体育馆非对称形态对观众区风环境的影响*

李晋 张威

(1.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州510640;2.华南理工大学建筑学院，广东 广州510640)

合理利用自然通风，不仅能为体育馆室内提供充足的新鲜空气、实现生理降温和结构降温，同时也会对人群积聚区域——观众区的风环境及观众舒适感产生积极的影响.体育馆的形态不仅作为建筑属性与文化意象的直观表现而存在［1］，同时与室内自然通风客观上也存在着协同作用.体育馆的不同形态会导致其表面形成相差较大的正负压状况，进而影响室内观众区的自然通风效果［2］.

当前设计师多是从较为笼统的策略层面探讨体育馆室内的自然通风状况，并未挖掘体育馆形态与观众区风环境的深层次关系，而这恰是运用自然通风改善室内舒适感受的关键所在，对指导体育馆的设计有着重要意义.在方案构思阶段，设计师如果能够将体育馆形态设计同观众区风环境状况结合起来考虑，无疑对于场馆的生态节能和舒适使用大有裨益［3-4］.基于以上思考，文中利用流体力学软件对体育馆模型进行模拟计算，研究不同体育馆基本形态对观众区风环境的影响，以寻求能促进室内自然通风、改善观众区舒适度的基本形态模式，为设计师的决策提供科学的依据.

1 研究模型的建立

从实际的体育馆建筑中抽象出3种模型，在相同的边界条件下运用Fluent软件对其进行CFD风环境模拟，提取数据，整理得出各进风口风速和观众区风速，进而得出相应的室内换气次数及自然通风作用下的舒适范围，结合图表研究体育馆非对称形态对观众区风环境的影响.

1.1 建立CAD几何模型

为便于研究，将体育馆形态简化为图1所示的3种基本形态方案，其中平面图、剖面图左侧为迎风侧.

模型a:平面尺寸为75m×75m，高度为30m(中型规模体育馆的抽象基本形态，按5000人座计)，对称性形态;比赛区场地54m×40m居中，场地40m宽边距离外立面均为17.5m，之间范围为观众区.

模型b:在模型a的基础上，保持体积不变，将屋顶作10°单向倾斜，降低的一侧立面作为正向迎风面;为适应形态变化，比赛区场地向迎风侧偏移，场地40m宽边距离迎风侧立面13.5m，距离出风侧立面21.5m，从而使迎风侧观众区范围减小，出风侧观众区范围相应增加，形成非对称形态的正吹模型.

图1 3种基本形态模型Fig.1 Models of three basic forms

模型c:在模型b的基础上，将模型反转后，将高起的一侧立面作为正向迎风面.为适应形态变化，比赛区场地向出风侧偏移，场地40 m宽边距离迎风侧立面21.5m，距离出风侧立面13.5m，从而使迎风侧观众区范围增加，出风侧观众区范围相应减小，形成非对称形态的反吹模型.

3个模型中，窗、门(按开敞状态计算)的分布及尺寸相同，窗高均为1.5 m，门高均为2.7m.立面下侧开窗1个，窗中线距地面7.75m，两扇门居于窗两侧;上侧开窗3个，窗中线距地面18.25m.

1.2 气体流动方程的确定

文中CFD模拟选用k-ε模型，标准k-ε双方程模型是湍流动能及其扩散率的传输方程的半经验模型.当流动为不可压，且不考虑用户自定义源时，标准k-ε模型的计算公式可表示为［5-7］

标准k-ε模型中的k控制方程可表示为

标准k-ε模型中的ε控制方程可表示为

模型常数取值分别为 C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3.

1.3 边界条件的确定

将模型置于525 m×375 m×120 m大小的计算域纵轴之上，模型迎风面与计算域进风口相距150m，计算域进风口入口边界velocity-inlet选用广州城市梯度风参数.梯度风的具体表达式为

其中，z1、u1分别为参考高度和参考高度处的风速，文中根据广州地区的气象参数，分别选取10 m和1.8m/s作为参考值;z、u分别为流域中某高度和该高度对应的平均风速.

