李晉陽 黃勇 張龍巍 陳磐

隨著《全民健身綱要》的推行，各地全民健身中心大量興建，其大空間通風性能問題也逐漸引起建筑師的關注。作為建筑性能的主要研究要素之一，自然通風對于調節(jié)室內熱濕環(huán)境與空氣質量有著顯著的效果。利用設計手段優(yōu)化室內自然通風效率，不僅能夠改善室內環(huán)境舒適度，還可以降低能源消耗，從而達到節(jié)能減排的目的。這在當今倡導綠色低碳、節(jié)能減排的時代背景下，有著深遠的意義。

作為體育建筑的一個分支，全民健身中心室內空間對場地環(huán)境的要求沒有專業(yè)比賽場館那般苛刻，無需過度依賴中央空調系統(tǒng)，在提高了建筑對自然通風需求的同時也對通過優(yōu)化建筑形態(tài)改善室內通風效果提出了新的要求。目前，全民健身中心設計有著從單一功能走向復合功能的趨勢[1]，這就使得全民健身中心設計既要適應民眾體育活動多元化大空間設計的要求，也要應對多種空間組合形式帶來的室內自然通風問題。因此，開展全民健身中心的空間布局與自然通風性能的相關性研究十分必要。

1 國內外研究趨勢與本研究定位

1.1 室內通風性能研究聚焦于天井、中庭

既往有關建筑室內通風的研究多集中在辦公建筑和公共類建筑，且通常關注天井、中庭等豎向腔體對建筑通風的影響，而對建筑本體形態(tài)與空間布局關注不足。楊建坤等對中庭內熱環(huán)境進行研究，證明自然通風在過渡季節(jié)能有效改善室內熱環(huán)境[2]。李傳成等對武漢某教學樓中庭內環(huán)境進行測量，發(fā)現中庭垂直溫度梯度對自然通風影響很大，中庭外窗的充分開啟有利于夏季自然通風和節(jié)能[3]。李浩達對中庭的平面布局、剖面布局、組合中庭和環(huán)境設計等方面進行闡述，基于通風效果根據具體問題提出一系列相對完善的中庭空間設計策略[4]。以上文獻就腔體植入對室內風環(huán)境的影響進行了研究，證明了腔體對室內通風的有利影響，但這些研究均是通過腔體植入來實現通風性能的優(yōu)化，對于建筑本體設計要素對室內風環(huán)境的研究相對不足。

1.2 室內通風與空間布局相關研究不足

既有關于通風與空間布局的研究集多中于外部環(huán)境，如建筑形體、建筑間距、建筑群布局、城市街道等，而對建筑內部空間布局引發(fā)的室內風環(huán)境變化討論較少。丁勇等對重慶市部分建筑戶型室內通風環(huán)境舒適情況進行研究，發(fā)現通過改變建筑朝向和局部改變建筑布局設計可以顯著改善室內自然通風效果[5]。宋修教等對《建筑設計資料集》中辦公建筑、教學建筑等平面進行了歸納，針對平面空間劃分對建筑自然通風性能的影響進行了研究[6]。目前對于通過優(yōu)化室內空間形態(tài)或空間布局改善室內自然通風的研究取得了一定成果，空間布局對室內通風的改善作用也得到了驗證，但對不同功能類型、不同空間特點的建筑空間布局與通風性能的研究還相對不足。

1.3 研究定位

為了適應城市高密度環(huán)境以及城市居民對體育運動的需求，現代體育場館有著向高空發(fā)展的趨勢，因此對其標準層平面空間布局展開研究具有實際意義。鑒于體育場館功能的需求，優(yōu)化空間布局以及通風界面形態(tài)成為優(yōu)化室內通風性能的主要手段?；谝陨显?，本研究以寒地全民健身中心為研究對象，以“核心大空間+輔助小空間”的典型建筑空間特征為基礎，根據空間圍合特點構建基礎空間布局模式，選取合理的通風界面形態(tài)作為控制變量，模擬風壓驅動下空間布局與開口界面形態(tài)對室內通風的影響。

