专业足球场内场风环境数值模拟与优化策略

史立刚，安融融，曹岳超/SHI Ligang, AN Rongrong, CAO Yuechao

专业足球场内场风环境数值模拟与优化策略

史立刚，安融融，曹岳超/SHI Ligang, AN Rongrong, CAO Yuechao

随着2015年《中国足球改革总体方案》的出台和体育产业化的深入，专业足球场的发展建设被提上重要的议事日程。由球场罩棚等界定的内场风环境的优劣是影响球员技战术水平发挥和比赛结果的重要因素，本文以北京地区的气候参数为典型边界条件，基于数值模拟探讨不同罩棚形式对足球场内场风环境的影响，通过系统分析建构出专业足球场响应风环境的优化设计策略，以期为专业足球场建设提供设计参考。

专业足球场，罩棚形式，环境风场，数值模拟

国家自然科学基金项目（项目批准号：51678180）

国家留学基金项目（项目批准号：201306125030）

1 引言

随着2015年《中国足球改革总体方案》[1]的出台和体育产业化的深入，专业足球场的发展建设被提上重要的议事日程。由球场罩棚等界定的内场风环境的优劣是影响球员技战术水平发挥和比赛结果的重要因素，FIFA规定标准足球重量在比赛开始时为410～450g[2]，在风的作用下，球速及球飞行轨迹易发生改变。此外，大风天气会对裁判员视线造成阻碍，影响其对比赛相关事实进行正确判断，尤其在至关重要的比赛场次中，不公正的比赛结果有可能引发双方球迷的流血冲突甚至损害国家形象。恶劣的内场风环境对足球比赛易产生重大消极影响（表1），球场罩棚等界定的内场风环境的优劣是影响球员技战术水平发挥和比赛结果的重要因素，本文将探讨不同罩棚形式对足球场内场风环境的影响，以期为专业足球场建设提供设计参考。

2 专业足球场的空间形态特征

由于体育工艺的不同需求，专业足球场与综合体育场呈现出不同的空间形态特征[3]（表2）。

3 专业足球场内场风环境CFD实验模拟及结果分析

3.1 模型建立及网格划分

根据笔者对专业足球场空间形态的调研分析[3，4]，本文抽象出3种不同形式罩棚模型，利用Rhinoceros软件进行参数化建模。模型长220m、宽182m、高28m，为中型规模专业足球场抽象模型，四周导半径为35m的圆角，内置105m×68m标准场心，罩棚下倾10°、外挑35m。

1 网格划分示意图（绘制：史立刚，安融融，曹岳超）

本文中计算域范围为600m×600m×120m，流域设置满足阻塞率小于3%的要求。利用ICEM进行网格划分，采用非结构网格，生成四面体单元386万个，靠近足球场区域网格细化加密（图1）。

3.2 计算策略

本案属后台阶绕流模型，采用标准k-ω湍流模型和非平衡的壁面函数进行稳态计算。以北京为研究对象。北京地区自1985-2014年，年均风速为2.3m/s（以10m高为测量标准）[5]。北京地区冬季主导风向为西北风,由于风速风向会随时间不断发生变化，本文采用分解向量法，该方法将西北风抽象为西向和北向两个向量的组合，然后分别对两个向量风作用下的风流场进行模拟分析，可近似地理解为以西北风为主的各种变化风向影响下内场风流场的状态。

入口边界采用速度边界，大气边界层的速度剖面采用指数率公式。计算域进风口选用北京城市梯度风参数。梯度风具体表达式为，其中：z1、u1分别为参考高度和参考高度处风速，取10m/s和2.3m/s；z、u分别为流域中某高度及该高度所对应风速；n代表地面粗糙度，取0.16[6]。同时，将顶面和侧面均设为压力出口边界，环境相对压力为0Pa。

