史立剛,崔玉,楊朝靜
《中國足球改革發(fā)展總體方案》(2015)、《中國足球中長期發(fā)展規(guī)劃(2016-2050 年)》等方案的實(shí)施促使足球成為深化體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突破口。伴隨2023 年亞洲杯足球賽的成功申辦,中國足球進(jìn)入專業(yè)足球場(chǎng)時(shí)代指日可待。由界面圍合營造健康的球場(chǎng)風(fēng)環(huán)境是制約我國專業(yè)足球場(chǎng)精細(xì)化發(fā)展的重要瓶頸,風(fēng)環(huán)境與界面形態(tài)之間互動(dòng)關(guān)系亟待挖掘。鑒于我國寒冷地區(qū)專業(yè)足球場(chǎng)建設(shè)基礎(chǔ)和需求俱佳,風(fēng)環(huán)境與人體舒適的矛盾更為尖銳,因此本文以寒地為切入點(diǎn)開展研究。
(1)觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)要素
寒冷地區(qū)足球場(chǎng)風(fēng)速直接影響觀眾的觀賽舒適度[1],本文將離專業(yè)足球場(chǎng)看臺(tái)區(qū)垂直高度1.2m(觀賽坐視高度)平面上整體平均風(fēng)速、達(dá)到一定舒適標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)點(diǎn)數(shù)占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的比率、強(qiáng)風(fēng)區(qū)與滯風(fēng)區(qū)占被測(cè)區(qū)域面積的比例作為觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境的評(píng)價(jià)要素。
(2)內(nèi)場(chǎng)區(qū)風(fēng)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)要素
內(nèi)場(chǎng)風(fēng)速不僅影響足球比賽的公平性,同時(shí)會(huì)影響球員的運(yùn)動(dòng)舒適性和草坪的自然生長。目前FIFA、UEFA 等針對(duì)足球比賽尚無明確規(guī)定的風(fēng)速上限,一般足球比賽風(fēng)力都在3~5 級(jí)以下[2],結(jié)合空氣質(zhì)量舒適度理論[3],內(nèi)場(chǎng)風(fēng)速不宜超過7m/s。當(dāng)冬季外界風(fēng)速較高且波動(dòng)變化時(shí)保證場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速相對(duì)穩(wěn)定且降低風(fēng)速,有利于提高球員的舒適度和減少對(duì)足球比賽的負(fù)面干擾;同時(shí)寒風(fēng)穿過無雪覆蓋的草坪會(huì)導(dǎo)致草的脫水[4]。因此將風(fēng)速離散度、測(cè)點(diǎn)舒適風(fēng)速比率、風(fēng)速變化穩(wěn)定度及降低風(fēng)速能力作為內(nèi)場(chǎng)區(qū)風(fēng)環(huán)境的評(píng)價(jià)要素。
3 月和11 月分別為我國職業(yè)足球聯(lián)賽賽季的初期和末期,此時(shí)寒冷地區(qū)平均氣溫尚低于10℃,且風(fēng)速較大,4 月份為寒地常年風(fēng)速最大月[5],戶外體感溫度更不舒適,因此本文將3 月、4 月和11 月定義為“寒冷賽季”。本研究從2018 年底至2020 年初分別在寒地代表城市北京、天津進(jìn)行了3 次寒冷賽季室外風(fēng)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及觀眾和運(yùn)動(dòng)人群風(fēng)舒適度主觀問卷調(diào)查,調(diào)研發(fā)放問卷1420 份,收回有效問卷1348 份,其中觀眾問卷728 份,運(yùn)動(dòng)員問卷250 份。選用α 信度系數(shù)計(jì)算、取樣適切性量數(shù)檢驗(yàn)與因素分析對(duì)問卷進(jìn)行信度效度檢驗(yàn),問卷滿足要求。
1.2.1 靜坐人群風(fēng)速與吹風(fēng)舒適性回歸模型
采用類似溫度頻率法(Bin 法)[6],按照一定間隔將風(fēng)速的變化范圍分為若干風(fēng)速區(qū)間,以每一風(fēng)速區(qū)間的中心風(fēng)速作為自變量,人體吹風(fēng)舒適感投票的平均值(MCSV)作為因變量,建構(gòu)觀眾平均吹風(fēng)感與風(fēng)速回歸模型(圖1)。
1 觀眾平均吹風(fēng)感與風(fēng)速回歸模型
