基于內場風環境模擬的上海社區體育館優化設計研究

■趙 巖 ZHAO Yan 高 昊 GAO Hao 湯朔寧 TANG Shuoning

0 引言

隨著國家對社區體育運動的高度重視和發展，上海通過多年努力構建起發達的社區體育設施網絡，與此同時，社區體育館的健康發展作為一項重要議題被提上日程。體育館具有規模大、空間大的特征，空間容積所消耗的能量遠大于其他建筑類型。而體育館最重要的內場空間消耗的能量是其中最主要的部分，常規的主動式調節系統對資源造成了巨大浪費。同時，我國新建社區體育館功能已經從原來的以競技比賽為主轉變為以全民健身為主，場館使用時間增長，工藝要求相對降低，自然通風的可能性和需求變得越來越大。上海地區處于我國亞熱帶季風氣候區，其風壓通風作用從三月持續到十一月，作用時間持續2/3 以上[1]，為被動式通風提供了良好的氣候條件。

1 影響社區體育館內場風環境的主要因素

限定社區體育館內場的界面按照物理性可分為底界面、側界面、頂界面三個部分[2]，而在建筑設計過程中，會將此三個部分轉化為比賽場地、看臺、墻面和天花等設計因素進行綜合考慮。筆者搜集整理了上海最具代表性的30 個社區體育館（圖1）的基本資料(上海社區體育官網)，從建筑設計角度總結得出社區體育館內場界面的主要構成因素類型，同時，結合案例調研總結歸納出各主要構成因素的五個常規水平（表1）。

圖1 上海部分社區體育館分布圖

2 實驗模型提取及參數設置

2.1 實驗模型提取

通過對案例的進一步調研分析，進行歸納及合理簡化來提取模擬實驗的抽象模型。模擬原型：調研結果顯示上海社區體育館規模以中型為主，非賽時主要健身項目為羽毛球，該類場地占總場地布置數量的92.6%。因此，相關研究者[3]以羽毛球場地尺寸為基本模數，結合公共體育場館所規定的建設標準，進行系統優化后得出社區體育館比賽場地為44m×24.5m 時使用效率最高，本實驗將此定為場地尺寸。坐席規模：問卷調查發現社區體育館日常中有基本的賽事需求，但不會超過中型體育館要求的最多容納6000 人同時觀看比賽的規模，實驗將此作為定量，以內場平面形狀、看臺圍合方式、頂界面形態、開窗占地比為變量，開窗方式采用常見的平置式中懸窗建立實驗母題（圖2）。在此基礎上，采用正交試驗方法[4]，從表1 歸納的四因素五水平所組合的54=625 種實驗對象中按照正交原則選擇得到25 種不同組合（表2）作為實驗對象。需要強調的是，相比較全面的實驗方法所需的樣本，采用科學的正交試驗法得到的樣本數量只占原來的1/25，大大縮減了工作量，且所選擇的點分散均勻、齊整，具有可比性，這也使本次實驗在相關研究領域具有了一定的優勢和突破。實驗前的最后一項工作為在前述基礎上建立三維模型，在此不再贅述。

表2 正交試驗設計所得25 種不同組合

圖2 實驗模型剖面示意圖

表1 社區體育館內場界面的主要構成因素類型及水平

2.2 實驗參數設置

2.2.1 基本參數設置

本實驗計算域范圍為700m×400m×60m，采用多面體網格進行劃分，整體網格最小尺寸為0.3m，最大尺寸為8m，網格增長率為1.2。

本實驗研究對象屬于鈍體繞流，采用標準k-ε湍流模型及非平衡壁面函數進行穩態計算，其邊界條件是大氣，上海地區過渡季平均風速為3.4m/s[5]，體育館地面密度n定為0.5，為均勻沙粒表面[6]。模擬的入口邊界風速為梯度風，標準壓力采用大氣壓，其表達式為：u/u1=（z/z1）n，其中，z1表示參考高度，u1表示參考高度處的風速，z表示流域中某一參照點的高度，u表示這一參照點的平均風速，選取z1=10m，u1=3.4m/s。此外，模擬的計算出風口為自由出風，側面定為對稱邊界[7]。外界風在垂直于體育館長軸方向流入場館。