表1 内场风环境对足球比赛产生重大消极影响

表2 专业足球场与综合体育场的主要区别（绘图）

表3 专业足球场3种抽象形态模型

2 球场内竖直截面位置及测试点分布图

3.3 实验结果分析

模型长轴沿南北方向设置，故风向分为两种，其一是外界风自北向南垂直模型短轴流入，其二是外界风自西向东垂直模型长轴流入（图2）。实验结果以这两种风向分述，通过研究2个横截面的风速等值线图和风速矢量图，以及7个主要测试点的风速差别，来显示不同罩棚形式内场风环境差异。其中两个横截面选取位置为距离地面1.5m处和5m处。球场7个测试点选取在角球区（点1和点3）、球门区（点2）、罚球区(点4、5、6）和中圈（点7）距地面1.5m高处(图2)。

3.3.1 风向垂直长轴进入的情况

（1）横截面实验结果及分析

在1.5m高水平截面上，模型A球场东部出现大面积涡旋，风场变化剧烈；模型B自东向西速阶梯式上升，中线附近达到最高值，球门区风速分布不均，处于0～0.81m/s带状变化中；模型C球场区域大范围处于0.81～1.35m/s之间，在靠近中线的西部区域和东侧边界区域风速下降到0.54m/s以下，风场分布相对均匀，有利于球员发挥出最佳水平。

在5m高水平截面上,风速峰值为1.26m/s。模型A东部两端小范围出现涡旋，全场风速处于1.26m/s之下，过渡相对均匀；模型B尽管东南、东北区域风速偏低，但西部和中部无过渡径直提升至0.70m/s和1.26m/s，造成不利的风环境；模型C风场分布最为均匀，风速在0.21～0.84m/s之间变化，中心点偏高，在0.63m/s以上，南北两侧及中线附近西部地区下降到0.42m/s之下。

（2）测试点实验结果及分析

（a）3个模型在角球区的测试点都呈现出测点1风速值大于测点3的趋势。模型B和C在两点差值较小，分别为0.08m/s和 0.09m/s，两侧角球点风环境相近有利于主罚角球的运动员发挥出最佳水平。

（b）对于罚球区内测点4、5、6，3个模型都表现出稳定性，变化不大，其中模型C以平均风速0.89m/s略高于其余两个模型，但仍然属于风速很低的数值，对守门员扑救不会造成影响。

（c）测点7，3个模型的风速都在各自范围内达到最大值，依次为1.08m/s、1.02m/s、0.80m/s，颇为相近。

（d）总体来看，模型A和模型B各测点风速

值波动较大，模型A的测点1到测点6风速值分布在0.17～0.61m/s之间，测点7激增至1.20m/s；模型B的测点1到测点6风速值分布在0.21～0.50m/s之间，测点7达到峰值1.07m/s；模型C各测点风速最为均衡，风速分布在0.67～1.02m/s之间。

表4 3种模型横截面实验结果

3 模型A、模型B、模型C各测点风速图

表5 3种模型横截面实验结果

4 模型A、模型B、模型C各测点风速图

表6水平截面实验结果及分析

5 上倾罩棚、下倾罩棚模型各测点风速图

3.3.2 风向垂直短轴进入的情况

当入口风由北向南，垂直于足球场短边流入内场，呈现出的风环境如表5所示。

（1）横截面实验结果及分析

在1.5m高水平截面上，模型A中大部分地区的风速在0.8m/s之下，但出现两个风速激增区，分别是场地西侧条状分布的激增区和以南部禁区为中心向北侧发散贯穿整个球场的激增区，激增区的风速在1.4m/s之上，复杂的风场变化在比赛中会对球员的横传产生较大影响；模型B中大部分地区风速在0.85～1.2m/s之间，但由西北角部出现涡旋，风速在此处激减直至静压，在比赛中北侧球门和西北角球区将会产生比较大的影响，直接造成双方球队处于不平等的比赛环境中；模型C中在北部地区出现两个小范围涡旋，除此之外大部分地区风速较为平缓。

在5m高水平截面上，模型A中在东西方向根据风速大小不同可明显看出4个区域，自西向东风速分别呈现出高、低、高、低的状态，风场变化剧烈，在东西方向上对足球运动轨迹产生较大影响；模型B中以西北角大涡为主导，带动东南、西南两个次涡发展，形成整个球场的风场运动，满场风速偏低；模型C在西北角部出现小范围涡旋，对于该处主罚角球形成一定障碍，但并未对禁区造成影响，满场风速在1.3m/s之下。

