寒地專業足球場界面形態與風環境耦合優化設計研究

史立剛，崔玉，楊朝靜

《中國足球改革發展總體方案》（2015）、《中國足球中長期發展規劃（2016-2050 年）》等方案的實施促使足球成為深化體育產業發展的突破口。伴隨2023 年亞洲杯足球賽的成功申辦，中國足球進入專業足球場時代指日可待。由界面圍合營造健康的球場風環境是制約我國專業足球場精細化發展的重要瓶頸，風環境與界面形態之間互動關系亟待挖掘。鑒于我國寒冷地區專業足球場建設基礎和需求俱佳，風環境與人體舒適的矛盾更為尖銳，因此本文以寒地為切入點開展研究。

1 專業足球場寒季室外風環境評價要素、指標及方法構建

1.1 專業足球場風環境綜合評價要素的確定

（1）觀眾區風環境綜合評價要素

寒冷地區足球場風速直接影響觀眾的觀賽舒適度[1]，本文將離專業足球場看臺區垂直高度1.2m（觀賽坐視高度）平面上整體平均風速、達到一定舒適標準的測點數占總測點數的比率、強風區與滯風區占被測區域面積的比例作為觀眾區風環境的評價要素。

（2）內場區風環境綜合評價要素

內場風速不僅影響足球比賽的公平性，同時會影響球員的運動舒適性和草坪的自然生長。目前FIFA、UEFA 等針對足球比賽尚無明確規定的風速上限，一般足球比賽風力都在3～5 級以下[2]，結合空氣質量舒適度理論[3]，內場風速不宜超過7m/s。當冬季外界風速較高且波動變化時保證場內風速相對穩定且降低風速，有利于提高球員的舒適度和減少對足球比賽的負面干擾；同時寒風穿過無雪覆蓋的草坪會導致草的脫水[4]。因此將風速離散度、測點舒適風速比率、風速變化穩定度及降低風速能力作為內場區風環境的評價要素。

1.2 專業足球場風環境舒適度評價指標構建

3 月和11 月分別為我國職業足球聯賽賽季的初期和末期，此時寒冷地區平均氣溫尚低于10℃，且風速較大，4 月份為寒地常年風速最大月[5]，戶外體感溫度更不舒適，因此本文將3 月、4 月和11 月定義為“寒冷賽季”。本研究從2018 年底至2020 年初分別在寒地代表城市北京、天津進行了3 次寒冷賽季室外風環境現場實測及觀眾和運動人群風舒適度主觀問卷調查，調研發放問卷1420 份，收回有效問卷1348 份，其中觀眾問卷728 份，運動員問卷250 份。選用α 信度系數計算、取樣適切性量數檢驗與因素分析對問卷進行信度效度檢驗，問卷滿足要求。

1.2.1 靜坐人群風速與吹風舒適性回歸模型

采用類似溫度頻率法（Bin 法）[6]，按照一定間隔將風速的變化范圍分為若干風速區間，以每一風速區間的中心風速作為自變量，人體吹風舒適感投票的平均值（MCSV）作為因變量，建構觀眾平均吹風感與風速回歸模型（圖1）。

1 觀眾平均吹風感與風速回歸模型

冬季人體靜坐狀態吹風舒適感平均投票值與風速的擬合系數R2=0.696，表明回歸模型擬合優度較好。從利于空氣污染擴散角度，1m/s 可作足球場風速的評價基準[3]。由觀眾平均吹風感與風速回歸模型可知，在冬季室外環境中當MCSV=0時，中性風速為1.59m/s；當0.8m/s＜v≤2.5m/s時，人體吹風感舒適度最好；當0 ＜v ≤0.80m/s 時，人體舒適度較好；當 2.5 ＜v ≤4.4m/s 時，長時間戶外活動不會受到太大影響；而當v ＞4.4m/s,人們難以在室外進行長時間活動。本文基于調研實證及回歸模型構建我國寒地寒冷賽季室外觀眾吹風舒適度評價建議指標（表1），既考量了現場觀眾的實際感受，又是對戶外休息區冬季風環境評價的精細化界定[7]。

