孫杰紅 劉德明

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150000)

1 概述

近些年來，隨著體育產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，體育場館的建設(shè)規(guī)模迅速擴(kuò)大。觀眾作為體育消費(fèi)的主體，已逐步成為體育場館設(shè)計中需要重點(diǎn)考慮的要素，現(xiàn)有研究表明，觀眾的使用體驗(yàn)是決定體育場館運(yùn)營情況的關(guān)鍵因素，因此保證觀眾的使用舒適性是體育場館設(shè)計的重點(diǎn)之一。尤其是體育場建筑，開敞的建筑形式使觀眾區(qū)暴露于室外，受自然環(huán)境的直接影響，在賽事集中的夏季，高溫悶熱的天氣會對觀眾體驗(yàn)產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。已有研究成果顯示，適量的通風(fēng)能夠通過加快蒸發(fā)來幫助人體散熱，顯著改善夏季體育場觀眾區(qū)的悶熱情況，因此對體育場觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境的研究具有重要意義。

國內(nèi)外對于建筑風(fēng)環(huán)境的研究最早可以追溯到古羅馬時期，建筑巨匠維特魯威[1]觀測到風(fēng)對建筑的不利影響后提出了改進(jìn)措施，并將其著入《建筑十書》中。到了19世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各國學(xué)者先后采用觀測、實(shí)驗(yàn)等研究方法對建筑風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了大量研究。從20世紀(jì)60年代起，計算機(jī)技術(shù)迅速崛起，帶動了計算流體力學(xué)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬方法開始被應(yīng)用于建筑風(fēng)環(huán)境的研究中，盡管在建筑設(shè)計方向上的研究起步較晚，但研究成果頗豐：Anastasios I.Stamou[2]運(yùn)用CFD模擬計算空氣流速及不同入口溫度條件下的場內(nèi)溫度分布，計算得到的平均速度和溫度用來確定平均熱感覺指數(shù)(PMV)和預(yù)測不滿意百分?jǐn)?shù)(PPD)，并評估競技場不同區(qū)域的熱舒適條件；顧磊等[3]對體育場開洞情況進(jìn)行了模擬研究，得出適量開洞可以卸荷并改善場內(nèi)通風(fēng)；T.Van Hooff和B.Blocken[4,5]通過對阿姆斯特丹體育場自然通風(fēng)的模擬，對模擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)格精度進(jìn)行了研究，兩人還通過模擬實(shí)驗(yàn)得出對建筑風(fēng)場分布起主要影響作用的是環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向及周邊地物；W.D.Janssen等[6]對荷蘭Eindhoven工業(yè)大學(xué)校園進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬并選用了多種風(fēng)舒適評估體系對結(jié)果進(jìn)行了評估；陸陽、劉德明等[7]對體育場內(nèi)場風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬，探究了體育場內(nèi)場風(fēng)環(huán)境的影響因素。

從國內(nèi)外關(guān)于體育場風(fēng)環(huán)境CFD模擬研究的成果可以看出，現(xiàn)階段的研究主要集中在體育場結(jié)構(gòu)安全和設(shè)備節(jié)能優(yōu)化上，如體育場罩棚風(fēng)壓、體育館的節(jié)能通風(fēng)等，對于體育場觀眾區(qū)的研究關(guān)注度不足。考慮到觀眾在體育場設(shè)計中的重要地位，本文選取體育場觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境為研究對象，簡化出三組不同罩棚形態(tài)的體育場模型，基于控制變量法的原則設(shè)計并進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，對比分析模擬結(jié)果并提出優(yōu)化設(shè)計策略，力求為體育場罩棚形態(tài)的深化設(shè)計提供依據(jù)。

2 模擬軟件及實(shí)驗(yàn)設(shè)計

本文運(yùn)用STAR-CCM+數(shù)值模擬軟件，探究在不同體育場罩棚形態(tài)下的觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境情況。

2.1 模擬軟件選擇

鑒于數(shù)值模擬在流場流動方向上的重要性和普及性，大量的商業(yè)化通用軟件涌現(xiàn)出來可供選擇，STAR-CCM+軟件操作流程清晰明確，可以自動劃分網(wǎng)格，且支持高精度的多面體網(wǎng)格，內(nèi)置大量實(shí)用的物理模型，收斂精度高，可視化的后處理功能強(qiáng)大，與其他軟件相比優(yōu)勢巨大，因此本文選擇STAR-CCM+進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>

基于大量的體育場基本資料調(diào)研與歸納，綜合使用情況與整體數(shù)量，目前最適宜我國大中城市的體育場坐席規(guī)模為30 000座左右的中型體育場，因此本文的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇為30 000座的體育場?；A(chǔ)模型采用國際400 m標(biāo)準(zhǔn)場地，場地邊緣距離觀眾區(qū)首層的最小平面距離為6 m，看臺簡化為一層并交圈排布，最終模型平面最大外尺寸為287 m×211 m，高度為56 m，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)行一系列罩棚形態(tài)的變化，見圖1，圖2。