（2）测试点实验结果及分析

（a）比较在两侧角球区测试点1和点3，模型B差值最小，为0.08m/s，模型A和C的差值都在0.3m/s左右。

（b）对于罚球区内测点4、5、6，模型C变化波动最小。

（c）在中央点7的风速对比中，模型C高于A和B，差值约为0.5m/s。

（d）总体来看，模型A和模型C各测点风速值波动较小，模型B呈现出较为剧烈的变化。

综上比较分析，初步可知从围合足球比赛场风环境性能角度看，平面布置方式优劣顺序依次为四面贯通罩棚、四面独立罩棚、双面布置罩棚。

6 英国酋长球场、德国法兰克福球场下倾罩棚（绘制：史立刚，安融融，曹岳超）

7 开普敦平均风速图（1994-2012）

8 南非开普敦球场

3.3.3 罩棚剖面实验结果及分析

在罩棚剖面选择上，根据文献[4]建议，本文选择前文风场性能最优的四面贯通式罩棚上倾10°和下倾10°进行比较，边界条件与之前实验相同，风由北向南垂直短轴流入。

（1）水平截面实验结果及分析

在1.5m高水平截面上，上倾罩棚模型在东北区域出现完整的小涡旋，在西北区域出现两个大的半涡旋，风速变化比较平缓，保持在0.02～1.4m/s之间；下倾罩棚模型并未形成明显涡旋，在东北区域出现小范围低风速区，总体来讲风场相对平缓。

在5m高水平截面上，上倾罩棚模型在南部区域风场较为复杂，风向变化较大，但总体风速分布比较均匀；下倾罩棚的满场风速不超过1.3m/s，在东北、西北区域形成半涡旋，风速在这两个区域出现激减现象，接近静压。

（2）测试点实验结果及分析

下倾罩棚模型中各测试点风速均低于上倾罩棚模型（图5），且下倾罩棚各测试点方差为0.043，上倾为0.065。由此可知足球比赛场地测试点风环境性能比较中，下倾罩棚性能在风场均匀度及风速适宜度上均优于上倾罩棚。

4 专业足球场罩棚形式优化设计策略

4.1 罩棚坡向与坡度

本文中初始风速较小，研究重点为专业足球场内场风环境均匀度。相较于综合体育场的穹顶型上倾罩棚，下倾罩棚对塑造专业足球赛场氛围有如下促进作用：

（1）有利于产生更稳定的内场风环境，满足了球员的专业运动需求；

（2）有利于形成聚拢声音、视线的观赛互动体验，并可避免雨季风吹雨淋湿前排观众，提升了观众的视听品质和舒适度；

（3）有利于形成周边和谐的声环境，相对封闭的界面减少了球场欢呼声浪对周边建筑的噪声干扰；

（4）有利于形成清晰均匀的电视转播环境，下倾罩棚减少了其落在草坪的阴影为摄像机提供了更稳定的光线水平；

（5）有利于形成适宜的草坪生长环境，光照强度直接影响草坪植物的光合速率，在弱光条件下，草坪植物叶片变薄、变长，枝条密度下降，直立生长的特征更加明显。在光照强度适宜的条件下，直射光照时间的长短与草坪植物光合产物的积累密切相关[7]。下倾罩棚最大限度地保证了直射阳光照射量以维护球场专业草坪质量。