表1 我國寒冷地區冬季室外觀眾吹風舒適度評價建議指標

1.2.2 運動人群風速與吹風舒適性回歸模型

運用相同的方法建立運動人群的平均吹風感與風速回歸模型（圖2），進而建構我國寒地寒冷賽季運動人群吹風感受舒適度評價建議指標（表2）。

2 運動員平均吹風感與風速回歸模型

表2 我國寒冷地區冬季室外運動人群吹風舒適度評價建議指標

1.3 專業足球場室外風環境評價方法構建

綜合分析法采用定性與定量相結合，考量各指標對結果的影響，避免主觀隨意性[8]，因此本文選取多因素綜合評價法對專業足球場風環境進行評價[9]。首先采用極差標準化[10]對各評價指標數據標準化，并通過變異系數法[11]確定各評價指標的權重，然后將各個標準化指標值加權求和，得出風環境綜合指數，數值越大則風環境性能越優。

2 專業足球場CFD數值模擬實驗設計

2.1 數值計算模型建構

2.1.1 確立建筑模型

根據足球市場容量發展概況和中超聯賽年平均上座率統計[12]，本文將研究對象設定為約30,000 座的中型專業足球場；基于既有106 座足球場案例調研，以平面形態為分類方式（圖3），方形倒圓角和四面貫通坐席具有明顯數量優勢（圖4）。因此本文以雙層、四面貫通坐席的方形倒圓角足球場形態作為理想模型，長軸為南北向布置。

3 足球場平面形態比例

4 足球場坐席布置比例

（1）頂界面形態的分類：本文以直面罩棚的坡度為劃分標準（圖5），分為3 類：上傾15°、平直0°、下傾-15°罩棚[13]。在連接處界面形式上，分為橫向、豎向劃分設置通風口兩種方式。在連接處界面的通透率上（圖6），分別設置為100%、50%和20%（表3）。

5 罩棚剖面形態比例

6 頂界面與坐席連接處通透性比例

表3 頂界面形態的組合物理模型

（2）側界面形態的分類：將側界面形式分為兩段式、橫向分割式和縱向分割式；對側界面空隙率設定為100%、50%和20%，其中通透率100%指僅用柱子支撐無實體界面（表4）。

表4 側界面形態的組合物理模型

（3）內界面形態的分類：足球場坐席界面開口方式分為利用各層坐席區之間的出入口、坐席縱向疏散口以及各層坐席下部開口3 種。基于對既有足球場案例的調研，本文以坐席開口數量作為變量，將內界面通透率分別設定為4%、8%、12%、16%和20%（表5）。

表5 內界面形態的物理模型

2.1.2 確定計算域模型

參考相關標準[14-15]的上限值，采用計算域尺寸為900m×1100m×270m，此時阻塞率為2.9%，滿足小于3%的要求。

2.2 網格劃分及數值模擬邊界條件設定

2.2.1 網格劃分

綜合考慮初始化時間、計算花費及數值耗散等因素，本文采用ICEM 軟件及混合網格生成法進行網格劃分，網格數量約為427 萬。

2.2.2 網格無關性檢驗

在數值模擬時均需進行網格無關性檢驗，當網格數量增加對模擬結果影響可以忽略不計時，網格無關性則滿足要求。本研究通過3 種網格尺寸及數量模型的對比以選擇更適合的網格模型（表6、7）。3 組方案計算所得風場總體趨勢一致。隨著網格高度的不斷減小，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。考慮到計算時間等原因，本文最終選擇網格方案2 來進行CFD模擬試驗。

表6 不同網格尺寸及數量對比

2.2.3 邊界條件設置

基于雷諾平均RANS 方法的Realizable k-ε 模型作為本研究的理論基礎，采取基于壓力基求解器、有限容積法（FVM）的SIMPLE 算法來對足球場湍流問題進行求解。本文研究對象屬于低溫室外環境，因此在進行數值模擬時，計算域入口設置為速度入口，出流邊界條件為壓力出口，模型中的專業足球場座席、罩棚和側界面部分均設置為壁面，將零厚度數值參考面設置為內部界面（圖7）。

