■趙 巖 ZHAO Yan 高 昊 GAO Hao 湯朔寧 TANG Shuoning

0 引言

隨著國家對社區(qū)體育運(yùn)動(dòng)的高度重視和發(fā)展，上海通過多年努力構(gòu)建起發(fā)達(dá)的社區(qū)體育設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，與此同時(shí)，社區(qū)體育館的健康發(fā)展作為一項(xiàng)重要議題被提上日程。體育館具有規(guī)模大、空間大的特征，空間容積所消耗的能量遠(yuǎn)大于其他建筑類型。而體育館最重要的內(nèi)場空間消耗的能量是其中最主要的部分，常規(guī)的主動(dòng)式調(diào)節(jié)系統(tǒng)對資源造成了巨大浪費(fèi)。同時(shí)，我國新建社區(qū)體育館功能已經(jīng)從原來的以競技比賽為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀窠∩頌橹?，場館使用時(shí)間增長，工藝要求相對降低，自然通風(fēng)的可能性和需求變得越來越大。上海地區(qū)處于我國亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，其風(fēng)壓通風(fēng)作用從三月持續(xù)到十一月，作用時(shí)間持續(xù)2/3 以上[1]，為被動(dòng)式通風(fēng)提供了良好的氣候條件。

1 影響社區(qū)體育館內(nèi)場風(fēng)環(huán)境的主要因素

限定社區(qū)體育館內(nèi)場的界面按照物理性可分為底界面、側(cè)界面、頂界面三個(gè)部分[2]，而在建筑設(shè)計(jì)過程中，會(huì)將此三個(gè)部分轉(zhuǎn)化為比賽場地、看臺(tái)、墻面和天花等設(shè)計(jì)因素進(jìn)行綜合考慮。筆者搜集整理了上海最具代表性的30 個(gè)社區(qū)體育館（圖1）的基本資料(上海社區(qū)體育官網(wǎng))，從建筑設(shè)計(jì)角度總結(jié)得出社區(qū)體育館內(nèi)場界面的主要構(gòu)成因素類型，同時(shí)，結(jié)合案例調(diào)研總結(jié)歸納出各主要構(gòu)成因素的五個(gè)常規(guī)水平（表1）。

圖1 上海部分社區(qū)體育館分布圖

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞崛〖皡?shù)設(shè)置

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞崛?/h3>

通過對案例的進(jìn)一步調(diào)研分析，進(jìn)行歸納及合理簡化來提取模擬實(shí)驗(yàn)的抽象模型。模擬原型：調(diào)研結(jié)果顯示上海社區(qū)體育館規(guī)模以中型為主，非賽時(shí)主要健身項(xiàng)目為羽毛球，該類場地占總場地布置數(shù)量的92.6%。因此，相關(guān)研究者[3]以羽毛球場地尺寸為基本模數(shù)，結(jié)合公共體育場館所規(guī)定的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化后得出社區(qū)體育館比賽場地為44m×24.5m 時(shí)使用效率最高，本實(shí)驗(yàn)將此定為場地尺寸。坐席規(guī)模：問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)社區(qū)體育館日常中有基本的賽事需求，但不會(huì)超過中型體育館要求的最多容納6000 人同時(shí)觀看比賽的規(guī)模，實(shí)驗(yàn)將此作為定量，以內(nèi)場平面形狀、看臺(tái)圍合方式、頂界面形態(tài)、開窗占地比為變量，開窗方式采用常見的平置式中懸窗建立實(shí)驗(yàn)?zāi)割}（圖2）。在此基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)方法[4]，從表1 歸納的四因素五水平所組合的54=625 種實(shí)驗(yàn)對象中按照正交原則選擇得到25 種不同組合（表2）作為實(shí)驗(yàn)對象。需要強(qiáng)調(diào)的是，相比較全面的實(shí)驗(yàn)方法所需的樣本，采用科學(xué)的正交試驗(yàn)法得到的樣本數(shù)量只占原來的1/25，大大縮減了工作量，且所選擇的點(diǎn)分散均勻、齊整，具有可比性，這也使本次實(shí)驗(yàn)在相關(guān)研究領(lǐng)域具有了一定的優(yōu)勢和突破。實(shí)驗(yàn)前的最后一項(xiàng)工作為在前述基礎(chǔ)上建立三維模型，在此不再贅述。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得25 種不同組合

