基于冬季观众区风环境模拟的寒区专业足球场界面优化研究——以天津地区为例

史立刚，杜旭（通讯作者），崔昭杰/SHI Ligang, DU Xu (Corresponding Author), CUI Zhaojie

1 研究背景与内容

随着健康中国战略和体育强国建设的政策1）出台实施，体育建筑的发展呈现出专业化和全民化的二律背反现象。作为职业足球的空间载体，专业足球场建设是我国足球事业发展的必然趋势。当前中国足球超级联赛（简称中超）的场均观赛人数已达到2.41万人[1]，而我国专业足球场地的建设，存在严重的地区发展不平衡问题。足球赛事的承办，存在寒暖季节性差异的制约。足球观赛环境的维护，存在普众与运动员身体素质差距的区别，特别是在我国寒冷地区，冬季看台区的观赛舒适度将直接影响到场内上座率，重塑专业足球场的建成微环境尤其重要。既往的体育建筑风环境研究注重阈值变化较大的风荷载对结构安全的影响研究，而缺少风对观众区气候微环境舒适度及空间品质的影响研究。国内外风环境舒适度领域虽已有相关标准，但由于时代、国情及地域气候的差异，其数据信息不尽相同，特别是缺乏对我国寒冷地区冬季室外舒适风速的精细化界定，且关于模拟技术辅助体育建筑界面形态设计的定量研究亦较为有限。

本文选择天津为寒冷地区代表城市，以专业足球场看台区风环境为研究对象，基于大量的CFD模拟实验，分析评价不同界面形态对看台风环境的影响机制，为我国寒区相似地区的专业足球场界面的形态优化设计提供理论支点。

2 寒冷地区冬季室外受风感舒适风速标准的拟定

人们在室外场所逗留的时间长度受物理条件和心理作用共同影响，其中，城市微气候会起到至关重要的作用[2]。从美国国家气象服务中心NWS和加拿大气象服务中心MSC修正的风寒温度公式2）[3]可以看出，在我国北方寒冷地区，风致冷作用较为突出，特别是在温湿度较低时，风速对体感温度的作用力能够直接影响暴露在户外环境中的行人舒适度。但由于我国寒冷地区地域辽阔，气候差异较大，再加上建筑形式及个体差异等因素的影响，现行的相关标准并无风环境评估细节，以致众多实验结果的评价依据参差不齐。因此，本文尝试从吹风感受的角度建立地域化的风环境评估准则，该准则也是对模拟结果进行评价和对空间环境进行优化的前提。

2.1 国内外现行风舒适准则

目前国际上较为常用的Lawson & Penwarden风舒适准则[4]、Davenport & Isyumov建议风舒适准则[5]、Soligo风舒适性评估准则[6]等，其均基于城市气候对户外不同活动类型或行为状态下的舒适风速进行了界定（表1）。荷兰NEN8100风舒适评估标准[7]规定户外静坐和漫步状态下舒适风速阈值为5m/s，我国绿建标准规定，在冬季典型风速和风向条件下，室外休息区风速宜小于2m/s[8]。然而，考虑到球迷律动、情绪宣泄、现场氛围等因素影响，在观赛环境下，现场观众对冬季室外风环境的忍受力也会增加。鉴于主体状态的特殊性，既有的评价体系缺乏明确的对应指标。

表1 观众不同行为方式下的舒适风速限值

2.2 构建寒冷地区寒冷赛季室外吹风感舒适度评价准则

2018年10月末至11月初，笔者在天津市南开区、津南区、和平区、北辰区等地的室外公共活动场所，对16～55岁之间的被访者进行吹风感受及人体舒适感受问卷调查，并同时测量被调研时间点内的瞬时风速及温度条件，拟追踪由风速变化带来的寒冷季节室外人群舒适度变化规律。本次共发放问卷400份，收回有效问卷378份，有效率94.5%。通过对问卷数据的整理得到受访者对风速条件与吹风感受舒适度的关系（图1），从图中可以看出当人体舒适感平均投票值（MCSV）为0时，中性风速为1.76m/s；拟合数学模型的斜率为0.25，即人体吹风感受舒适度等级以4m/s风速差值的改变而改变，即在低温条件下，当0≤v＜0.76m/s的时候，人体吹风感舒适度较好；当0.76m/s≤v≤2.76m/s时候，人体吹风感舒适度最好；当2.76＜v≤4.76m/s的时候，人体吹风感舒适度较差；而当v＞4.76m/s的时候，人们难以在室外进行长时间活动。考虑到冬季风环境对大气污染物扩散的影响，以1m/s作为城市优化风速最小值，构建本文的吹风舒适度评价指标（表2）。

