基于草坪采光效率的寒地膜结构专业足球场罩棚设计研究

陆诗亮，王彬竹，郭旗

（哈尔滨工业大学建筑学院，寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，哈尔滨 150006）

0 引言

2023 年亚洲杯、2021 年新世俱杯（延期）即将在我国举办，世界级足球赛事的刺激激发了社会资本的投资热情，2019 年起我国迎来大型专业足球场的建设热潮。因此不同于田径体育场，专业足球场需保证草坪质量，对场地光环境要求更高。FIFA 颁布《Football Stadiums-Technical Recommendations and Requirements》后[1]，新建专业足球场罩棚需为全包形式，罩棚阴影随之增大，导致投入巨大的专业草坪常由于光照不足出现斑秃、裸地等现象，现有足球场常备人工照明补光灯弥补草坪光照，但每套补光灯价格为120 万人民币，可覆盖面积仅为400～500/m2，无法从根本上解决场地草坪采光不足的问题。膜结构罩棚由于具有透光性能、自重轻、理化性能稳定、安装便捷、形态多变、成本可控，于罩棚设立透光区是提升专业足球场竞赛区草坪采光效率的重要技术手段，占我国近3 年新建、改造专业足球场总数的71.64%，并呈现逐年增长态势。然而，国内外研究多集中于专业足球场对城市风环境的影响[2-5]、遮雨效果以及热舒适性能[6-8]等方面，场地光环境优化为目标导向的专业足球场膜结构罩棚设计面临无法可依、无据可查的窘境。随着罩棚透光区设立，虽然在一定程度上可以提高草坪的采光效率，但如图1 所示，其带来的遮光效果的下降以及阴影形态的问题直接影响观众观赛的视觉舒适性[9]。而关于罩棚透光区面积缺少定量研究成果，草坪光照需求与观众观赛视觉舒适需求矛盾无法有效平衡。膜结构罩棚设计理论向设计应用转化的瓶颈，直接推动专业足球场膜结构罩棚设计的定量研究。文中采用Radiance[10]作为模拟引擎，以2023 亚洲杯主场大连梭鱼湾专业足球场为例，以膜结构专业足球场罩棚尺度为自变量，以场地草坪所受的日累积光量为因变量，研究在高纬度寒地地区有利于专业足球场草坪采光效率提升的罩棚设计策略，以期为专业足球场罩棚尺度的确定提供定量依据。

图1 罩棚透光区的负面影响

1 研究过程

1.1 模拟对象

团队于2020 年8 月～2021 年4 月主持了2023亚洲杯主场之一，大连梭鱼湾专业足球场的设计工作，对其模型信息、场地信息、环境信息掌握充分。

如图2（a）所示，其罩棚为全包围罩棚形式，满足研究的预设条件，因此选取其作为文中的研究对象。该专业足球场位于我国寒冷地区，总建筑面积约13.6万m2，有效坐席数达6.3 万座。如图2（b）所示，罩棚采用双层索系结构，膜材料选择ETFE 膜与PTFE 膜的组合方案，其中外环采用364 片透明度为13%的PTFE，内环采用透明度为70%的ETFE 膜材；外部环梁R0为126m，PTFE 内边缘R1为58m；内环附有ETFE 并根据国际足联要求完全覆盖观众席，ETFE 内边缘R2为48m。为提高模拟效率，对足球场模型进行一定的简化处理。足球场罩棚每片PTFE 膜材间施工时做焊缝处理间距极小，可在模拟模型中忽略其焊缝；罩棚下方索结构极为轻薄，主要的撑杆、拱杆直径为400mm，索直径为80～110mm，在模拟时均可忽略；由于PTFE 膜材透光率较低其下部的马道并不会产生阴影，因此忽略马道。故将罩棚的实际模型简化为只有连续的PTFE 与ETFE 两种膜材的抽象模型。以美国宾夕法尼亚等大学联合开发的EpwMap 中的气象资料为基础，为减小模拟误差，模拟时采用大连地区平均气候天空模型，该天空模型基于平均气候生成每个月内的平均气候数据。