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ推拭媸疽鈭D

表1 社區(qū)體育館內(nèi)場界面的主要構(gòu)成因素類型及水平

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2.2.1 基本參數(shù)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)計(jì)算域范圍為700m×400m×60m，采用多面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，整體網(wǎng)格最小尺寸為0.3m，最大尺寸為8m，網(wǎng)格增長率為1.2。

本實(shí)驗(yàn)研究對象屬于鈍體繞流，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型及非平衡壁面函數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，其邊界條件是大氣，上海地區(qū)過渡季平均風(fēng)速為3.4m/s[5]，體育館地面密度n定為0.5，為均勻沙粒表面[6]。模擬的入口邊界風(fēng)速為梯度風(fēng)，標(biāo)準(zhǔn)壓力采用大氣壓，其表達(dá)式為：u/u1=（z/z1）n，其中，z1表示參考高度，u1表示參考高度處的風(fēng)速，z表示流域中某一參照點(diǎn)的高度，u表示這一參照點(diǎn)的平均風(fēng)速，選取z1=10m，u1=3.4m/s。此外，模擬的計(jì)算出風(fēng)口為自由出風(fēng)，側(cè)面定為對稱邊界[7]。外界風(fēng)在垂直于體育館長軸方向流入場館。

2.2.2 評價(jià)指標(biāo)確立

目前，對于室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的評價(jià)指標(biāo)主要包括風(fēng)速達(dá)標(biāo)比和空氣齡達(dá)標(biāo)比[8]。對于全民健身型體育館而言，對風(fēng)速指標(biāo)的考慮需結(jié)合賽時(shí)要求及非賽時(shí)的人體舒適度來進(jìn)行?！督ㄖL(fēng)效果測試與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ309T—2013）第3.2.6 條第2點(diǎn)規(guī)定：“自然通風(fēng)室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)空氣流速應(yīng)在0.3～0.8m/s 之間。”《體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ31—2003）規(guī)定：“乒乓球項(xiàng)目賽時(shí)3m以下比賽場地風(fēng)速不得大于0.2m/s，羽毛球項(xiàng)目賽時(shí)9m 以下比賽場地風(fēng)速不得大于0.2m/s”[9]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合以上幾點(diǎn)考慮，兼顧賽時(shí)和非賽時(shí)最佳風(fēng)速要求范圍，選擇0.2m/s（乒乓球和羽毛球要求的風(fēng)速最高值）～0.8m/s 范圍作為風(fēng)速評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。此外，目前國內(nèi)外還沒有對室內(nèi)空氣齡大小做出明確的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在參考文獻(xiàn)[10]中，作者對某大型空間的室內(nèi)自然通風(fēng)進(jìn)行研究和模擬分析，得出空氣齡為506s 時(shí)，室內(nèi)自然通風(fēng)達(dá)到最佳效果。本實(shí)驗(yàn)以此為依據(jù)確定空氣齡標(biāo)準(zhǔn)為500s。

2.2.3 樣本截面選取

本實(shí)驗(yàn)以人員活動(dòng)區(qū)為主要考察范圍，選取三個(gè)水平截面作為考察樣本，1.5m 高度水平截面主要反映比賽場地區(qū)風(fēng)環(huán)境情況、5m 和11m高度水平截面主要反映觀眾席區(qū)的風(fēng)環(huán)境情況（圖3）。

圖3 實(shí)驗(yàn)樣本截面選取示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算及分析

3.1 量化方法

實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理采取量化計(jì)算法[11]，按照評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選取的合理數(shù)值范圍，對各截面進(jìn)行像素法[12]處理，得到體育館內(nèi)場范圍內(nèi)風(fēng)環(huán)境達(dá)標(biāo)比，然后采用單指標(biāo)分析法，先計(jì)算Ki值（Ki值為某一影響因素同一水平計(jì)算結(jié)果之和的平均值[13]）及極差R值（R值表示某一因素不同水平之間的變化幅度），以此判斷各因素的影響力度，之后采用綜合分析法[14]對風(fēng)速和空氣齡指標(biāo)進(jìn)行綜合評分，得出整體影響效果。

