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      基于草坪采光效率的寒地膜結構專業足球場罩棚設計研究-項目案例-污水池加蓋-反吊膜|膜加蓋-除臭加蓋-膜結構公司-上海華喜膜結構工程有限公司
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      基于草坪采光效率的寒地膜結構專業足球場罩棚設計研究

      發布時間:2022年3月19日 點擊數:244

      0 引言

      2023年亞洲杯、2021年新世俱杯(延期)即將在我國舉辦,世界級足球賽事的刺激激發了社會資本的投資熱情,2019年起我國迎來大型專業足球場的建設熱潮。因此不同于田徑體育場,專業足球場需保證草坪質量,對場地光環境要求更高。FIFA頒布《Football Stadiums-Technical Recommendations and Requirements》后[1],新建專業足球場罩棚需為全包形式,罩棚陰影隨之增大,導致投入巨大的專業草坪常由于光照不足出現斑禿、裸地等現象,現有足球場常備人工照明補光燈彌補草坪光照,但每套補光燈價格為120萬人民幣,可覆蓋面積僅為400~500/m2,無法從根本上解決場地草坪采光不足的問題。膜結構罩棚由于具有透光性能、自重輕、理化性能穩定、安裝便捷、形態多變、成本可控,于罩棚設立透光區是提升專業足球場競賽區草坪采光效率的重要技術手段,占我國近3年新建、改造專業足球場總數的71.64%,并呈現逐年增長態勢。然而,國內外研究多集中于專業足球場對城市風環境的影響[2,3,4,5]、遮雨效果以及熱舒適性能[6,7,8]等方面,場地光環境優化為目標導向的專業足球場膜結構罩棚設計面臨無法可依、無據可查的窘境。隨著罩棚透光區設立,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,其帶來的遮光效果的下降以及陰影形態的問題直接影響觀眾觀賽的視覺舒適性[9]。而關于罩棚透光區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法有效平衡。膜結構罩棚設計理論向設計應用轉化的瓶頸,直接推動專業足球場膜結構罩棚設計的定量研究。文中采用Radiance[10]作為模擬引擎,以2023亞洲杯主場大連梭魚灣專業足球場為例,以膜結構專業足球場罩棚尺度為自變量,以場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有利于專業足球場草坪采光效率提升的罩棚設計策略,以期為專業足球場罩棚尺度的確定提供定量依據。

      圖1 罩棚透光區的負面影響

      圖1 罩棚透光區的負面影響  下載原圖


      1 研究過程

      1.1 模擬對象

      團隊于2020年8月~2021年4月主持了2023亞洲杯主場之一,大連梭魚灣專業足球場的設計工作,對其模型信息、場地信息、環境信息掌握充分。

      如圖2(a)所示,其罩棚為全包圍罩棚形式,滿足研究的預設條件,因此選取其作為文中的研究對象。該專業足球場位于我國寒冷地區,總建筑面積約13.6萬m2,有效坐席數達6.3萬座。如圖2(b)所示,罩棚采用雙層索系結構,膜材料選擇ETFE膜與PTFE膜的組合方案,其中外環采用364片透明度為13%的PTFE,內環采用透明度為70%的ETFE膜材;外部環梁R0為126m,PTFE內邊緣R1為58m;內環附有ETFE并根據國際足聯要求完全覆蓋觀眾席,ETFE內邊緣R2為48m。為提高模擬效率,對足球場模型進行一定的簡化處理。足球場罩棚每片PTFE膜材間施工時做焊縫處理間距極小,可在模擬模型中忽略其焊縫;罩棚下方索結構極為輕薄,主要的撐桿、拱桿直徑為400mm,索直徑為80~110mm,在模擬時均可忽略;由于PTFE膜材透光率較低其下部的馬道并不會產生陰影,因此忽略馬道。故將罩棚的實際模型簡化為只有連續的PTFE與ETFE兩種膜材的抽象模型。以美國賓夕法尼亞等大學聯合開發的Epw Map中的氣象資料為基礎,為減小模擬誤差,模擬時采用大連地區平均氣候天空模型,該天空模型基于平均氣候生成每個月內的平均氣候數據。

