專業足球場內場風環境數值模擬與優化策略

史立剛，安融融，曹岳超/SHI Ligang, AN Rongrong, CAO Yuechao

專業足球場內場風環境數值模擬與優化策略

史立剛，安融融，曹岳超/SHI Ligang, AN Rongrong, CAO Yuechao

隨著2015年《中國足球改革總體方案》的出臺和體育產業化的深入，專業足球場的發展建設被提上重要的議事日程。由球場罩棚等界定的內場風環境的優劣是影響球員技戰術水平發揮和比賽結果的重要因素，本文以北京地區的氣候參數為典型邊界條件，基于數值模擬探討不同罩棚形式對足球場內場風環境的影響，通過系統分析建構出專業足球場響應風環境的優化設計策略，以期為專業足球場建設提供設計參考。

專業足球場，罩棚形式，環境風場，數值模擬

國家自然科學基金項目（項目批準號：51678180）

國家留學基金項目（項目批準號：201306125030）

1 引言

隨著2015年《中國足球改革總體方案》[1]的出臺和體育產業化的深入，專業足球場的發展建設被提上重要的議事日程。由球場罩棚等界定的內場風環境的優劣是影響球員技戰術水平發揮和比賽結果的重要因素，FIFA規定標準足球重量在比賽開始時為410～450g[2]，在風的作用下，球速及球飛行軌跡易發生改變。此外，大風天氣會對裁判員視線造成阻礙，影響其對比賽相關事實進行正確判斷，尤其在至關重要的比賽場次中，不公正的比賽結果有可能引發雙方球迷的流血沖突甚至損害國家形象。惡劣的內場風環境對足球比賽易產生重大消極影響（表1），球場罩棚等界定的內場風環境的優劣是影響球員技戰術水平發揮和比賽結果的重要因素，本文將探討不同罩棚形式對足球場內場風環境的影響，以期為專業足球場建設提供設計參考。

2 專業足球場的空間形態特征

由于體育工藝的不同需求，專業足球場與綜合體育場呈現出不同的空間形態特征[3]（表2）。

3 專業足球場內場風環境CFD實驗模擬及結果分析

3.1 模型建立及網格劃分

根據筆者對專業足球場空間形態的調研分析[3，4]，本文抽象出3種不同形式罩棚模型，利用Rhinoceros軟件進行參數化建模。模型長220m、寬182m、高28m，為中型規模專業足球場抽象模型，四周導半徑為35m的圓角，內置105m×68m標準場心，罩棚下傾10°、外挑35m。

1 網格劃分示意圖（繪制：史立剛，安融融，曹岳超）

本文中計算域范圍為600m×600m×120m，流域設置滿足阻塞率小于3%的要求。利用ICEM進行網格劃分，采用非結構網格，生成四面體單元386萬個，靠近足球場區域網格細化加密（圖1）。

3.2 計算策略

本案屬后臺階繞流模型，采用標準k-ω湍流模型和非平衡的壁面函數進行穩態計算。以北京為研究對象。北京地區自1985-2014年，年均風速為2.3m/s（以10m高為測量標準）[5]。北京地區冬季主導風向為西北風,由于風速風向會隨時間不斷發生變化，本文采用分解向量法，該方法將西北風抽象為西向和北向兩個向量的組合，然后分別對兩個向量風作用下的風流場進行模擬分析，可近似地理解為以西北風為主的各種變化風向影響下內場風流場的狀態。

入口邊界采用速度邊界，大氣邊界層的速度剖面采用指數率公式。計算域進風口選用北京城市梯度風參數。梯度風具體表達式為，其中：z1、u1分別為參考高度和參考高度處風速，取10m/s和2.3m/s；z、u分別為流域中某高度及該高度所對應風速；n代表地面粗糙度，取0.16[6]。同時，將頂面和側面均設為壓力出口邊界，環境相對壓力為0Pa。

表1 內場風環境對足球比賽產生重大消極影響

表2 專業足球場與綜合體育場的主要區別（繪圖）

表3 專業足球場3種抽象形態模型

2 球場內豎直截面位置及測試點分布圖

3.3 實驗結果分析

模型長軸沿南北方向設置，故風向分為兩種，其一是外界風自北向南垂直模型短軸流入，其二是外界風自西向東垂直模型長軸流入（圖2）。實驗結果以這兩種風向分述，通過研究2個橫截面的風速等值線圖和風速矢量圖，以及7個主要測試點的風速差別，來顯示不同罩棚形式內場風環境差異。其中兩個橫截面選取位置為距離地面1.5m處和5m處。球場7個測試點選取在角球區（點1和點3）、球門區（點2）、罰球區(點4、5、6）和中圈（點7）距地面1.5m高處(圖2)。