风速剖面使用Fluent的UDF功能通过编程实现［8］.由于出流已接近完全发展，所以出风口采用自由出口边界.鉴于文中选取的计算流域较大，故顶部和两侧采用symmetry对称边界条件［9-10］.

2 实验模拟分析

2.1 采样点风速提取分析

运用Fluent软件，选取中轴对称剖截面为典型剖截面.3个模型在中轴对称剖截面的风速模拟结果如图2所示，在该剖截面上进行观众区和窗口选点采样.窗口采样点选点依据:选取各立面上的上、下窗口与中轴对称剖截面相交线上的中点，3个模型迎风侧与出风侧各2个窗口采样点;观众区采样点选点依据:从池座与内场的交界处沿背离内场方向0.5 m位置开始，每隔2 m取座位中部正上方0.7m处(相当于一般观众胸口处高度)［11］的采样点风速值(楼座与池座之间悬空的采样点不取样)，3个模型的楼座部分均采样10点、池座部分均采样6点.将3个模型的全部采样点放入虚拟参照模型中，结果如图3所示.窗口采样点跟随模型立面，并标示为Wβ-x1或Wξ-x2(β代表上窗，ξ代表下窗，x为模型编号，1代表进风侧，2代表出风侧).以场地区为参照边界，按照选点方法两侧各取10个观众区采样点，以囊括、记名3个模型所有观众区的采样点，例如迎风侧(Y)池座(C)采样点记为YC-XX，出风侧(C)楼座(L)采样点记为CL-XX，XX为连续数字编号.

图2 3种模型中轴剖截面风速模拟图Fig.2 Velocity simulation of middle section in three models

图3 参照模型与采样点分布示意图Fig.3 Schematic diagram of reference model and distribution of sampling points

2.1.1 窗口风速比较

取点得知，各窗中采样点风速大小为 Wβ-c1(1.93m/s)＞Wβ-b1(1.57m/s)＞Wβ-a1(1.36m/s)，Wβ-c2(1.87 m/s)＞ Wβ-b2(1.41 m/s)＞ Wβ-a2(1.2m/s).可见，非对称形态模型 b、c迎风侧上、下窗口的风速均高于对称形态模型a，且模型c迎风侧上、下窗口的风速明显高于其它两者.这是由于模型c的形态调整强化了迎风面与背风面的风压差，使得相同开窗大小、位置的情况下，迎风侧窗口处的气流数值较其它二者高.

2.1.2 观众区风速比较

3种模型观众区池座、楼座采样点风速的比较如图4所示.

图4 3种模型观众区采样点风速比较Fig.4 Velocity comparison of sampling points of spectator area in three models

迎风侧的楼座与池座部分，由于进入室内的气流速度较高，非对称形态模型c观众区的风速明显高于其它两者.模型a与模型b相差不大说明迎风侧观众区的风速不仅与迎风面大小有关，同时观众区与进风口的相对布局位置对其也有一定影响.

出风侧的楼座与池座部分，气流经过40m宽的内场区后已变得较为微弱，因而3个模型的风速情况相差较小，与形态、出风侧看台区座位数等因素关系不大.

以Fluent模拟得到的模型a、b、c各采样点风速值为基础，计算各模型迎风侧楼座、池座及出风侧楼座、池座的平均风速，如表1所示.

表1 3种模型观众区池座、楼座的平均风速Table 1 Average velocity of stalls and balcony in three models

计算时将中轴剖截面上各部分的平均风速近似地认为与其它平行剖截面上的相应平均风速相同.迎风侧楼座、池座及出风侧池座、楼座在各个模型总坐席数(5000人座)中所占比例分别为:模型a中依次为 29.8%、11.4%、11.4%、29.8%;模型 b 中依次为18.2%、11.4%、11.4%、41.4%;模型 c 中依次为 41.4%、11.4%、11.4%、18.2%(东西两侧的池座看台不在文中研究范围之内，但计算进风侧楼座、池座及出风侧楼座、池座坐席比例时，将其考虑在内).结合表1可见，非对称形态模型c内半数观众所在区域(该模型的迎风侧楼座及池座部分)的平均风速在0.6m/s以上，在自然通风调节情况下相较于模型a、模型b其优势明显.