      圖2 大連梭魚灣專業足球場罩棚概況

      圖2 大連梭魚灣專業足球場罩棚概況  下載原圖


      1.2 研究方法

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

      圖3 技術路線

      圖3 技術路線  下載原圖


      (1)自變量:罩棚透光區面積。在保持足球場罩棚結構形式不變的情況下,因每塊膜材需通過環索固定,所以通過將部分PTFE替換為ETFE的方式控制ETFE膜材寬度△R,來改變透光區面積。據現有罩棚環索位置如圖4所示,根據△R寬度不同將罩棚設置為如表1所示透光區面積不同的6種形態F0~F5,作為研究對象。為避免透光區面積過大影響罩棚遮光效果,將透光區面積控制在16500m2內。

      圖4 大連梭魚灣足球場罩棚詳解(單位:m)

      圖4 大連梭魚灣足球場罩棚詳解(單位:m)  下載原圖


        

      表1 罩棚不同透光區面積方案  下載原圖



      表1 罩棚不同透光區面積方案

      注:△R=R1-R2;S(e):罩棚透光區面積

      大連梭魚灣足球場競賽區草坪中的高羊茅、黑麥草、早熟禾按照75∶15∶10的重量比進行混合,這3個草種均屬于冷季草坪草種,將高羊茅的高抗逆性和適應性與早熟禾的強再生性、結合起來。其生長和發育受光、水分、溫度、礦物質多種因素的影響,其中光的影響最大,光照的強度、時間、光質都對草坪的生長起到不同的作用[12]。

      (2)因變量:草坪日累積光量。有效光合輻射(PAR),與光照時間作為單一變量并不能完全反應采光效率[13];草坪日累積光量(DLI)是指1d內草坪光合作用的光積累量,是有效光合輻射與1d內光照時間的乘積,即以24h作為時間單位進行光合有效輻射積累量的計算[14],草坪的日累積光量可以較為完整的衡量專業足球場中草坪的采光效率。根據國際足聯規定,競賽區草坪日累積光量需達12mol·m-2·d-1來促進生長,并且人工修復比賽所造成的磨損和撕扯。

      但在Radiance光模擬引擎中,光的測定主要從光照強度來進行。陳景玲求算出用一般的照度計測出晴天條件下全可見光波段的光照強度直接換算成光合有效輻射的換算系數。得:

      1 lux=0.081 0×10-6mol/m2·s

      根據以上得,DLI=P·t=L·t≥12mol/m2

      式中,DLI為每平方米1d內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內的平均照度,lux·m-2;T為1d內的光照時間,s。

      (3)采光效率衡量標準:競賽區草坪達標區域面積占比P。足球場日光照明的基礎計算面為競技場地草地表面,專業足球場草地區域尺寸為115m×76m,總面積8740m2。將場地模擬計算網格為間距設為1m,測試高度為0m,競賽區共8623個測試點。

      草地競賽區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律,減少誤差提高模擬準確性,故通過模擬每個測試點當前月份的平均日累積光量后計算出競賽區草坪達標區域占比P(日累積光量大于12mol點數與總測試點數之比)來作為衡量足球場競賽區草坪的采光效率。當P=100%時,代表當足球場競賽區草坪完全符合國際足聯采光要求。

      2 研究過程

      2.1 競賽區草坪達標區域面積占比P計算過程

      以罩棚透光區面積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條件下所有測試點在12月平均氣象數據下1d內的照度變化,并對其進行可視化處理?梢园l現草坪獲得光照的時間集中在10:00~16:00之間。以A-I9個模擬點為例,如圖6所示,將9個點1d中的照度變化,繪制為折線圖,折線與橫坐標所圍合黃色區域面積即為該點當日的日累積光量,根據1 lux=0.0810×10-6mol·m-2·s-1可以計算出黃色區域的面積。并依照此方法可計算所有測試點1d內的日累積光量后,對其進行可視化處理后得圖7,可觀測該方案12月份的日累積光量分布。將所有測試點的日累積光量后與12mol對比,在8623個測試點中共有4967個點的平均日累積光量大于12mol,達到國際足聯標準要求,即P=57.60%。