3.3.1 風向垂直長軸進入的情況

（1）橫截面實驗結果及分析

在1.5m高水平截面上，模型A球場東部出現大面積渦旋，風場變化劇烈；模型B自東向西速階梯式上升，中線附近達到最高值，球門區風速分布不均，處于0～0.81m/s帶狀變化中；模型C球場區域大范圍處于0.81～1.35m/s之間，在靠近中線的西部區域和東側邊界區域風速下降到0.54m/s以下，風場分布相對均勻，有利于球員發揮出最佳水平。

在5m高水平截面上,風速峰值為1.26m/s。模型A東部兩端小范圍出現渦旋，全場風速處于1.26m/s之下，過渡相對均勻；模型B盡管東南、東北區域風速偏低，但西部和中部無過渡徑直提升至0.70m/s和1.26m/s，造成不利的風環境；模型C風場分布最為均勻，風速在0.21～0.84m/s之間變化，中心點偏高，在0.63m/s以上，南北兩側及中線附近西部地區下降到0.42m/s之下。

（2）測試點實驗結果及分析

（a）3個模型在角球區的測試點都呈現出測點1風速值大于測點3的趨勢。模型B和C在兩點差值較小，分別為0.08m/s和 0.09m/s，兩側角球點風環境相近有利于主罰角球的運動員發揮出最佳水平。

（b）對于罰球區內測點4、5、6，3個模型都表現出穩定性，變化不大，其中模型C以平均風速0.89m/s略高于其余兩個模型，但仍然屬于風速很低的數值，對守門員撲救不會造成影響。

（c）測點7，3個模型的風速都在各自范圍內達到最大值，依次為1.08m/s、1.02m/s、0.80m/s，頗為相近。

（d）總體來看，模型A和模型B各測點風速

值波動較大，模型A的測點1到測點6風速值分布在0.17～0.61m/s之間，測點7激增至1.20m/s；模型B的測點1到測點6風速值分布在0.21～0.50m/s之間，測點7達到峰值1.07m/s；模型C各測點風速最為均衡，風速分布在0.67～1.02m/s之間。

表4 3種模型橫截面實驗結果

3 模型A、模型B、模型C各測點風速圖

表5 3種模型橫截面實驗結果

4 模型A、模型B、模型C各測點風速圖

表6水平截面實驗結果及分析

5 上傾罩棚、下傾罩棚模型各測點風速圖

3.3.2 風向垂直短軸進入的情況

當入口風由北向南，垂直于足球場短邊流入內場，呈現出的風環境如表5所示。

（1）橫截面實驗結果及分析

在1.5m高水平截面上，模型A中大部分地區的風速在0.8m/s之下，但出現兩個風速激增區，分別是場地西側條狀分布的激增區和以南部禁區為中心向北側發散貫穿整個球場的激增區，激增區的風速在1.4m/s之上，復雜的風場變化在比賽中會對球員的橫傳產生較大影響；模型B中大部分地區風速在0.85～1.2m/s之間，但由西北角部出現渦旋，風速在此處激減直至靜壓，在比賽中北側球門和西北角球區將會產生比較大的影響，直接造成雙方球隊處于不平等的比賽環境中；模型C中在北部地區出現兩個小范圍渦旋，除此之外大部分地區風速較為平緩。

在5m高水平截面上，模型A中在東西方向根據風速大小不同可明顯看出4個區域，自西向東風速分別呈現出高、低、高、低的狀態，風場變化劇烈，在東西方向上對足球運動軌跡產生較大影響；模型B中以西北角大渦為主導，帶動東南、西南兩個次渦發展，形成整個球場的風場運動，滿場風速偏低；模型C在西北角部出現小范圍渦旋，對于該處主罰角球形成一定障礙，但并未對禁區造成影響，滿場風速在1.3m/s之下。

