寒地专业足球场界面形态与风环境耦合优化设计研究

史立刚，崔玉，杨朝静

《中国足球改革发展总体方案》（2015）、《中国足球中长期发展规划（2016-2050 年）》等方案的实施促使足球成为深化体育产业发展的突破口。伴随2023 年亚洲杯足球赛的成功申办，中国足球进入专业足球场时代指日可待。由界面围合营造健康的球场风环境是制约我国专业足球场精细化发展的重要瓶颈，风环境与界面形态之间互动关系亟待挖掘。鉴于我国寒冷地区专业足球场建设基础和需求俱佳，风环境与人体舒适的矛盾更为尖锐，因此本文以寒地为切入点开展研究。

1 专业足球场寒季室外风环境评价要素、指标及方法构建

1.1 专业足球场风环境综合评价要素的确定

（1）观众区风环境综合评价要素

寒冷地区足球场风速直接影响观众的观赛舒适度[1]，本文将离专业足球场看台区垂直高度1.2m（观赛坐视高度）平面上整体平均风速、达到一定舒适标准的测点数占总测点数的比率、强风区与滞风区占被测区域面积的比例作为观众区风环境的评价要素。

（2）内场区风环境综合评价要素

内场风速不仅影响足球比赛的公平性，同时会影响球员的运动舒适性和草坪的自然生长。目前FIFA、UEFA 等针对足球比赛尚无明确规定的风速上限，一般足球比赛风力都在3～5 级以下[2]，结合空气质量舒适度理论[3]，内场风速不宜超过7m/s。当冬季外界风速较高且波动变化时保证场内风速相对稳定且降低风速，有利于提高球员的舒适度和减少对足球比赛的负面干扰；同时寒风穿过无雪覆盖的草坪会导致草的脱水[4]。因此将风速离散度、测点舒适风速比率、风速变化稳定度及降低风速能力作为内场区风环境的评价要素。

1.2 专业足球场风环境舒适度评价指标构建

3 月和11 月分别为我国职业足球联赛赛季的初期和末期，此时寒冷地区平均气温尚低于10℃，且风速较大，4 月份为寒地常年风速最大月[5]，户外体感温度更不舒适，因此本文将3 月、4 月和11 月定义为“寒冷赛季”。本研究从2018 年底至2020 年初分别在寒地代表城市北京、天津进行了3 次寒冷赛季室外风环境现场实测及观众和运动人群风舒适度主观问卷调查，调研发放问卷1420 份，收回有效问卷1348 份，其中观众问卷728 份，运动员问卷250 份。选用α 信度系数计算、取样适切性量数检验与因素分析对问卷进行信度效度检验，问卷满足要求。

1.2.1 静坐人群风速与吹风舒适性回归模型

采用类似温度频率法（Bin 法）[6]，按照一定间隔将风速的变化范围分为若干风速区间，以每一风速区间的中心风速作为自变量，人体吹风舒适感投票的平均值（MCSV）作为因变量，建构观众平均吹风感与风速回归模型（图1）。

1 观众平均吹风感与风速回归模型

冬季人体静坐状态吹风舒适感平均投票值与风速的拟合系数R²=0.696，表明回归模型拟合优度较好。从利于空气污染扩散角度，1m/s 可作足球场风速的评价基准[3]。由观众平均吹风感与风速回归模型可知，在冬季室外环境中当MCSV=0时，中性风速为1.59m/s；当0.8m/s＜v≤2.5m/s时，人体吹风感舒适度最好；当0 ＜v ≤0.80m/s 时，人体舒适度较好；当 2.5 ＜v ≤4.4m/s 时，长时间户外活动不会受到太大影响；而当v ＞4.4m/s,人们难以在室外进行长时间活动。本文基于调研实证及回归模型构建我国寒地寒冷赛季室外观众吹风舒适度评价建议指标（表1），既考量了现场观众的实际感受，又是对户外休息区冬季风环境评价的精细化界定[7]。