      圖5 方案F1在12月份平均照度分布

      圖5 方案F1在12月份平均照度分布  下載原圖


      圖5 方案F1在12月份平均照度分布

      圖5 方案F1在12月份平均照度分布  下載原圖


      圖6 方案F1典型測試點在12月份1d內平均照度變化

      圖6 方案F1典型測試點在12月份1d內平均照度變化  下載原圖


      圖7 方案F1在12月份草坪日累積光量DLI分布

      圖7 方案F1在12月份草坪日累積光量DLI分布  下載原圖


      2.2 改變罩棚透光區面積

      根據文中研究,探討一年中罩棚透光區面積對競賽區草坪達標區域面積占比所產生的影響,擬得到大連地區專業足球場罩棚最佳透光區面積。對不同透光區面積的罩棚進行模擬,每個月份競賽區草坪達標區域面積占比的數值如表2所示。

        

      表2 大連梭魚灣足球場不同罩棚透光區面積下的全年P值  下載原圖



      %

      表2 大連梭魚灣足球場不同罩棚透光區面積下的全年P值
      圖8 罩棚不同透光區面積P值全年折線圖

      圖8 罩棚不同透光區面積P值全年折線圖  下載原圖


      如圖8所示,將P值匯總為全年折線圖,觀察發現在3~9月時太陽高度角較高,透光區面積的改變不會對草坪達標區域面積占比造成顯著影響,透光區面積對競賽區草坪日累積光量的影響主要集中在太陽高度角較低的冬季,因此將主要的研究時間定為11月~次年1月。

      圖9 冬季P值同罩棚ETFE面積關系

      圖9 冬季P值同罩棚ETFE面積關系  下載原圖


      圖9顯示了冬季時競賽區草坪達標區域面積占比P與罩棚透光區面積之間的關系。雖然P隨著透光區面積的增大而增大,但當△R增加至18m以上時,P的增長率明顯降低,如12月△R=18m時P值為82.59%,當△R增加為24m時,P值僅提高4.16%。而且過大的透光區面積會導致罩棚遮陽效果變差不利于營造良好的競技環境與觀賽條件。故其罩棚透光區最佳面積為8000m2,即△R=18m。

      2.3 分析與討論

      文中以大連梭魚灣專業足球場為例,通過模擬不同罩棚透光區面積下的競賽區照度變化,進一步計算競賽區草坪日累積光量,研究了寒地高緯度地區專業足球場罩棚透光區面積于草坪采光效率的作用機制。在充分考慮觀眾觀賽視覺舒適性的前提下,通過改變罩棚透光區面積的方法來使草坪采光效率達到最大化,提高草坪的成活率,降低草坪后期維護成本。

      大連地區專業足球場競賽區草坪的日累積光量在3~9月份基本可以滿足國際足聯相關要求。11月~次年1月時由于太陽高度角變低,草坪陰影面積的增大的原因,草坪采光難以滿足國際足聯相關標準,通過在罩棚合理設立透光區的方法可有效提高冬季競賽區的采光效率。冬季草坪采光效率會隨著罩棚透光區面積的增大而增大,當專業足球場罩棚透光區面積達8000m2以上時,采光效率的增長率顯著下降,此時通過增大罩棚大透光區面積無法繼續提高草坪的采光效率,反之還會對觀眾觀賽的視線舒適性造成負面影響。

      因此,研究在充分考慮觀賽視覺舒適性需求的同時,以提高競賽區草坪日累積光量為目標前提下,大連地區6萬座規模專業足球場膜結構罩棚透光區面積約為8000m2時較為合理。

      3 結語

      我國專業足球場的建設實踐剛剛起步,不同于綜合性體育場,其場地形態、罩棚要求、運營模式等方面均有其特殊性,場地草坪采光的需求差異僅僅是這種不同的其中之一。膜結構作為一種正在被廣泛應用于體育建筑的結構形式,具有極大的應用前景及設計潛力,其對不同類型體育建筑的設計模式、運營模式、評價模式的影響深遠,亟待研究。文中從專業足球場的草坪采光角度,以膜結構專業足球場罩棚透光區面積為切入點,通過模擬罩棚透光區不同面積下競賽區草坪的照度變化,探討罩棚透光區面積對草坪日累積光量的影響機制,并得出大連梭魚灣球場罩棚透光區面積定量成果。為膜結構專業足球場罩棚設計提供了一定的科學依據,期望這種研究視角可以引起對膜結構專業足球場設計技術提升的思考并為我國專業足球場這一新體育建筑類型的科學設計提供借鑒。

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