基于人工天穹的体育馆照度均匀度实验研究

宋海宏，姜虹臣，葛红军,关宇涵

(东北林业大学土木工程学院， 黑龙江哈尔滨150040)

0 引言

随着我国承办国际化赛事的增多及全民健身热潮和意识的出现，各类体育场馆纷纷兴建。近期，国家体育总局也正式印发《体育产业发展十三五规划》，明确将体育场馆作为“十三五”的重要体育产业。因此，高品质的体育场馆设计，尤其是光环境将是决定观众视觉效果、运动员比赛公平性和电视转发效果的关键。

目前，对体育场馆光环境的研究多采用仿真模拟的方式。例如文献[1]基于价值工程理论研究了体育场馆的天然采光环境设计；文献[2]研究了系统优化理论在体育场馆天然采光与通风节能的交叉应用；文献[3]从采样的角度对京津地区的高校体育馆典型建筑模型进行研究；文献[4]从视觉舒适度角度动态研究了采光模拟和照明能耗；文献[5]针对广州地区，研究了体育馆顶界面自然采光优化及结构选型对采光的影响；文献[6]基于Dialux软件对室内篮球馆进行照明模拟，分析了窗台、窗户透光率、材料反射率等对室内采光环境的影响。然而，现有研究多基于理论分析和软件模拟方式进行体育场馆光环境分析，很少从实验角度进行研究。

从建筑光学方面，太阳光照是影响室内采光环境的关键，近年基于人工天穹的研究成为新兴的研究热点。人工天穹，即模拟的“太阳”，以真实模拟太阳对建筑物及其采光的影响。例如文献[7]研究了人工天穹的计算机模拟方法；文献[8]和[9]分别研究了人工天穹模拟的建筑模型及对垂直墙面采光系数分布的影响。可见，人工天穹是研究不同天空照度及亮度情况及建筑光环境的重要场所及媒介，其光环境模拟的数据是迄今为止最为接近自然光气候条件的。哈尔滨工业大学寒地研究院已通过特种LED灯建成亚洲最大，直径15 m的人工天穹实验室，实验室建筑面积422 m2，为世界一流的建筑光学实验室，这是本文实验研究的重要原因。

基于CIE天空模型进行天然采样研究，可以真实反映一个地区的光气候分布状况对其影响。文献[11]基于CIE15种天空模型，研究了室内自然光照计算模型；文献[12]研究了CIE标准下的实际天空模型；文献[13]研究了参考天空亮度分布模型下的建筑采光优化。然而现有基于CIE天空模型的研究或者未能全面考虑15种天气状况，或者仅进行理论研究，如何将CIE15种天空模型与实验系统相结合将具有重要研究价值。

基于以上研究，本文基于哈尔滨工业大学寒地建筑研究院的人工天穹，按照体育比赛标准真实还原某中型体育场馆比赛厅，给出场馆尺寸的选择依据；并全面考虑顶界面采光、侧界面采光和顶、侧界面三种自然采光模式；选择5 mm磨砂玻璃作为采光材料，真实测量其透射比及内墙面材料的反射系数。CIE15种天空模型下的实验数据分析将对体育场馆照度均匀度的研究和设计具有重要的借鉴价值。

1 体育场馆模型的设计与依据

本文以某中型体育场馆为例，下面从模型的尺寸和采光模式进行设计。

1.1 实验模型的设计

1.1.1 整体面积

根据《体育建筑设计规范JGJ31─2003》规定中型体育馆多功能Ⅱ型场地尺寸为38 m×54 m，可满足篮球、排球、网球、羽毛球、乒乓球等多个比赛项目的教学、训练及比赛要求[14]。

此外，还要考虑体育馆观众坐席区域的尺寸要求，中型体育馆比赛厅观众席至少需要3 000个座位。因此，最终将场地模型尺寸设定为60 m×40 m。

1.1.2 比赛厅高度

根据《体育建筑设计规范JGJ31─2003》规定，若承办五人制足球、手球、排球、篮球、乒乓球、羽毛球、网球、体操和艺术体操应要求的比赛厅最小净高度标准分别是7 m，9 m，12.5 m，7 m，4 m，12 m, 12 m，14 m和15 m，这里取最大值15 m，同时考虑到设计预留，最终选取模型高度为18 m。

由于人工天穹场地大小有限，因此将体育馆比赛厅模型按1∶10比例搭建。最终搭建长6 m、宽4 m、高1.8 m的长方体模型。

1.2 采光面的选取

考虑到体育馆最主要的自然采光模式有三种，即界面采光、侧界面采光及顶、侧界面采光，因此这里均给予考虑。

1.2.1 侧界面采光

侧界面采光布置灵活，一般布置在体育馆比赛厅的一侧或两侧，通常采用低侧窗或高侧窗两种。本文实验侧界面采光选取采光效率相对较高的两侧高侧窗采光形式。

侧界面采光位置应在6 m长界面处开窗，由于选取两侧高侧窗采光形式，考虑双侧观众席高度，侧界面采光位置应该距地面1 m处均匀开窗。本实验选取开窗面积为0.7 m×0.9 m，因此在每个6 m长界面上均匀的开5个高侧窗，单侧界面开窗面积为3.15 m2，双侧总开窗面积为6.3 m2。