2.3 罩棚形態(tài)

通過對大量已建成體育場進(jìn)行資料調(diào)研，以罩棚平面形態(tài)、罩棚剖面形態(tài)及罩棚與坐席連接處的間隙距離將體育場罩棚形態(tài)分為三組進(jìn)行分類研究。

1)罩棚平面形態(tài)。罩棚平面形態(tài)是俯視圖中所顯示的罩棚形態(tài)，從數(shù)量上來說有單側(cè)、雙側(cè)、三側(cè)及四側(cè)之分，從連接方式上又有獨(dú)立和連接之分，本文依據(jù)資料調(diào)研結(jié)果，選取最常見的四種罩棚平面形態(tài)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，分別為：全包式罩棚、四邊式罩棚、兩邊式罩棚和單邊式罩棚，見表1。

表1 罩棚平面形態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托畔?/p>

2)罩棚剖面形態(tài)。罩棚剖面形態(tài)是沿體育場對稱軸剖切得到的罩棚形態(tài)。主要可分為上傾式罩棚、水平式罩棚和下傾式罩棚三種，見表2。

表2 罩棚剖面形態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托畔?/p>

3)罩棚與坐席連接處的間隙距離。一般來說，罩棚與坐席頂部都會留有一定的間隙，間隙處可設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)或圍護(hù)結(jié)構(gòu)等，間隙的距離決定了環(huán)境風(fēng)流入體育場的流量和方式，本文基于資料調(diào)研的基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置間隙距離為0 m，3 m，6 m，9 m，12 m五組實(shí)驗(yàn)，見表3。

表3 罩棚與坐席連接處間隙形態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托畔?/p>

2.4 模擬實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

1)計算區(qū)域。計算區(qū)域的大小決定了網(wǎng)格數(shù)量，直接影響到了模擬的正確與否。本文選取計算區(qū)域?yàn)椋哼M(jìn)風(fēng)面距離模型5倍于體育場總高度，兩側(cè)面分別距離模型10倍于體育場總高度，頂界面距離模型10倍于體育場總高度，出風(fēng)面距離模型20倍于體育場總高度，保證風(fēng)的充分流動。2)邊界類型。在實(shí)驗(yàn)中，將地面和建筑主體設(shè)置為滑移壁面，將入口邊界定義為速度入口，出口邊界定義為壓力出口，頂部及側(cè)面均為堆成平面，見圖3。3)網(wǎng)格劃分。本文選擇多面體網(wǎng)格和棱柱層網(wǎng)格結(jié)合使用。網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸20 m，根據(jù)區(qū)域不同網(wǎng)格精度不同，外流域邊界使用50%～100%的網(wǎng)格尺寸，建筑主體使用5%～8%的網(wǎng)格尺寸，罩棚部分由于厚度很薄，選擇2%～6%的網(wǎng)格尺寸。最終得到的網(wǎng)格數(shù)量在120萬左右，根據(jù)模型形態(tài)不同略有差異。4)湍流模型。本文屬于鈍體繞流的研究范疇，選取Realizable k-ε模型作為湍流模型。Realizable k-ε模型的湍流動能及其耗散率方程[8]為：

其中，Gk為平均速度梯度引起的湍動能；Gb為浮力影響引起的湍動能；YM為可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；C1，C1ε均為常數(shù)；σk為湍動能的湍流普朗特數(shù)；σε為耗散率的湍流普朗特數(shù)；C2，C1ε為常數(shù)，C1ε=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.2。

2.5 觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)

模擬得到的結(jié)果是直觀的圖示化語言，用不同的色塊表示不同的風(fēng)速，具體到某一個計算域內(nèi)的點(diǎn)坐標(biāo)來說，能看出其風(fēng)速范圍，難以看出其風(fēng)速值，對于本文的研究來說，探究的是整個體育場觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境的變化趨勢，僅關(guān)注某一點(diǎn)意義不大，因此本文選用圖示語言而非數(shù)值語言進(jìn)行結(jié)果的說明。主要的評價依據(jù)為我國建筑法規(guī)規(guī)定的“室外人群活動舒適風(fēng)速值不大于5 m/s”及夏季通風(fēng)需求下避免靜風(fēng)(風(fēng)速<1 m/s)區(qū)域產(chǎn)生，同時觀測整個觀眾區(qū)的風(fēng)速分布均勻度。

3 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由于本文主要探究的是罩棚形態(tài)變化對觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響情況，基于控制變量法的原則，將環(huán)境風(fēng)速與風(fēng)向設(shè)為常量。根據(jù)2016年氣象資料顯示，全年平均風(fēng)速為5.48 m/s，因此將實(shí)驗(yàn)初始風(fēng)速設(shè)置為5.48 m/s，風(fēng)向?yàn)槲髌?5°。

