体育场罩棚形态对观众区风环境的影响分析

孙杰红 刘德明

(哈尔滨工业大学建筑学院,黑龙江 哈尔滨 150000)

1 概述

近些年来，随着体育产业的蓬勃发展，体育场馆的建设规模迅速扩大。观众作为体育消费的主体，已逐步成为体育场馆设计中需要重点考虑的要素，现有研究表明，观众的使用体验是决定体育场馆运营情况的关键因素，因此保证观众的使用舒适性是体育场馆设计的重点之一。尤其是体育场建筑，开敞的建筑形式使观众区暴露于室外，受自然环境的直接影响，在赛事集中的夏季，高温闷热的天气会对观众体验产生严重的不利影响。已有研究成果显示，适量的通风能够通过加快蒸发来帮助人体散热，显著改善夏季体育场观众区的闷热情况，因此对体育场观众区风环境的研究具有重要意义。

国内外对于建筑风环境的研究最早可以追溯到古罗马时期，建筑巨匠维特鲁威[1]观测到风对建筑的不利影响后提出了改进措施，并将其著入《建筑十书》中。到了19世纪，随着科学技术的快速发展，各国学者先后采用观测、实验等研究方法对建筑风环境进行了大量研究。从20世纪60年代起，计算机技术迅速崛起，带动了计算流体力学的快速发展，数值模拟方法开始被应用于建筑风环境的研究中，尽管在建筑设计方向上的研究起步较晚，但研究成果颇丰：Anastasios I.Stamou[2]运用CFD模拟计算空气流速及不同入口温度条件下的场内温度分布，计算得到的平均速度和温度用来确定平均热感觉指数(PMV)和预测不满意百分数(PPD)，并评估竞技场不同区域的热舒适条件；顾磊等[3]对体育场开洞情况进行了模拟研究，得出适量开洞可以卸荷并改善场内通风；T.Van Hooff和B.Blocken[4,5]通过对阿姆斯特丹体育场自然通风的模拟，对模拟实验网格精度进行了研究，两人还通过模拟实验得出对建筑风场分布起主要影响作用的是环境风速、风向及周边地物；W.D.Janssen等[6]对荷兰Eindhoven工业大学校园进行风环境模拟并选用了多种风舒适评估体系对结果进行了评估；陆阳、刘德明等[7]对体育场内场风环境进行了模拟，探究了体育场内场风环境的影响因素。

从国内外关于体育场风环境CFD模拟研究的成果可以看出，现阶段的研究主要集中在体育场结构安全和设备节能优化上，如体育场罩棚风压、体育馆的节能通风等，对于体育场观众区的研究关注度不足。考虑到观众在体育场设计中的重要地位，本文选取体育场观众区风环境为研究对象，简化出三组不同罩棚形态的体育场模型，基于控制变量法的原则设计并进行模拟实验，对比分析模拟结果并提出优化设计策略，力求为体育场罩棚形态的深化设计提供依据。

2 模拟软件及实验设计

本文运用STAR-CCM+数值模拟软件，探究在不同体育场罩棚形态下的观众区风环境情况。

2.1 模拟软件选择

鉴于数值模拟在流场流动方向上的重要性和普及性，大量的商业化通用软件涌现出来可供选择，STAR-CCM+软件操作流程清晰明确，可以自动划分网格，且支持高精度的多面体网格，内置大量实用的物理模型，收敛精度高，可视化的后处理功能强大，与其他软件相比优势巨大，因此本文选择STAR-CCM+进行模拟实验。

2.2 实验模型建立

基于大量的体育场基本资料调研与归纳，综合使用情况与整体数量，目前最适宜我国大中城市的体育场坐席规模为30 000座左右的中型体育场，因此本文的实验模型选择为30 000座的体育场。基础模型采用国际400 m标准场地，场地边缘距离观众区首层的最小平面距离为6 m，看台简化为一层并交圈排布，最终模型平面最大外尺寸为287 m×211 m，高度为56 m，在此基础上可进行一系列罩棚形态的变化，见图1，图2。

