育場館天然采光與通風節能的交叉應用；文獻[3]從采樣的角度對京津地區的高校體育館典型建筑模型進行研究；文獻[4]從視覺舒適度角度動態研究了采光模擬和照明能耗；文獻[5]針對廣州地區，研究了體育館頂界面自然采光優化及結構選型對采光的影響；文獻[6]基于Dialux軟件對室內籃球館進行照明模擬，分析了窗臺、窗戶透光率、材料反射率等對室內采光環境的影響。然而，現有研究多基于理論分析和軟件模擬方式進行體育場館光環境分析，很少從實驗角度進行研究。

從建筑光學方面，太陽光照是影響室內采光環境的關鍵，近年基于人工天穹的研究成為新興的研究熱點。人工天穹，即模擬的“太陽”，以真實模擬太陽對建筑物及其采光的影響。例如文獻[7]研究了人工天穹的計算機模擬方法；文獻[8]和[9]分別研究了人工天穹模擬的建筑模型及對垂直墻面采光系數分布的影響。可見，人工天穹是研究不同天空照度及亮度情況及建筑光環境的重要場所及媒介，其光環境模擬的數據是迄今為止最為接近自然光氣候條件的。哈爾濱工業大學寒地研究院已通過特種LED燈建成亞洲最大，直徑15 m的人工天穹實驗室，實驗室建筑面積422 m2，為世界一流的建筑光學實驗室，這是本文實驗研究的重要原因。

基于CIE天空模型進行天然采樣研究，可以真實反映一個地區的光氣候分布狀況對其影響。文獻[11]基于CIE15種天空模型，研究了室內自然光照計算模型；文獻[12]研究了CIE標準下的實際天空模型；文獻[13]研究了參考天空亮度分布模型下的建筑采光優化。然而現有基于CIE天空模型的研究或者未能全面考慮15種天氣狀況，或者僅進行理論研究，如何將CIE15種天空模型與實驗系統相結合將具有重要研究價值。

基于以上研究，本文基于哈爾濱工業大學寒地建筑研究院的人工天穹，按照體育比賽標準真實還原某中型體育場館比賽廳，給出場館尺寸的選擇依據；并全面考慮頂界面采光、側界面采光和頂、側界面三種自然采光模式；選擇5 mm磨砂玻璃作為采光材料，真實測量其透射比及內墻面材料的反射系數。CIE15種天空模型下的實驗數據分析將對體育場館照度均勻度的研究和設計具有重要的借鑒價值。

1 體育場館模型的設計與依據

本文以某中型體育場館為例，下面從模型的尺寸和采光模式進行設計。

1.1 實驗模型的設計

1.1.1 整體面積

根據《體育建筑設計規范JGJ31─2003》規定中型體育館多功能Ⅱ型場地尺寸為38 m×54 m，可滿足籃球、排球、網球、羽毛球、乒乓球等多個比賽項目的教學、訓練及比賽要求[14]。

此外，還要考慮體育館觀眾坐席區域的尺寸要求，中型體育館比賽廳觀眾席至少需要3 000個座位。因此，最終將場地模型尺寸設定為60 m×40 m。

1.1.2 比賽廳高度

根據《體育建筑設計規范JGJ31─2003》規定，若承辦五人制足球、手球、排球、籃球、乒乓球、羽毛球、網球、體操和藝術體操應要求的比賽廳最小凈高度標準分別是7 m，9 m，12.5 m，7 m，4 m，12 m, 12 m，14 m和15 m，這里取最大值15 m，同時考慮到設計預留，最終選取模型高度為18 m。

由于人工天穹場地大小有限，因此將體育館比賽廳模型按1∶10比例搭建。最終搭建長6 m、寬4 m、高1.8 m的長方體模型。

1.2 采光面的選取

考慮到體育館最主要的自然采光模式有三種，即界面采光、側界面采光及頂、側界面采光，因此這里均給予考慮。

1.2.1 側界面采光

側界面采光布置靈活，一般布置在體育館比賽廳的一側或兩側，通常采用低側窗或高側窗兩種。本文實驗側界面采光選取采光效率相對較高的兩側高側窗采光形式。

側界面采光位置應在6 m長界面處開窗，由于選取兩側高側窗采光形式，考慮雙側觀眾席高度，側界面采光位置應該距地面1 m處均勻開窗。本實驗選取開窗面積為0.7 m×0.9 m，因此在每個6 m長界面上均勻的開5個高側窗，單側界面開窗面積為3.15 m2，雙側總開窗面積為6.3 m2。

