陸詩(shī)亮，王彬竹，郭旗

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150006）

0 引言

2023 年亞洲杯、2021 年新世俱杯（延期）即將在我國(guó)舉辦，世界級(jí)足球賽事的刺激激發(fā)了社會(huì)資本的投資熱情，2019 年起我國(guó)迎來(lái)大型專業(yè)足球場(chǎng)的建設(shè)熱潮。因此不同于田徑體育場(chǎng)，專業(yè)足球場(chǎng)需保證草坪質(zhì)量，對(duì)場(chǎng)地光環(huán)境要求更高。FIFA 頒布《Football Stadiums-Technical Recommendations and Requirements》后[1]，新建專業(yè)足球場(chǎng)罩棚需為全包形式，罩棚陰影隨之增大，導(dǎo)致投入巨大的專業(yè)草坪常由于光照不足出現(xiàn)斑禿、裸地等現(xiàn)象，現(xiàn)有足球場(chǎng)常備人工照明補(bǔ)光燈彌補(bǔ)草坪光照，但每套補(bǔ)光燈價(jià)格為120 萬(wàn)人民幣，可覆蓋面積僅為400～500/m2，無(wú)法從根本上解決場(chǎng)地草坪采光不足的問(wèn)題。膜結(jié)構(gòu)罩棚由于具有透光性能、自重輕、理化性能穩(wěn)定、安裝便捷、形態(tài)多變、成本可控，于罩棚設(shè)立透光區(qū)是提升專業(yè)足球場(chǎng)競(jìng)賽區(qū)草坪采光效率的重要技術(shù)手段，占我國(guó)近3 年新建、改造專業(yè)足球場(chǎng)總數(shù)的71.64%，并呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。然而，國(guó)內(nèi)外研究多集中于專業(yè)足球場(chǎng)對(duì)城市風(fēng)環(huán)境的影響[2-5]、遮雨效果以及熱舒適性能[6-8]等方面，場(chǎng)地光環(huán)境優(yōu)化為目標(biāo)導(dǎo)向的專業(yè)足球場(chǎng)膜結(jié)構(gòu)罩棚設(shè)計(jì)面臨無(wú)法可依、無(wú)據(jù)可查的窘境。隨著罩棚透光區(qū)設(shè)立，雖然在一定程度上可以提高草坪的采光效率，但如圖1 所示，其帶來(lái)的遮光效果的下降以及陰影形態(tài)的問(wèn)題直接影響觀眾觀賽的視覺舒適性[9]。而關(guān)于罩棚透光區(qū)面積缺少定量研究成果，草坪光照需求與觀眾觀賽視覺舒適需求矛盾無(wú)法有效平衡。膜結(jié)構(gòu)罩棚設(shè)計(jì)理論向設(shè)計(jì)應(yīng)用轉(zhuǎn)化的瓶頸，直接推動(dòng)專業(yè)足球場(chǎng)膜結(jié)構(gòu)罩棚設(shè)計(jì)的定量研究。文中采用Radiance[10]作為模擬引擎，以2023 亞洲杯主場(chǎng)大連梭魚灣專業(yè)足球場(chǎng)為例，以膜結(jié)構(gòu)專業(yè)足球場(chǎng)罩棚尺度為自變量，以場(chǎng)地草坪所受的日累積光量為因變量，研究在高緯度寒地地區(qū)有利于專業(yè)足球場(chǎng)草坪采光效率提升的罩棚設(shè)計(jì)策略，以期為專業(yè)足球場(chǎng)罩棚尺度的確定提供定量依據(jù)。

圖1 罩棚透光區(qū)的負(fù)面影響

1 研究過(guò)程

1.1 模擬對(duì)象

團(tuán)隊(duì)于2020 年8 月～2021 年4 月主持了2023亞洲杯主場(chǎng)之一，大連梭魚灣專業(yè)足球場(chǎng)的設(shè)計(jì)工作，對(duì)其模型信息、場(chǎng)地信息、環(huán)境信息掌握充分。

