李麗華,羅 鵬

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院,哈爾濱 150006)

基于MATLAB模擬的體育館比賽場(chǎng)地尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)探究

李麗華,羅 鵬*

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院,哈爾濱 150006)

場(chǎng)地是體育館的核心，其使用效率直接決定體育館的效益。隨著我國(guó)全民健身的參與比例越來越高，體育館面向社會(huì)的開放性也越來越強(qiáng)，以賽事需求為主的競(jìng)技型場(chǎng)地設(shè)計(jì)模式已不能高效地滿足我國(guó)體育館的使用要求。通過實(shí)際調(diào)研與分析，并借助MATLAB軟件模擬、模型分析等研究方法，從體育館場(chǎng)地設(shè)計(jì)使用時(shí)應(yīng)兼顧賽事需求及全民健身需求的角度，對(duì)競(jìng)技型體育館原有的大中小型3種比賽場(chǎng)地尺寸進(jìn)行模擬分析，提出適合我國(guó)當(dāng)代體育館場(chǎng)地實(shí)際使用需求的合理化建議尺寸。

體育館；場(chǎng)地尺寸；MATLAB模擬分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著我國(guó)體育事業(yè)的發(fā)展以及全民健身計(jì)劃的制定，體育對(duì)于社會(huì)群體以及個(gè)人“健康和幸?！?Health and Wellbeing)的重要促進(jìn)作用已成為社會(huì)共識(shí)[1]。據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，2012年我國(guó)經(jīng)常參加體育鍛煉的人數(shù)比例達(dá)32.7%，接近全國(guó)總?cè)丝诘?/3[2]。同時(shí)，群眾對(duì)體育設(shè)施的需求量也不斷增加，全民健身使用比例遠(yuǎn)大于競(jìng)技比賽使用比例，已成為當(dāng)前我國(guó)大多數(shù)體育館實(shí)際使用中不爭(zhēng)的事實(shí)[3]。然而，目前在我國(guó)體育設(shè)施的建設(shè)過程中，對(duì)于外在形式的關(guān)注大于對(duì)于實(shí)際使用功能和使用效率的關(guān)注[3]，重競(jìng)技比賽輕全民健身的習(xí)慣性設(shè)計(jì)思維模式也與社會(huì)實(shí)際使用需求相背離。

隨著我國(guó)全民健身的參與比例越來越高，體育館面向社會(huì)的開放性也越來越強(qiáng)，以賽事需求為主的競(jìng)技型場(chǎng)地設(shè)計(jì)模式已不能高效地滿足我國(guó)體育館的使用要求，而將全民健身需求作為體育館場(chǎng)地設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素和衡量指標(biāo)，在賽事功能要求的基礎(chǔ)上更多地兼顧全民健身的使用要求，才能合理確定體育館的場(chǎng)地尺寸，做到體育場(chǎng)地及設(shè)施的功能最大化、使用效益最大化。

目前我國(guó)正興建的體育館根據(jù)設(shè)計(jì)使用模式可大致分為：①以明確賽事(如奧運(yùn)會(huì)、世錦賽等)及演藝活動(dòng)為主，且全民健身不宜在其主場(chǎng)地空間內(nèi)進(jìn)行的一二線城市或城市一級(jí)的大型、特大型場(chǎng)館；②兼顧體育比賽并同時(shí)面向全民健身開放的中小城市或城市二級(jí)及以下的場(chǎng)館；③場(chǎng)地內(nèi)不考慮賽事功能需求，僅以全民健身使用為主的全民健身館。如今國(guó)內(nèi)第一類場(chǎng)館建設(shè)量趨向飽和，但第二、三類場(chǎng)館數(shù)量卻日益增長(zhǎng)[4]。因?yàn)榈谌悎?chǎng)館賽事使用存在局限性，因此本文以第二類體育館為研究對(duì)象，對(duì)兼顧賽事功能要求及全民健身需求的競(jìng)技型場(chǎng)地進(jìn)行優(yōu)化和完善，合理確定場(chǎng)地尺寸，提高場(chǎng)地全民健身使用時(shí)的利用效率。

另外，目前國(guó)內(nèi)體育館的場(chǎng)地要求、分類及最小尺寸見表1[5]。我國(guó)特大型體育比賽場(chǎng)地建設(shè)量小，遠(yuǎn)不及其他3種場(chǎng)地?cái)?shù)量普及，在此研究中不予考慮。其它大中小型3種比賽場(chǎng)地尺寸在國(guó)內(nèi)較為普遍，本文將選取這3類比賽場(chǎng)地的最小尺寸分別作為研究對(duì)象，在兼顧賽事功能要求及全民健身需求的基礎(chǔ)上，對(duì)體育館場(chǎng)地尺寸進(jìn)行模擬分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