1.2.2 頂界面采光

頂界面采光效率一般要優于側界面采光，其照度均勻度明顯高于側界面采光。頂界面采光大多有兩種形式，分別為集中式頂界面采光與分散式頂界面采光，本實驗中選取照度均勻度相對良好的分散式頂界面采光形式。

頂界面采光位置應沿6 m長界面方向均勻排布，本實驗選取開窗面積為2 m×1 m，因此在6 m長界面方向均勻開四個窗口，單個開窗面積為2 m2，總開窗面積為8 m2。

1.2.3 側、頂界面采光

頂、側界面采光集中了一些側界面與頂界面采光的優點，是目前新建體育館較多采用的一種采光形式。

2 采光材料透射比及內墻面材料反射系數的確定

本文著重考慮采光材料及內墻面材料對照度均勻度的影響，下面分別從兩方面設計和參數確定。

2.1 采光材料透射比的確定

從設計角度方面，為保證比賽公平性、避免炫光，能有直射光進入，本實驗選用厚度為5 mm的磨砂玻璃做為采光材料，在實際工程應用更具代表性。

具體在實驗過程中，將待測材料水平放置，在其上表面隨機選取5個測試點，在測試點上表面及下表面水平放置照度計探頭進行測試，將下表面得出數據除以上表面得出數據即得出材料的透射比，每個測試點分別測量計算5次，最終得出每個點的平均值，再求出五個測試點的平均值。最終得出磨砂玻璃的透射比為0.704。

2.2 內墻面材料的反射系數的確定

本實驗選用白色硬紙板作為墻面材料，在其上均勻涂刷裝飾材料白色乳膠漆作為內墻面顏色。

將待測材料水平放置，在其表面上隨機選取5個測試點，在測試點上表面水平放置照度計探頭，得出數據1。再將探頭倒置，將探頭不斷水平升起，直至材料表面沒有陰影遮擋為止，垂直移動探頭取最大值，得出數據2。將數據2除以數據1即得出該點的反射系數。每個測試點分別測量計算5次，最終得出每個測試點的平均值，再求出五個測試點的平均值。如表2，最終得出白色乳膠漆內墻面反射系數為0.798。

3 基于CIE15種天空模型的人工天穹實驗

CIE天空亮度分布標準是國際公認的最普遍的天空模型，其經過在不同地點、不同天氣條件下測試及測量，最終得出共15種不同的天空標準模型，如文獻[15]所示，進而為各個地區體育館的設計提出參考。

3.1 實驗模型搭建

本實驗利用哈爾濱工業大學寒地建筑研究的人工天穹中進行，人工天穹直徑15m。由于人工天穹場地大小有限，因此將體育館比賽廳模型按1∶10比例搭建。最終搭建長6 m、寬4 m、高1.8 m的長方體模型，如圖1所示。

(a) 內部構造

(b) 外部構造

圖1 人工天穹環境下搭建體育場館模型
Fig.1 Building stadium model in artificial sky dome environment

在人工天穹圓心位置搭建長6 m、寬4 m、高1.8 m的長方體模型(圖1)，將磨砂玻璃鑲嵌于開窗位置上，分別對頂界面采光側界面遮擋、側界面采光頂界面遮擋、頂、側界面無遮擋三種不同采光形式。

照度測量儀器采用HP220智能多路光度計。在模型地面(即規定表面)上隨機較均勻的選取9個點作為測試點，每個點分別進行5次照度測試，取其平均值，得出每個點的照度平均值。在9個點中提取最小值、最大值及9個點的平均值，進行照度均勻度計算，即

其中，Emin為規定表面上的最小照度，Emax為規定表面上的最大照度，Eave為規定表面上的平均照度。

3.2 實驗分析

本實驗采光材料透射比為0.704，內墻面材料反射系數為0.798，均符合我國室內采光設計標準。在CIE15種天空模型下，側界面采光、頂界面采光和側、頂界面采光三種模式下的照度均勻度如下。

3.2.1 頂界面采光的照度均勻度分析

15種CIE天空模型下頂界面采光形式的照度均勻度U1、U2數據分析圖如圖2所示。

對于照度均勻度U1，在15種不同天空模型順序排列下整體呈上升趨勢，其中CIE1模型至CIE9模型數值差異不明顯，自CIE10模型開始，數值呈明顯上升趨勢，直至CIE14模型數值有所下降，CIE15模型U1數值有略微上升。CIE11、CIE12及CIE13模型數值較高。