图2 大连梭鱼湾专业足球场罩棚概况

1.2 研究方法

文中的研究技术路线如图3 所示，其自变量为EFTE 透光区面积，因变量为草坪的日累积光量。研究通过改变透光区面积大小寻求其与日累积光量之间的相关性后绘制回归曲线，寻求两者之间的函数关系，找出增长率拐点后确定透光区面积的合理取值。从而在保证罩棚遮光效果的前提下[1]，达到提高竞赛区草坪日累积光量的目的。

图3 技术路线

（1）自变量：罩棚透光区面积。在保持足球场罩棚结构形式不变的情况下，因每块膜材需通过环索固定，所以通过将部分PTFE 替换为ETFE 的方式控制ETFE 膜材宽度△R，来改变透光区面积。据现有罩棚环索位置如图4 所示，根据△R 宽度不同将罩棚设置为如表1 所示透光区面积不同的6 种形态F0～F5，作为研究对象。为避免透光区面积过大影响罩棚遮光效果，将透光区面积控制在16500m2内。

表1 罩棚不同透光区面积方案

图4 大连梭鱼湾足球场罩棚详解（单位：m）

大连梭鱼湾足球场竞赛区草坪中的高羊茅、黑麦草、早熟禾按照75∶15∶10 的重量比进行混合，这3个草种均属于冷季草坪草种，将高羊茅的高抗逆性和适应性与早熟禾的强再生性、结合起来。其生长和发育受光、水分、温度、矿物质多种因素的影响，其中光的影响最大，光照的强度、时间、光质都对草坪的生长起到不同的作用[12]。

（2）因变量：草坪日累积光量。有效光合辐射（PAR），与光照时间作为单一变量并不能完全反应采光效率[13]；草坪日累积光量（DLI）是指1d 内草坪光合作用的光积累量，是有效光合辐射与1d 内光照时间的乘积，即以24h 作为时间单位进行光合有效辐射积累量的计算[14]，草坪的日累积光量可以较为完整的衡量专业足球场中草坪的采光效率。根据国际足联规定，竞赛区草坪日累积光量需达12mol·m-2·d-1来促进生长，并且人工修复比赛所造成的磨损和撕扯。

但在Radiance 光模拟引擎中，光的测定主要从光照强度来进行。陈景玲求算出用一般的照度计测出晴天条件下全可见光波段的光照强度直接换算成光合有效辐射的换算系数。得：

根据以上得，DLI=P·t=L·t≥12mol/m2

式中，DLI 为每平方米1d 内获得的日累积光量总量，mol·m-2·d-1；P 为光合有效辐射，μmol·m-2·s-1；L 为每平方米1d 内的平均照度，lux·m-2；T 为1d 内的光照时间，s。

（3）采光效率衡量标准：竞赛区草坪达标区域面积占比P。足球场日光照明的基础计算面为竞技场地草地表面，专业足球场草地区域尺寸为115m×76m，总面积8740m2。将场地模拟计算网格为间距设为1m，测试高度为0m，竞赛区共8623个测试点。

草地竞赛区的日累积光量随日期的变化而变化，为了研究年度日累积光量变化规律，减少误差提高模拟准确性，故通过模拟每个测试点当前月份的平均日累积光量后计算出竞赛区草坪达标区域占比P（日累积光量大于12mol 点数与总测试点数之比）来作为衡量足球场竞赛区草坪的采光效率。当P=100%时，代表当足球场竞赛区草坪完全符合国际足联采光要求。

2 研究过程

2.1 竞赛区草坪达标区域面积占比P 计算过程

以罩棚透光区面积3800m2（F1），12 月份草坪日累积光量模拟为例，如图5 所示，首先模拟并记录F1条件下所有测试点在12 月平均气象数据下1d 内的照度变化，并对其进行可视化处理。可以发现草坪获得光照的时间集中在10：00～16：00 之间。以A-I9个模拟点为例，如图6 所示，将9个点1d 中的照度变化，绘制为折线图，折线与横坐标所围合黄色区域面积即为该点当日的日累积光量，根据1 lux=0.0810×10-6mol·m-2·s-1可以计算出黄色区域的面积。并依照此方法可计算所有测试点1d 内的日累积光量后，对其进行可视化处理后得图7，可观测该方案12 月份的日累积光量分布。将所有测试点的日累积光量后与12mol 对比，在8623个测试点中共有4967个点的平均日累积光量大于12mol，达到国际足联标准要求，即P=57.60%。