如圖2（a）所示，其罩棚為全包圍罩棚形式，滿足研究的預(yù)設(shè)條件，因此選取其作為文中的研究對(duì)象。該專業(yè)足球場(chǎng)位于我國(guó)寒冷地區(qū)，總建筑面積約13.6萬(wàn)m2，有效坐席數(shù)達(dá)6.3 萬(wàn)座。如圖2（b）所示，罩棚采用雙層索系結(jié)構(gòu)，膜材料選擇ETFE 膜與PTFE 膜的組合方案，其中外環(huán)采用364 片透明度為13%的PTFE，內(nèi)環(huán)采用透明度為70%的ETFE 膜材；外部環(huán)梁R0為126m，PTFE 內(nèi)邊緣R1為58m；內(nèi)環(huán)附有ETFE 并根據(jù)國(guó)際足聯(lián)要求完全覆蓋觀眾席，ETFE 內(nèi)邊緣R2為48m。為提高模擬效率，對(duì)足球場(chǎng)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理。足球場(chǎng)罩棚每片PTFE 膜材間施工時(shí)做焊縫處理間距極小，可在模擬模型中忽略其焊縫；罩棚下方索結(jié)構(gòu)極為輕薄，主要的撐桿、拱桿直徑為400mm，索直徑為80～110mm，在模擬時(shí)均可忽略；由于PTFE 膜材透光率較低其下部的馬道并不會(huì)產(chǎn)生陰影，因此忽略馬道。故將罩棚的實(shí)際模型簡(jiǎn)化為只有連續(xù)的PTFE 與ETFE 兩種膜材的抽象模型。以美國(guó)賓夕法尼亞等大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的EpwMap 中的氣象資料為基礎(chǔ)，為減小模擬誤差，模擬時(shí)采用大連地區(qū)平均氣候天空模型，該天空模型基于平均氣候生成每個(gè)月內(nèi)的平均氣候數(shù)據(jù)。

圖2 大連梭魚灣專業(yè)足球場(chǎng)罩棚概況

1.2 研究方法

文中的研究技術(shù)路線如圖3 所示，其自變量為EFTE 透光區(qū)面積，因變量為草坪的日累積光量。研究通過(guò)改變透光區(qū)面積大小尋求其與日累積光量之間的相關(guān)性后繪制回歸曲線，尋求兩者之間的函數(shù)關(guān)系，找出增長(zhǎng)率拐點(diǎn)后確定透光區(qū)面積的合理取值。從而在保證罩棚遮光效果的前提下[1]，達(dá)到提高競(jìng)賽區(qū)草坪日累積光量的目的。

圖3 技術(shù)路線

（1）自變量：罩棚透光區(qū)面積。在保持足球場(chǎng)罩棚結(jié)構(gòu)形式不變的情況下，因每塊膜材需通過(guò)環(huán)索固定，所以通過(guò)將部分PTFE 替換為ETFE 的方式控制ETFE 膜材寬度△R，來(lái)改變透光區(qū)面積。據(jù)現(xiàn)有罩棚環(huán)索位置如圖4 所示，根據(jù)△R 寬度不同將罩棚設(shè)置為如表1 所示透光區(qū)面積不同的6 種形態(tài)F0～F5，作為研究對(duì)象。為避免透光區(qū)面積過(guò)大影響罩棚遮光效果，將透光區(qū)面積控制在16500m2內(nèi)。

表1 罩棚不同透光區(qū)面積方案

圖4 大連梭魚灣足球場(chǎng)罩棚詳解（單位：m）

大連梭魚灣足球場(chǎng)競(jìng)賽區(qū)草坪中的高羊茅、黑麥草、早熟禾按照75∶15∶10 的重量比進(jìn)行混合，這3個(gè)草種均屬于冷季草坪草種，將高羊茅的高抗逆性和適應(yīng)性與早熟禾的強(qiáng)再生性、結(jié)合起來(lái)。其生長(zhǎng)和發(fā)育受光、水分、溫度、礦物質(zhì)多種因素的影響，其中光的影響最大，光照的強(qiáng)度、時(shí)間、光質(zhì)都對(duì)草坪的生長(zhǎng)起到不同的作用[12]。

（2）因變量：草坪日累積光量。有效光合輻射（PAR），與光照時(shí)間作為單一變量并不能完全反應(yīng)采光效率[13]；草坪日累積光量（DLI）是指1d 內(nèi)草坪光合作用的光積累量，是有效光合輻射與1d 內(nèi)光照時(shí)間的乘積，即以24h 作為時(shí)間單位進(jìn)行光合有效輻射積累量的計(jì)算[14]，草坪的日累積光量可以較為完整的衡量專業(yè)足球場(chǎng)中草坪的采光效率。根據(jù)國(guó)際足聯(lián)規(guī)定，競(jìng)賽區(qū)草坪日累積光量需達(dá)12mol·m-2·d-1來(lái)促進(jìn)生長(zhǎng)，并且人工修復(fù)比賽所造成的磨損和撕扯。

但在Radiance 光模擬引擎中，光的測(cè)定主要從光照強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行。陳景玲求算出用一般的照度計(jì)測(cè)出晴天條件下全可見光波段的光照強(qiáng)度直接換算成光合有效輻射的換算系數(shù)。得：