（2）測試點實驗結果及分析

（a）比較在兩側角球區測試點1和點3，模型B差值最小，為0.08m/s，模型A和C的差值都在0.3m/s左右。

（b）對于罰球區內測點4、5、6，模型C變化波動最小。

（c）在中央點7的風速對比中，模型C高于A和B，差值約為0.5m/s。

（d）總體來看，模型A和模型C各測點風速值波動較小，模型B呈現出較為劇烈的變化。

綜上比較分析，初步可知從圍合足球比賽場風環境性能角度看，平面布置方式優劣順序依次為四面貫通罩棚、四面獨立罩棚、雙面布置罩棚。

6 英國酋長球場、德國法蘭克福球場下傾罩棚（繪制：史立剛，安融融，曹岳超）

7 開普敦平均風速圖（1994-2012）

8 南非開普敦球場

3.3.3 罩棚剖面實驗結果及分析

在罩棚剖面選擇上，根據文獻[4]建議，本文選擇前文風場性能最優的四面貫通式罩棚上傾10°和下傾10°進行比較，邊界條件與之前實驗相同，風由北向南垂直短軸流入。

（1）水平截面實驗結果及分析

在1.5m高水平截面上，上傾罩棚模型在東北區域出現完整的小渦旋，在西北區域出現兩個大的半渦旋，風速變化比較平緩，保持在0.02～1.4m/s之間；下傾罩棚模型并未形成明顯渦旋，在東北區域出現小范圍低風速區，總體來講風場相對平緩。

在5m高水平截面上，上傾罩棚模型在南部區域風場較為復雜，風向變化較大，但總體風速分布比較均勻；下傾罩棚的滿場風速不超過1.3m/s，在東北、西北區域形成半渦旋，風速在這兩個區域出現激減現象，接近靜壓。

（2）測試點實驗結果及分析

下傾罩棚模型中各測試點風速均低于上傾罩棚模型（圖5），且下傾罩棚各測試點方差為0.043，上傾為0.065。由此可知足球比賽場地測試點風環境性能比較中，下傾罩棚性能在風場均勻度及風速適宜度上均優于上傾罩棚。

4 專業足球場罩棚形式優化設計策略

4.1 罩棚坡向與坡度

本文中初始風速較小，研究重點為專業足球場內場風環境均勻度。相較于綜合體育場的穹頂型上傾罩棚，下傾罩棚對塑造專業足球賽場氛圍有如下促進作用：

（1）有利于產生更穩定的內場風環境，滿足了球員的專業運動需求；

（2）有利于形成聚攏聲音、視線的觀賽互動體驗，并可避免雨季風吹雨淋濕前排觀眾，提升了觀眾的視聽品質和舒適度；

（3）有利于形成周邊和諧的聲環境，相對封閉的界面減少了球場歡呼聲浪對周邊建筑的噪聲干擾；

（4）有利于形成清晰均勻的電視轉播環境，下傾罩棚減少了其落在草坪的陰影為攝像機提供了更穩定的光線水平；

（5）有利于形成適宜的草坪生長環境，光照強度直接影響草坪植物的光合速率，在弱光條件下，草坪植物葉片變薄、變長，枝條密度下降，直立生長的特征更加明顯。在光照強度適宜的條件下，直射光照時間的長短與草坪植物光合產物的積累密切相關[7]。下傾罩棚最大限度地保證了直射陽光照射量以維護球場專業草坪質量。

9 法國馬賽平均風速圖（1974-2012）

10 法國維洛德隆球場改造前

11 法國維洛德隆球場改造后

歐洲眾多頂級足球俱樂部主場如英國倫敦酋長球場、德國法蘭克福球場均使用了下傾罩棚（圖6），形成了良好的主場氛圍。

4.2 罩棚形式組合

4.2.1 新建專業足球場罩棚形式組合

對于新建專業足球場，尤其在大風地區推薦優先使用四面貫通式罩棚，該罩棚形式不僅結構受力合理、造型變化豐富，且利于創造均勻的滿場風環境。如資金或其他條件有限，則推薦四面獨立式罩棚，與雙面布置式相比，該罩棚形式形成的風環境呈階梯式變化，過渡平緩，且渦旋分布在邊角，面積較小。在修建南非世界杯開普敦球場（圖7、8）時，因該球場位于信號山山腳下，地形三面開敞，年平均風速大約5.5m/s(四級風)[8]，防風設計需要重點考慮，因此選擇了四面貫通的全包式馬鞍形罩棚。[9]鞍型罩棚、桁架、屋面玻璃三者共同組成的結構體系在阻擋風壓的同時有效地減小了風速對內場的影響。

