徐浩明

在全民健身政策的推動下，國內(nèi)的體育場館逐漸走向全民化、社區(qū)化、大眾化。體育訓(xùn)練館與傳統(tǒng)的競技類體育場館存在差別，多功能組合式的場地利用提高了空間使用率，靈活的空間組合方式也更能融入城市環(huán)境。以體育訓(xùn)練為目的的社區(qū)型體育館作為適應(yīng)時代背景的新型體育設(shè)施[1]，已逐步成為當(dāng)下城市建設(shè)發(fā)展的重要趨勢。

與此同時，體育建筑作為各類建筑中的能耗大戶[2]，節(jié)能問題始終受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。傳統(tǒng)競技類體育場館由于承擔(dān)了比賽功能，具有大量設(shè)備能耗的剛需，而體育訓(xùn)練館日常較少甚至無需具備比賽功能，設(shè)備要求簡單，大空間各個界面受制因素相對較少，設(shè)計更加靈活，更有利于利用被動式節(jié)能措施來優(yōu)化室內(nèi)空間的物理環(huán)境，達到綠色節(jié)能的目的。

1 體育訓(xùn)練館對物理環(huán)境的復(fù)雜需求

對于體育運動的參與者，良好的室內(nèi)物理環(huán)境能夠促進身體的血液循環(huán)，有利于激發(fā)運動員的運動潛能，增進運動員的表現(xiàn)欲望。良好的體育場館物理環(huán)境對光、風(fēng)、熱等條件具有多樣而復(fù)雜的需求。

體育訓(xùn)練館需要滿足一定的采光量和均勻度，并且要避免產(chǎn)生嚴重的不舒適眩光[3]。

不同的球類運動對風(fēng)速也具有不同的要求，如乒乓球和羽毛球項目比賽場地風(fēng)速一般不得大于0.2 m/s，而籃球，排球等則對風(fēng)速要求較低；對于熱環(huán)境，根據(jù)相關(guān)研究，體育運動人群的熱敏感性相較于非體育運動人群較弱，平均熱感覺指數(shù)（Predacted Mean Vote，PMV）的熱中性溫度稍向熱感方向偏移?？傮w而言，體育訓(xùn)練館對物理環(huán)境的需求多樣而復(fù)雜，難以同時兼顧，建筑師在設(shè)計中容易做出主觀臆斷和顧此失彼的方案決策。

在被動式的物理環(huán)境調(diào)節(jié)措施中，窗墻比是重要的指標。相較于側(cè)窗，天窗有利于體育訓(xùn)練館內(nèi)獲得更高效的采光，在體育館設(shè)計中能夠得到更好的采光均勻度和更低的眩光值（圖1、圖2）。天窗比的大小可以明顯影響體育訓(xùn)練館室內(nèi)的采光、眩光和得失熱量，對室內(nèi)物理環(huán)境指標起到了重要的調(diào)控作用。然而在現(xiàn)實條件下，過大的天窗比會帶來較多的采光，但更容易導(dǎo)致眩光和室內(nèi)過熱，過小的天窗比則會導(dǎo)致室內(nèi)采光不足。在面對復(fù)雜而矛盾的物理環(huán)境需求時，控制合理的天窗比以獲得最高的綜合效益，在當(dāng)下的體育建筑設(shè)計實踐中具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 用友運動中心天窗（來源：網(wǎng)絡(luò)）

圖2 Las Eras 運動中心擴建項目天窗（來源：網(wǎng)絡(luò)）

2 基于Octopus 的多目標擇優(yōu)算法分析

本研究采用數(shù)值模擬的方式探討在以多種物理環(huán)境指標為優(yōu)化目標條件下的最優(yōu)天窗比問題，屬于多目標優(yōu)化的求解問題。模擬工具選用根據(jù)Grasshopper 平臺的參數(shù)化建筑性能插件Ladybug Tools 1.4.0 版本。與傳統(tǒng)的物理性能模擬工具相比，基于Grasshopper 的參數(shù)化設(shè)計平臺可以利用連續(xù)性參數(shù)控制來實現(xiàn)對模擬模型的實時調(diào)整，以獲得更加精確的模擬結(jié)果，有利于結(jié)果的比對。另外，基于Grasshopper 平臺的Octopus 可以一次接入多個優(yōu)化目標值，并引入帕累托原理來平衡極值，更適合于解決不同環(huán)境目標的平衡問題。Octopus 采用遺傳算法[4]，借鑒進化生物學(xué)中的遺傳學(xué)、突變學(xué)、自然選擇和雜交等方法，通過任意規(guī)則找到近似最優(yōu)解集范圍。