根據(jù)以上得，DLI=P·t=L·t≥12mol/m2

式中，DLI 為每平方米1d 內(nèi)獲得的日累積光量總量，mol·m-2·d-1；P 為光合有效輻射，μmol·m-2·s-1；L 為每平方米1d 內(nèi)的平均照度，lux·m-2；T 為1d 內(nèi)的光照時(shí)間，s。

（3）采光效率衡量標(biāo)準(zhǔn)：競(jìng)賽區(qū)草坪達(dá)標(biāo)區(qū)域面積占比P。足球場(chǎng)日光照明的基礎(chǔ)計(jì)算面為競(jìng)技場(chǎng)地草地表面，專業(yè)足球場(chǎng)草地區(qū)域尺寸為115m×76m，總面積8740m2。將場(chǎng)地模擬計(jì)算網(wǎng)格為間距設(shè)為1m，測(cè)試高度為0m，競(jìng)賽區(qū)共8623個(gè)測(cè)試點(diǎn)。

草地競(jìng)賽區(qū)的日累積光量隨日期的變化而變化，為了研究年度日累積光量變化規(guī)律，減少誤差提高模擬準(zhǔn)確性，故通過(guò)模擬每個(gè)測(cè)試點(diǎn)當(dāng)前月份的平均日累積光量后計(jì)算出競(jìng)賽區(qū)草坪達(dá)標(biāo)區(qū)域占比P（日累積光量大于12mol 點(diǎn)數(shù)與總測(cè)試點(diǎn)數(shù)之比）來(lái)作為衡量足球場(chǎng)競(jìng)賽區(qū)草坪的采光效率。當(dāng)P=100%時(shí)，代表當(dāng)足球場(chǎng)競(jìng)賽區(qū)草坪完全符合國(guó)際足聯(lián)采光要求。

2 研究過(guò)程

2.1 競(jìng)賽區(qū)草坪達(dá)標(biāo)區(qū)域面積占比P 計(jì)算過(guò)程

以罩棚透光區(qū)面積3800m2（F1），12 月份草坪日累積光量模擬為例，如圖5 所示，首先模擬并記錄F1條件下所有測(cè)試點(diǎn)在12 月平均氣象數(shù)據(jù)下1d 內(nèi)的照度變化，并對(duì)其進(jìn)行可視化處理?？梢园l(fā)現(xiàn)草坪獲得光照的時(shí)間集中在10：00～16：00 之間。以A-I9個(gè)模擬點(diǎn)為例，如圖6 所示，將9個(gè)點(diǎn)1d 中的照度變化，繪制為折線圖，折線與橫坐標(biāo)所圍合黃色區(qū)域面積即為該點(diǎn)當(dāng)日的日累積光量，根據(jù)1 lux=0.0810×10-6mol·m-2·s-1可以計(jì)算出黃色區(qū)域的面積。并依照此方法可計(jì)算所有測(cè)試點(diǎn)1d 內(nèi)的日累積光量后，對(duì)其進(jìn)行可視化處理后得圖7，可觀測(cè)該方案12 月份的日累積光量分布。將所有測(cè)試點(diǎn)的日累積光量后與12mol 對(duì)比，在8623個(gè)測(cè)試點(diǎn)中共有4967個(gè)點(diǎn)的平均日累積光量大于12mol，達(dá)到國(guó)際足聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)要求，即P=57.60%。

圖5 方案F1 在12 月份平均照度分布

圖6 方案F1 典型測(cè)試點(diǎn)在12 月份1d 內(nèi)平均照度變化

圖7 方案F1 在12 月份草坪日累積光量DLI 分布

2.2 改變罩棚透光區(qū)面積

根據(jù)文中研究，探討一年中罩棚透光區(qū)面積對(duì)競(jìng)賽區(qū)草坪達(dá)標(biāo)區(qū)域面積占比所產(chǎn)生的影響，擬得到大連地區(qū)專業(yè)足球場(chǎng)罩棚最佳透光區(qū)面積。對(duì)不同透光區(qū)面積的罩棚進(jìn)行模擬，每個(gè)月份競(jìng)賽區(qū)草坪達(dá)標(biāo)區(qū)域面積占比的數(shù)值如表2 所示。

表2 大連梭魚灣足球場(chǎng)不同罩棚透光區(qū)面積下的全年P(guān) 值%

如圖8 所示，將P 值匯總為全年折線圖，觀察發(fā)現(xiàn)在3～9 月時(shí)太陽(yáng)高度角較高，透光區(qū)面積的改變不會(huì)對(duì)草坪達(dá)標(biāo)區(qū)域面積占比造成顯著影響，透光區(qū)面積對(duì)競(jìng)賽區(qū)草坪日累積光量的影響主要集中在太陽(yáng)高度角較低的冬季，因此將主要的研究時(shí)間定為11月～次年1 月。