2.2 室内换气次数统计

将体育馆迎风侧上、下窗口与中轴对称剖截面相交所形成的两条线段上的中点风速值，分别近似地看作迎风侧3个上窗口风速平均值v1(m/s)、迎风侧下窗口及门的风速平均值v2(m/s);求得迎风侧3个上窗口对应的面积依次为F1、F2、F3(m2)，1个下窗口和2个门对应的面积依次为 F4、F5、F6(m2).再按照计算公式L=3600(∑v1Fn+∑v2Fp)(m3，n=1，2，3;p=4，5，6)算出每小时的室内进风量L，除以体育馆体积V得出模型每小时内的换气次数，经计算可得模型a、b、c每小时换气次数分别为3.81、4.44、5.62，由此可见，合理地调整非对称形态可取得较好的换气效果.

2.3 观众区舒适度比较

以风环境模拟得到的3个模型迎风侧楼座、池座及出风侧楼座、池座的平均风速为基础，结合广州典型气象年的气象数据和当地居民典型衣着作为热舒适分析的依据，运用Weather Tool软件对模型a、b、c进行观众区热环境分析，结果以焓湿图的形式表示，如图5所示.焓湿图中横坐标是干球温度(℃)，纵坐标是绝对湿度(mg/L)，倾斜虚曲线是相对湿度(%)，曲线自下而上依次表示为10%、20%、…、100%;基础区域指不借助任何降温手段所得到的热舒适区域，将3个模型考虑自然通风情况下观众区热舒适性扩展后的区域分别用区域a、区域b、区域c的相应线框表示，并认为落在热舒适及其扩展区域内的温、湿度组合可在不用空调的情况下使人体感到舒适.

图5 3种模型不同区域热舒适扩展区域比较Fig.5 Thermal comfort extended-area comparison of different areas in three models

由图5可见，在人体代谢率、服装隔热值等热舒适影响变量一定的条件下，利用自然通风提升观众区风速值，可有效扩大观众区热舒适范围［12-13］.其中非对称形态模型c迎风侧观众区的热舒适范围改善状况明显优于对称形态模型a和非对称形态模型b;而在出风侧三者差距较小，改善程度不大.这对于指导体育馆的形体设计及相应的观众席布局、调整体育馆形态与风向的相对关系以及抓住观众区风环境薄弱环节有的放矢等有重要的参考价值［14-16］.

3 结语

通过对抽象出的对称形态和非对称形态体育馆模型的模拟计算发现，非对称形态模型c观众区的风环境最优，对称形态模型a和非对称形态模型b相差不大;在相同的室外风环境条件下，选择合理的非对称形态以及体育馆形态与风向的相对关系，有利于提升迎风面与背风面的风压差，进而强化室内自然通风的外部动力.根据文中研究结果，对体育馆设计提出以下几点建议:(1)合理调整体育馆与场地风向的相对关系，最大程度发挥气候优势、利用自然资源;(2)合理调整体育馆形态，并适应形态调整观众区的布局、开窗设置等因素，以提升室内换气次数、改善观众的热舒适感受;(3)针对出风侧观众区风速普遍较低的状况，可适当考虑扩大进风窗面积，也可在坐席下方设置机械送风加以改善;(4)对湿热地区而言，温度适宜的3－6月和9－11月过渡季节，是体育馆采用被动式自然通风调节最为有效的时段，在最炎热的7－9月难以单纯依靠自然通风满足使用需求，仍需适当结合主动技术调节.可考虑通过智能手段(如可开合界面、可转动构件等)实现被动、主动调节间的转换，提升自然通风的适用性，尽可能减少空调等的使用;(5)与其他被动式降温技术(导风式遮阳构件设计、屋顶覆土绿化等)协作，选择适宜的围护结构材料，以降低主动能源的消耗.