在本文研究中，輸入的自變量為天窗比，通過Grasshopper 參數(shù)化設(shè)計平臺可以控制天窗比連續(xù)性變量的輸入，可以獲得天窗比與優(yōu)化目標參數(shù)之間相對準確的變量關(guān)系。對于多目標優(yōu)化的求解，依靠參數(shù)化平臺將多種物理環(huán)境性能數(shù)值模擬兼容在一個平臺中，讓多目標耦合效應(yīng)下的優(yōu)化成為可能。更重要的是，借助Octopus插件，在參數(shù)化平臺中，將輸入變量與優(yōu)化參數(shù)連接在同一運算器中，利用遺傳算法求得多目標耦合效應(yīng)下的最優(yōu)解集，并且通過可視化的界面展現(xiàn)出來，有利于參數(shù)組合的篩選，最終獲得滿足各種規(guī)范和設(shè)計要求的最優(yōu)解。綜上，該量化模擬的方法與本次研究的特點和目的高度契合，因此選其作為本次數(shù)值模擬的技術(shù)方法。

3 多目標優(yōu)化實驗

3.1 模擬地點與時間設(shè)置

模擬地點選取上海市，上海市屬于夏熱冬冷地區(qū)，需要滿足夏季防熱和冬季保溫的需求，極端季節(jié)能耗大，具有較大的節(jié)能意義。模擬時間選取夏至6 月21 日和冬至12 月21 日，在夏至和冬至地表獲得的太陽輻射可以代表2 個極值點，模擬結(jié)果具有較好的參考意義。

3.2 模型及參數(shù)設(shè)置

上海市社區(qū)型體育訓(xùn)練館以中型尺度的場館最為常見。38 m×59 m 的中型運動場地可以布置成1片手球場，4 片排球場，3 片籃球場和3 片網(wǎng)球場，可以實現(xiàn)場地的多功能利用，提高場地的利用效率。15 m 空間的凈高可以滿足各種球類運動所需得到空間高度。因此，模型尺度確定為59 m（長）×38 m（寬）×15 m（高），長軸沿南北方向，天窗形式為普通平天窗，如圖3 所示。

圖3 參數(shù)化模擬模型（來源：作者自繪）

模型外墻、屋頂、地面等實體圍護結(jié)構(gòu)按照傳熱系數(shù)換算的方式輸入熱阻，換算公式為傳熱系數(shù)K=1/（0.15+熱阻R）。傳熱系數(shù)分別設(shè)置為0.3、0.3、0.7。外窗玻璃設(shè)置為6-12 A-6 LOW-E中空玻璃，傳熱系數(shù)為2.8，太陽輻射得熱系數(shù)SHGC 為0.75，可見光透射率為0.6。對于Radiance 材質(zhì)參數(shù)，頂棚、墻面、地面的光反射比分別設(shè)置為0.7、0.5、0.3。模型設(shè)置為空調(diào)房間。

3.3 自變量與目標值

自變量為天窗玻璃在屋頂平面的投影面積占屋頂總面積的比例，即天窗比，取值范圍為0 ～1 之間的連續(xù)區(qū)間。目標值考慮風(fēng)、光、熱等各類物理環(huán)境指標，由于風(fēng)環(huán)境在空調(diào)房間中的風(fēng)速和通風(fēng)換氣量指標較為穩(wěn)定，在室內(nèi)熱環(huán)境平均熱感覺指數(shù)，即PMV 指標的計算中，默認室內(nèi)風(fēng)速為0.1 m/s，滿足一般球類運動的風(fēng)速要求，因此，風(fēng)環(huán)境模擬在本次研究不具備與其他環(huán)境參數(shù)耦合的意義。最終選取與天窗相關(guān)性較強的采光系數(shù)，不舒適眩光值和PMV 指數(shù)來作為研究的物理環(huán)境參數(shù)，并以全年采光系數(shù)平均值（Daylight factor，DF），不舒適眩光占比（Discomfort glare percentage，DGP）和熱舒適 百分 比（Thermal comfort percentage，TCP）來作為目標值進行模擬計算。