表1 體育館比賽場(chǎng)地要求及最小尺寸

1 調(diào)研分析

通過對(duì)我國(guó)南北方4省16個(gè)城市21座體育館(表2)進(jìn)行實(shí)地走訪調(diào)查，掌握體育館日常運(yùn)營(yíng)及場(chǎng)地賽后使用方式的實(shí)際情況；并對(duì)其中6個(gè)城市(哈爾濱、佳木斯、牡丹江、伊春、長(zhǎng)春、延吉)的城市居民發(fā)放調(diào)查問卷，獲得關(guān)于全民健身方法的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。調(diào)查問卷共發(fā)放了500份，回收409份，回收率為81.8%，其中有效問卷383份，有效回收率為76.6%。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)：

1)我國(guó)原本只考慮賽事功能要求的體育館場(chǎng)地在日常運(yùn)營(yíng)使用時(shí)，在場(chǎng)館使用過程中，平均每年場(chǎng)地舉行賽事活動(dòng)的比例很低，而賽后全民健身活動(dòng)使用比例較高，例如昆山市體育館2008～2012年平均賽事活動(dòng)使用比例為11.0%，而全民健身使用比例高達(dá)79.5%。

2)我國(guó)現(xiàn)有體育館賽后主要進(jìn)行全民健身活動(dòng)的項(xiàng)目是羽毛球運(yùn)動(dòng)。根據(jù)問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在體育館內(nèi)可進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，羽毛球、乒乓球、籃球健身方式的所占比例位居前三。且調(diào)研的21座體育館賽后全民健身使用時(shí)，約有92.9%的體育館賽后場(chǎng)地內(nèi)選擇布置羽毛球休閑健身場(chǎng)地，所占比例遠(yuǎn)高于其它全民健身項(xiàng)目。

表2 調(diào)研城市及體育館名稱列表

2 模擬研究

2.1 數(shù)據(jù)選取

本文以實(shí)地調(diào)研中寒地群眾參與度最高的羽毛球休閑健身場(chǎng)地為例，其尺寸為(圖1)：羽毛球雙打場(chǎng)地長(zhǎng)13.4 m，寬6.1 m，場(chǎng)地緩沖區(qū)寬度邊線外尺寸≥1.2 m，端線外尺寸≥1.5 m，兩片場(chǎng)地間距≥0.9 m[6]。在實(shí)際賽后全民健身使用時(shí)，健身場(chǎng)地緩沖區(qū)外往往留有≥1.0 m的間距，用來擺放休息座椅及交通使用，這個(gè)間距在模擬研究中不可忽略。本文研究的是場(chǎng)地尺寸最優(yōu)問題，因此研究模型各尺寸是選取上述規(guī)定范圍內(nèi)的最小值。

圖1 體育館場(chǎng)地賽后羽毛球休閑健身使用時(shí)的布局及尺寸示意圖(單位：m)Fig.1 Badminton fitness use layout and dimensions of gymnasiums after events(Unit：m)

2.2 數(shù)學(xué)模型建立

本文以單位面積增長(zhǎng)率上場(chǎng)地面積利用率的增長(zhǎng)幅度Q作為衡量場(chǎng)地綜合效益的標(biāo)準(zhǔn)，大中小型3種比賽場(chǎng)地分別為3個(gè)基礎(chǔ)模型，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，通過調(diào)整相應(yīng)類型場(chǎng)地的長(zhǎng)度X及寬度Y，生成關(guān)于Q值的數(shù)據(jù)量化型圖形，逐個(gè)對(duì)大中小型3種比賽場(chǎng)地尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析。Q值模型計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中Q為單位面積增長(zhǎng)率上場(chǎng)地面積利用率Z的增長(zhǎng)幅度，簡(jiǎn)稱為增長(zhǎng)幅度；ΔZ為場(chǎng)地面積利用率的增長(zhǎng)幅度；R為單位面積增長(zhǎng)率；Z為場(chǎng)地面積利用率，即比賽場(chǎng)地內(nèi)羽毛球場(chǎng)地所占總面積的最大值與場(chǎng)地面積之間的比值；Zxy為場(chǎng)地長(zhǎng)度為X寬度為Y時(shí)的場(chǎng)地面積利用率；Zs為場(chǎng)地選取基礎(chǔ)模型尺寸時(shí)的場(chǎng)地面積利用率；Sxy為場(chǎng)地長(zhǎng)度為X寬度為Y時(shí)的面積；Ss為基礎(chǔ)模型時(shí)的場(chǎng)地面積；Smax為比賽場(chǎng)地內(nèi)羽毛球休閑健身場(chǎng)地所占總面積的最大值；Sb為單個(gè)羽毛球雙打休閑健身場(chǎng)地的面積；Nmax表示在長(zhǎng)度為X寬度為Y的比賽場(chǎng)地內(nèi)布置羽毛球雙打休閑健身場(chǎng)地?cái)?shù)量的最大值。

