風環境和結構性能導向的半封閉網球場優化設計研究

史立剛，楊朝靜，崔玉

0 引言

隨著健康中國戰略和《體育強國建設綱要》的相繼實施，體育建筑、尤其是易受自然氣候影響的半室外體育設施的環境性能需求升級換代。作為網球運動的空間載體，由坐席罩棚界定的半封閉網球場風環境對運動員體能、比賽進程、比賽公平性及觀眾舒適度等影響頗大。由于半封閉網球場體型較小，其罩棚結構選型的范圍較大，且直接受自然氣流的作用，流場空間復雜[1]，環境與結構性能問題相互交織，因此其結構選型和建筑空間形態的多目標優化成為建筑設計精細化發展的瓶頸問題。本文擬通過典型半封閉網球場模型風環境和結構性能數值模擬以及可視化分析，借鑒層次分析法，提出半封閉網球場風環境和結構性能的多目標優化策略。

1 半封閉網球場風環境及結構評估準則

1.1 半封閉網球場風環境評估準則的確定

本文于2018年10月25–28日、2019年10月4–9日、11月30日–12月2日分別在天津市和北京市進行了3次室外體育場地調研，對在室外運動、休閑和觀賽的活動人群進行室外風環境舒適度實地問卷調查。問卷內容包括主觀問答和測量兩部分：前者為被調查者對周圍環境舒適度的5級李克特量表的感知反饋，后者為調查者對室外氣候進行風速、溫度等的實時記錄。共發放1400份調查問卷，收回有效問卷1306份，有效率為93.29%。對有效問卷數據進行可信度分析，其克朗巴哈系數值為0.902，呈現較高可信度，且內部一致性良好。

1 網球賽程溫度

2 人體吹風舒適度投票

筆者統計國內外105類專業網球公開賽舉辦時的溫度，約86.9%在10℃～30℃之間（圖1）。本文3次室外調研的平均溫度為13.5℃，處于賽程溫度范圍內較低的溫度區間。因此本文僅以調研數據中處于賽程溫度范圍內的數據為研究對象，挖掘風速與運動員和觀眾人體舒適度的關系，從而得到網球賽程環境下的風環境評估指標。

（1）觀眾區風環境評價

觀眾熱舒適度由溫度、濕度、風速、日照輻射以及人體新陳代謝率和衣阻綜合影響，其中溫度具有決定意義。通過平均熱感覺指標（PMV）計算的公式1可知：在小于32℃的情況下，人體對低溫的容忍度大于對風的容忍度，溫度越低，人體對風的感知能力越強，即更為敏感。鑒于專業網球比賽時的溫度范圍適中，因此風速成為影響觀眾和運動員舒適度的關鍵。

基于調研數據的二次整理，建立人體吹風舒適度（CSV）與風速（V）的評價模型：MCSV=a·V+b（圖2）。當MCSV=0時，中性風速為4.68m/s，擬合直線的斜率為0.62。根據回歸模型，在低溫環境下，當1.45m/s≤v≤3.06m/s時，人體舒適度最好；當0≤v＜1.45m/s時，人體舒適度較好；當1.45＜v≤4.68m/s時，長時間戶外活動不會受到太大影響；而當v＞4.68m/s時，人們難以在室外進行長時間活動。最終得出賽程溫度范圍內的舒適風速范圍（表1）。

表1 半封閉網球場觀眾區吹風感受舒適度風速

（2）比賽區風環境評價

網球運動源自室外，風對網球的運動軌跡和比賽公平性影響頗大，而國際上對風速尚無明確的規定。據國際網聯對多場次網球比賽的追蹤記錄，網球在碰撞前的最小運動速度為12.60m/s[2]。網球的運動屬于低速空氣動力學，符合流體力學的研究范疇。網球在空中飛行時主要受空氣阻力、重力和風力等同時作用。

網球的平均球速為12.60m/s時受到的風阻為0.1764N，占重力的31.03%。當網球受風速影響且風阻占重力的31.03%時，相對風速為21.09m/s，此時的風速為8.49m/s，可作為影響比賽區的最小風速。

