基于内场风环境模拟的上海社区体育馆优化设计研究

■赵 岩 ZHAO Yan 高 昊 GAO Hao 汤朔宁 TANG Shuoning

0 引言

随着国家对社区体育运动的高度重视和发展，上海通过多年努力构建起发达的社区体育设施网络，与此同时，社区体育馆的健康发展作为一项重要议题被提上日程。体育馆具有规模大、空间大的特征，空间容积所消耗的能量远大于其他建筑类型。而体育馆最重要的内场空间消耗的能量是其中最主要的部分，常规的主动式调节系统对资源造成了巨大浪费。同时，我国新建社区体育馆功能已经从原来的以竞技比赛为主转变为以全民健身为主，场馆使用时间增长，工艺要求相对降低，自然通风的可能性和需求变得越来越大。上海地区处于我国亚热带季风气候区，其风压通风作用从三月持续到十一月，作用时间持续2/3 以上[1]，为被动式通风提供了良好的气候条件。

1 影响社区体育馆内场风环境的主要因素

限定社区体育馆内场的界面按照物理性可分为底界面、侧界面、顶界面三个部分[2]，而在建筑设计过程中，会将此三个部分转化为比赛场地、看台、墙面和天花等设计因素进行综合考虑。笔者搜集整理了上海最具代表性的30 个社区体育馆（图1）的基本资料(上海社区体育官网)，从建筑设计角度总结得出社区体育馆内场界面的主要构成因素类型，同时，结合案例调研总结归纳出各主要构成因素的五个常规水平（表1）。

图1 上海部分社区体育馆分布图

2 实验模型提取及参数设置

2.1 实验模型提取

通过对案例的进一步调研分析，进行归纳及合理简化来提取模拟实验的抽象模型。模拟原型：调研结果显示上海社区体育馆规模以中型为主，非赛时主要健身项目为羽毛球，该类场地占总场地布置数量的92.6%。因此，相关研究者[3]以羽毛球场地尺寸为基本模数，结合公共体育场馆所规定的建设标准，进行系统优化后得出社区体育馆比赛场地为44m×24.5m 时使用效率最高，本实验将此定为场地尺寸。坐席规模：问卷调查发现社区体育馆日常中有基本的赛事需求，但不会超过中型体育馆要求的最多容纳6000 人同时观看比赛的规模，实验将此作为定量，以内场平面形状、看台围合方式、顶界面形态、开窗占地比为变量，开窗方式采用常见的平置式中悬窗建立实验母题（图2）。在此基础上，采用正交试验方法[4]，从表1 归纳的四因素五水平所组合的54=625 种实验对象中按照正交原则选择得到25 种不同组合（表2）作为实验对象。需要强调的是，相比较全面的实验方法所需的样本，采用科学的正交试验法得到的样本数量只占原来的1/25，大大缩减了工作量，且所选择的点分散均匀、齐整，具有可比性，这也使本次实验在相关研究领域具有了一定的优势和突破。实验前的最后一项工作为在前述基础上建立三维模型，在此不再赘述。

表2 正交试验设计所得25 种不同组合

图2 实验模型剖面示意图

表1 社区体育馆内场界面的主要构成因素类型及水平

2.2 实验参数设置

2.2.1 基本参数设置

本实验计算域范围为700m×400m×60m，采用多面体网格进行划分，整体网格最小尺寸为0.3m，最大尺寸为8m，网格增长率为1.2。

本实验研究对象属于钝体绕流，采用标准k-ε湍流模型及非平衡壁面函数进行稳态计算，其边界条件是大气，上海地区过渡季平均风速为3.4m/s[5]，体育馆地面密度n定为0.5，为均匀沙粒表面[6]。模拟的入口边界风速为梯度风，标准压力采用大气压，其表达式为：u/u1=（z/z1）n，其中，z1表示参考高度，u1表示参考高度处的风速，z表示流域中某一参照点的高度，u表示这一参照点的平均风速，选取z1=10m，u1=3.4m/s。此外，模拟的计算出风口为自由出风，侧面定为对称边界[7]。外界风在垂直于体育馆长轴方向流入场馆。

2.2.2 评价指标确立

目前，对于室内风环境的评价指标主要包括风速达标比和空气龄达标比[8]。对于全民健身型体育馆而言，对风速指标的考虑需结合赛时要求及非赛时的人体舒适度来进行。《建筑通风效果测试与评价标准》（JGJ309T—2013）第3.2.6 条第2点规定：“自然通风室内人员活动区空气流速应在0.3～0.8m/s 之间。”《体育建筑设计规范》（JGJ31—2003）规定：“乒乓球项目赛时3m以下比赛场地风速不得大于0.2m/s，羽毛球项目赛时9m 以下比赛场地风速不得大于0.2m/s”[9]。本实验结合以上几点考虑，兼顾赛时和非赛时最佳风速要求范围，选择0.2m/s（乒乓球和羽毛球要求的风速最高值）～0.8m/s 范围作为风速评价标准。此外，目前国内外还没有对室内空气龄大小做出明确的评价标准，在参考文献[10]中，作者对某大型空间的室内自然通风进行研究和模拟分析，得出空气龄为506s 时，室内自然通风达到最佳效果。本实验以此为依据确定空气龄标准为500s。