2.3 罩棚形态

通过对大量已建成体育场进行资料调研，以罩棚平面形态、罩棚剖面形态及罩棚与坐席连接处的间隙距离将体育场罩棚形态分为三组进行分类研究。

1)罩棚平面形态。罩棚平面形态是俯视图中所显示的罩棚形态，从数量上来说有单侧、双侧、三侧及四侧之分，从连接方式上又有独立和连接之分，本文依据资料调研结果，选取最常见的四种罩棚平面形态进行模拟实验，分别为：全包式罩棚、四边式罩棚、两边式罩棚和单边式罩棚，见表1。

表1 罩棚平面形态实验模型信息

2)罩棚剖面形态。罩棚剖面形态是沿体育场对称轴剖切得到的罩棚形态。主要可分为上倾式罩棚、水平式罩棚和下倾式罩棚三种，见表2。

表2 罩棚剖面形态实验模型信息

3)罩棚与坐席连接处的间隙距离。一般来说，罩棚与坐席顶部都会留有一定的间隙，间隙处可设置支撑结构或围护结构等，间隙的距离决定了环境风流入体育场的流量和方式，本文基于资料调研的基础，在实验中设置间隙距离为0 m，3 m，6 m，9 m，12 m五组实验，见表3。

表3 罩棚与坐席连接处间隙形态实验模型信息

2.4 模拟实验基本参数

1)计算区域。计算区域的大小决定了网格数量，直接影响到了模拟的正确与否。本文选取计算区域为：进风面距离模型5倍于体育场总高度，两侧面分别距离模型10倍于体育场总高度，顶界面距离模型10倍于体育场总高度，出风面距离模型20倍于体育场总高度，保证风的充分流动。2)边界类型。在实验中，将地面和建筑主体设置为滑移壁面，将入口边界定义为速度入口，出口边界定义为压力出口，顶部及侧面均为堆成平面，见图3。3)网格划分。本文选择多面体网格和棱柱层网格结合使用。网格基础尺寸20 m，根据区域不同网格精度不同，外流域边界使用50%～100%的网格尺寸，建筑主体使用5%～8%的网格尺寸，罩棚部分由于厚度很薄，选择2%～6%的网格尺寸。最终得到的网格数量在120万左右，根据模型形态不同略有差异。4)湍流模型。本文属于钝体绕流的研究范畴，选取Realizable k-ε模型作为湍流模型。Realizable k-ε模型的湍流动能及其耗散率方程[8]为：

其中，Gk为平均速度梯度引起的湍动能；Gb为浮力影响引起的湍动能；YM为可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；C1，C1ε均为常数；σk为湍动能的湍流普朗特数；σε为耗散率的湍流普朗特数；C2，C1ε为常数，C1ε=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.2。

2.5 观众区风环境评价标准

模拟得到的结果是直观的图示化语言，用不同的色块表示不同的风速，具体到某一个计算域内的点坐标来说，能看出其风速范围，难以看出其风速值，对于本文的研究来说，探究的是整个体育场观众区风环境的变化趋势，仅关注某一点意义不大，因此本文选用图示语言而非数值语言进行结果的说明。主要的评价依据为我国建筑法规规定的“室外人群活动舒适风速值不大于5 m/s”及夏季通风需求下避免静风(风速<1 m/s)区域产生，同时观测整个观众区的风速分布均匀度。

3 数值模拟实验结果及分析

由于本文主要探究的是罩棚形态变化对观众区风环境的影响情况，基于控制变量法的原则，将环境风速与风向设为常量。根据2016年气象资料显示，全年平均风速为5.48 m/s，因此将实验初始风速设置为5.48 m/s，风向为西偏南15°。

分别以罩棚平面形态、罩棚剖面形态及罩棚与坐席连接处的间隙距离为依据设置三组模拟实验，实验模型选取2.3中的简化模型，体育馆长轴方向为正南正北方向，实验结果如图4～图6所示。