4.2.2 改擴建專業足球場罩棚形式組合

在改擴建專業足球場時，推薦將雙面罩棚增至四面罩棚，且以四面貫通式罩棚為宜。始建于1937年的法國馬賽維洛德隆球場（圖9-11）因無罩棚，這些年深受密史脫拉風1）的影響，飽受法國市民詬病。為迎接2016年法國歐洲杯足球賽，加建了四面貫通式罩棚，形成了舒適宜人的足球比賽觀賽環境[10]。正如2015年英國著名足球雜志《442》對其評價：“球場流線型的罩棚不僅樹立了球場的獨特性，更聚攏了聲音效果，營造出熱烈的賽場氛圍”，并將該球場評選為法國最好的專業足球場[11]。

5 結語

國外專業足球場空間氛圍需求經歷了從量到質的升級，其建設已積累100多年的經驗，本文從不同罩棚形式圍合的內場風環境對足球運動影響的角度探討足球場優化設計策略，希望能拋磚引玉，以期為我國專業足球場的健康發展提供參考借鑒。

注釋

1）密史脫拉風：法國南部從北沿著下羅訥河谷吹的一種干冷強風。它一次能持續幾天，風速經常超過100km/h，高度可達2～3km。在冬季和春季密史脫拉風最強并最多見，對處于這一區域的維洛德隆球場造成嚴重影響。

[1] 中國足球改革發展總體方案. 人民出版社. 2015.

[2] The international football association board. Laws of the game 2015/2016. Fédération Internationale de Football Association. 2015.

[3] Geraint John, Rod Sheard, Ben Vickery. STADIA:A Design and Development Guide. Elsevier Limited.Oxford, UK. 2013.

[4] T. van Hoo ff, B. Blocken, M. van Harten. 3D CFD simulations of wind fl ow and wind-driven rain shelter in sports stadia: Influence of stadium geometry.Building and Environment. 2011(46): 22-37.

[5] Average Weather for Beijing, China [EB/OL]. https://weatherspark.com/averages/34097/Beijing-China

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑結構荷載規范（GB 50009-2012）. 中國建筑工業出版社.2012.

[7] 趙妍, 王兆龍. 模擬鳥巢式體育場結構對場內草坪生長環境的影響. 上海交通大學學報, 2008(6): 195-199.[8] Average Weather For Cape Town, South Africa [EB/OL].https://weatherspark.com/averages/29014/Cape-Town-Western-Cape-South-Africa.

[9] Volkwin Marg, gmp. GMP: Stadia and Arenas: von Gerkan, Marg and Partner. Hatje Cantz Publishers;Bilingual edition, 2006.

[10] Stade Vélodrome - Marseille [EB/OL].http://www.info-stades.fr/stade/3/marseille-stade-velodrome.

[11] FourFourTwo's 100 Best Football Stadiums in the World [EB/OL].

htt p://www.four four t wo.com/features/fourfourtwos-100-best-football-stadiums-world-20-11?page=0%2C3#:tcccY9eEVuOKAA.

Numerical Simulation and Optimization Design Strategies of Soccer Stadium Field Wind Environment

The construction of professional soccer stadium will boom. But the soccer matches are often affected by strong wind. When against the wind or speed is too fast, the trajectory and speed of football will be affected while the judgment and physical of athletes will decline. This article selects climatic conditions in Beijing as a typical boundary conditions. Using simulation methods to explore the e ff ects that different canopies on wind environment. Through systematic analysis, we can get the wind environmental optimization of professional soccer stadium. Eventually, it will expand and deepen the design theory of professional soccer stadium. This paper will have far-reaching practical signi fi cance in the construction of professional soccer stadium in the high wind area and the windbreak transformation of stadium.

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史立剛，哈爾濱工業大學建筑學院，黑龍江省寒地建筑科學重點實驗室。

安融融，哈爾濱工業大學建筑學院，黑龍江省寒地建筑科學重點實驗室，天津融創奧城投資有限公司。

曹岳超，哈爾濱工業大學建筑學院，黑龍江省寒地建筑科學重點實驗室，中國中元國際工程有限公司。

2016-07-13