2.2.3 样本截面选取

本实验以人员活动区为主要考察范围，选取三个水平截面作为考察样本，1.5m 高度水平截面主要反映比赛场地区风环境情况、5m 和11m高度水平截面主要反映观众席区的风环境情况（图3）。

图3 实验样本截面选取示意图

3 实验结果计算及分析

3.1 量化方法

实验结果处理采取量化计算法[11]，按照评价标准选取的合理数值范围，对各截面进行像素法[12]处理，得到体育馆内场范围内风环境达标比，然后采用单指标分析法，先计算Ki值（Ki值为某一影响因素同一水平计算结果之和的平均值[13]）及极差R值（R值表示某一因素不同水平之间的变化幅度），以此判断各因素的影响力度，之后采用综合分析法[14]对风速和空气龄指标进行综合评分，得出整体影响效果。

（1）由于篇幅有限，以样本18的1.5m 水平截面样本为例，来说明量化操作具体步骤。首先，将模拟结果标量场的显示结果进行修改，只显示达标区域，随后，通过计算原始云图区域总像素与达标区域的像素，得出达标百分比（表3）。

（2）采用上述方法得到25 种样本1.5m 高水平截面的风速和空气龄达标比（表4）。

（3）计算Ki值，以因素A（内场平面形状）的风速达标K1值为例：由表2 可知，反映此值的是样本1、2、3、4、5，则从表4 中提取对应数值进行计算，K1=（84.29%+50.22%+82.88%+30.90%+13.63%）/5=52.38%，同理可求得其他Ki值。之后再以Ki值为基础计算极差R值，以因素A 的风速R值为例，对于因素A，K2最大，K4最小，因此，R=Max（Ki）-Min（Ki）=K2-K4=73.52%-49.04%=24.48%，同理可求得其他因素R值（表5）。

表4 25 种样本1.5 m 高水平截面风速和空气龄达标比

至此，量化工作部分基本完成，其他样本及其截面的量化工作与上述步骤一致，由于篇幅有限，在此不再赘述。

3.2 1.5 m 高水平截面实验结果分析

3.2.1 影响力度

从风速和空气龄的Ki值与R值（表5）可以发现，不同因素对于风速和空气龄的影响力度差异较大。对于风速指标，四种因素的极差范围为24.47%～52.29%，其中，因素D出现最大极差，因素A 极差最小；对于空气龄指标，四种因素的极差范围为25.64%～66.66%，其中，因素D 出现最大极差，因素B 极差最小。因此，四种因素对内场比赛场地区风速影响力度为因素D ＞因素C ＞因素B ＞因素A，对其空气龄影响力度为因素D ＞因素A ＞因素C ＞因素B。随后，对风速和空气龄进行综合分析（图4）可知，影响体育馆内场比赛场地区风速和空气龄最大的均为因素D，其影响力度远大于其他因素。其次是因素C 和因素B，最后是因素A。此外，考虑到内场场地区对于风速要求较高，且从趋势上可知，除因素D外，其余因素对空气龄的影响力度绝对值差异较小。

图4 1.5 m 高水平截面风速和空气龄综合分析图

表5 1.5 m 高水平截面风速和空气龄Ki 值与R 值

因此，在设计之初，宜着重考虑对风速的影响力度，考虑顺序为因素D ＞因素C ＞因素B ＞因素A，即开窗占地比＞顶界面形态＞看台围合方式＞内场平面形状。

3.2.2 最优值或最优范围

以各因素水平K值为横坐标，达标比例为纵坐标，得到各因素不同水平影响下的趋势图（图5）。由其波动规律可知：首先，当开窗占地比小于10.8%时，风速达标比例达到60%以上，因此，比赛场地区开窗占地比不宜大于10.8%，如果适度考虑空气龄，开窗占地比在7.2%左右最佳；其次，上凸型顶界面对比赛场地风速的提升效果较明显，且从变化趋势看，沿着风方向形态升高有利于通风，水平型顶界面通风效果最差；再次，无看台以及U 型看台对比赛场地区风速提升效果明显，但无明确规律可循；此外，方形平面对通风提升效果最佳，从变化趋势看，各方向趋于对称有利于通风，如正六边形和圆形。

图5 1.5 m 高水平截面各因素不同K 值达标比趋势图

3.3 5 m 高水平截面实验结果分析

3.3.1 影响力度

从风速和空气龄的Ki值与R值（表6）可知，在5m 高水平截面上，四种因素影响下风速达标比的极差范围为13.18%～33.64%，其中，因素D 极差最大，因素A 极差最小；空气龄达标比的极差范围为11.00%～66.60%，因素D极差最大，因素B 极差最小。因此，四种因素对风速的影响力度顺序为因素D ＞因素C ＞因素B ＞因素A，对空气龄的影响力度顺序为因素D ＞因素A ＞因素C ＞因素B。之后进行综合分析（图6）可知，在5m 高水平截面上，因素D 对空气龄的影响比较大，其他因素比较小；对于风速的影响规律与比赛场地区一致。