（3）風環境評估準則

綜合考慮觀眾區和比賽區，在滿足兩者共同的舒適度和比賽公平性的需求下，可得出我國網球比賽期間的風環境評估準則（表2）。

表2 半封閉網球場風環境評估準則

1.2 半封閉網球場罩棚結構評估準則的確定

本研究將罩棚設置在混凝土結構柱上，僅將罩棚結構中的鋼結構構件變形受力情況作為評估對象。

網球場罩棚結構評估的非結構因素包括功能、材質、施工水平及技術經濟性等。本文的模擬方式主要適用于建筑設計方案與初步階段，該階段可決定的工程造價約占整個方案的70%～90%[3]。當罩棚功能、材質和施工技術水平相同且可滿足時，本文以用鋼量作為衡量罩棚技術經濟性的判據[4]。

網球場罩棚結構評估的結構因素包括撓度、應力等，數值在滿足規范要求基礎上越小越優（表3）。

表3 結構評價參考指標[5]

3 國內外網球場容量分布

4 網球場界面示意圖

2 半封閉網球場性能模擬實驗設計

2.1 風環境典型實驗模型的確定

2.1.1 網球場典型模型的有效性選擇

根據國際網球場容量分類規則，專業網球場可分為特級（10,000座以上）、甲級（4000座以上）、乙級（2000座以上）和丙級（2000座以下）[6]。在筆者統計的國內外既有104座專業網球場中，4000～10,000座甲級網球場占比最多，為46%；其中國內37座專業網球場中，4000～6000座網球場占甲級網球場總量的90%（圖3）。綜合我國目前城市發展需求，將實驗模型確定為6000座網球場。

（1）平面形態：基于國內外既有網球場調研，網球場的平面可分為方形和圓形兩種母體形態類型。

（2）界面通透率：根據典型模型，將網球場建筑分解為頂界面、內界面和側界面（圖4）。基于我國消防疏散要求的約束，將內界面通透率設置為3.5%；側界面通透率設置為3%；頂界面通透率（即罩棚連接處通透性）設置為25%、50%和75%（圖5）。

（3）罩棚形態：通過對國內外網球場案例分析，四面貫通直面罩棚占比較大（圖6），受到設計者的青睞，因此本文將罩棚設置為四面貫通的直面上傾、平直和下傾罩棚。

因此本研究針對不同實驗變量，建立典型網球場空間模型（表4），通過正交實驗法，進行性能數值模擬。

表4 網球場物理模型（以平直罩棚為例）

2.1.2 數值計算模型的選擇

選擇Fluent17.0為數值求解軟件，網格處理軟件ICEM～CFD17.0。基于RANS方法的Realizable模型作為研究半封閉網球場風環境的湍流模型[7]。

（1）數值計算域模型的建立

國際相關組織對于計算域的確定有不同的規定[8-10]。本文最終在《建筑環境數值模擬技術規程（上海）》的基礎上結合模擬模型尺寸確定適用于本文的計算域尺寸（圖7）。方形網球場計算域為504m×620m×130m，阻塞率2.04%；圓形網球場計算域為512m×620m×130m，阻塞率2.40%。阻塞率均滿足小于3%的要求[11]。

（2）模擬網格無差異檢驗

為消除網格質量和數量對計算結果帶來的誤差，數值模擬時均需進行網格無關性驗證。本文對圓形網球場采用3種不同數量的網格來驗證，結果取觀眾區（1.2m標高處）和比賽區流場進行比較（表5）。隨著網格劃分精度的增加，網格總數不斷增加，3組方案的計算結果基本一致，則證明了網格無關性的要求。考慮仿真精度和計算時間成本，選擇方案2的網格劃分方式進行模擬。

5 網球場各界面通透率

表5 模擬網格劃分方案

6 罩棚形態

7 計算域尺寸

8 網球場結構類型

（3）網格劃分及網格精度確定

網格劃分質量的優劣直接影響模擬結果的準確性。本文選擇方案2的非結構化網格對計算域進行劃分，最大尺寸單元為10m，壁面網格的最大尺寸單元為2～5m。最終得到的網格數量為方形網球場126.4萬、圓形網球場128.9萬。