2.2.2 評價指標確立

目前，對于室內風環境的評價指標主要包括風速達標比和空氣齡達標比[8]。對于全民健身型體育館而言，對風速指標的考慮需結合賽時要求及非賽時的人體舒適度來進行?！督ㄖL效果測試與評價標準》（JGJ309T—2013）第3.2.6 條第2點規定：“自然通風室內人員活動區空氣流速應在0.3～0.8m/s 之間?！薄扼w育建筑設計規范》（JGJ31—2003）規定：“乒乓球項目賽時3m以下比賽場地風速不得大于0.2m/s，羽毛球項目賽時9m 以下比賽場地風速不得大于0.2m/s”[9]。本實驗結合以上幾點考慮，兼顧賽時和非賽時最佳風速要求范圍，選擇0.2m/s（乒乓球和羽毛球要求的風速最高值）～0.8m/s 范圍作為風速評價標準。此外，目前國內外還沒有對室內空氣齡大小做出明確的評價標準，在參考文獻[10]中，作者對某大型空間的室內自然通風進行研究和模擬分析，得出空氣齡為506s 時，室內自然通風達到最佳效果。本實驗以此為依據確定空氣齡標準為500s。

2.2.3 樣本截面選取

本實驗以人員活動區為主要考察范圍，選取三個水平截面作為考察樣本，1.5m 高度水平截面主要反映比賽場地區風環境情況、5m 和11m高度水平截面主要反映觀眾席區的風環境情況（圖3）。

圖3 實驗樣本截面選取示意圖

3 實驗結果計算及分析

3.1 量化方法

實驗結果處理采取量化計算法[11]，按照評價標準選取的合理數值范圍，對各截面進行像素法[12]處理，得到體育館內場范圍內風環境達標比，然后采用單指標分析法，先計算Ki值（Ki值為某一影響因素同一水平計算結果之和的平均值[13]）及極差R值（R值表示某一因素不同水平之間的變化幅度），以此判斷各因素的影響力度，之后采用綜合分析法[14]對風速和空氣齡指標進行綜合評分，得出整體影響效果。

（1）由于篇幅有限，以樣本18的1.5m 水平截面樣本為例，來說明量化操作具體步驟。首先，將模擬結果標量場的顯示結果進行修改，只顯示達標區域，隨后，通過計算原始云圖區域總像素與達標區域的像素，得出達標百分比（表3）。

（2）采用上述方法得到25 種樣本1.5m 高水平截面的風速和空氣齡達標比（表4）。

（3）計算Ki值，以因素A（內場平面形狀）的風速達標K1值為例：由表2 可知，反映此值的是樣本1、2、3、4、5，則從表4 中提取對應數值進行計算，K1=（84.29%+50.22%+82.88%+30.90%+13.63%）/5=52.38%，同理可求得其他Ki值。之后再以Ki值為基礎計算極差R值，以因素A 的風速R值為例，對于因素A，K2最大，K4最小，因此，R=Max（Ki）-Min（Ki）=K2-K4=73.52%-49.04%=24.48%，同理可求得其他因素R值（表5）。