羽毛球場(chǎng)地在實(shí)際布置中允許出現(xiàn)橫豎向結(jié)合的布置方式，因此模擬前期預(yù)測(cè)，在X、Y增長(zhǎng)的過程中，Nmax取得最大值時(shí)羽毛球休閑健身場(chǎng)地存在多種不同的布置方式，但是對(duì)于一塊固定尺寸的場(chǎng)地，Nmax取得最大值時(shí)多種布置方式不可能同時(shí)存在，以橫向?yàn)橹骰蜇Q向?yàn)橹鞯挠鹈驁?chǎng)地均只能存在相應(yīng)的一種布置方式。

另外，因?yàn)闄M豎向交接的羽毛球場(chǎng)地最小間距為1.5 m大于羽毛球場(chǎng)地邊線最小緩沖距離1.2 m，也大于兩片同向場(chǎng)地的最小間距0.9 m，因此，Nmax的計(jì)算式為：

(3)

N1為長(zhǎng)度為X、寬度為Y的場(chǎng)地內(nèi)，以豎向?yàn)橹鞑贾脮r(shí)羽毛球健身場(chǎng)地?cái)?shù)量的最大值，其計(jì)算式為：

(4)

N2為長(zhǎng)度為X、寬度為Y的場(chǎng)地內(nèi)，以橫向?yàn)橹鞑贾玫挠鹈蚪∩韴?chǎng)地?cái)?shù)量的最大值；Max函數(shù)為取最大值函數(shù)，表示將N1、N2的數(shù)值進(jìn)行比較后選取最大值;fix函數(shù)為取整函數(shù)，fix(C)表示將中C的數(shù)值進(jìn)行取整處理(刪除C的小數(shù)部分，返回其整數(shù)部分的值，不進(jìn)行四舍五入)。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 場(chǎng)地尺寸長(zhǎng)度X—寬度Y—場(chǎng)地面積利用率Z的模擬結(jié)果

不考慮單位面積增長(zhǎng)率的情況下，場(chǎng)地長(zhǎng)度X、寬度Y與場(chǎng)地面積利用率Z的的關(guān)系見圖2。X、Y的取值區(qū)間為X=[38.0:90.0]、Y=[20.0:60.0](單位m)，該取值區(qū)間包含大、中、小3種比賽場(chǎng)地的最小尺寸，通過模擬結(jié)果分析可知：

圖2 場(chǎng)地面積利用率Z的X-Y-Z 3D View圖Fig.2 X-Y-Z 3D View of field area utilization ratio-Z

1)在長(zhǎng)度X、寬度Y的增長(zhǎng)過程中，Z呈X、Y雙向階梯形波浪狀的增長(zhǎng)曲面，即Z值呈現(xiàn)為對(duì)角線式的增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增長(zhǎng)過程中出現(xiàn)多個(gè)峰值；

2)在不考慮單位面積增長(zhǎng)率的情況下，長(zhǎng)度X、寬度Y的數(shù)值越大，Z值越高；

3)當(dāng)X、Y在整個(gè)取值區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，輸出的Z值最小值為34.90%，最大值為70.45%。而小型比賽場(chǎng)地最小尺寸38.0 m×20.0 m對(duì)應(yīng)的Z值為43.02%，中型比賽場(chǎng)地最小尺寸44.0 m×24.0 m對(duì)應(yīng)的Z值為38.07%，大型比賽場(chǎng)地最小尺寸70.0 m×40.0 m所對(duì)應(yīng)的Z值為58.39%，3個(gè)Z值均不是峰值也不是最優(yōu)值。

不考慮場(chǎng)地面積增長(zhǎng)率的大小時(shí)，體育館場(chǎng)地長(zhǎng)度X、寬度Y的數(shù)值越大,場(chǎng)地面積利用率Z越高，而在實(shí)際工程中場(chǎng)地尺寸肯定不會(huì)無限制性的增長(zhǎng)，故本文選擇單位面積增長(zhǎng)率上場(chǎng)地面積利用率的增長(zhǎng)幅度Q為衡量場(chǎng)地使用效益的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 小型比賽場(chǎng)地尺寸優(yōu)化結(jié)果