2.2 罩棚結構典型實驗模型的確定

基于國內外既有網球場結構選型調研，網架結構與桁架結構是主要結構形式（圖8）。鑒于我國網球場現狀和各結構特征，本文將半封閉網球場結構設置為四角錐空間網架結構和三角形空間桁架結構。

本文在3組18個風環境模擬模型中選擇風環境最優的1組6個模型借助SAP2000進行結構模擬。基于網架和桁架結構參數設置，得到研究網球場罩棚結構的受力分析模型（表6）。其中網架和桁架結構的弦桿為200mm×16mm圓管，腹桿為150mm×12mm圓管；混凝土框架柱為800mm×800mm的矩形截面。網格尺寸約為2.8m，桁架跨度約為12m。罩棚主要結構桿件用框架單元模擬，罩棚表皮則用薄殼單元模擬。

表6 結構模擬模型的建立（以上傾罩棚網球場為例）

2.3 氣候條件的確定

基于我國各地區的經濟、技術和運動普及度，將研究地點確定在我國典型寒冷地區代表天津市，其室外環境氣候與人體舒適矛盾更尖銳，具有研究的必要性。經1961–2010年間進行的風向風速統計可知，天津市年平均風速為2.0～4.0m/s，主要風向為西南偏南風[12]。模擬選擇年平均風速最大值4.0m/s為入口風速，入口風向為南偏西22.5°。

2.4 風荷載的確定

室外風的等效靜力風荷載的取值應符合我國《綠色建筑評價標準》GB/50378的相關規定。風荷載標準值如公式3：

式中，基本風壓w0=0.50kN/m2，風壓高度變化系數μz=0.65，風荷載體型系數：上傾罩棚μs=1.4，平直罩棚μs=1.3，下傾罩棚μs=-1.4。

2.5 模擬實驗結果

2.5.1 風環境模擬實驗結果

對于18種不同平面形態、頂界面通透率和罩棚剖面形態的網球場（表7、圖9）：（1）圓形平面網球場在最大風速、平均風速、風速差值和風速標準差值上，均小于方形網球場，表明圓形網球場內部風環境穩定且風速處于舒適和最優狀態的風速范圍更大；（2）在相同罩棚剖面形態下，隨著罩棚頂界面通透率的增加，最大風速值、平均風速值、風速差值和風速標準差值均逐漸增大，表明頂界面通透率越大，網球場內部風環境穩定性越弱；（3）占據最優風速范圍比率最大的網球場為圓形平直75%頂界面通透率網球場。綜上所述，根據滿足觀眾舒適度（舒適：0≤V＜1.45m/s；最優：1.45≤V＜3.06m/s；比賽公平性：V＜8.49m/s）的要求，圓形平直75%頂界面通透率網球場表現最優，方形下傾75%頂界面通透率網球場表現最差。

表7 風環境模擬結果

2.5.2 罩棚結構模擬實驗結果

通過模擬結果分析：（1）方形和圓形網球場的網架結構性能均優于桁架結構，但圓形網球場的兩種結構性能差別不大；（2）無論什么罩棚形式，方形網架結構表現最優，方形桁架結構表現最差；（3）圓形網球場在屋面變形、各桿件應力方面表現優于方形網球場（表8、圖10）。

表8 罩棚結構模擬實驗結果

綜上所述：結構性能表現最優的網球場為方形平直網架結構網球場，表現最差的網球場為方形上傾桁架結構網球場。

9 全部網球場模型風環境模擬結果分析

10 不同結構網球場模型結構性能模擬結果分析

3 多目標優化的結果及設計建議

半封閉網球場需要同時解決風環境性能、結構性能和經濟性3個相互矛盾的問題，因此需要利用多目標優化方法將不同目標進行權衡協調和處理達到整體相對最優。鑒于層次分析法相比其他方法的優勢，本文應用其進行半封閉網球場多目標優化[13]。