冬季人體靜坐狀態(tài)吹風(fēng)舒適感平均投票值與風(fēng)速的擬合系數(shù)R2=0.696,表明回歸模型擬合優(yōu)度較好。從利于空氣污染擴(kuò)散角度,1m/s 可作足球場(chǎng)風(fēng)速的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)[3]。由觀眾平均吹風(fēng)感與風(fēng)速回歸模型可知,在冬季室外環(huán)境中當(dāng)MCSV=0時(shí),中性風(fēng)速為1.59m/s;當(dāng)0.8m/s<v≤2.5m/s時(shí),人體吹風(fēng)感舒適度最好;當(dāng)0 <v ≤0.80m/s 時(shí),人體舒適度較好;當(dāng) 2.5 <v ≤4.4m/s 時(shí),長時(shí)間戶外活動(dòng)不會(huì)受到太大影響;而當(dāng)v >4.4m/s,人們難以在室外進(jìn)行長時(shí)間活動(dòng)。本文基于調(diào)研實(shí)證及回歸模型構(gòu)建我國寒地寒冷賽季室外觀眾吹風(fēng)舒適度評(píng)價(jià)建議指標(biāo)(表1),既考量了現(xiàn)場(chǎng)觀眾的實(shí)際感受,又是對(duì)戶外休息區(qū)冬季風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)的精細(xì)化界定[7]。
表1 我國寒冷地區(qū)冬季室外觀眾吹風(fēng)舒適度評(píng)價(jià)建議指標(biāo)
1.2.2 運(yùn)動(dòng)人群風(fēng)速與吹風(fēng)舒適性回歸模型
運(yùn)用相同的方法建立運(yùn)動(dòng)人群的平均吹風(fēng)感與風(fēng)速回歸模型(圖2),進(jìn)而建構(gòu)我國寒地寒冷賽季運(yùn)動(dòng)人群吹風(fēng)感受舒適度評(píng)價(jià)建議指標(biāo)(表2)。
2 運(yùn)動(dòng)員平均吹風(fēng)感與風(fēng)速回歸模型
表2 我國寒冷地區(qū)冬季室外運(yùn)動(dòng)人群吹風(fēng)舒適度評(píng)價(jià)建議指標(biāo)
綜合分析法采用定性與定量相結(jié)合,考量各指標(biāo)對(duì)結(jié)果的影響,避免主觀隨意性[8],因此本文選取多因素綜合評(píng)價(jià)法對(duì)專業(yè)足球場(chǎng)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]。首先采用極差標(biāo)準(zhǔn)化[10]對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,并通過變異系數(shù)法[11]確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,然后將各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值加權(quán)求和,得出風(fēng)環(huán)境綜合指數(shù),數(shù)值越大則風(fēng)環(huán)境性能越優(yōu)。
2.1.1 確立建筑模型
根據(jù)足球市場(chǎng)容量發(fā)展概況和中超聯(lián)賽年平均上座率統(tǒng)計(jì)[12],本文將研究對(duì)象設(shè)定為約30,000 座的中型專業(yè)足球場(chǎng);基于既有106 座足球場(chǎng)案例調(diào)研,以平面形態(tài)為分類方式(圖3),方形倒圓角和四面貫通坐席具有明顯數(shù)量優(yōu)勢(shì)(圖4)。因此本文以雙層、四面貫通坐席的方形倒圓角足球場(chǎng)形態(tài)作為理想模型,長軸為南北向布置。
3 足球場(chǎng)平面形態(tài)比例
4 足球場(chǎng)坐席布置比例
(1)頂界面形態(tài)的分類:本文以直面罩棚的坡度為劃分標(biāo)準(zhǔn)(圖5),分為3 類:上傾15°、平直0°、下傾-15°罩棚[13]。在連接處界面形式上,分為橫向、豎向劃分設(shè)置通風(fēng)口兩種方式。在連接處界面的通透率上(圖6),分別設(shè)置為100%、50%和20%(表3)。
5 罩棚剖面形態(tài)比例
6 頂界面與坐席連接處通透性比例
表3 頂界面形態(tài)的組合物理模型
(2)側(cè)界面形態(tài)的分類:將側(cè)界面形式分為兩段式、橫向分割式和縱向分割式;對(duì)側(cè)界面空隙率設(shè)定為100%、50%和20%,其中通透率100%指僅用柱子支撐無實(shí)體界面(表4)。
表4 側(cè)界面形態(tài)的組合物理模型
(3)內(nèi)界面形態(tài)的分類:足球場(chǎng)坐席界面開口方式分為利用各層坐席區(qū)之間的出入口、坐席縱向疏散口以及各層坐席下部開口3 種?;趯?duì)既有足球場(chǎng)案例的調(diào)研,本文以坐席開口數(shù)量作為變量,將內(nèi)界面通透率分別設(shè)定為4%、8%、12%、16%和20%(表5)。
表5 內(nèi)界面形態(tài)的物理模型
2.1.2 確定計(jì)算域模型