7 計算域及邊界條件設置圖示

2.2.4 確定來流風速

基于我國寒地城市寒冷賽季月份每日15:00–20:00 的平均風速、最大風速、陣風風速范圍、盛行風向及較高風速對應最多風向頻率的調研分析，將初始來流風速設置為4.0m/s、7.0m/s、10.0m/s、13.0m/s 和15.0m/s，擬定北偏西45°風向[16]作為初始風向進行基于Fluent 的模擬實驗。

分別將各組模擬的風速均值、風速標準差、舒適風速、強滯風區面積比率各項評價指標用“響應面建模法”的“多項式回歸法”進行擬合，綜合分析所得的來流風速臨界值（圖8），選擇最小值10.5m/s為本研究的來流風速。

8 來流風速與各評價指標擬合分析

2.2.5 確定來流風向

以主導風向與體育場長軸的交角度數作為變量，分別為 0°、22.5°、45°、67.5°、90°，基于CFD模擬實驗結果的擬合分析（圖9），本文最終選擇來流風向為不利風向占比最多的北偏西22.5°。

9 來流風向與各評價指標擬合分析

3 專業足球場風環境耦合模擬及結果分析

基于Fluent 2019 R3 平臺的正交試驗，分別得到各組耦合模型風場云圖（表8-10），進而通過因子量化和加權綜合得到各組模型風環境評價評分值（表11、12）。

表7 不同網格方案計算結果對比

表8 頂界面各組耦合模型風場云圖

表9 側界面各組耦合模型風場云圖

表10 內界面各組耦合模型風場云圖

3.1 頂界面形態分析

3.1.1 以罩棚下傾角度為單變量的模擬分析

根據罩棚剖面形態對足球場風環境影響的分析（表11），下傾罩棚的風環境性能表現最優。進而將罩棚下傾角度分為5°、10°、15°、20°、25°、30°作為單一變量進行模擬。從不同下傾角度的各組模型風環境綜合評分值擬合函數曲線看出（圖10），罩棚下傾角度和風環境綜合評分值呈明顯的線性負相關關系。

10 下傾角度的風環境綜合評分值對比

表11 頂界面各組耦合模型的綜合評價指數統計

3.1.2 以罩棚與坐席連接處通透率為單變量的模擬分析

從罩棚與坐席連接處通透率角度看，各組模型的風環境性能順序依次為：在平直罩棚下，全開敞＞20%＞50%；在上傾罩棚下，20%＞全開敞＞50%；在下傾罩棚下，50%＞20%＞全開敞。由于耦合變量的影響，該組模擬無法得出側界面通透率對足球場風環境的影響規律。為探討坐席與罩棚連接處通透率的變化對研究區域風環境的影響，進一步將連接處通透率作為單一變量，細分為0%、20%、40%、60%、80%、100%進行模擬。從擬合函數曲線看出（圖11），罩棚與坐席連接處通透率和風環境質量擬合曲線近似于3 次多項式，罩棚與坐席連接處全開敞時風環境性能表現最優。

11 不同通透率的風環境綜合評分值對比

3.2 側界面形態分析

3.2.1 以側界面形式為變量的模擬分析

各組模型風環境性能表現順序為：側界面通透率100%時，橫向分割式＞兩段式＞縱向分割式；通透率為50%時，縱向分割式＞橫向分割式＞兩段式；通透率為20%時，兩段式＞縱向分割式＞橫向分割式（表12）。

表12 側界面各組耦合模型的綜合評價指數統計

3.2.2 以側界面通透率為單變量的模擬分析

由于耦合變量的影響，單純以側界面劃分形式的模擬分析無法得出側界面通透率對足球場風環境的影響規律。進一步將側界面通透率作為單一變量，細分為5 組：10%、30%、50%、70%、90%進行模擬。從擬合曲線看出（圖12），側界面通透率和風環境綜合質量的關系近似于3 次多項式函數，側界面通透率為20%時所營造的風環境質量最優。