全年采光系數(shù)平均值DF：計算全年模型內(nèi)每一個測點的采光系數(shù)平均值，再求取所有測點的平均值，以反映模型空間內(nèi)獲取采光量的整體水平數(shù)據(jù)。

不舒適眩光占比DGP：通過離籃筐最近（約1 m）的投籃點望向籃筐的視角作為最不利眩光視角進行計算。時間設(shè)置為夏至日和冬至日太陽高度角最大的12:00。

熱舒適百分數(shù)比TCP：計算夏至和冬至08:00—20:00 期間模型內(nèi)每1個測點的PMV 在-1 ～1 之間的時間占比TCP，再求取所有測點TCP 的平均值，以反映模型空間內(nèi)整體的熱舒適程度。

由于Octopus 只能向目標值的最小值優(yōu)化，因此，將目標值中的正向指標DF 和TCP 進行逆向化，為保留原指標的變化趨勢，采用相反數(shù)進行逆向化。綜上，最終接入運算器的目標值為-DF、-TCP、DGP。

3.4 多目標優(yōu)化求解

考慮到自變量為單一變量，遺傳算法求解過程的收斂性較強，將Max Generations 設(shè)置為10 代，第10 代運算結(jié)束后自動停止迭代，每代的計算數(shù)量Population Size 設(shè)置為30，Elitism設(shè)置為0.5，Mut.Probability 設(shè)置為0.2，Mutation Rate 設(shè) 置 為0.9，Cross Over Rate 為0.8。分別計算夏至和冬至的最優(yōu)解集。根據(jù)規(guī)范要求，體育建筑采用頂部采光時，采光系數(shù)DF 不應(yīng)小于2%[5]。不舒適眩光比例在35%以下時，人眼幾乎感受不到眩光。因此，結(jié)合規(guī)范的要求，從Pareto Front 解集空間中分別篩選出夏季和冬季6 組相對均衡的解，數(shù)值模擬的計算結(jié)果如表1 所示。

表1 第10 代pareto front 最優(yōu)解篩選結(jié)果統(tǒng)計

對于夏至的6 組最優(yōu)解，天窗比為0.1 和0.3 分別代表了舒適型和采光型2 種設(shè)計取值。然而運動人群熱敏感性較差，對熱舒適性具有更大的寬容度，采光系數(shù)相比較于熱舒適性更容易影響運動的體驗。因此，建議選取天窗比為0.3 作為最優(yōu)解。對于冬至的6 組最優(yōu)解，不舒適眩光比例與熱舒適百分比差距非常小，可以優(yōu)先考慮選取采光性更好地解，因此，天窗比約為0.7 時，可以獲得最大的綜合效益。

4 結(jié)語

天窗作為體育場館與外部環(huán)境接觸的重要窗口，合理妥善的設(shè)計對于提升體育場館的物理環(huán)境性能具有顯著意義。

本文研究通過對中型尺度的多功能體育訓(xùn)練館設(shè)計和建模，并借助遺傳算法來求解在光熱環(huán)境耦合效應(yīng)下的最佳天窗比，分別得到了夏至和冬至最佳天窗比為0.3 和0.7，為建筑師提供了具有廣泛適用性的設(shè)計參考值。

但本次研究由于時間和精力有限，每代種群的模擬次數(shù)可以進一步提升，以獲取更加精準的計算結(jié)果。并且場館的尺度和朝向?qū)Y(jié)果也有一定影響，未來相關(guān)人員可以在此基礎(chǔ)上做進一步拓展研究，為設(shè)計和實踐提供更全面的理論參考。