2 空間布局與風環(huán)境模擬參數設定

2.1 環(huán)境參數

本研究選取北方中部典型寒地城市沈陽的氣象環(huán)境數據作為模擬條件，針對北方寒地城市氣候下全民健身中心空間布局與自然通風性能的關系進行研究。使用LBT（Ladybug Tools）軟件對沈陽市氣象環(huán)境數據CSWD（Chinese Standard Weather Data）進行分析，假定室外干球溫度區(qū)間在18～28℃、相對濕度在80%以下，適宜采用自然通風進行室內溫濕度調節(jié)，數據顯示全年有6個月具備有條件利用自然通風改善室內溫濕度環(huán)境，其中主要時間段集中在春夏兩季。

利用軟件生成沈陽市春夏兩季風玫瑰圖（圖1)，春季主導風向為西南偏南風，平均溫度10.5℃，平均風速2.98m/s，最高風速12m/s；夏季主導風向為南風，平均溫度23.6℃，平均風速2.02m/s，最高風速7m/s。本研究以春夏兩季平均風速為模擬環(huán)境條件，設定距地面10m處的參考風速為2.5m/s，風向為正南風。

2.2 模型參數

調研發(fā)現，全民健身中心建筑在空間布局與空間尺度上針對民眾健身的使用需求均進行了優(yōu)化[7]。與傳統(tǒng)競技型體育館相比，全民健身中心省去了觀眾區(qū)，為多層空間層疊模式提供了更有利的自然通風與采光；與訓練型體育館相比，全民健身中心滿足了不同活動對場地空間的使用要求，加強了空間功能復合性和豐富性，使得內部空間布局更加自由。

在本研究中，我們將單層大空間圍繞布置輔助空間作為基準的空間布局形式，按照輔助空間圍合模式的差別，將全民健身中心分為單側布置、對側布置、L形布置和U形布置4種模式，進而探討不同空間模式下室內自然通風情況。根據既有研究對全民健身中心空間尺寸的建議[8]，設定實驗模型數據如下：主體大空間長、寬和高分別為60m、40m和12m，輔助空間進深12m，層高6m，將此條件與布局模式結合，確定8種空間布局模式的實驗模型（圖2)。同時，利用參數建模工具對建筑開口界面?zhèn)€數進行控制，開口界面占墻面比設定為0.15，輔助空間開口界面中心點間距為6m，大空間開口界面中心點間距設定為9.5m、9m、8m、7m、6m、5.5m、5m、4.5m共8種條件，對應界面開口個數為6至13個。

2.3 模擬參數

研究聚焦于不同建筑形態(tài)下室內風場情況，故忽略太陽輻射以及室內熱源對室內氣體流動的影響。研究基于建筑尺寸采用雷諾平均N—S方程組模型（RANS）進行計算求解，利用Grasshopper平臺Butterfly插件調用Open FOAM工具進行CFD模擬。為了反應真實的室內外流場情況，在模擬中引入外部計算域。參考建筑外部環(huán)境計算域的模擬要求，對計算域進行如下設置：設定建筑高度為H，建筑迎風面、頂面和兩側計算域為5H，建筑背風面計算域為10H（圖3）。在模擬計算中，為了優(yōu)化網格的準確性，對建筑表面及建筑內部空氣流動出入口進行網格加密處理，以此獲得較為準確的模擬結果[9]。

3 模擬結果與數據分析

3.1 單側布局模式

單側布局模式是最基礎的“大空間+輔助空間”平面布局模式，其布局方式根據輔助空間所處大空間的方位可細分為3種類型，即輔助空間位于單側迎風布局、單側背風布局、單側側風布局（圖2a—2c）。根據模擬結果繪制擬合曲線（圖4）和1.5m高度處界面開口數為10時3種類型布局的室內風速云圖（圖5）。

模擬結果顯示，室內最大風速與平均風速數值由高到低分別為背風布局、側風布局、迎風布局，其中迎風布局與背風布局相比，最大風速與平均風速降幅度均達26.8%，可見輔助空間布置位置對室內空間整體風環(huán)境有著較大影響。

3種布局模式下0.1～0.3m/s與0.3～0.5m/s風速區(qū)間占比均較高，室內空氣流動較為良好。其中，背風布局與側風布局的風速區(qū)間占比接近，均在32%左右，而迎風布局下0.1～0.3m/s舒適風速區(qū)間占比高達44.3%，遠高于0.3～0.5m/s風速區(qū)間的21.5%，此時室內風環(huán)境較為理想。