12 側界面通透率的風環境綜合評分值

3.3 內界面形態分析

從內界面形態的各組耦合模擬實驗結果的擬合曲線看出（圖13），內界面通透率和風環境綜合評分值呈明顯的線性負相關關系，即內界面通透率越大所營造的風環境質量越差。

13 內界面通透率的風環境綜合評分值

4 專業足球場界面形態優化設計

4.1 界面形態與風環境的耦合機制

基于模擬實驗分析，專業足球場界面形態與風環境性能互為表里、互攝互涵、相生相成（圖14）。在特定的外部風場條件下，界面形態通過具體的頂界面、側界面和內界面組合直接左右了球場風環境分布狀態，此時風環境性能呈現為界面形態映射的函數；另一方面，風環境性能在相當程度上反饋進而影響足球場建筑形態的優化，此時建筑形態相變為風環境性能的因變量。因此以適宜風環境為導向的界面形態優化成為專業足球場建筑形態生成的邏輯依據。

14 專業足球場界面形態與風環境的耦合關系模型

4.2 頂界面形態優化設計策略

4.2.1 罩棚剖面形態

寒冷地區專業足球場建議使用下傾罩棚，罩棚下傾角度不宜超過15°。目前歐洲頂級聯賽球場如法國尼斯足球場（圖15a）、巴塞爾圣雅各布公園球場（圖15b）等均使用了直面下傾罩棚，既營造出良好的足球場風環境，又提供了聚攏聲音的觀賽氛圍。

4.2.2 罩棚與坐席連接處界面

專業足球場罩棚與坐席連接處宜使用全開敞連接方式，非全封閉連接時宜采用豎向劃分形式。對于已建成且罩棚與坐席間間距較大的球場，建議根據當季主導風向增設豎向導風板或擋風板等氣動設施。在應對冬、夏季節對場內風環境需求不同的矛盾時，可設計可開啟窗扇高效的控制球場內部的進風量。首爾世界杯球場（圖16a）、倫敦酋長球場（圖16b）等在座席頂端均采用了全開敞連接的方式，以形成適宜的場內風環境。

16 全開敞式界面連接專業足球場

4.3 側界面形態優化設計策略

寒冷地區專業足球場側界面宜選用低空隙率（20%）表皮，外表皮設計成可開合圍護界面，并根據實際工況結合模擬形成在地化的自然通風設計。運用參數化手段合理控制足球場界面上的洞口數量及面積，實現最佳通透率組合，保證適宜的球場風環境。如都柏林英杰華足球場（圖17）運用參數化設計營造出了舒適的場內風環境。

17 都柏林英杰華足球場，引自參考文獻[17]

4.4 內界面形態優化設計策略

寒地專業足球場宜采用貫通坐席排布，當必須做分段式坐席時分段數目不宜過多，可根據主導風向在各層坐席下部布置開敞洞口以調節場內通風。德國科隆球場（圖18a）、法蘭克福球場（圖18b）都采用了結合坐席層間的包廂層局部或間隔布置開敞洞口的通風形式；意大利巴里的圣尼古拉球場（圖18c）的環形坐席由水平間距8m 的26 片“花瓣”組成，既將場內外風場和景觀良性聯通提高使用者的健康舒適度，又保證了疏散安全性。

18 專業足球場內界面形式

5 結語

專業足球場賽場環境的塑造涉及功能流線、結構選型、體育工藝、視線疏散等諸多方面，健康適宜的風環境是其內涵式發展階段不可或缺的重要目標。本研究基于實測調研制定了適用于寒冷地區觀眾及運動員的室外活動舒適風速指標，并進一步建構出了專業足球場風環境的評價方法；運用數值模擬方法揭示出風環境與界面形態之間的耦合機制，為寒地專業足球場科學化設計提供了循證支持；基于案例模擬實證研究，從觀賽和運動狀態風舒適耦合角度提出寒地專業足球場界面形態的優化設計策略，以期推動設計實踐的精細化發展。□