表1 我国寒冷地区冬季室外观众吹风舒适度评价建议指标

1.2.2 运动人群风速与吹风舒适性回归模型

运用相同的方法建立运动人群的平均吹风感与风速回归模型（图2），进而建构我国寒地寒冷赛季运动人群吹风感受舒适度评价建议指标（表2）。

2 运动员平均吹风感与风速回归模型

表2 我国寒冷地区冬季室外运动人群吹风舒适度评价建议指标

1.3 专业足球场室外风环境评价方法构建

综合分析法采用定性与定量相结合，考量各指标对结果的影响，避免主观随意性[8]，因此本文选取多因素综合评价法对专业足球场风环境进行评价[9]。首先采用极差标准化[10]对各评价指标数据标准化，并通过变异系数法[11]确定各评价指标的权重，然后将各个标准化指标值加权求和，得出风环境综合指数，数值越大则风环境性能越优。

2 专业足球场CFD数值模拟实验设计

2.1 数值计算模型建构

2.1.1 确立建筑模型

根据足球市场容量发展概况和中超联赛年平均上座率统计[12]，本文将研究对象设定为约30,000 座的中型专业足球场；基于既有106 座足球场案例调研，以平面形态为分类方式（图3），方形倒圆角和四面贯通坐席具有明显数量优势（图4）。因此本文以双层、四面贯通坐席的方形倒圆角足球场形态作为理想模型，长轴为南北向布置。

3 足球场平面形态比例

4 足球场坐席布置比例

（1）顶界面形态的分类：本文以直面罩棚的坡度为划分标准（图5），分为3 类：上倾15°、平直0°、下倾-15°罩棚[13]。在连接处界面形式上，分为横向、竖向划分设置通风口两种方式。在连接处界面的通透率上（图6），分别设置为100%、50%和20%（表3）。

5 罩棚剖面形态比例

6 顶界面与坐席连接处通透性比例

表3 顶界面形态的组合物理模型

（2）侧界面形态的分类：将侧界面形式分为两段式、横向分割式和纵向分割式；对侧界面空隙率设定为100%、50%和20%，其中通透率100%指仅用柱子支撑无实体界面（表4）。

表4 侧界面形态的组合物理模型

（3）内界面形态的分类：足球场坐席界面开口方式分为利用各层坐席区之间的出入口、坐席纵向疏散口以及各层坐席下部开口3 种。基于对既有足球场案例的调研，本文以坐席开口数量作为变量，将内界面通透率分别设定为4%、8%、12%、16%和20%（表5）。

表5 内界面形态的物理模型

2.1.2 确定计算域模型

参考相关标准[14-15]的上限值，采用计算域尺寸为900m×1100m×270m，此时阻塞率为2.9%，满足小于3%的要求。

2.2 网格划分及数值模拟边界条件设定

2.2.1 网格划分

综合考虑初始化时间、计算花费及数值耗散等因素，本文采用ICEM 软件及混合网格生成法进行网格划分，网格数量约为427 万。

2.2.2 网格无关性检验

在数值模拟时均需进行网格无关性检验，当网格数量增加对模拟结果影响可以忽略不计时，网格无关性则满足要求。本研究通过3 种网格尺寸及数量模型的对比以选择更适合的网格模型（表6、7）。3 组方案计算所得风场总体趋势一致。随着网格高度的不断减小，网格总数不断增加，3 组方案的计算结果基本一致，则证明了网格无关性的要求。考虑到计算时间等原因，本文最终选择网格方案2 来进行CFD模拟试验。

表6 不同网格尺寸及数量对比

2.2.3 边界条件设置

基于雷诺平均RANS 方法的Realizable k-ε 模型作为本研究的理论基础，采取基于压力基求解器、有限容积法（FVM）的SIMPLE 算法来对足球场湍流问题进行求解。本文研究对象属于低温室外环境，因此在进行数值模拟时，计算域入口设置为速度入口，出流边界条件为压力出口，模型中的专业足球场座席、罩棚和侧界面部分均设置为壁面，将零厚度数值参考面设置为内部界面（图7）。