1)罩棚平面形态模拟实验结果及分析。分析：a.在外环境风速、风向一定的条件下，观众区的平均风速呈现出全包式罩棚最低，双边式罩棚最高的趋势，静风区域的范围大小则呈现出单边式罩棚最小，全包式罩棚最大的趋势。b.当环境风从体育场西侧与短轴呈15°交角流入场内时，四种罩棚形态下的体育场观众区风环境都呈现出东侧风速高于西侧风速的趋势，除全包式罩棚外，其余三种罩棚形态下的风场最高风速普遍出现在东南角部，最低区出现在西南角部。c.除全包式罩棚外，其余三种罩棚均在观众区出现高风速圈与低风速圈的现象，随着围合感减弱，高、低风速圈区域逐渐扩大，风速分布均匀度下降。

2)罩棚剖面形态模拟实验结果及分析。分析：a.在外环境风速、风向一定的条件下，罩棚上倾时会在东南、西北区域形成漩涡，西侧观众区平均风速明显高于东侧；罩棚水平时观众区平均风速在三种罩棚剖面形态下最小，整个观众区范围内存在多处风速骤变的区域，极小面积区内最大风速差达到7 m/s左右，西侧主席台位置处于静风区域内；罩棚下倾时，观众区平均风速最大，在东南侧局部出现小面积低风速圈，静风区域面积极小。b.从风场分布均匀度来看，表现最好的是下倾式罩棚，其次水平式罩棚，最差的是上倾式罩棚，风速分布均匀性随着罩棚内侧与场地垂直距离的增大而下降。c.从静风区域来看，当罩棚由下倾变为上倾时，罩棚与坐席最高处间隙逐渐减小，进风量减少，场内平均风速逐渐减小，因此上倾式罩棚形态下体育场观众区内静风区域面积最大。

3)罩棚与坐席连接处的间隙距离模拟实验结果及分析。分析：a.在外环境风速、风向一定的条件下，观众区的平均风速在间隙距离为0 m时最大，随着间隙距离增大而降低，当间隙距离为9 m时，观众区平均风速达到最小，随着间隙距离继续增大，观众区平均风速也开始增大。b.在罩棚与坐席间隙距离增大的整个过程中，当间隙距离为6 m时，风场分布均匀度及静风区域面积范围都达到该组最佳，基本不存在差值较大的风漩涡，静风区域面积很小。

4 结语

本文选取体育场观众区风环境为研究对象，基于控制变量的原则，模拟比较不同罩棚形态下体育场观众区的风场分布情况，得出结论如下:1)总的来说，罩棚形态是影响观众区风环境的主要因素之一，随着罩棚形态的变化，体育场观众区风环境产生明显变化。2)随着体育场罩棚围合感的减弱，观众区平均风速增大，风速分布均匀度降低，但静风区域面积减小。因此可以根据体育场不同的选址需求选取适宜的罩棚形式，大风地区可多采用全包式罩棚。3)下倾式罩棚相比上倾式罩棚及水平式罩棚来说，能保证观众区的平均风速最适宜，风速分布均匀度最佳，静风区域面积最小，因此大风地区的体育场设计应考虑多采用下倾式罩棚形式。4)体育场罩棚与坐席连接处的间隙存在一个最适宜自身的距离值，使观众区风环境质量最佳。无论大于或小于这个距离值，观众区风环境质量都会有所下降，因此在设计中应结合场地比赛的需求，充分考虑间隙距离的合理取值。

[1] 维特鲁威.建筑十书[M].北京：知识产权出版社，2001.

[2] Anastasios I Stamou.A design methodology for settling tanks using CFD models[A].2006 IASME/WSEAS International EEESD Conference[C].2007：647-654.

[3] 顾 磊，齐宏拓，刘红军,等.奥运网球中心赛场风荷载和风环境数值模拟分析[J].建筑结构学报，2009，30(3)：134-143.

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[5] Hooff T V，Blocken B.On the effect of wind direction and urban surroundings on natural ventilation of a large semi-enclosed stadium[J].Computers & Fluids，2010，39(7)：1146-1155.

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[7] 陆 阳.基于CFD模拟的体育场场地区风环境设计研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2014.

[8] L Gana，Y B Baquib，A Maffiolic.An experimental investigation of forced steady rotating turbulence[Z].2016:59-69.