（1）由于篇幅有限，以樣本18的1.5m 水平截面樣本為例，來說明量化操作具體步驟。首先，將模擬結(jié)果標(biāo)量場的顯示結(jié)果進(jìn)行修改，只顯示達(dá)標(biāo)區(qū)域，隨后，通過計(jì)算原始云圖區(qū)域總像素與達(dá)標(biāo)區(qū)域的像素，得出達(dá)標(biāo)百分比（表3）。

（2）采用上述方法得到25 種樣本1.5m 高水平截面的風(fēng)速和空氣齡達(dá)標(biāo)比（表4）。

（3）計(jì)算Ki值，以因素A（內(nèi)場平面形狀）的風(fēng)速達(dá)標(biāo)K1值為例：由表2 可知，反映此值的是樣本1、2、3、4、5，則從表4 中提取對應(yīng)數(shù)值進(jìn)行計(jì)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值為基礎(chǔ)計(jì)算極差R值，以因素A 的風(fēng)速R值為例，對于因素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 種樣本1.5 m 高水平截面風(fēng)速和空氣齡達(dá)標(biāo)比

至此，量化工作部分基本完成，其他樣本及其截面的量化工作與上述步驟一致，由于篇幅有限，在此不再贅述。

3.2 1.5 m 高水平截面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 影響力度

從風(fēng)速和空氣齡的Ki值與R值（表5）可以發(fā)現(xiàn)，不同因素對于風(fēng)速和空氣齡的影響力度差異較大。對于風(fēng)速指標(biāo)，四種因素的極差范圍為24.47%～52.29%，其中，因素D出現(xiàn)最大極差，因素A 極差最?。粚τ诳諝恺g指標(biāo)，四種因素的極差范圍為25.64%～66.66%，其中，因素D 出現(xiàn)最大極差，因素B 極差最小。因此，四種因素對內(nèi)場比賽場地區(qū)風(fēng)速影響力度為因素D ＞因素C ＞因素B ＞因素A，對其空氣齡影響力度為因素D ＞因素A ＞因素C ＞因素B。隨后，對風(fēng)速和空氣齡進(jìn)行綜合分析（圖4）可知，影響體育館內(nèi)場比賽場地區(qū)風(fēng)速和空氣齡最大的均為因素D，其影響力度遠(yuǎn)大于其他因素。其次是因素C 和因素B，最后是因素A。此外，考慮到內(nèi)場場地區(qū)對于風(fēng)速要求較高，且從趨勢上可知，除因素D外，其余因素對空氣齡的影響力度絕對值差異較小。

圖4 1.5 m 高水平截面風(fēng)速和空氣齡綜合分析圖

表5 1.5 m 高水平截面風(fēng)速和空氣齡Ki 值與R 值

因此，在設(shè)計(jì)之初，宜著重考慮對風(fēng)速的影響力度，考慮順序?yàn)橐蛩谼 ＞因素C ＞因素B ＞因素A，即開窗占地比＞頂界面形態(tài)＞看臺(tái)圍合方式＞內(nèi)場平面形狀。

3.2.2 最優(yōu)值或最優(yōu)范圍

以各因素水平K值為橫坐標(biāo)，達(dá)標(biāo)比例為縱坐標(biāo)，得到各因素不同水平影響下的趨勢圖（圖5）。由其波動(dòng)規(guī)律可知：首先，當(dāng)開窗占地比小于10.8%時(shí)，風(fēng)速達(dá)標(biāo)比例達(dá)到60%以上，因此，比賽場地區(qū)開窗占地比不宜大于10.8%，如果適度考慮空氣齡，開窗占地比在7.2%左右最佳；其次，上凸型頂界面對比賽場地風(fēng)速的提升效果較明顯，且從變化趨勢看，沿著風(fēng)方向形態(tài)升高有利于通風(fēng)，水平型頂界面通風(fēng)效果最差；再次，無看臺(tái)以及U 型看臺(tái)對比賽場地區(qū)風(fēng)速提升效果明顯，但無明確規(guī)律可循；此外，方形平面對通風(fēng)提升效果最佳，從變化趨勢看，各方向趨于對稱有利于通風(fēng)，如正六邊形和圓形。