3種布局模式下室內風場存在較大差異。背風布局模式下，室外氣流直接流進大空間，此時室內窗口附近2m范圍形成高速分區(qū)。同時由于建筑進深變大，背風側輔助空間形成明顯穿堂風。側風布局模式下，大空間內氣體流通相對均勻，但輔助空間空氣流動性較差，形成較大范圍的靜風區(qū)。迎風布局模式下，大空間與輔助空間室內均形成穿堂風，空氣流場分布不均，室內風環(huán)境舒適性較差。

1 春季、夏季風玫瑰圖

2 空間布局模式

3 計算域設置

4 單側布局模式不同布局類型對通風的影響

3.1.1 背風布局模式

對不同界面開口個數下模擬結果繪制擬合曲線（圖6）。背風布局模式下，隨著界面開口個數的增加，最大風速呈上升趨勢，平均風速呈下降趨勢。斯皮爾曼相關系數分別為0.827和—0.959，可見背風布局模式下界面開口個數與室內最大風速以及平均風速有著緊密的聯系。隨著開口個數的增加，0.0～0.3m/s風速區(qū)間占比逐步增加，0.3～0.5m/s風速區(qū)間占比逐漸減小，室內0.1～0.3m/s、0.3～0.5m/s以及0.5～0.7m/s風速區(qū)段占比相對平均，室內通風性能較好。

3.1.2 側風布局模式

繪制不同界面開口個數模擬結果擬合曲線（圖7）。側風布局模式下，隨著界面開口個數的增加，最大風速與平均風速均呈下降趨勢。斯皮爾曼相關系數分別為—0.770和—0.161，可見最大風速與界面開口個數有著密切聯系，而平均風速與界面開口個數關系不大。隨著開口個數的增加，0.1～0.3m/s與0.3～0.5m/s風速區(qū)間均占較大比重，平均占比在32%左右，此時室內風環(huán)境較為良好。

3.1.3 迎風布局模式

繪制不同界面開口個數模擬結果擬合曲線（圖8）。迎風布局模式下，隨著界面開口個數的增加，最大風速與平均風速變化不大。斯皮爾曼相關系數分別為—0.112和—0.408，可見最大風速和平均風速與界面開口個數關系較弱。隨著開口個數的增加，0.1～0.3m/s風速區(qū)間始終占據較大比重，平均占比在43%左右，此時室內風環(huán)境較為穩(wěn)定。

5 背風布局、側風布局、迎風布局模式風速云圖

6 背風布局模式下界面開口個數對通風的影響

7 側風布局模式下界面開口個數對通風的影響

8 迎風布局模式下界面開口個數對通風的影響

9 對側布局模式下界面開口個數對通風的影響

3.2 對側布局模式

對側布局模式是兩側輔助空間布局類型中的特殊形式，可分為長邊對側布局與短邊對側布局。本研究考慮到大空間室內采光的要求，僅對短邊對側布局模式開展模擬研究（圖2d）。

根據模擬結果繪制擬合曲線（圖9）和1.5m高度室內風速云圖（圖10）。在對側布局模式下，隨著界面開口個數的增加，最大風速呈上升趨勢，平均風速呈下降趨勢。斯皮爾曼相關系數分別為0.627和—0.922，可見對側布局模式下界面開口個數與室內最大風速以及平均風速關系較為明顯，且向不同趨勢發(fā)展。此布局模式下0.3～0.5m/s風速區(qū)間占比略高于0.1～0.3m/s風速區(qū)間。隨著開口個數的增加，0.1～0.7m/s風速區(qū)間占比不斷提高，0.1m/s以下與0.7m/s以上風速區(qū)間占比不斷下降。

10 對側布局模式風速云圖

3.3 L形布局模式

L形布局模式是兩側輔助空間布局的常見形式，相較于對側布局L形布局能夠將輔助空間更好的集中，功能組織更加便利，但存在采光面相對較小，通風流暢度降低等問題。本研究將L形布局分為迎風L形布局與背風L形布局（圖2e,2f）。