參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[14-15]的上限值,采用計(jì)算域尺寸為900m×1100m×270m,此時(shí)阻塞率為2.9%,滿足小于3%的要求。
2.2.1 網(wǎng)格劃分
綜合考慮初始化時(shí)間、計(jì)算花費(fèi)及數(shù)值耗散等因素,本文采用ICEM 軟件及混合網(wǎng)格生成法進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)量約為427 萬。
2.2.2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)
在數(shù)值模擬時(shí)均需進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn),當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加對(duì)模擬結(jié)果影響可以忽略不計(jì)時(shí),網(wǎng)格無關(guān)性則滿足要求。本研究通過3 種網(wǎng)格尺寸及數(shù)量模型的對(duì)比以選擇更適合的網(wǎng)格模型(表6、7)。3 組方案計(jì)算所得風(fēng)場(chǎng)總體趨勢(shì)一致。隨著網(wǎng)格高度的不斷減小,網(wǎng)格總數(shù)不斷增加,3 組方案的計(jì)算結(jié)果基本一致,則證明了網(wǎng)格無關(guān)性的要求。考慮到計(jì)算時(shí)間等原因,本文最終選擇網(wǎng)格方案2 來進(jìn)行CFD模擬試驗(yàn)。
表6 不同網(wǎng)格尺寸及數(shù)量對(duì)比
2.2.3 邊界條件設(shè)置
基于雷諾平均RANS 方法的Realizable k-ε 模型作為本研究的理論基礎(chǔ),采取基于壓力基求解器、有限容積法(FVM)的SIMPLE 算法來對(duì)足球場(chǎng)湍流問題進(jìn)行求解。本文研究對(duì)象屬于低溫室外環(huán)境,因此在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),計(jì)算域入口設(shè)置為速度入口,出流邊界條件為壓力出口,模型中的專業(yè)足球場(chǎng)座席、罩棚和側(cè)界面部分均設(shè)置為壁面,將零厚度數(shù)值參考面設(shè)置為內(nèi)部界面(圖7)。
7 計(jì)算域及邊界條件設(shè)置圖示
2.2.4 確定來流風(fēng)速
基于我國寒地城市寒冷賽季月份每日15:00–20:00 的平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、陣風(fēng)風(fēng)速范圍、盛行風(fēng)向及較高風(fēng)速對(duì)應(yīng)最多風(fēng)向頻率的調(diào)研分析,將初始來流風(fēng)速設(shè)置為4.0m/s、7.0m/s、10.0m/s、13.0m/s 和15.0m/s,擬定北偏西45°風(fēng)向[16]作為初始風(fēng)向進(jìn)行基于Fluent 的模擬實(shí)驗(yàn)。
分別將各組模擬的風(fēng)速均值、風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差、舒適風(fēng)速、強(qiáng)滯風(fēng)區(qū)面積比率各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)用“響應(yīng)面建模法”的“多項(xiàng)式回歸法”進(jìn)行擬合,綜合分析所得的來流風(fēng)速臨界值(圖8),選擇最小值10.5m/s為本研究的來流風(fēng)速。
8 來流風(fēng)速與各評(píng)價(jià)指標(biāo)擬合分析
2.2.5 確定來流風(fēng)向
以主導(dǎo)風(fēng)向與體育場(chǎng)長軸的交角度數(shù)作為變量,分別為 0°、22.5°、45°、67.5°、90°,基于CFD模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合分析(圖9),本文最終選擇來流風(fēng)向?yàn)椴焕L(fēng)向占比最多的北偏西22.5°。
9 來流風(fēng)向與各評(píng)價(jià)指標(biāo)擬合分析
基于Fluent 2019 R3 平臺(tái)的正交試驗(yàn),分別得到各組耦合模型風(fēng)場(chǎng)云圖(表8-10),進(jìn)而通過因子量化和加權(quán)綜合得到各組模型風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)評(píng)分值(表11、12)。
表7 不同網(wǎng)格方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比