7 计算域及边界条件设置图示

2.2.4 确定来流风速

基于我国寒地城市寒冷赛季月份每日15:00–20:00 的平均风速、最大风速、阵风风速范围、盛行风向及较高风速对应最多风向频率的调研分析，将初始来流风速设置为4.0m/s、7.0m/s、10.0m/s、13.0m/s 和15.0m/s，拟定北偏西45°风向[16]作为初始风向进行基于Fluent 的模拟实验。

分别将各组模拟的风速均值、风速标准差、舒适风速、强滞风区面积比率各项评价指标用“响应面建模法”的“多项式回归法”进行拟合，综合分析所得的来流风速临界值（图8），选择最小值10.5m/s为本研究的来流风速。

8 来流风速与各评价指标拟合分析

2.2.5 确定来流风向

以主导风向与体育场长轴的交角度数作为变量，分别为 0°、22.5°、45°、67.5°、90°，基于CFD模拟实验结果的拟合分析（图9），本文最终选择来流风向为不利风向占比最多的北偏西22.5°。

9 来流风向与各评价指标拟合分析

3 专业足球场风环境耦合模拟及结果分析

基于Fluent 2019 R3 平台的正交试验，分别得到各组耦合模型风场云图（表8-10），进而通过因子量化和加权综合得到各组模型风环境评价评分值（表11、12）。

表7 不同网格方案计算结果对比

表8 顶界面各组耦合模型风场云图

表9 侧界面各组耦合模型风场云图

表10 内界面各组耦合模型风场云图

3.1 顶界面形态分析

3.1.1 以罩棚下倾角度为单变量的模拟分析

根据罩棚剖面形态对足球场风环境影响的分析（表11），下倾罩棚的风环境性能表现最优。进而将罩棚下倾角度分为5°、10°、15°、20°、25°、30°作为单一变量进行模拟。从不同下倾角度的各组模型风环境综合评分值拟合函数曲线看出（图10），罩棚下倾角度和风环境综合评分值呈明显的线性负相关关系。

10 下倾角度的风环境综合评分值对比

表11 顶界面各组耦合模型的综合评价指数统计

3.1.2 以罩棚与坐席连接处通透率为单变量的模拟分析

从罩棚与坐席连接处通透率角度看，各组模型的风环境性能顺序依次为：在平直罩棚下，全开敞＞20%＞50%；在上倾罩棚下，20%＞全开敞＞50%；在下倾罩棚下，50%＞20%＞全开敞。由于耦合变量的影响，该组模拟无法得出侧界面通透率对足球场风环境的影响规律。为探讨坐席与罩棚连接处通透率的变化对研究区域风环境的影响，进一步将连接处通透率作为单一变量，细分为0%、20%、40%、60%、80%、100%进行模拟。从拟合函数曲线看出（图11），罩棚与坐席连接处通透率和风环境质量拟合曲线近似于3 次多项式，罩棚与坐席连接处全开敞时风环境性能表现最优。

11 不同通透率的风环境综合评分值对比

3.2 侧界面形态分析

3.2.1 以侧界面形式为变量的模拟分析

各组模型风环境性能表现顺序为：侧界面通透率100%时，横向分割式＞两段式＞纵向分割式；通透率为50%时，纵向分割式＞横向分割式＞两段式；通透率为20%时，两段式＞纵向分割式＞横向分割式（表12）。

表12 侧界面各组耦合模型的综合评价指数统计

3.2.2 以侧界面通透率为单变量的模拟分析

由于耦合变量的影响，单纯以侧界面划分形式的模拟分析无法得出侧界面通透率对足球场风环境的影响规律。进一步将侧界面通透率作为单一变量，细分为5 组：10%、30%、50%、70%、90%进行模拟。从拟合曲线看出（图12），侧界面通透率和风环境综合质量的关系近似于3 次多项式函数，侧界面通透率为20%时所营造的风环境质量最优。