3.1 基于多目標優化的實驗及結果分析

3.1.1 建立層次結構模型

將決策的目標設置為最高層，將考慮因素設置為準則層，將決策對象設置為方案層來建立層次結構模型（圖11）。

3.1.2 構造判斷矩陣

考慮主觀因素對本文研究結果的影響，因此采用德爾菲法[14]對本行業中的12位建筑學專家進行兩輪意見征詢。得到針對本文的目標重要性排序如下：風環境性能＞結構性能＞技術經濟性。對產生該結果的原因進行分析：（1）從建筑學環境需求角度：參與本次研究的專家均為建筑學專業，在對權重進行判斷時多從建筑學角度出發，考慮建筑環境需求比重相對較大；（2）從空間形態對風環境的供給側角度：建筑學專業對于建筑空間的控制力相對于建筑結構和技術經濟性更強，即通過建筑設計手段調控優化風環境的具有可操作性。

通過Saaty的1-9標度法表征判斷矩陣的元素，前文調查問卷結果分析表明：風環境性能比結構性能重要得多，其相對于技術經濟性重要一些，而結構性能相比技術經濟性重要一些（表9）。

表9 1-9標度法元素

3.1.3 一致性檢驗及賦權分析

判斷矩陣CR＜0.1，通過一致性檢驗，可用其歸一化特征向量作為權向量。通過對上述矩陣經歸一計算，得出風環境性能、結構性能和技術經濟性的權重分別為0.694、0.231、0.075。經加權計算，數值越小性能越優。由于風環境模擬中，25%通透率網球場綜合表現最好，結構模擬中，網架結構綜合表現最好。因此對于多目標優化選取的方案為25%頂界面通透率的網架結構的網球場，其變量為網球場平面與罩棚剖面形態。

從定量的結果可以得出（表10）：（1）風環境性能層面：圓形網球場和方形上傾罩棚網球場風環境性能值為0，表示風速均在舒適和最優范圍內，即具有較好風環境性能表現；（2）結構性能層面：圓形網球場相對方形網球場結構整體表現較差。各網球場結構變形和應力均滿足規范要求，結構最優為方形平直罩棚網球場；（3）經濟性層面：圓形網球場相對方形網球場的技術經濟性整體表現較差。方形平直罩棚網球場用鋼量最少，技術經濟性最佳。基于風環境性能、結構性能以及經濟性的加權考量，方形上傾罩棚網架結構網球場表現最優，圓形平直罩棚網架結構網球場表現最差。

表10 網球場多目標分析結果

11 層次分析法結構模型

12 廣州2010亞運會網球場中心，根據參考文獻[15]改繪12a-廣州2010亞運會網球中心12b-廣州2010亞運會網球中心主賽場剖面

13 天津團泊國際網球中心，根據參考文獻[16]改繪13a-天津團泊國際網球中心13b-天津團泊國際網球中心剖面

3.2 網球場優化設計策略

3.2.1 網球場平面

在新建網球場時，從風環境性能角度，優先選擇圓形平面；從結構性能角度，優先選擇方形平面；若同時考慮兩種性能，方形平面則更具優先權。我國近15年新建的20座專業網球場中，圓形平面網球場為45%，方形平面網球場為55%，與本文模擬結果契合（表11）。

表11 我國專業網球場平面示意

3.2.2 網球場罩棚

從撓度和應力角度，網架結構相比于桁架結構都表現出更優的結構性能。基于風環境和結構性能綜合考慮，方形平直網架結構罩棚表現最優，圓形平直網架結構罩棚表現最差。因此新建網球場從結構性能角度結構選型首選網架結構。對于有其他因素制約必須選擇桁架時，可以考慮圓形平面上傾罩棚的組合來削弱桁架結構的不利性能表現。廣州2010亞運會網球中心和天津團泊湖國際網球中心均為圓形平面網球場（圖12、13），但分別為桁架和網架結構，表明圓形平面的網球場對于結構的選擇包容性更大。

4 結語

鑒于我國網球場建設起步較晚、數量不足且設計粗放，本文以精細化設計為出發點，基于主客觀測試調研、風環境與結構性能的數值模擬和層次分析，提出半封閉網球場多目標優化設計方法，并建構出針對風環境和結構選型的優化設計策略建議。在建筑學本體層面，建筑形態與諸多物理因素（建筑周邊環境、整體造型、空間形式等）相關，但在一定程度上受建筑師經驗研判的影響。半封閉網球場建設具有系統性和復雜性，具體設計尚需結合實際情況。由于篇幅限制，謹以本文拋磚引玉，期待更加系統的綜合研究推動半封閉網球場設計的發展。□