表8 頂界面各組耦合模型風(fēng)場(chǎng)云圖
表9 側(cè)界面各組耦合模型風(fēng)場(chǎng)云圖
表10 內(nèi)界面各組耦合模型風(fēng)場(chǎng)云圖
3.1.1 以罩棚下傾角度為單變量的模擬分析
根據(jù)罩棚剖面形態(tài)對(duì)足球場(chǎng)風(fēng)環(huán)境影響的分析(表11),下傾罩棚的風(fēng)環(huán)境性能表現(xiàn)最優(yōu)。進(jìn)而將罩棚下傾角度分為5°、10°、15°、20°、25°、30°作為單一變量進(jìn)行模擬。從不同下傾角度的各組模型風(fēng)環(huán)境綜合評(píng)分值擬合函數(shù)曲線看出(圖10),罩棚下傾角度和風(fēng)環(huán)境綜合評(píng)分值呈明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。
10 下傾角度的風(fēng)環(huán)境綜合評(píng)分值對(duì)比
表11 頂界面各組耦合模型的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)統(tǒng)計(jì)
3.1.2 以罩棚與坐席連接處通透率為單變量的模擬分析
從罩棚與坐席連接處通透率角度看,各組模型的風(fēng)環(huán)境性能順序依次為:在平直罩棚下,全開敞>20%>50%;在上傾罩棚下,20%>全開敞>50%;在下傾罩棚下,50%>20%>全開敞。由于耦合變量的影響,該組模擬無法得出側(cè)界面通透率對(duì)足球場(chǎng)風(fēng)環(huán)境的影響規(guī)律。為探討坐席與罩棚連接處通透率的變化對(duì)研究區(qū)域風(fēng)環(huán)境的影響,進(jìn)一步將連接處通透率作為單一變量,細(xì)分為0%、20%、40%、60%、80%、100%進(jìn)行模擬。從擬合函數(shù)曲線看出(圖11),罩棚與坐席連接處通透率和風(fēng)環(huán)境質(zhì)量擬合曲線近似于3 次多項(xiàng)式,罩棚與坐席連接處全開敞時(shí)風(fēng)環(huán)境性能表現(xiàn)最優(yōu)。
11 不同通透率的風(fēng)環(huán)境綜合評(píng)分值對(duì)比
3.2.1 以側(cè)界面形式為變量的模擬分析
各組模型風(fēng)環(huán)境性能表現(xiàn)順序?yàn)椋簜?cè)界面通透率100%時(shí),橫向分割式>兩段式>縱向分割式;通透率為50%時(shí),縱向分割式>橫向分割式>兩段式;通透率為20%時(shí),兩段式>縱向分割式>橫向分割式(表12)。
表12 側(cè)界面各組耦合模型的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)統(tǒng)計(jì)
3.2.2 以側(cè)界面通透率為單變量的模擬分析
由于耦合變量的影響,單純以側(cè)界面劃分形式的模擬分析無法得出側(cè)界面通透率對(duì)足球場(chǎng)風(fēng)環(huán)境的影響規(guī)律。進(jìn)一步將側(cè)界面通透率作為單一變量,細(xì)分為5 組:10%、30%、50%、70%、90%進(jìn)行模擬。從擬合曲線看出(圖12),側(cè)界面通透率和風(fēng)環(huán)境綜合質(zhì)量的關(guān)系近似于3 次多項(xiàng)式函數(shù),側(cè)界面通透率為20%時(shí)所營造的風(fēng)環(huán)境質(zhì)量最優(yōu)。
12 側(cè)界面通透率的風(fēng)環(huán)境綜合評(píng)分值
從內(nèi)界面形態(tài)的各組耦合模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合曲線看出(圖13),內(nèi)界面通透率和風(fēng)環(huán)境綜合評(píng)分值呈明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,即內(nèi)界面通透率越大所營造的風(fēng)環(huán)境質(zhì)量越差。
13 內(nèi)界面通透率的風(fēng)環(huán)境綜合評(píng)分值
基于模擬實(shí)驗(yàn)分析,專業(yè)足球場(chǎng)界面形態(tài)與風(fēng)環(huán)境性能互為表里、互攝互涵、相生相成(圖14)。在特定的外部風(fēng)場(chǎng)條件下,界面形態(tài)通過具體的頂界面、側(cè)界面和內(nèi)界面組合直接左右了球場(chǎng)風(fēng)環(huán)境分布狀態(tài),此時(shí)風(fēng)環(huán)境性能呈現(xiàn)為界面形態(tài)映射的函數(shù);另一方面,風(fēng)環(huán)境性能在相當(dāng)程度上反饋進(jìn)而影響足球場(chǎng)建筑形態(tài)的優(yōu)化,此時(shí)建筑形態(tài)相變?yōu)轱L(fēng)環(huán)境性能的因變量。因此以適宜風(fēng)環(huán)境為導(dǎo)向的界面形態(tài)優(yōu)化成為專業(yè)足球場(chǎng)建筑形態(tài)生成的邏輯依據(jù)。