图6 5 m 高水平截面风速和空气龄综合分析图

表6 5 m 高水平截面风速和空气龄Ki 值与R 值

综上，各因素综合影响力度顺序为因素D ＞因素C ＞因素B ＞因素A，即开窗占地比＞顶界面形态＞看台围合方式＞内场平面形状。

3.3.2 最优值或最优范围

以各因素水平K值为横坐标，达标比例为纵坐标，得到各因素不同水平影响下的趋势图（图7）。由趋势图可以看出，开窗占地比对风速和空气龄的综合影响变化幅度不大，最佳范围在7.2%～10.8%之间，与1.5m高水平截面所代表的比赛场地区情况略有差别；顶界面不同形态对于风速和空气龄的综合影响差异较大，倾斜（反吹）的效果最差，上凸型效果最佳，从变化趋势看，沿着风方向形态升高有利于通风，与比赛场地区规律一致；而U 型看台对于场地风环境提升效果显著；方形和圆形平面对风环境提升效果优于其他，从变化趋势来看，各方向趋于对称度高有利于通风。

图7 5 m 高水平截面各因素不同K 值达标比趋势图

3.4 11 m 高水平截面实验结果及分析

3.4.1 影响力度

从风速和空气龄的Ki值与R值（表7）可知，在11m 高水平截面上，因素D 对空气龄的影响效果变化幅度剧烈，其余总体情况与5m 高水平截面情况一致，在此不再赘述。而从综合分析图（图8）可知，其他三个因素对风速和空气龄的综合影响差异较小，且与因素D 对风速和空气龄的综合影响力度有较大差距。因此，设计阶段宜首先考虑因素D，即开窗占地比，再考虑其他因素。

图8 11 m 高水平截面风速和空气龄综合分析图

表7 11 m 高水平截面风速和空气龄Ki 值与R 值

3.4.2 最优值或最优范围

以各因素水平K值为横坐标，达标比例为纵坐标，得到各因素不同水平影响下的趋势图（图9）。由趋势图可以看出，开窗占地比对风速和空气龄的综合影响变化幅度较大，最佳范围在10.8%～18%之间，与1.5m 高水平截面代表的比赛场地区影响状况有很大不同；顶界面倾斜（反吹）形态的通风效果最差，上凸型效果最佳，从变化趋势看，沿着风方向形态升高有利于通风；而U 型看台对风环境综合提升效果变为最差，与5m 高水平截面所代表的下部观众席区的情况相反；椭圆形和矩形平面对风环境提升效果优于其他，从变化趋势来看，长短边相差比较大的矩形和椭圆形平面有利于通风，与1.5m 高水平截面代表的比赛场地区情况相反。

图9 11 m 高水平截面各因素不同K 值达标比趋势图

4 社区体育馆内场设计优化策略

4.1 设计优先级

对于社区体育馆整个内场（包括比赛场地区和观众席区），四个主要设计因素对其通风影响力度的顺序均为开窗占地比＞顶界面形态＞看台围合方式＞内场平面形状。因此，在进行通风设计时，可以考虑以以上优先级顺序为基础，结合社区体育馆的功能、空间及造型进行优化设计。

4.2 开窗占地比

从比赛场地区到观众席区具有不同的最佳范围，总体规律为：随着高度的增加，开窗占地比适度增大有利于提高内场整体通风效果。在本实验描述的条件下，比赛场地区开窗占地比建议值不宜大于10.8%，以7.2%左右为最佳；此外，观众席区对风速的要求有所降低，建议开窗占地比范围适度增大到7.2%～14.4%之间，再进行进一步优化确定。

4.3 顶界面形态

沿着空气流动方向形态升高有利于社区体育馆内场通风，建议在设计之初，全面考察项目所在地的主导风向，顺势进行形态的升高，优化内场风环境。典型案例参见杜勒斯国际机场等。

4.4 看台围合方式

社区体育馆内场比赛场地区看台宜尽量采用无看台或U 型看台；看台对观众席区通风影响力度不明显，建议在下部观众席区采用U 型看台，上部观众席区采用无看台或环形看台。典型案例参见亚特兰大奥运会游泳馆、北京理工大学体育馆等。

4.5 内场平面形状

内场平面形状对比赛场地区和观众席区的影响规律截然相反，下部宜采用方形、圆形等趋于对称的平面形式，上部宜采用矩形、椭圆形等长宽比较大的形式，典型案例参见伦敦奥运会自行车馆等（图10）。

图10 伦敦奥运会自行车馆

5 结语

随着社区体育馆建设需求的不断强化及人民群众对于健康生活环境的更高需求，全民健身型体育馆对被动式通风的要求也在不断加强，对体育馆自然通风可行性与合理性的探索也势必要经历更加漫长的过程。本实验在借助计算机模拟技术的基础上，通过优化实验设计过程，获得了在多因素共同作用下社区体育馆风环境的影响机制，相比较以往单一因素影响下的研究，从理论上更加接近实际。希望能为上海社区全民健身型体育馆的健康发展提供参考和借鉴。