基于視線分析的看臺參數化設計

杜信池

體育館建設的核心目標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計的核心要素。本文通過研究分析看臺設計要素，以視線分析為基礎，提出了看臺參數化設計的方法，以算法快速響應生成符合看臺需求的形式，旨在提高設計效率并為未來的體育館設計實踐提供支持。

競賽型體育館以其比賽場地和觀賽看臺為設計核心，同時周邊輔以配套的門廳、交通等服務空間，為運動員和觀眾們提供了高品質的體育賽事體驗。在體育館的設計中，比賽場地和觀賽看臺是最為重要的組成部分。當比賽需求明確時，場地的設計可以迅速明確其尺寸、標準等要素。相比之下，看臺則需要基于視線分析進行逐層的設計，以確保每個座位都能夠觀看到比賽的核心部分。這種設計方法需要考慮到觀眾視線的高度、角度和遮擋等因素，因此需要進行反復的優化和調整。為了解決這個問題，近年來，設計團隊開始越來越多采用參數化設計方法。通過將設計過程轉化為數學公式和計算機程序，實現了設計參數的自動調整和反饋。設計師只需要在計算機上輸入設計條件，比如觀眾數量、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計。這種方法不僅大大減少了設計時間和人力成本，而且可以確保設計的準確性和一致性。因此，參數化設計方法在看臺設計中具有極大的應用前景。通過采用這種方法，設計師可以快速、準確地響應各類需求，推動體育場館的設計和建設不斷向前發展。

一、體育館看臺設計的重要性

看臺是觀眾的主要座位區，它們在決定體育館的容量、安全性和舒適度方面起著至關重要的作用。在看臺設計的過程中，視線分析是一個非常重要的因素。體育場看臺的視線分析是指評價觀眾在看臺座位上的視覺視角和視線的過程。隨著國內各類大型賽事的舉辦，體育比賽的觀眾人數日益增多，觀眾對賽事本身的關注度越來越高。在各類豐富的比賽過程中，觀眾對比賽場地上發生的競技活動進行觀賽，觀眾既需要關注球隊陣型分部、球隊戰術布置等大范圍的場景信息，也需要關注球員技術動作、球類旋轉等具體細節的運動信息。運動場地到觀賽看臺的視線傳達過程中，其完整性和準確性就是視線分析需要解決的問題。通過對看臺的不同區域進行視線分析，設計可以計算看臺的高度、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、看臺設計與視線分析

1.視線分析的基本參數

《體育建筑設計規范》（JGJ31-2003）中明確規定，體育場館的看臺設計必須進行視線分析，從而確保觀眾能夠獲得良好的觀賽體驗。視點位置、視線升高差和通視曲線等因素，都必須被考慮在內。視點位置的選擇應基于對應運動項目的需求，如果是兼容多個項目類型的場館，則應以視點最不利的項目作為研究對象。連接觀眾眼位和視點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，設計師還需要計算視線升高差C 值（圖1）。也就是說，后排觀眾通過前排觀眾時的視線必須高于前排觀眾頭頂的高度，前排觀眾的眼位與后排觀眾通過前排位置時的高差即為視線升高差（C）。這個計算過程將確保每個觀眾都能夠欣賞到運動員的比賽和動作?！扼w育建筑設計規范》針對不同項目和實現質量等級，明確要求了視點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.視線分析的邏輯關系

在視線分析的基礎上，設計師可通過繪圖法逐層對看臺坐席進行設計。設計師應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，設計應將由基礎視點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，最終得出整個看臺的斷面。初步的看臺斷面完成后，設計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行調整和優化，以確保所有觀眾都能夠享受到最佳觀賽體驗。

三、看臺設計的參數化模型

在各種客觀條件的約束下，視點位置、視線升高差、首排位置、看臺排距等變量相互制約、共同作用，決定了整個通視曲線的變化。為兼顧多方面因素，設計師需要反復調整各個變量，以期得到最理想的觀眾看臺設計形式。設計師可以利用GRASSHOPPER 與Python工具構建看臺的參數化模型，將看臺視線分析的參數和邏輯組織起來。這樣的參數化模型可以幫助設計師快速進行各種變量的調整和優化，實現多個設計方案的快速比較和選擇。模型還可以通過多種可視化手段，讓設計師更清晰地了解場館看臺的空間結構和通視曲線的變化，從而進一步優化設計方案，為觀眾提供更好的觀賽體驗。