分別以罩棚平面形態(tài)、罩棚剖面形態(tài)及罩棚與坐席連接處的間隙距離為依據(jù)設(shè)置三組模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x取2.3中的簡化模型，體育館長軸方向?yàn)檎险狈较?，?shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6所示。

1)罩棚平面形態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。分析：a.在外環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向一定的條件下，觀眾區(qū)的平均風(fēng)速呈現(xiàn)出全包式罩棚最低，雙邊式罩棚最高的趨勢，靜風(fēng)區(qū)域的范圍大小則呈現(xiàn)出單邊式罩棚最小，全包式罩棚最大的趨勢。b.當(dāng)環(huán)境風(fēng)從體育場西側(cè)與短軸呈15°交角流入場內(nèi)時，四種罩棚形態(tài)下的體育場觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境都呈現(xiàn)出東側(cè)風(fēng)速高于西側(cè)風(fēng)速的趨勢，除全包式罩棚外，其余三種罩棚形態(tài)下的風(fēng)場最高風(fēng)速普遍出現(xiàn)在東南角部，最低區(qū)出現(xiàn)在西南角部。c.除全包式罩棚外，其余三種罩棚均在觀眾區(qū)出現(xiàn)高風(fēng)速圈與低風(fēng)速圈的現(xiàn)象，隨著圍合感減弱，高、低風(fēng)速圈區(qū)域逐漸擴(kuò)大，風(fēng)速分布均勻度下降。

2)罩棚剖面形態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。分析：a.在外環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向一定的條件下，罩棚上傾時會在東南、西北區(qū)域形成漩渦，西側(cè)觀眾區(qū)平均風(fēng)速明顯高于東側(cè)；罩棚水平時觀眾區(qū)平均風(fēng)速在三種罩棚剖面形態(tài)下最小，整個觀眾區(qū)范圍內(nèi)存在多處風(fēng)速驟變的區(qū)域，極小面積區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速差達(dá)到7 m/s左右，西側(cè)主席臺位置處于靜風(fēng)區(qū)域內(nèi)；罩棚下傾時，觀眾區(qū)平均風(fēng)速最大，在東南側(cè)局部出現(xiàn)小面積低風(fēng)速圈，靜風(fēng)區(qū)域面積極小。b.從風(fēng)場分布均勻度來看，表現(xiàn)最好的是下傾式罩棚，其次水平式罩棚，最差的是上傾式罩棚，風(fēng)速分布均勻性隨著罩棚內(nèi)側(cè)與場地垂直距離的增大而下降。c.從靜風(fēng)區(qū)域來看，當(dāng)罩棚由下傾變?yōu)樯蟽A時，罩棚與坐席最高處間隙逐漸減小，進(jìn)風(fēng)量減少，場內(nèi)平均風(fēng)速逐漸減小，因此上傾式罩棚形態(tài)下體育場觀眾區(qū)內(nèi)靜風(fēng)區(qū)域面積最大。

3)罩棚與坐席連接處的間隙距離模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。分析：a.在外環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向一定的條件下，觀眾區(qū)的平均風(fēng)速在間隙距離為0 m時最大，隨著間隙距離增大而降低，當(dāng)間隙距離為9 m時，觀眾區(qū)平均風(fēng)速達(dá)到最小，隨著間隙距離繼續(xù)增大，觀眾區(qū)平均風(fēng)速也開始增大。b.在罩棚與坐席間隙距離增大的整個過程中，當(dāng)間隙距離為6 m時，風(fēng)場分布均勻度及靜風(fēng)區(qū)域面積范圍都達(dá)到該組最佳，基本不存在差值較大的風(fēng)漩渦，靜風(fēng)區(qū)域面積很小。

4 結(jié)語

本文選取體育場觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境為研究對象，基于控制變量的原則，模擬比較不同罩棚形態(tài)下體育場觀眾區(qū)的風(fēng)場分布情況，得出結(jié)論如下:1)總的來說，罩棚形態(tài)是影響觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境的主要因素之一，隨著罩棚形態(tài)的變化，體育場觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生明顯變化。2)隨著體育場罩棚圍合感的減弱，觀眾區(qū)平均風(fēng)速增大，風(fēng)速分布均勻度降低，但靜風(fēng)區(qū)域面積減小。因此可以根據(jù)體育場不同的選址需求選取適宜的罩棚形式，大風(fēng)地區(qū)可多采用全包式罩棚。3)下傾式罩棚相比上傾式罩棚及水平式罩棚來說，能保證觀眾區(qū)的平均風(fēng)速最適宜，風(fēng)速分布均勻度最佳，靜風(fēng)區(qū)域面積最小，因此大風(fēng)地區(qū)的體育場設(shè)計應(yīng)考慮多采用下傾式罩棚形式。4)體育場罩棚與坐席連接處的間隙存在一個最適宜自身的距離值，使觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境質(zhì)量最佳。無論大于或小于這個距離值，觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境質(zhì)量都會有所下降，因此在設(shè)計中應(yīng)結(jié)合場地比賽的需求，充分考慮間隙距離的合理取值。

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