表4 25 種樣本1.5 m 高水平截面風速和空氣齡達標比

至此，量化工作部分基本完成，其他樣本及其截面的量化工作與上述步驟一致，由于篇幅有限，在此不再贅述。

3.2 1.5 m 高水平截面實驗結果分析

3.2.1 影響力度

從風速和空氣齡的Ki值與R值（表5）可以發現，不同因素對于風速和空氣齡的影響力度差異較大。對于風速指標，四種因素的極差范圍為24.47%～52.29%，其中，因素D出現最大極差，因素A 極差最小；對于空氣齡指標，四種因素的極差范圍為25.64%～66.66%，其中，因素D 出現最大極差，因素B 極差最小。因此，四種因素對內場比賽場地區風速影響力度為因素D ＞因素C ＞因素B ＞因素A，對其空氣齡影響力度為因素D ＞因素A ＞因素C ＞因素B。隨后，對風速和空氣齡進行綜合分析（圖4）可知，影響體育館內場比賽場地區風速和空氣齡最大的均為因素D，其影響力度遠大于其他因素。其次是因素C 和因素B，最后是因素A。此外，考慮到內場場地區對于風速要求較高，且從趨勢上可知，除因素D外，其余因素對空氣齡的影響力度絕對值差異較小。

圖4 1.5 m 高水平截面風速和空氣齡綜合分析圖

表5 1.5 m 高水平截面風速和空氣齡Ki 值與R 值

因此，在設計之初，宜著重考慮對風速的影響力度，考慮順序為因素D ＞因素C ＞因素B ＞因素A，即開窗占地比＞頂界面形態＞看臺圍合方式＞內場平面形狀。

3.2.2 最優值或最優范圍

以各因素水平K值為橫坐標，達標比例為縱坐標，得到各因素不同水平影響下的趨勢圖（圖5）。由其波動規律可知：首先，當開窗占地比小于10.8%時，風速達標比例達到60%以上，因此，比賽場地區開窗占地比不宜大于10.8%，如果適度考慮空氣齡，開窗占地比在7.2%左右最佳；其次，上凸型頂界面對比賽場地風速的提升效果較明顯，且從變化趨勢看，沿著風方向形態升高有利于通風，水平型頂界面通風效果最差；再次，無看臺以及U 型看臺對比賽場地區風速提升效果明顯，但無明確規律可循；此外，方形平面對通風提升效果最佳，從變化趨勢看，各方向趨于對稱有利于通風，如正六邊形和圓形。

圖5 1.5 m 高水平截面各因素不同K 值達標比趨勢圖

3.3 5 m 高水平截面實驗結果分析

3.3.1 影響力度

從風速和空氣齡的Ki值與R值（表6）可知，在5m 高水平截面上，四種因素影響下風速達標比的極差范圍為13.18%～33.64%，其中，因素D 極差最大，因素A 極差最小；空氣齡達標比的極差范圍為11.00%～66.60%，因素D極差最大，因素B 極差最小。因此，四種因素對風速的影響力度順序為因素D ＞因素C ＞因素B ＞因素A，對空氣齡的影響力度順序為因素D ＞因素A ＞因素C ＞因素B。之后進行綜合分析（圖6）可知，在5m 高水平截面上，因素D 對空氣齡的影響比較大，其他因素比較小；對于風速的影響規律與比賽場地區一致。

圖6 5 m 高水平截面風速和空氣齡綜合分析圖

表6 5 m 高水平截面風速和空氣齡Ki 值與R 值

綜上，各因素綜合影響力度順序為因素D ＞因素C ＞因素B ＞因素A，即開窗占地比＞頂界面形態＞看臺圍合方式＞內場平面形狀。

3.3.2 最優值或最優范圍

以各因素水平K值為橫坐標，達標比例為縱坐標，得到各因素不同水平影響下的趨勢圖（圖7）。由趨勢圖可以看出，開窗占地比對風速和空氣齡的綜合影響變化幅度不大，最佳范圍在7.2%～10.8%之間，與1.5m高水平截面所代表的比賽場地區情況略有差別；頂界面不同形態對于風速和空氣齡的綜合影響差異較大，傾斜（反吹）的效果最差，上凸型效果最佳，從變化趨勢看，沿著風方向形態升高有利于通風，與比賽場地區規律一致；而U 型看臺對于場地風環境提升效果顯著；方形和圓形平面對風環境提升效果優于其他，從變化趨勢來看，各方向趨于對稱度高有利于通風。