1 MCSV与V散点图

表2 我国寒冷地区寒冷赛季室外吹风感受舒适度评价指标

3 建立CFD数值模拟平台

3.1 确定建模域及计算域

结合我国近10年中超平均上座率和80%上座率上限的要求，拟定研究模型容量为30,000座[9]，空间平面形态为四面倒圆角且四面连续布置，坐席剖面形态为上下两层坐席且设置层间环形单层包厢，罩棚空间形态为四面平直贯通式罩棚。经计算并简化得到初始专业足球场模型尺寸为 201m（L）×161m（W）×35m（H）， 计 算域尺寸为900m×1100m×210m （含小计算域尺寸300m×250m×50m），此时模拟计算阻塞率满足小于3%的要求（图2）。

2 模型及计算域模型

3. 2确定实验变量

笔者通过对国内外28个30,000～40,000座专业足球场的调研，发现界面通透性是影响足球场空间环境品质提升的关键因素，也是当前足球场设计研究的理论短板。因此，将本文所研究的足球场建筑界面分为内界面（Internal boundary，简称“I”）、顶界面（Top boundary，简称“T”）和侧界面（Side boundary，简称“S”）3个部分（图3）。内界面是指看台区的坐席界面，顶界面为外围护界面中的罩棚部分，侧界面为外围护界面中垂直于地面的墙体及结构等，并将行为或视线可穿越部分的面积与其所属界面面积的比值计算内界面的孔隙率和侧界面的空隙率，以罩棚与坐席最高点之间的遮挡程度作为顶界面的通透率。并以顶部界面通透率、内界面孔隙率、侧界面空隙率为变量，抽象出9种单一变量物理模型（表3）。

3 界面形态分类简图

表3 专业足球场不同界面通透率物理模型示意

3.3 设制模拟参数及边界条件

（1）模拟参数

本文研究的室外风环境问题属于稳态不可压缩、低速湍流范畴，湍流模型为realizable k-ε模型，离散方法为基于FVM的simple算法，离散方程为二阶方程，求解精度为10-4。

（2）来流风向

为参考实际风速条件，笔者根据全球航空例行天气预报报告和美国国家海洋与大气管理局的综合地表数据库报告[10]，对天津市2014-2018年，每年寒冷赛季每日比赛时段（3-4月、11月/15:00-22:00）的时均风速数值和持续高风日的风速及风向数据进行统计，得到参考数据3640个（表4）。为更准确地模拟自然界风环境，本文将城市梯度风及湍流方程以udf程序载入求解器。并取与足球场长轴方向夹角分别为0°、22.5°、45°、67.5°及90°方向来流风环境进行模拟（表5），此时风速大小取统计数据较高风速平均值的最大整值10m/s。由图可知，风向的改变对观众席风环境的影响较大，因此，在瞬时变换较为复杂的风环境条件下，选择高频自然风向具有一定的实际参考价值。

表4 2014-2018寒冷赛季天津地区室外风速概况

表5 不同来流风向下观众区整体风速云图

表6 不同来流风速下观众区整体风速云图

（3）来流风速

统计时段平均风速约为3.7m/s，最大风速约为15m/s，并据此设定4.0m/s、7.0m/s、10.0m/s、13.0m/s和15.0m/s为来流风，并使其与足球场长轴方向夹角为22.5°，对同一模型分别进行模拟实验（表6）。从表中可以看出，仅改变风速大小对足球场观众区的风环境分布规律并没有产生很大影响，且当v＜7m/s时，整场风环境变化不够敏感，而当v＞13m/s时，整场风环境较为恶劣；而当来流风速为10m/s时，观众区存在静风区、低风区、高风区等多种风速区，且风场变化较为敏感，风环境相对稳定，能够为后续的研究提供指导性建议。从表4可以看出，统计时段高频风向为西北偏北风（即与正北方向成22.5°）。综上，最终确定来流工况为风速10m/s，风向与足球场长轴交角为22.5°（图 4）。

（4）数值读取面

在粘性流动中，Fluent计算将壁面处默认为无滑移壁面，此时计算结果在壁面上的速度为零。因此在建立物理模型时，本文将坐席界面复制并垂直向上平移1.2m（人体坐视高度）得到一个连续的三维界面，并将其设定为不对流域产生影响但可在结果后处理中提取数据的零厚度数据等值面。