1.2.2 顶界面采光

顶界面采光效率一般要优于侧界面采光，其照度均匀度明显高于侧界面采光。顶界面采光大多有两种形式，分别为集中式顶界面采光与分散式顶界面采光，本实验中选取照度均匀度相对良好的分散式顶界面采光形式。

顶界面采光位置应沿6 m长界面方向均匀排布，本实验选取开窗面积为2 m×1 m，因此在6 m长界面方向均匀开四个窗口，单个开窗面积为2 m2，总开窗面积为8 m2。

1.2.3 侧、顶界面采光

顶、侧界面采光集中了一些侧界面与顶界面采光的优点，是目前新建体育馆较多采用的一种采光形式。

2 采光材料透射比及内墙面材料反射系数的确定

本文着重考虑采光材料及内墙面材料对照度均匀度的影响，下面分别从两方面设计和参数确定。

2.1 采光材料透射比的确定

从设计角度方面，为保证比赛公平性、避免炫光，能有直射光进入，本实验选用厚度为5 mm的磨砂玻璃做为采光材料，在实际工程应用更具代表性。

具体在实验过程中，将待测材料水平放置，在其上表面随机选取5个测试点，在测试点上表面及下表面水平放置照度计探头进行测试，将下表面得出数据除以上表面得出数据即得出材料的透射比，每个测试点分别测量计算5次，最终得出每个点的平均值，再求出五个测试点的平均值。最终得出磨砂玻璃的透射比为0.704。

2.2 内墙面材料的反射系数的确定

本实验选用白色硬纸板作为墙面材料，在其上均匀涂刷装饰材料白色乳胶漆作为内墙面颜色。

将待测材料水平放置，在其表面上随机选取5个测试点，在测试点上表面水平放置照度计探头，得出数据1。再将探头倒置，将探头不断水平升起，直至材料表面没有阴影遮挡为止，垂直移动探头取最大值，得出数据2。将数据2除以数据1即得出该点的反射系数。每个测试点分别测量计算5次，最终得出每个测试点的平均值，再求出五个测试点的平均值。如表2，最终得出白色乳胶漆内墙面反射系数为0.798。

3 基于CIE15种天空模型的人工天穹实验

CIE天空亮度分布标准是国际公认的最普遍的天空模型，其经过在不同地点、不同天气条件下测试及测量，最终得出共15种不同的天空标准模型，如文献[15]所示，进而为各个地区体育馆的设计提出参考。

3.1 实验模型搭建

本实验利用哈尔滨工业大学寒地建筑研究的人工天穹中进行，人工天穹直径15m。由于人工天穹场地大小有限，因此将体育馆比赛厅模型按1∶10比例搭建。最终搭建长6 m、宽4 m、高1.8 m的长方体模型，如图1所示。

(a) 内部构造

(b) 外部构造

图1 人工天穹环境下搭建体育场馆模型
Fig.1 Building stadium model in artificial sky dome environment

在人工天穹圆心位置搭建长6 m、宽4 m、高1.8 m的长方体模型(图1)，将磨砂玻璃镶嵌于开窗位置上，分别对顶界面采光侧界面遮挡、侧界面采光顶界面遮挡、顶、侧界面无遮挡三种不同采光形式。

照度测量仪器采用HP220智能多路光度计。在模型地面(即规定表面)上随机较均匀的选取9个点作为测试点，每个点分别进行5次照度测试，取其平均值，得出每个点的照度平均值。在9个点中提取最小值、最大值及9个点的平均值，进行照度均匀度计算，即

其中，Emin为规定表面上的最小照度，Emax为规定表面上的最大照度，Eave为规定表面上的平均照度。

3.2 实验分析

本实验采光材料透射比为0.704，内墙面材料反射系数为0.798，均符合我国室内采光设计标准。在CIE15种天空模型下，侧界面采光、顶界面采光和侧、顶界面采光三种模式下的照度均匀度如下。

3.2.1 顶界面采光的照度均匀度分析

15种CIE天空模型下顶界面采光形式的照度均匀度U1、U2数据分析图如图2所示。

对于照度均匀度U1，在15种不同天空模型顺序排列下整体呈上升趋势，其中CIE1模型至CIE9模型数值差异不明显，自CIE10模型开始，数值呈明显上升趋势，直至CIE14模型数值有所下降，CIE15模型U1数值有略微上升。CIE11、CIE12及CIE13模型数值较高。