以小型比賽場(chǎng)地最小尺寸38.0 m×20.0 m為研究基礎(chǔ)的情況下，場(chǎng)地長(zhǎng)度X、寬度Y與增長(zhǎng)幅度Q之間的關(guān)系見圖3。其中，X、Y的取值區(qū)間為X=[38.0:44.0]、Y=[20.0:24.0](單位m)，通過模擬結(jié)果分析可知：

1)在場(chǎng)地長(zhǎng)度X、寬度Y的增長(zhǎng)過程中，Q值首先暫時(shí)恒為負(fù)值。然后隨著X值的增大，Q值突變出現(xiàn)有且唯一的峰值764.4%，且突變點(diǎn)的峰值數(shù)據(jù)為正值并明顯優(yōu)于其它大部分?jǐn)?shù)據(jù)(包括最小尺寸)，最后隨著X、Y的增加，Q值逐漸減小并趨向于0；

2)根據(jù)模擬結(jié)果顯示，當(dāng)長(zhǎng)度X增至為38.5 m，寬度Y為20.0 m時(shí)，Q值突增為峰值764.4%，即表示尺寸為38.5 m×20.0 m的小型比賽場(chǎng)地，相比原來38.0 m×20.0 m的小型比賽場(chǎng)地，賽后羽毛球休閑健身使用時(shí)的場(chǎng)地使用效率大幅提高，且達(dá)到最優(yōu)值(表3)。

圖3 小型比賽場(chǎng)地X-Y-Q的3D View圖Fig.3 X-Y-Q 3D View of small gyms’ field

2.3.3 中型比賽場(chǎng)地尺寸優(yōu)化結(jié)果

以中型比賽場(chǎng)地最小尺寸44.0 m×24.0 m為研究基礎(chǔ)的情況下，場(chǎng)地長(zhǎng)度X、寬度Y與增長(zhǎng)幅度Q的關(guān)系見圖4。X、Y的取值區(qū)間為X=[44.0:70.0]、Y=[24.0:40.0](單位m)，通過模擬結(jié)果分析可知：

1)在場(chǎng)地長(zhǎng)度X、寬度Y的增長(zhǎng)過程中，Q值突變?cè)鰹樽畲蠓逯?90.1%，隨著X、Y的繼續(xù)增長(zhǎng)，Q值立即衰減，呈現(xiàn)為波動(dòng)狀階梯型降低曲面，數(shù)值逐漸趨向于0，且最大峰值處的Q值為正值，并明顯優(yōu)于隨后出現(xiàn)的其它峰值點(diǎn)的數(shù)據(jù)；

2)根據(jù)模擬結(jié)果顯示，當(dāng)長(zhǎng)度X為44.0 m，寬度Y增長(zhǎng)為24.5 m時(shí)，Q值突增為最大峰值690.1%，即表示尺寸為44.0 m×24.5 m的中型比賽場(chǎng)地，相比較原來44.0 m×24.0 m的中型比賽場(chǎng)地，場(chǎng)地面積增長(zhǎng)率很小，但是賽后羽毛球休閑健身使用時(shí)的場(chǎng)地使用效率卻大幅提高，且達(dá)到相對(duì)最優(yōu)值(表4)。

圖4 中型比賽場(chǎng)地X-Y-Q的3D View圖Fig.4 X-Y-Q 3D View of medium gyms’ field

2.3.4 大型比賽場(chǎng)地尺寸優(yōu)化結(jié)果

以大型比賽場(chǎng)地最小尺寸70.0 m×40.0 m為研究基礎(chǔ)的情況下，場(chǎng)地長(zhǎng)度X、寬度Y與增長(zhǎng)幅度Q的關(guān)系見圖5。X、Y的取值區(qū)間為X=[70.0:90.0]、Y=[40.0:60.0](單位m)，通過模擬結(jié)果分析可知：

1)在場(chǎng)地長(zhǎng)度X、寬度Y的增長(zhǎng)過程中，Q值突變?cè)鰹樽畲蠓逯?57.1%，然后隨著X、Y的繼續(xù)增長(zhǎng)，Q值立即衰減，過程中雖出現(xiàn)較為明顯的第二峰值(70.0 m×40.6 m處，Q值為325.7%)，但Q值整體呈現(xiàn)為波動(dòng)狀階梯型的降低曲面，并數(shù)值逐漸趨向于0。最大峰值處的Q值為正值，明顯優(yōu)于第二峰值和其它峰值點(diǎn)的數(shù)據(jù)；