（5）壁面及其他界面条件

模型中的专业足球场座席及罩棚部分均设置为壁面，将零厚度数值参考面设置为内部界面，流边界条件为压力出口，壁面及顶面均设置为对称面。

4 来流风环境示意图

4 界面通透性模拟结果分析及建议

4.1 实验结果分析

笔者对3.1节中归纳的9种实验变量进行排列组合，得到27组不同专业足球场模型及模拟实验结果（表7-11）。

4.2 建议界面形态优化方向

（1）内界面形态的优化设计建议

专业足球场内界面的孔隙率对其观众区的风速强度和稳定性的影响作用较小（图5）。在进行内界面形态设计时给出以下优化设计策略：建议将内界面孔隙率设计为4%左右，此时有利于在观众区营造较为稳定的风环境；且在相同规模的场馆设计要求下，相比于较高的孔隙率，该设计可增加一定的坐席数量；相比较低的孔隙率，该设计更利于赛后人流的及时疏散，能够为大型足球赛事的发展创造条件。

（2）侧界面形态的优化设计建议

专业足球场侧界面的空隙率对其观众区的风速强度和稳定性的影响作用显著（图6）。在进行侧界面设计时给出以下优化设计策略：1）在我国寒冷且大风地区较选用低空隙率表皮，比较利于营造较低风速环境；2）当场馆对通风或空气质量要求较高时，可适当增加侧界面的开洞或开孔数量，且尽量应避免无侧界面结构形态的出现；3）可以考虑将专业足球场的外表皮设计成可开合围护界面，并根据具体地区的风况，辅助一定的模拟手段，形成一套本土化的自然通风方案，从而达到专业足球场内观众区风环境舒适条件的高质量要求。

表7 专业足球场不同界面通透性组合模型剖透视示意图

表8 观众区风环境模拟实验结果风速比等值线图

（3）顶界面形态的优化设计建议

专业足球场顶界面的通透性对其观众区的风速强度和稳定性会产生一定的影响（图7）。在进行罩棚界面形态设计时给出以下优化设计策略：1）当罩棚与坐席完全连接时，观众区的风环境总体情况较差。可在罩棚与坐席之间留出一定的间距，增加场区内部的气流流动，减少局部涡旋或高风，从而降低满场平均风速；2）对于新建专业足球场，在方案设计阶段，建议使用模拟手段对罩棚与坐席之间的距离进行预测，特别是在我国大风地区，尽量避免将罩棚与坐席之间的界面完全封闭；3）可考虑在界面上设计可开启窗扇，在必要时采用开天窗的方式，来保证观众区风环境的均匀性与稳定性；4）对于已建成且罩棚与坐席间距较大的球场，在不改变原有体系结构和建筑外部形态的前提下，可以根据天气情况采取增设导风板或挡风板等气动设施，以控制球场内部的进风量。

表9 风速数据统计（S1=100%）

表10 风速数据统计（S2=50%）

表11 风速数据统计（S2=20%）

5 内界面孔隙率对观众区风环境影响比较

6 侧界面空隙率对观众区风环境影响比较

7 顶界面通透性对观众区风环境影响比较（1-7绘制：杜旭）

5 结论

风环境模拟研究是建筑形态设计的一种辅助手段，而不是唯一决定因素。本文以天津地区为例，基于数值模拟，从坐席内界面孔隙率、侧围护界面空隙率和顶部罩棚与坐席之间的通透性3个方面展开了实验，分析表征了不同界面形态组合对观众区风环境舒适性的影响机制，以期对我国冬季风环境相似地区专业足球场界面形态优化提出的策略建议。如何以满足观众观赛舒适度为目标，在多元多变的体育建筑界面形态影响因素组合中寻求辩证的平衡是一个复杂性问题，需要更多实证研究丰富精细化设计理论。但由于篇幅和时间有限，谨以本文抛砖引玉，期待更深入的风环境优化研究推动专业足球场设计决策的健康发展。

注释

1）《中国足球改革发展总体方案》（国办发[2015]11号）《“健康中国2030”规划纲要》（2016）《全国足球场地设施建设规划（2016—2020年）》（发改社会[2016]987号）《体育强国建设纲要》（国办发[2019]40号）《健康中国行动（2019—2030年）》（国办发[2019]40号）等。

2） WCT=13.12+0.6215×T-11.37×+0.3965×T×。其中，WCT为风寒温度（℃）；T为干球温度计所测气温（℃）；V为10m高度处风速（m/s）。修正的风寒温度表达式综合考虑了低温条件下，风寒温度与温度、风速的非线性关系。该公式的风速适用范围为v＞1.34m/s，温度适用范围为-50℃＜T＜10℃。