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)足球場時(shí)代指日可待。由界面圍合營造健康的球場風(fēng)環(huán)境是制約我國專業(yè)足球場精細(xì)化發(fā)展的重要瓶頸，風(fēng)環(huán)境與界面形態(tài)之間互動關(guān)系亟待挖掘。鑒于我國寒冷地區(qū)專業(yè)足球場建設(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 專業(yè)足球場寒季室外風(fēng)環(huán)境評價(jià)要素、指標(biāo)及方法構(gòu)建

1.1 專業(yè)足球場風(fēng)環(huán)境綜合評價(jià)要素的確定

（1）觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境綜合評價(jià)要素

寒冷地區(qū)足球場風(fēng)速直接影響觀眾的觀賽舒適度[1]，本文將離專業(yè)足球場看臺區(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)的測點(diǎn)數(shù)占總測點(diǎn)數(shù)的比率、強(qiáng)風(fēng)區(qū)與滯風(fēng)區(qū)占被測區(qū)域面積的比例作為觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境的評價(jià)要素。

（2）內(nèi)場區(qū)風(fēng)環(huán)境綜合評價(jià)要素

內(nèi)場風(fēng)速不僅影響足球比賽的公平性，同時(shí)會影響球員的運(yùn)動舒適性和草坪的自然生長。目前FIFA、UEFA 等針對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 級以下[2]，結(jié)合空氣質(zhì)量舒適度理論[3]，內(nèi)場風(fēng)速不宜超過7m/s。當(dāng)冬季外界風(fēng)速較高且波動變化時(shí)保證場內(nèi)風(fēng)速相對穩(wěn)定且降低風(fēng)速，有利于提高球員的舒適度和減少對足球比賽的負(fù)面干擾；同時(shí)寒風(fēng)穿過無雪覆蓋的草坪會導(dǎo)致草的脫水[4]。因此將風(fēng)速離散度、測點(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)場區(qū)風(fēng)環(huán)境的評價(jià)要素。

1.2 專業(yè)足球場風(fēng)環(huán)境舒適度評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建

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)場實(shí)測及觀眾和運(yùn)動人群風(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 可作足球場風(fēng)速的評價(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)間戶外活動不會受到太大影響；而當(dāng)v ＞4.4m/s,人們難以在室外進(jìn)行長時(shí)間活動。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)舒適度評價(jià)建議指標(biāo)（表1），既考量了現(xiàn)場觀眾的實(shí)際感受，又是對戶外休息區(qū)冬季風(fēng)環(huán)境評價(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)舒適度評價(jià)建議指標(biāo)

1.2.2 運(yùn)動人群風(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)動人群吹風(fēng)感受舒適度評價(jià)建議指標(biāo)（表2）。

2 運(yùn)動員平均吹風(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)動人群吹風(fēng)舒適度評價(jià)建議指標(biāo)

1.3 專業(yè)足球場室外風(fēng)環(huán)境評價(jià)方法構(gòu)建

綜合分析法采用定性與定量相結(jié)合，考量各指標(biāo)對結(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價(jià)法對專業(yè)足球場風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評價(jià)[9]。首先采用極差標(biāo)準(zhǔn)化[10]對各評價(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 專業(yè)足球場CFD數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值計(jì)算模型建構(gòu)

2.1.1 確立建筑模型

根據(jù)足球市場容量發(fā)展概況和中超聯(lián)賽年平均上座率統(tǒng)計(jì)[12]，本文將研究對象設(shè)定為約30,000 座的中型專業(yè)足球場；基于既有106 座足球場案例調(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（圖4）。因此本文以雙層、四面貫通坐席的方形倒圓角足球場形態(tài)作為理想模型，長軸為南北向布置。

3 足球場平面形態(tài)比例

4 足球場坐席布置比例

（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扔凶闱驁霭咐恼{(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 網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬邊界條件設(shè)定

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)場總體趨勢一致。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?？紤]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 算法來對足球場湍流問題進(jìn)行求解。本文研究對象屬于低溫室外環(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)向與各評價(jià)指標(biāo)擬合分析

3 專業(yè)足球場風(fēng)環(huán)境耦合模擬及結(jié)果分析

基于Fluent 2019 R3 平臺的正交試驗(yàn)，分別得到各組耦合模型風(fēng)場云圖（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)境評價(jià)評分值（表11、12）。

表7 不同網(wǎng)格方案計(jì)算結(jié)果對比

表8 頂界面各組耦合模型風(fēng)場云圖

表9 側(cè)界面各組耦合模型風(fēng)場云圖

表10 內(nèi)界面各組耦合模型風(fēng)場云圖

3.1 頂界面形態(tài)分析

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)對足球場風(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)境綜合評分值對比

表11 頂界面各組耦合模型的綜合評價(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)界面通透率對足球場風(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)境綜合評分值對比

3.2 側(cè)界面形態(tài)分析

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)界面通透率對足球場風(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)境綜合評分值

3.3 內(nèi)界面形態(tài)分析

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)境綜合評分值

4 專業(yè)足球場界面形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 界面形態(tài)與風(fēng)環(huán)境的耦合機(jī)制

基于模擬實(shí)驗(yàn)分析，專業(yè)足球場界面形態(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)足球場建筑形態(tài)生成的邏輯依據(jù)。

14 專業(yè)足球場界面形態(tài)與風(fēng)環(huán)境的耦合關(guān)系模型

4.2 頂界面形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

4.2.1 罩棚剖面形態(tài)

寒冷地區(qū)專業(yè)足球場建議使用下傾罩棚，罩棚下傾角度不宜超過15°。目前歐洲頂級聯(lián)賽球場如法國尼斯足球場（圖15a）、巴塞爾圣雅各布公園球場（圖15b）等均使用了直面下傾罩棚，既營造出良好的足球場風(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。對于已建成且罩棚與坐席間間距較大的球場，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)板等氣動設(shè)施。在應(yīng)對冬、夏季節(jié)對場內(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內(nèi)部的進(jìn)風(fēng)量。首爾世界杯球場（圖16a）、倫敦酋長球場（圖16b）等在座席頂端均采用了全開敞連接的方式，以形成適宜的場內(nèi)風(fēng)環(huán)境。

16 全開敞式界面連接專業(yè)足球場

4.3 側(cè)界面形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

寒冷地區(qū)專業(yè)足球場側(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，保證適宜的球場風(fēng)環(huán)境。如都柏林英杰華足球場（圖17）運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)營造出了舒適的場內(nèi)風(fēng)環(huán)境。

17 都柏林英杰華足球場，引自參考文獻(xiàn)[17]

4.4 內(nèi)界面形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

寒地專業(yè)足球場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)場內(nèi)通風(fēng)。德國科隆球場（圖18a）、法蘭克福球場（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（圖18c）的環(huán)形坐席由水平間距8m 的26 片“花瓣”組成，既將場內(nèi)外風(fēng)場和景觀良性聯(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)足球場內(nèi)界面形式

5 結(jié)語

專業(yè)足球場賽場環(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)測調(diào)研制定了適用于寒冷地區(qū)觀眾及運(yùn)動員的室外活動舒適風(fēng)速指標(biāo)，并進(jìn)一步建構(gòu)出了專業(yè)足球場風(fēng)環(huán)境的評價(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)動狀態(tài)風(fēng)舒適耦合角度提出寒地專業(yè)足球場界面形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，以期推動設(shè)計(jì)實(shí)踐的精細(xì)化發(fā)展?！?/p>