2)根據(jù)模擬結(jié)果顯示，當(dāng)長(zhǎng)度X增長(zhǎng)為70.4 m，寬度Y為40.0 m時(shí)，Q值突增為最大峰值957.1%，即表示尺寸為70.4 m×40.0 m的大型比賽場(chǎng)地，相比較原來70.0 m×40.0 m的大型比賽場(chǎng)地，場(chǎng)地面積增長(zhǎng)率很小，但是賽后羽毛球休閑健身使用時(shí)的場(chǎng)地使用效率卻大幅提高，單位面積增長(zhǎng)率上場(chǎng)地面積利用率的增長(zhǎng)量提高近10倍，且達(dá)到取值區(qū)間內(nèi)的最優(yōu)值(表5)。

圖5 大型比賽場(chǎng)地X-Y-Q的3D View圖Fig.5 X-Y-Q 3D View of large gyms’ field

3 結(jié) 論

當(dāng)前我國(guó)全民健身熱情高漲，對(duì)于體育建筑實(shí)際群眾使用功能及使用效率的關(guān)注與回歸，是當(dāng)代

我國(guó)體育建筑走向科學(xué)、良性發(fā)展的有利保障，而對(duì)于體育館場(chǎng)地尺寸的研究是體育館設(shè)計(jì)中提高使用效率一個(gè)不可或缺的重要組成部分。通過本文的研究結(jié)果顯示，在對(duì)體育館場(chǎng)地尺寸進(jìn)行微調(diào)的情況下，其利用率就會(huì)大幅度提升。由此可見，在滿足賽事功能要求的基礎(chǔ)上，兼顧賽后全民健身需求的體育館場(chǎng)地設(shè)計(jì)模式，不僅可對(duì)體育館競(jìng)技型場(chǎng)地進(jìn)行優(yōu)化和完善，同時(shí)對(duì)體育館賽后全民健身使用時(shí)多功能場(chǎng)地的設(shè)計(jì)更具參考價(jià)值。

[1]董如豹. Healthy People 2020身體活動(dòng)內(nèi)容的演變對(duì)我國(guó)全民健身規(guī)劃的啟示[J]. 體育科學(xué)，2014，34(5)：66-74.

[2]國(guó)家體育總局. 20-69歲人群健身和體質(zhì)狀況抽測(cè)結(jié)果公布[EB/OL]. 2013[2013-08-05].http://www.sport.gov.cn/n16/n2061573/n2761594/4425478.html.

[3]候 葉，杜 慶. 體育建筑與城市發(fā)展的適應(yīng)性策略研究[J]. 華中建筑，2014,(9)：7-12.

[4]康曉力. 綜合體育館場(chǎng)地區(qū)選型研究——由比賽場(chǎng)地推導(dǎo)場(chǎng)地區(qū)的建議尺寸[J]. 城市建筑，2013,(9)：27-31.

[5]JGJ 31-2003,體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院. 體育場(chǎng)地與設(shè)施(一)(國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集08J933-1)[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

Optimization design of size of gymnasium’s field based on MATLAB simulation

LI Li-Hua, LUO Peng*

(School of Architecture, Harbin Institute of Technology,Harbin 150006, China)

Field is the core of gymnasium, its service efficiency directly determined gym’s benefits. Along with the increasing proportion of Chinese national fitness, the public use of gym has become more important, athletics gymnasium’s field design pattern that mainly based on the sports events demand has been unable to efficiently meet the stadium requirements. Field work design were using software simulations and model analysis, the design were not only consider events demands but also think of national fitness demand of athletics stadiums large,medium and small three original sizes fields for simulation, analysis and optimization design, ultimately culminating in our modern gymnasium actual demand reasonable sizes.

gymnasium; size of field; MATLAB simulation analysis; optimization design

10.13524/j.2095-008x.2015.02.022

2014-11-03;

2015-01-20

黑龍江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(E201115)

李麗華(1988-)，女，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向：體育建筑設(shè)計(jì)，E-mail：lilihua0532@sina.cn； *通訊作者：羅 鵬(1975-)，男，黑龍江哈爾濱人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，博士，研究方向：大空間公共建筑設(shè)計(jì)及其理論、體育建筑，E-mail：Lp-hit@163.com。

TU245.2

A

2095-008X(2015)02-0019-07