12 侧界面通透率的风环境综合评分值

3.3 内界面形态分析

从内界面形态的各组耦合模拟实验结果的拟合曲线看出（图13），内界面通透率和风环境综合评分值呈明显的线性负相关关系，即内界面通透率越大所营造的风环境质量越差。

13 内界面通透率的风环境综合评分值

4 专业足球场界面形态优化设计

4.1 界面形态与风环境的耦合机制

基于模拟实验分析，专业足球场界面形态与风环境性能互为表里、互摄互涵、相生相成（图14）。在特定的外部风场条件下，界面形态通过具体的顶界面、侧界面和内界面组合直接左右了球场风环境分布状态，此时风环境性能呈现为界面形态映射的函数；另一方面，风环境性能在相当程度上反馈进而影响足球场建筑形态的优化，此时建筑形态相变为风环境性能的因变量。因此以适宜风环境为导向的界面形态优化成为专业足球场建筑形态生成的逻辑依据。

14 专业足球场界面形态与风环境的耦合关系模型

4.2 顶界面形态优化设计策略

4.2.1 罩棚剖面形态

寒冷地区专业足球场建议使用下倾罩棚，罩棚下倾角度不宜超过15°。目前欧洲顶级联赛球场如法国尼斯足球场（图15a）、巴塞尔圣雅各布公园球场（图15b）等均使用了直面下倾罩棚，既营造出良好的足球场风环境，又提供了聚拢声音的观赛氛围。

4.2.2 罩棚与坐席连接处界面

专业足球场罩棚与坐席连接处宜使用全开敞连接方式，非全封闭连接时宜采用竖向划分形式。对于已建成且罩棚与坐席间间距较大的球场，建议根据当季主导风向增设竖向导风板或挡风板等气动设施。在应对冬、夏季节对场内风环境需求不同的矛盾时，可设计可开启窗扇高效的控制球场内部的进风量。首尔世界杯球场（图16a）、伦敦酋长球场（图16b）等在座席顶端均采用了全开敞连接的方式，以形成适宜的场内风环境。

16 全开敞式界面连接专业足球场

4.3 侧界面形态优化设计策略

寒冷地区专业足球场侧界面宜选用低空隙率（20%）表皮，外表皮设计成可开合围护界面，并根据实际工况结合模拟形成在地化的自然通风设计。运用参数化手段合理控制足球场界面上的洞口数量及面积，实现最佳通透率组合，保证适宜的球场风环境。如都柏林英杰华足球场（图17）运用参数化设计营造出了舒适的场内风环境。

17 都柏林英杰华足球场，引自参考文献[17]

4.4 内界面形态优化设计策略

寒地专业足球场宜采用贯通坐席排布，当必须做分段式坐席时分段数目不宜过多，可根据主导风向在各层坐席下部布置开敞洞口以调节场内通风。德国科隆球场（图18a）、法兰克福球场（图18b）都采用了结合坐席层间的包厢层局部或间隔布置开敞洞口的通风形式；意大利巴里的圣尼古拉球场（图18c）的环形坐席由水平间距8m 的26 片“花瓣”组成，既将场内外风场和景观良性联通提高使用者的健康舒适度，又保证了疏散安全性。

18 专业足球场内界面形式

5 结语

专业足球场赛场环境的塑造涉及功能流线、结构选型、体育工艺、视线疏散等诸多方面，健康适宜的风环境是其内涵式发展阶段不可或缺的重要目标。本研究基于实测调研制定了适用于寒冷地区观众及运动员的室外活动舒适风速指标，并进一步建构出了专业足球场风环境的评价方法；运用数值模拟方法揭示出风环境与界面形态之间的耦合机制，为寒地专业足球场科学化设计提供了循证支持；基于案例模拟实证研究，从观赛和运动状态风舒适耦合角度提出寒地专业足球场界面形态的优化设计策略，以期推动设计实践的精细化发展。□