根據模擬結果繪制擬合曲線（圖11）和1.5m高度室內風速云圖（圖12）。隨著界面開口個數的增加，背風L形布局最大風速呈上升趨勢，平均風速呈下降趨勢；迎風L形布局最大風速與平均風速變化不大。其模擬結果與單側布局下背風布局和迎風布局吻合。風速云圖顯示，背風L形布局西側輔助空間空氣流場明顯優(yōu)于迎風L形布局，但其大空間南側進風界面向內2m范圍形成高速風場。

3.4 U形布局模式

U形布局模式同樣可分為背風U形布局與迎風U形布局模式兩種（圖2g,2h）。根據模擬結果繪制擬合曲線（圖13）和1.5m高度室內風速云圖（圖14）。在背風U形布局模式下，隨著界面開口個數的增加，最大風速呈上升趨勢，平均風速呈下降趨勢。斯皮爾曼相關系數分別為0.860和—0.952，可見背風U形布局模式下界面開口個數與室內最大風速以及平均風速關系較為明顯。而在在迎風U形布局模式下，界面開口個數的增加對最大風速和平均風速幾乎沒有影響。此外，界面開口個數對兩種U形布局模式風速區(qū)間影響不大。背風與迎風U形布局0～0.7m/s風速區(qū)間平均占比分別為80.6%和75.9%，相差4.7%。其中0.1～0.3m/s風速區(qū)間平均占比分別為49.1%和26.6%，相差22.5%?？梢姳筹LU形布局室內風速分布明顯優(yōu)于迎風U形布局。

11 L 形布局模式下界面開口個數對通風的影響

12 迎風與背風L 形布局風速云圖

13 U 形布局模式風環(huán)境模擬圖

14 迎風與背風U 形布局風速云圖

風速云圖顯示，背風U形布局模式下，雖然在南側進風界面產生2m范圍高速風區(qū)，但主體大空間與周邊輔助空間空氣流動良好。而迎風U形布局模式下，南側輔助空間與大空間形成明顯穿堂風，而東西側輔助空間空氣流動極差，風場分布較差。

4 結論

本研究從空間布局模式的角度探討了大空間建筑通風性能特點，同時對相同開窗比例下通風界面形式與通風性能影響關系進行研究，得出如下結論。

（1）大面寬、小進深對室內通風有利。典型布局中最大風速和最小風速分別為對側布局模式的1.852m/s和單側迎風布局模式的1.267m/s，兩者相差46.2%。平均風速呈現規(guī)律與最大風速接近，最大平均風速同樣出現在對側布局模式，風速為0.450m/s。最小平均風速出現在迎風L形布局，風速為0.307m/s，單側迎風布局模式次之，風速為0.327m/s。而對側布局模式與單側迎風布局模式分別為8種布局模式中面寬進深比的兩個極端，可見大面寬、小進深對整體通風更加有利。

（2）背風側布局模式對室內通風性能更為有利。面寬與進深相同時，背風L形布局和背風U形布局的最大風速和平均風速兩方面均大于迎風L形布局和迎風U形布局，且背風布局模式室內風場均勻度優(yōu)于迎風布局模式。其原因在于迎風側輔助空間與核心大空間連接處門洞面積小于外墻通風界面面積，局部壓力造成室內通風變差，因此在設計中應避免采用迎風側布局模式。

（3）通風界面?zhèn)€數與室內風速分布并無明顯規(guī)律。對側布局模式下核心大空間背風側與迎風側不存在輔助空間，此時開口個數對室內風速分布占比影響較大，開口個數越多，高速風區(qū)占比越低，室內風場均勻度越好。當核心大空間背風側與迎風側存在輔助空間時，界面開孔個數對室內風速分布影響較弱。因此如果想獲得更好的室內通風性能，核心空間迎風側與背風側均應避免設置輔助空間。

本文對寒地全民健身中心空間布局與自然通風性能相關性進行了初步的研究，而空間布局只是影響通風性能的一個方面。建筑周圍環(huán)境條件、建筑立面開窗形式、建筑屋頂通風條件以及通風腔體布置等都對室內風環(huán)境產生影響，未來我們也會對其他影響通風性能的設計條件進行綜合分析，從而實現對寒地全民健身中心建筑通風性能影響因子的綜合梳理。

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1-14作者自繪