［1］冯琰，樊可.城市经济背景下的体育建筑分析［J］.建筑师，2008(3):47-51.Feng Yan，Fan Ke.Analysis of sports architecture under background of urban economy ［J］.Architect，2008(3):47-51.

［2］Nutphuang C，Chirarattananon S，Hien V D.Application of CFD for air flow analysis underneath natural ventilation with forced convection in roof attic［J］.Proceedings of World Academy of Science，Engineering and Technology，2011，75:205-212.

［3］巴鲁克·吉沃尼.建筑设计和城市设计中的气候因素［M］.汪芳，阚俊杰，张书海，等，译.北京:中国建筑工业出版社，2011:68-69.

［4］West S.Improving the sustainable development of building stock by the implementation of energy efficient，climate control technologies ［J］.Building and Environment，2001，36(3):281-289.

［5］王彬，杨庆山.CFD软件及其在建筑风工程中的应用［J］.工业建筑，2008，38(S1):328-332.Wang Bin，Yang Qing-shan.CFD software and its application in buliding wind engineering ［J］.Industrial Architecture，2008，38(S1):328-332.

［6］王福军.计算流体动力学分析——CFD原理应用［M］.北京:清华大学出版社，2007:43-44.

［7］村上周三.CFD与建筑环境设计［M］.朱清宇，译.北京:中国建筑工业出版社，2007:50-51.

［8］毋英俊，陈志华，闫翔宇，等.凉都体育中心体育馆屋盖CFD数值分析 ［J］.空间结构，2011，17(3):328-332.Wu Ying-jun，Chen Zhi-hua，Yan Xiang-yu，et al.CFD numerical simulation on asium roof of Liangdu Sports Center［J］.Spatial Structures，2011，17(3):328-332.

［9］Sun Peng-cheng，Zhou Zhi-hua，Xia Ying.Simulation study on natural ventilation of buildings［J］.Journal of Harbin Institute of Technology(New Series)，2007，14(Sl):30-33.

［10］Jiru Teshome Edae1，Bitsuamlak Girma Tsegaye.Application of CFD in modelling wind-induced natural ventilation of buildings-A review ［J］.International Journal of Ventilation，2010，9(2):131-147.

［11］Zhang Yu-feng，Zhao Rong-yi.Overall thermal sensation，acceptability and comfort［J］.Building and Environment，2008，43(1):44-50.

［12］闫凤英，王新华，吴有聪.基于CFD的室内自然通风及热舒适性的模拟 ［J］.天津大学学报，2011，17(3):328-332.Yan Feng-ying，Wang Xin-hua，Wu You-cong.Simulation of interior natural ventilation and thermal comfort based on CFD ［J］.Journal of Tianjin University，2011，17(3):328-332.

［13］Meng Qing-lin，Li Qiong，Zhao Li-hua，et al.A case study of the thermal environment in the airport terminal building under natural ventilation［J］.Journal of Asian Architecture and Building Engineering，2009，8(1):221-227.

［14］Fu Ji-yang，Wu Jiu-rong，Liang Shu-guo.Wind tunnel testing of wind pressures on a large gymnasium roof［J］.Journal of Central South University of Technology:English Edition，2011，18(2):521-529.

［15］Jones J，West A W.Natural ventilation and collaborative design ［J］.ASHRAE Journal，2001，43(11):46-51.

［16］Bady Mahmoud，Kato Shinsuke，Takahashi Takeo，et al.Experimental investigations of the indoor natural ventilation for different building configurations and incidences［J］.Building and Environment，2011，46(1):65-74.