對于照度均勻度U2，可見在15種不同天空模型順序排列下總體呈平穩趨勢，部分呈交叉式上升下降態勢。其中CIE1模型至CIE6模型數值呈交叉式上升下降趨勢，CIE6模型至CIE9模型數值差異不明顯，呈平穩態勢，CIE10模型有所上升，自CIE11模型至CIE15模型數值呈緩慢下降趨勢。CIE5及CIE10模型數值較高。

在采光材料的透射比、內墻面材料反射系數等定量條件下， CIE3、CIE5、CIE10、CIE11、CIE12、CIE13等類似的天空亮度分布適合采用頂界面采光形式，其體育館比賽廳照度均勻度更為出色。

圖2 15種CIE天空模型下頂界面采光形式的照度均勻度U1、U2數據分析圖Fig.2 15 illumination uniformity U1 and U2 data analysis charts of top interface illumination forms under CIE sky model

3.2.2 側界面采光的照度均勻度分析

15種CIE天空模型下頂界面采光形式的照度均勻度U1、U2數據分析圖如圖3所示。

圖3 15種CIE天空模型下側界面采光形式的照度均勻度U1、U2數據分析圖Fig.3 15 illumination uniformity U1 and U2 data analysis charts of interfacial illumination forms under CIE sky model

對于照度均勻度U1，可見15種不同天空模型順序排列下總體呈交叉式上升下降趨勢，其中CIE9模型數值最高，CIE8模型數值最低，CIE10模型至CIE12模型數值相對穩定。CIE5及CIE9模型數值較高。

對于照度均勻度U2，可見不同天空模型順序排列下總體呈交叉式上升下降趨勢，與照度均勻度U1總體態勢相近。其中CIE1模型至CIE4模型數值呈緩慢下降趨勢，CIE9模型數值最高，CIE4模型數值最低。CIE9及CIE14模型數值較高。

在采光材料的透射比、內墻面材料反射系數等定量條件下，CIE5、CIE9、CIE14等類似的天空亮度分布適合采用側界面采光形式，其體育館比賽廳照度均勻度更為出色。

3.2.3 頂、側界面采光的照度均勻度分析

15種CIE天空模型下頂界面采光形式的照度均勻度U1、U2數據分析圖如圖4所示。

照度均勻度U1在15種不同天空模型順序排列下總體呈交叉式上升下降趨勢，部分數值呈平緩態勢。CIE1模型至CIE4模型數值相對穩定。其中CIE14模型數值最高，CIE2模型數值最低。CIE7、CIE11、CIE12及CIE14模型數值較高。

圖4 15種CIE天空模型下頂、側界面采光形式的照度均勻度U1、U2數據分析圖Fig.4 Analysis of illumination uniformity U1 and U2 data in top and side interfaces of 15 CIE sky models

照度均勻度U2在15種不同天空模型順序排列下總體呈平穩交叉式上升下降趨勢，與照度均勻度U1總體態勢相近。其中CIE5模型數值最高，CIE2模型數值最低。CIE5、CIE9、CIE11、CIE12、CIE14模型數值較高。

在采光材料的透射比、內墻面材料反射系數等定量條件下，CIE5、CIE7、CIE9、CIE11、CIE12、CIE14等類似的天空亮度分布適合采用頂、側界面采光形式，其體育館比賽廳照度均勻度更為。

4 結論

本文基于針對某中型體育場館的照度平均度，利用哈爾濱工業大學的人工天穹在CIE15種天空模型下進行實驗研究，得到如下結論：

① 以照度均勻度為標準下，15種CIE天空模型適用的不同采光形式如表1所示。

表1 15種CIE天空模型適用的不同采光形式Tab.1 Different lighting forms applicable to 15 CIE sky models

② 在15種天空亮度分布模型中頂界面采光形式與頂、側界面采光的采光形式均優于側界面采光形式。其照度均勻度可以使體育館比賽廳的比賽人員視覺感觸更舒適，且照度均勻度數值更趨近于1。因此頂界面采光形式及頂、側界面采光形式在體育館比賽廳的建筑光環境設計中可以普遍使用，其在15種天空亮度分布中照度均勻度表現均相對出色。

③ 頂界面采光形式相比頂、側界面采光形式照度均勻度表現雖然都適用于多種天空亮度分布，但前者照度均勻度平穩性更優于后者，且照度均勻度數值前者普遍高于后者，因此頂界面采光、側界面遮擋的采光形式在多種天空亮度分布中照度均勻度表現更為出色。

④ 側界面采光形式在任意天空亮度分布中，照度均勻度表現均不夠理想，可見側界面采光形式相比之下已經不能更好的滿足體育館比賽廳的照度均勻度要求。只能以人工照明補充光照及照度均勻度效果。研究結果將對體育場館的工程化設計具有重要的理論借鑒價值。