1.看臺參數化模型的構建邏輯

通過對看臺視線分析與設計的研究，將看臺的斷面生成設計邏輯分解為以下幾個步驟，重點在于實現視線要求，同時滿足實際施工問題，保證最終看臺的設計滿足各方面的需求。

（1）確定基本視點的空間坐標，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，實踐中的斷面設計常需要選取最不利的角度為看臺設計的基準。（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，需要保證與整體設計的同步。（3）在一些大型體育館中，觀眾看臺可能分別設置為池座、樓座甚至包廂，看臺設計并不連續，在參數化模型中考慮該情況，加入了看臺分段設計的參數。（4）構建看臺逐層設計的參數化邏輯?？磁_的繪制作為一種幾何作圖的過程，受各種因子和參數的綜合影響，通過循環算法，逐層繪制出看臺的形式，并可根據參數的變化快速反應出最新的對應看臺。（5）優化看臺斷面形式。上述逐層生成的看臺高差多為小數，且各層均不相同。考慮到實際施工問題，參數化模型中可根據上一步逐層循環繪制得出的斷面形式對看臺高差進行歸整與統一。（6）看臺模型的三維生成與驗證?？磁_的設計最終需要落實為三維的模型，程序將最終選定的設計斷面沿場地周邊放樣，生成出最終的立體形態。

2.看臺參數化模型的使用場景

通過該程序算法（圖2）的應用，設計師在看臺設計過程中得到了高效且精確的技術支持?；诓煌脑O計出發點，設計師可以迅速生成多個看臺設計方案，并通過該算法對每個方案的視線質量進行評估，從而選擇最優設計方案作為后續深化設計的基礎。另外，該程序算法還具備驗證現有看臺設計的功能，幫助設計師更加全面地評估設計或改造方案的可行性。設計師可以輸入已有的看臺設計數據，利用程序算法進行斷面分析和優化。

圖2 GRASSHOPPER程序（來源：自繪）

四、參數化模型的實踐應用

本文以亞運會手球館為例介紹本程序在看臺生成設計中的應用。杭州亞運會手球館位于浙江師范大學蕭山校區西南角，是杭州亞運會新建場館中唯一一個位于高校內的競賽場館，作為一個為亞運賽事準備的校園體育館，在滿足亞運會使用要求的前提下，設計需要盡可能地降低建設成本，提高功能布置的利用效率。

手球館看臺設計需求：項目總建筑面積約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40m×20m的手球比賽場地及其緩沖區域，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域布置，從而盡可能多的提升觀眾看臺的座席數量。在平面位置基本確定的前提下，設計中必須兼顧空間高度和整個看臺的斷面坡度，以確保觀賽體驗和觀眾安全。

圖3 手球館形式示意圖（來源：自繪）

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

樓座看臺首排平面位置根據二層走道位置確定，其下部空間為衛生間，考慮衛生間空間凈高及其上部吊頂、結構，高度設定不低于2.5m。除此之外，其他設計參數也可根據實際情況設定，例如看臺座席間距可以在0.8m 至0.9m 之間調節，看臺高度可以在0.4m 至0.55m 之間調節。在確定了上述各個參數的基本范圍后，設計師將首排位置、首排高度、座席間距等設為幾組不同的數據，觀察其對看臺形式的影響?；谏鲜鰠导氨荣悘d輪廓設定，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，各個參數的變化共同作用于最終的看臺形式，需要互動調整以達到最優效果。通過對諸多成果的比較，設計師最終選擇了在體驗感和經濟性之中較為平衡的看臺形式，并以此為基礎進行看臺深化設計（圖4）。

圖4 看臺照片（來源：自繪）

五、總結

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