圖8 罩棚不同透光區(qū)面積P 值全年折線圖

圖9 顯示了冬季時(shí)競(jìng)賽區(qū)草坪達(dá)標(biāo)區(qū)域面積占比P 與罩棚透光區(qū)面積之間的關(guān)系。雖然P 隨著透光區(qū)面積的增大而增大，但當(dāng)△R 增加至18m 以上時(shí)，P的增長(zhǎng)率明顯降低，如12 月△R=18m 時(shí)P 值為82.59%，當(dāng)△R 增加為24m 時(shí)，P 值僅提高4.16%。而且過(guò)大的透光區(qū)面積會(huì)導(dǎo)致罩棚遮陽(yáng)效果變差不利于營(yíng)造良好的競(jìng)技環(huán)境與觀賽條件。故其罩棚透光區(qū)最佳面積為8000m2，即△R=18m。

圖9 冬季P 值同罩棚ETFE 面積關(guān)系

2.3 分析與討論

文中以大連梭魚灣專業(yè)足球場(chǎng)為例，通過(guò)模擬不同罩棚透光區(qū)面積下的競(jìng)賽區(qū)照度變化，進(jìn)一步計(jì)算競(jìng)賽區(qū)草坪日累積光量，研究了寒地高緯度地區(qū)專業(yè)足球場(chǎng)罩棚透光區(qū)面積于草坪采光效率的作用機(jī)制。在充分考慮觀眾觀賽視覺舒適性的前提下，通過(guò)改變罩棚透光區(qū)面積的方法來(lái)使草坪采光效率達(dá)到最大化，提高草坪的成活率，降低草坪后期維護(hù)成本。

大連地區(qū)專業(yè)足球場(chǎng)競(jìng)賽區(qū)草坪的日累積光量在3～9 月份基本可以滿足國(guó)際足聯(lián)相關(guān)要求。11 月～次年1 月時(shí)由于太陽(yáng)高度角變低，草坪陰影面積的增大的原因，草坪采光難以滿足國(guó)際足聯(lián)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)在罩棚合理設(shè)立透光區(qū)的方法可有效提高冬季競(jìng)賽區(qū)的采光效率。冬季草坪采光效率會(huì)隨著罩棚透光區(qū)面積的增大而增大，當(dāng)專業(yè)足球場(chǎng)罩棚透光區(qū)面積達(dá)8000m2以上時(shí)，采光效率的增長(zhǎng)率顯著下降，此時(shí)通過(guò)增大罩棚大透光區(qū)面積無(wú)法繼續(xù)提高草坪的采光效率，反之還會(huì)對(duì)觀眾觀賽的視線舒適性造成負(fù)面影響。

因此，研究在充分考慮觀賽視覺舒適性需求的同時(shí)，以提高競(jìng)賽區(qū)草坪日累積光量為目標(biāo)前提下，大連地區(qū)6 萬(wàn)座規(guī)模專業(yè)足球場(chǎng)膜結(jié)構(gòu)罩棚透光區(qū)面積約為8000m2時(shí)較為合理。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)專業(yè)足球場(chǎng)的建設(shè)實(shí)踐剛剛起步，不同于綜合性體育場(chǎng)，其場(chǎng)地形態(tài)、罩棚要求、運(yùn)營(yíng)模式等方面均有其特殊性，場(chǎng)地草坪采光的需求差異僅僅是這種不同的其中之一。膜結(jié)構(gòu)作為一種正在被廣泛應(yīng)用于體育建筑的結(jié)構(gòu)形式，具有極大的應(yīng)用前景及設(shè)計(jì)潛力，其對(duì)不同類型體育建筑的設(shè)計(jì)模式、運(yùn)營(yíng)模式、評(píng)價(jià)模式的影響深遠(yuǎn)，亟待研究。文中從專業(yè)足球場(chǎng)的草坪采光角度，以膜結(jié)構(gòu)專業(yè)足球場(chǎng)罩棚透光區(qū)面積為切入點(diǎn)，通過(guò)模擬罩棚透光區(qū)不同面積下競(jìng)賽區(qū)草坪的照度變化，探討罩棚透光區(qū)面積對(duì)草坪日累積光量的影響機(jī)制，并得出大連梭魚灣球場(chǎng)罩棚透光區(qū)面積定量成果。為膜結(jié)構(gòu)專業(yè)足球場(chǎng)罩棚設(shè)計(jì)提供了一定的科學(xué)依據(jù)，期望這種研究視角可以引起對(duì)膜結(jié)構(gòu)專業(yè)足球場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)提升的思考并為我國(guó)專業(yè)足球場(chǎng)這一新體育建筑類型的科學(xué)設(shè)計(jì)提供借鑒。