对于照度均匀度U2，可见在15种不同天空模型顺序排列下总体呈平稳趋势，部分呈交叉式上升下降态势。其中CIE1模型至CIE6模型数值呈交叉式上升下降趋势，CIE6模型至CIE9模型数值差异不明显，呈平稳态势，CIE10模型有所上升，自CIE11模型至CIE15模型数值呈缓慢下降趋势。CIE5及CIE10模型数值较高。

在采光材料的透射比、内墙面材料反射系数等定量条件下， CIE3、CIE5、CIE10、CIE11、CIE12、CIE13等类似的天空亮度分布适合采用顶界面采光形式，其体育馆比赛厅照度均匀度更为出色。

图2 15种CIE天空模型下顶界面采光形式的照度均匀度U1、U2数据分析图Fig.2 15 illumination uniformity U1 and U2 data analysis charts of top interface illumination forms under CIE sky model

3.2.2 侧界面采光的照度均匀度分析

15种CIE天空模型下顶界面采光形式的照度均匀度U1、U2数据分析图如图3所示。

图3 15种CIE天空模型下侧界面采光形式的照度均匀度U1、U2数据分析图Fig.3 15 illumination uniformity U1 and U2 data analysis charts of interfacial illumination forms under CIE sky model

对于照度均匀度U1，可见15种不同天空模型顺序排列下总体呈交叉式上升下降趋势，其中CIE9模型数值最高，CIE8模型数值最低，CIE10模型至CIE12模型数值相对稳定。CIE5及CIE9模型数值较高。

对于照度均匀度U2，可见不同天空模型顺序排列下总体呈交叉式上升下降趋势，与照度均匀度U1总体态势相近。其中CIE1模型至CIE4模型数值呈缓慢下降趋势，CIE9模型数值最高，CIE4模型数值最低。CIE9及CIE14模型数值较高。

在采光材料的透射比、内墙面材料反射系数等定量条件下，CIE5、CIE9、CIE14等类似的天空亮度分布适合采用侧界面采光形式，其体育馆比赛厅照度均匀度更为出色。

3.2.3 顶、侧界面采光的照度均匀度分析

15种CIE天空模型下顶界面采光形式的照度均匀度U1、U2数据分析图如图4所示。

照度均匀度U1在15种不同天空模型顺序排列下总体呈交叉式上升下降趋势，部分数值呈平缓态势。CIE1模型至CIE4模型数值相对稳定。其中CIE14模型数值最高，CIE2模型数值最低。CIE7、CIE11、CIE12及CIE14模型数值较高。

图4 15种CIE天空模型下顶、侧界面采光形式的照度均匀度U1、U2数据分析图Fig.4 Analysis of illumination uniformity U1 and U2 data in top and side interfaces of 15 CIE sky models

照度均匀度U2在15种不同天空模型顺序排列下总体呈平稳交叉式上升下降趋势，与照度均匀度U1总体态势相近。其中CIE5模型数值最高，CIE2模型数值最低。CIE5、CIE9、CIE11、CIE12、CIE14模型数值较高。

在采光材料的透射比、内墙面材料反射系数等定量条件下，CIE5、CIE7、CIE9、CIE11、CIE12、CIE14等类似的天空亮度分布适合采用顶、侧界面采光形式，其体育馆比赛厅照度均匀度更为。

4 结论

本文基于针对某中型体育场馆的照度平均度，利用哈尔滨工业大学的人工天穹在CIE15种天空模型下进行实验研究，得到如下结论：

① 以照度均匀度为标准下，15种CIE天空模型适用的不同采光形式如表1所示。

表1 15种CIE天空模型适用的不同采光形式Tab.1 Different lighting forms applicable to 15 CIE sky models

② 在15种天空亮度分布模型中顶界面采光形式与顶、侧界面采光的采光形式均优于侧界面采光形式。其照度均匀度可以使体育馆比赛厅的比赛人员视觉感触更舒适，且照度均匀度数值更趋近于1。因此顶界面采光形式及顶、侧界面采光形式在体育馆比赛厅的建筑光环境设计中可以普遍使用，其在15种天空亮度分布中照度均匀度表现均相对出色。

③ 顶界面采光形式相比顶、侧界面采光形式照度均匀度表现虽然都适用于多种天空亮度分布，但前者照度均匀度平稳性更优于后者，且照度均匀度数值前者普遍高于后者，因此顶界面采光、侧界面遮挡的采光形式在多种天空亮度分布中照度均匀度表现更为出色。

④ 侧界面采光形式在任意天空亮度分布中，照度均匀度表现均不够理想，可见侧界面采光形式相比之下已经不能更好的满足体育馆比赛厅的照度均匀度要求。只能以人工照明补充光照及照度均匀度效果。研究结果将对体育场馆的工程化设计具有重要的理论借鉴价值。