图5 方案F1 在12 月份平均照度分布

图6 方案F1 典型测试点在12 月份1d 内平均照度变化

图7 方案F1 在12 月份草坪日累积光量DLI 分布

2.2 改变罩棚透光区面积

根据文中研究，探讨一年中罩棚透光区面积对竞赛区草坪达标区域面积占比所产生的影响，拟得到大连地区专业足球场罩棚最佳透光区面积。对不同透光区面积的罩棚进行模拟，每个月份竞赛区草坪达标区域面积占比的数值如表2 所示。

表2 大连梭鱼湾足球场不同罩棚透光区面积下的全年P 值%

如图8 所示，将P 值汇总为全年折线图，观察发现在3～9 月时太阳高度角较高，透光区面积的改变不会对草坪达标区域面积占比造成显著影响，透光区面积对竞赛区草坪日累积光量的影响主要集中在太阳高度角较低的冬季，因此将主要的研究时间定为11月～次年1 月。

图8 罩棚不同透光区面积P 值全年折线图

图9 显示了冬季时竞赛区草坪达标区域面积占比P 与罩棚透光区面积之间的关系。虽然P 随着透光区面积的增大而增大，但当△R 增加至18m 以上时，P的增长率明显降低，如12 月△R=18m 时P 值为82.59%，当△R 增加为24m 时，P 值仅提高4.16%。而且过大的透光区面积会导致罩棚遮阳效果变差不利于营造良好的竞技环境与观赛条件。故其罩棚透光区最佳面积为8000m2，即△R=18m。

图9 冬季P 值同罩棚ETFE 面积关系

2.3 分析与讨论

文中以大连梭鱼湾专业足球场为例，通过模拟不同罩棚透光区面积下的竞赛区照度变化，进一步计算竞赛区草坪日累积光量，研究了寒地高纬度地区专业足球场罩棚透光区面积于草坪采光效率的作用机制。在充分考虑观众观赛视觉舒适性的前提下，通过改变罩棚透光区面积的方法来使草坪采光效率达到最大化，提高草坪的成活率，降低草坪后期维护成本。

大连地区专业足球场竞赛区草坪的日累积光量在3～9 月份基本可以满足国际足联相关要求。11 月～次年1 月时由于太阳高度角变低，草坪阴影面积的增大的原因，草坪采光难以满足国际足联相关标准，通过在罩棚合理设立透光区的方法可有效提高冬季竞赛区的采光效率。冬季草坪采光效率会随着罩棚透光区面积的增大而增大，当专业足球场罩棚透光区面积达8000m2以上时，采光效率的增长率显著下降，此时通过增大罩棚大透光区面积无法继续提高草坪的采光效率，反之还会对观众观赛的视线舒适性造成负面影响。

因此，研究在充分考虑观赛视觉舒适性需求的同时，以提高竞赛区草坪日累积光量为目标前提下，大连地区6 万座规模专业足球场膜结构罩棚透光区面积约为8000m2时较为合理。

3 结语

我国专业足球场的建设实践刚刚起步，不同于综合性体育场，其场地形态、罩棚要求、运营模式等方面均有其特殊性，场地草坪采光的需求差异仅仅是这种不同的其中之一。膜结构作为一种正在被广泛应用于体育建筑的结构形式，具有极大的应用前景及设计潜力，其对不同类型体育建筑的设计模式、运营模式、评价模式的影响深远，亟待研究。文中从专业足球场的草坪采光角度，以膜结构专业足球场罩棚透光区面积为切入点，通过模拟罩棚透光区不同面积下竞赛区草坪的照度变化，探讨罩棚透光区面积对草坪日累积光量的影响机制，并得出大连梭鱼湾球场罩棚透光区面积定量成果。为膜结构专业足球场罩棚设计提供了一定的科学依据，期望这种研究视角可以引起对膜结构专业足球场设计技术提升的思考并为我国专业足球场这一新体育建筑类型的科学设计提供借鉴。