圖5 1.5 m 高水平截面各因素不同K 值達(dá)標(biāo)比趨勢圖

3.3 5 m 高水平截面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 影響力度

從風(fēng)速和空氣齡的Ki值與R值（表6）可知，在5m 高水平截面上，四種因素影響下風(fēng)速達(dá)標(biāo)比的極差范圍為13.18%～33.64%，其中，因素D 極差最大，因素A 極差最??；空氣齡達(dá)標(biāo)比的極差范圍為11.00%～66.60%，因素D極差最大，因素B 極差最小。因此，四種因素對風(fēng)速的影響力度順序?yàn)橐蛩谼 ＞因素C ＞因素B ＞因素A，對空氣齡的影響力度順序?yàn)橐蛩谼 ＞因素A ＞因素C ＞因素B。之后進(jìn)行綜合分析（圖6）可知，在5m 高水平截面上，因素D 對空氣齡的影響比較大，其他因素比較??；對于風(fēng)速的影響規(guī)律與比賽場地區(qū)一致。

圖6 5 m 高水平截面風(fēng)速和空氣齡綜合分析圖

表6 5 m 高水平截面風(fēng)速和空氣齡Ki 值與R 值

綜上，各因素綜合影響力度順序?yàn)橐蛩谼 ＞因素C ＞因素B ＞因素A，即開窗占地比＞頂界面形態(tài)＞看臺(tái)圍合方式＞內(nèi)場平面形狀。

3.3.2 最優(yōu)值或最優(yōu)范圍

以各因素水平K值為橫坐標(biāo)，達(dá)標(biāo)比例為縱坐標(biāo)，得到各因素不同水平影響下的趨勢圖（圖7）。由趨勢圖可以看出，開窗占地比對風(fēng)速和空氣齡的綜合影響變化幅度不大，最佳范圍在7.2%～10.8%之間，與1.5m高水平截面所代表的比賽場地區(qū)情況略有差別；頂界面不同形態(tài)對于風(fēng)速和空氣齡的綜合影響差異較大，傾斜（反吹）的效果最差，上凸型效果最佳，從變化趨勢看，沿著風(fēng)方向形態(tài)升高有利于通風(fēng)，與比賽場地區(qū)規(guī)律一致；而U 型看臺(tái)對于場地風(fēng)環(huán)境提升效果顯著；方形和圓形平面對風(fēng)環(huán)境提升效果優(yōu)于其他，從變化趨勢來看，各方向趨于對稱度高有利于通風(fēng)。

圖7 5 m 高水平截面各因素不同K 值達(dá)標(biāo)比趨勢圖

3.4 11 m 高水平截面實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.4.1 影響力度

從風(fēng)速和空氣齡的Ki值與R值（表7）可知，在11m 高水平截面上，因素D 對空氣齡的影響效果變化幅度劇烈，其余總體情況與5m 高水平截面情況一致，在此不再贅述。而從綜合分析圖（圖8）可知，其他三個(gè)因素對風(fēng)速和空氣齡的綜合影響差異較小，且與因素D 對風(fēng)速和空氣齡的綜合影響力度有較大差距。因此，設(shè)計(jì)階段宜首先考慮因素D，即開窗占地比，再考慮其他因素。