14 專業(yè)足球場(chǎng)界面形態(tài)與風(fēng)環(huán)境的耦合關(guān)系模型
4.2.1 罩棚剖面形態(tài)
寒冷地區(qū)專業(yè)足球場(chǎng)建議使用下傾罩棚,罩棚下傾角度不宜超過15°。目前歐洲頂級(jí)聯(lián)賽球場(chǎng)如法國尼斯足球場(chǎng)(圖15a)、巴塞爾圣雅各布公園球場(chǎng)(圖15b)等均使用了直面下傾罩棚,既營造出良好的足球場(chǎng)風(fēng)環(huán)境,又提供了聚攏聲音的觀賽氛圍。
4.2.2 罩棚與坐席連接處界面
專業(yè)足球場(chǎng)罩棚與坐席連接處宜使用全開敞連接方式,非全封閉連接時(shí)宜采用豎向劃分形式。對(duì)于已建成且罩棚與坐席間間距較大的球場(chǎng),建議根據(jù)當(dāng)季主導(dǎo)風(fēng)向增設(shè)豎向?qū)эL(fēng)板或擋風(fēng)板等氣動(dòng)設(shè)施。在應(yīng)對(duì)冬、夏季節(jié)對(duì)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)環(huán)境需求不同的矛盾時(shí),可設(shè)計(jì)可開啟窗扇高效的控制球場(chǎng)內(nèi)部的進(jìn)風(fēng)量。首爾世界杯球場(chǎng)(圖16a)、倫敦酋長球場(chǎng)(圖16b)等在座席頂端均采用了全開敞連接的方式,以形成適宜的場(chǎng)內(nèi)風(fēng)環(huán)境。
16 全開敞式界面連接專業(yè)足球場(chǎng)
寒冷地區(qū)專業(yè)足球場(chǎng)側(cè)界面宜選用低空隙率(20%)表皮,外表皮設(shè)計(jì)成可開合圍護(hù)界面,并根據(jù)實(shí)際工況結(jié)合模擬形成在地化的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)。運(yùn)用參數(shù)化手段合理控制足球場(chǎng)界面上的洞口數(shù)量及面積,實(shí)現(xiàn)最佳通透率組合,保證適宜的球場(chǎng)風(fēng)環(huán)境。如都柏林英杰華足球場(chǎng)(圖17)運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)營造出了舒適的場(chǎng)內(nèi)風(fēng)環(huán)境。
17 都柏林英杰華足球場(chǎng),引自參考文獻(xiàn)[17]
寒地專業(yè)足球場(chǎng)宜采用貫通坐席排布,當(dāng)必須做分段式坐席時(shí)分段數(shù)目不宜過多,可根據(jù)主導(dǎo)風(fēng)向在各層坐席下部布置開敞洞口以調(diào)節(jié)場(chǎng)內(nèi)通風(fēng)。德國科隆球場(chǎng)(圖18a)、法蘭克福球場(chǎng)(圖18b)都采用了結(jié)合坐席層間的包廂層局部或間隔布置開敞洞口的通風(fēng)形式;意大利巴里的圣尼古拉球場(chǎng)(圖18c)的環(huán)形坐席由水平間距8m 的26 片“花瓣”組成,既將場(chǎng)內(nèi)外風(fēng)場(chǎng)和景觀良性聯(lián)通提高使用者的健康舒適度,又保證了疏散安全性。
18 專業(yè)足球場(chǎng)內(nèi)界面形式
專業(yè)足球場(chǎng)賽場(chǎng)環(huán)境的塑造涉及功能流線、結(jié)構(gòu)選型、體育工藝、視線疏散等諸多方面,健康適宜的風(fēng)環(huán)境是其內(nèi)涵式發(fā)展階段不可或缺的重要目標(biāo)。本研究基于實(shí)測(cè)調(diào)研制定了適用于寒冷地區(qū)觀眾及運(yùn)動(dòng)員的室外活動(dòng)舒適風(fēng)速指標(biāo),并進(jìn)一步建構(gòu)出了專業(yè)足球場(chǎng)風(fēng)環(huán)境的評(píng)價(jià)方法;運(yùn)用數(shù)值模擬方法揭示出風(fēng)環(huán)境與界面形態(tài)之間的耦合機(jī)制,為寒地專業(yè)足球場(chǎng)科學(xué)化設(shè)計(jì)提供了循證支持;基于案例模擬實(shí)證研究,從觀賽和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)風(fēng)舒適耦合角度提出寒地專業(yè)足球場(chǎng)界面形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略,以期推動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)踐的精細(xì)化發(fā)展?!?/p>