9 法国马赛平均风速图（1974-2012）

10 法国维洛德隆球场改造前

11 法国维洛德隆球场改造后

欧洲众多顶级足球俱乐部主场如英国伦敦酋长球场、德国法兰克福球场均使用了下倾罩棚（图6），形成了良好的主场氛围。

4.2 罩棚形式组合

4.2.1 新建专业足球场罩棚形式组合

对于新建专业足球场，尤其在大风地区推荐优先使用四面贯通式罩棚，该罩棚形式不仅结构受力合理、造型变化丰富，且利于创造均匀的满场风环境。如资金或其他条件有限，则推荐四面独立式罩棚，与双面布置式相比，该罩棚形式形成的风环境呈阶梯式变化，过渡平缓，且涡旋分布在边角，面积较小。在修建南非世界杯开普敦球场（图7、8）时，因该球场位于信号山山脚下，地形三面开敞，年平均风速大约5.5m/s(四级风)[8]，防风设计需要重点考虑，因此选择了四面贯通的全包式马鞍形罩棚。[9]鞍型罩棚、桁架、屋面玻璃三者共同组成的结构体系在阻挡风压的同时有效地减小了风速对内场的影响。

4.2.2 改扩建专业足球场罩棚形式组合

在改扩建专业足球场时，推荐将双面罩棚增至四面罩棚，且以四面贯通式罩棚为宜。始建于1937年的法国马赛维洛德隆球场（图9-11）因无罩棚，这些年深受密史脱拉风1）的影响，饱受法国市民诟病。为迎接2016年法国欧洲杯足球赛，加建了四面贯通式罩棚，形成了舒适宜人的足球比赛观赛环境[10]。正如2015年英国著名足球杂志《442》对其评价：“球场流线型的罩棚不仅树立了球场的独特性，更聚拢了声音效果，营造出热烈的赛场氛围”，并将该球场评选为法国最好的专业足球场[11]。

5 结语

国外专业足球场空间氛围需求经历了从量到质的升级，其建设已积累100多年的经验，本文从不同罩棚形式围合的内场风环境对足球运动影响的角度探讨足球场优化设计策略，希望能抛砖引玉，以期为我国专业足球场的健康发展提供参考借鉴。

注释

1）密史脱拉风：法国南部从北沿着下罗讷河谷吹的一种干冷强风。它一次能持续几天，风速经常超过100km/h，高度可达2～3km。在冬季和春季密史脱拉风最强并最多见，对处于这一区域的维洛德隆球场造成严重影响。

[1] 中国足球改革发展总体方案. 人民出版社. 2015.

[2] The international football association board. Laws of the game 2015/2016. Fédération Internationale de Football Association. 2015.

[3] Geraint John, Rod Sheard, Ben Vickery. STADIA:A Design and Development Guide. Elsevier Limited.Oxford, UK. 2013.

[4] T. van Hoo ff, B. Blocken, M. van Harten. 3D CFD simulations of wind fl ow and wind-driven rain shelter in sports stadia: Influence of stadium geometry.Building and Environment. 2011(46): 22-37.

[5] Average Weather for Beijing, China [EB/OL]. https://weatherspark.com/averages/34097/Beijing-China

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范（GB 50009-2012）. 中国建筑工业出版社.2012.

[7] 赵妍, 王兆龙. 模拟鸟巢式体育场结构对场内草坪生长环境的影响. 上海交通大学学报, 2008(6): 195-199.[8] Average Weather For Cape Town, South Africa [EB/OL].https://weatherspark.com/averages/29014/Cape-Town-Western-Cape-South-Africa.

[9] Volkwin Marg, gmp. GMP: Stadia and Arenas: von Gerkan, Marg and Partner. Hatje Cantz Publishers;Bilingual edition, 2006.

[10] Stade Vélodrome - Marseille [EB/OL].http://www.info-stades.fr/stade/3/marseille-stade-velodrome.

[11] FourFourTwo's 100 Best Football Stadiums in the World [EB/OL].

htt p://www.four four t wo.com/features/fourfourtwos-100-best-football-stadiums-world-20-11?page=0%2C3#:tcccY9eEVuOKAA.

Numerical Simulation and Optimization Design Strategies of Soccer Stadium Field Wind Environment

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史立刚，哈尔滨工业大学建筑学院，黑龙江省寒地建筑科学重点实验室。

安融融，哈尔滨工业大学建筑学院，黑龙江省寒地建筑科学重点实验室，天津融创奥城投资有限公司。

曹岳超，哈尔滨工业大学建筑学院，黑龙江省寒地建筑科学重点实验室，中国中元国际工程有限公司。

2016-07-13