圖7 5 m 高水平截面各因素不同K 值達標比趨勢圖

3.4 11 m 高水平截面實驗結果及分析

3.4.1 影響力度

從風速和空氣齡的Ki值與R值（表7）可知，在11m 高水平截面上，因素D 對空氣齡的影響效果變化幅度劇烈，其余總體情況與5m 高水平截面情況一致，在此不再贅述。而從綜合分析圖（圖8）可知，其他三個因素對風速和空氣齡的綜合影響差異較小，且與因素D 對風速和空氣齡的綜合影響力度有較大差距。因此，設計階段宜首先考慮因素D，即開窗占地比，再考慮其他因素。

圖8 11 m 高水平截面風速和空氣齡綜合分析圖

表7 11 m 高水平截面風速和空氣齡Ki 值與R 值

3.4.2 最優值或最優范圍

以各因素水平K值為橫坐標，達標比例為縱坐標，得到各因素不同水平影響下的趨勢圖（圖9）。由趨勢圖可以看出，開窗占地比對風速和空氣齡的綜合影響變化幅度較大，最佳范圍在10.8%～18%之間，與1.5m 高水平截面代表的比賽場地區影響狀況有很大不同；頂界面傾斜（反吹）形態的通風效果最差，上凸型效果最佳，從變化趨勢看，沿著風方向形態升高有利于通風；而U 型看臺對風環境綜合提升效果變為最差，與5m 高水平截面所代表的下部觀眾席區的情況相反；橢圓形和矩形平面對風環境提升效果優于其他，從變化趨勢來看，長短邊相差比較大的矩形和橢圓形平面有利于通風，與1.5m 高水平截面代表的比賽場地區情況相反。

圖9 11 m 高水平截面各因素不同K 值達標比趨勢圖

4 社區體育館內場設計優化策略

4.1 設計優先級

對于社區體育館整個內場（包括比賽場地區和觀眾席區），四個主要設計因素對其通風影響力度的順序均為開窗占地比＞頂界面形態＞看臺圍合方式＞內場平面形狀。因此，在進行通風設計時，可以考慮以以上優先級順序為基礎，結合社區體育館的功能、空間及造型進行優化設計。

4.2 開窗占地比

從比賽場地區到觀眾席區具有不同的最佳范圍，總體規律為：隨著高度的增加，開窗占地比適度增大有利于提高內場整體通風效果。在本實驗描述的條件下，比賽場地區開窗占地比建議值不宜大于10.8%，以7.2%左右為最佳；此外，觀眾席區對風速的要求有所降低，建議開窗占地比范圍適度增大到7.2%～14.4%之間，再進行進一步優化確定。

4.3 頂界面形態

沿著空氣流動方向形態升高有利于社區體育館內場通風，建議在設計之初，全面考察項目所在地的主導風向，順勢進行形態的升高，優化內場風環境。典型案例參見杜勒斯國際機場等。

4.4 看臺圍合方式

社區體育館內場比賽場地區看臺宜盡量采用無看臺或U 型看臺；看臺對觀眾席區通風影響力度不明顯，建議在下部觀眾席區采用U 型看臺，上部觀眾席區采用無看臺或環形看臺。典型案例參見亞特蘭大奧運會游泳館、北京理工大學體育館等。

4.5 內場平面形狀

內場平面形狀對比賽場地區和觀眾席區的影響規律截然相反，下部宜采用方形、圓形等趨于對稱的平面形式，上部宜采用矩形、橢圓形等長寬比較大的形式，典型案例參見倫敦奧運會自行車館等（圖10）。

圖10 倫敦奧運會自行車館

5 結語

隨著社區體育館建設需求的不斷強化及人民群眾對于健康生活環境的更高需求，全民健身型體育館對被動式通風的要求也在不斷加強，對體育館自然通風可行性與合理性的探索也勢必要經歷更加漫長的過程。本實驗在借助計算機模擬技術的基礎上，通過優化實驗設計過程，獲得了在多因素共同作用下社區體育館風環境的影響機制，相比較以往單一因素影響下的研究，從理論上更加接近實際。希望能為上海社區全民健身型體育館的健康發展提供參考和借鑒。