圖8 11 m 高水平截面風(fēng)速和空氣齡綜合分析圖

表7 11 m 高水平截面風(fēng)速和空氣齡Ki 值與R 值

3.4.2 最優(yōu)值或最優(yōu)范圍

以各因素水平K值為橫坐標(biāo)，達(dá)標(biāo)比例為縱坐標(biāo)，得到各因素不同水平影響下的趨勢圖（圖9）。由趨勢圖可以看出，開窗占地比對風(fēng)速和空氣齡的綜合影響變化幅度較大，最佳范圍在10.8%～18%之間，與1.5m 高水平截面代表的比賽場地區(qū)影響狀況有很大不同；頂界面傾斜（反吹）形態(tài)的通風(fēng)效果最差，上凸型效果最佳，從變化趨勢看，沿著風(fēng)方向形態(tài)升高有利于通風(fēng)；而U 型看臺(tái)對風(fēng)環(huán)境綜合提升效果變?yōu)樽畈?，與5m 高水平截面所代表的下部觀眾席區(qū)的情況相反；橢圓形和矩形平面對風(fēng)環(huán)境提升效果優(yōu)于其他，從變化趨勢來看，長短邊相差比較大的矩形和橢圓形平面有利于通風(fēng)，與1.5m 高水平截面代表的比賽場地區(qū)情況相反。

圖9 11 m 高水平截面各因素不同K 值達(dá)標(biāo)比趨勢圖

4 社區(qū)體育館內(nèi)場設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

4.1 設(shè)計(jì)優(yōu)先級

對于社區(qū)體育館整個(gè)內(nèi)場（包括比賽場地區(qū)和觀眾席區(qū)），四個(gè)主要設(shè)計(jì)因素對其通風(fēng)影響力度的順序均為開窗占地比＞頂界面形態(tài)＞看臺(tái)圍合方式＞內(nèi)場平面形狀。因此，在進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮以以上優(yōu)先級順序?yàn)榛A(chǔ)，結(jié)合社區(qū)體育館的功能、空間及造型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 開窗占地比

從比賽場地區(qū)到觀眾席區(qū)具有不同的最佳范圍，總體規(guī)律為：隨著高度的增加，開窗占地比適度增大有利于提高內(nèi)場整體通風(fēng)效果。在本實(shí)驗(yàn)描述的條件下，比賽場地區(qū)開窗占地比建議值不宜大于10.8%，以7.2%左右為最佳；此外，觀眾席區(qū)對風(fēng)速的要求有所降低，建議開窗占地比范圍適度增大到7.2%～14.4%之間，再進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化確定。

4.3 頂界面形態(tài)

沿著空氣流動(dòng)方向形態(tài)升高有利于社區(qū)體育館內(nèi)場通風(fēng)，建議在設(shè)計(jì)之初，全面考察項(xiàng)目所在地的主導(dǎo)風(fēng)向，順勢進(jìn)行形態(tài)的升高，優(yōu)化內(nèi)場風(fēng)環(huán)境。典型案例參見杜勒斯國際機(jī)場等。

4.4 看臺(tái)圍合方式

社區(qū)體育館內(nèi)場比賽場地區(qū)看臺(tái)宜盡量采用無看臺(tái)或U 型看臺(tái)；看臺(tái)對觀眾席區(qū)通風(fēng)影響力度不明顯，建議在下部觀眾席區(qū)采用U 型看臺(tái)，上部觀眾席區(qū)采用無看臺(tái)或環(huán)形看臺(tái)。典型案例參見亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)游泳館、北京理工大學(xué)體育館等。

4.5 內(nèi)場平面形狀

內(nèi)場平面形狀對比賽場地區(qū)和觀眾席區(qū)的影響規(guī)律截然相反，下部宜采用方形、圓形等趨于對稱的平面形式，上部宜采用矩形、橢圓形等長寬比較大的形式，典型案例參見倫敦奧運(yùn)會(huì)自行車館等（圖10）。

圖10 倫敦奧運(yùn)會(huì)自行車館

5 結(jié)語

隨著社區(qū)體育館建設(shè)需求的不斷強(qiáng)化及人民群眾對于健康生活環(huán)境的更高需求，全民健身型體育館對被動(dòng)式通風(fēng)的要求也在不斷加強(qiáng)，對體育館自然通風(fēng)可行性與合理性的探索也勢必要經(jīng)歷更加漫長的過程。本實(shí)驗(yàn)在借助計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程，獲得了在多因素共同作用下社區(qū)體育館風(fēng)環(huán)境的影響機(jī)制，相比較以往單一因素影響下的研究，從理論上更加接近實(shí)際。希望能為上海社區(qū)全民健身型體育館的健康發(fā)展提供參考和借鑒。