本文是一篇建筑论文，本文以专业足球场观众区风环境为研究对象，首先通过实地调研制定了适用于本文的寒冷地区的室外活动舒适风速范围，然后采用CFD数值模拟的方法，对专业足球场界面形态变化下的观众区风环境特性进行研究，并通过对模拟结果的比较和分析，从观赛风舒适角度对我国寒冷地区专业足球场界面形态的优化提出设计策略。
第1章 绪论
1.1课题研究的来源、背景、目的和意义
1.1.1课题研究的来源
本文得到国家自然科学基金面上项目（编号51878200）——“寒地体育建筑风环境与空间形态耦合机理及优化设计研究”支持。
1.1.2课题研究的背景
《关于加快发展体育产业促进体育消费的若干意见》（国发[2014]46号）[1]，将大力推广校园足球和体育足球作为推动我国体育产业向纵深发展的潜力方向；《中国足球改革发展总体方案》（国办发[2015]11号）[2]，把振兴足球作为发展我国体育运动、建设运动强国的重要任务；《“健康中国2030”规划纲要》（2016）[3]的出台，将“健康中国”理念上升为国家战略，健康发展成为人和社会的共同追求，健康隐患的存在和健康需求的不断增长，强调了建成环境对人体健康发展的重要性，也对体育空间环境设计的多尺度发展提出新的要求。《中国足球中长期发展规划（2016-2050年）》（发改社会[2016]780号）[4]，在时间规划和路线发展方面对中国足球的未来明确了方向；《全国足球场地设施建设规划（2016—2020年）》（发改社会[2016]987号）[5]，以普及推广足球运动，增加足球场地有效供给，进一步满足群众健身需求作为我国近期足球建设的重要任务。《体育强国建设纲要》（国办发[2019]40号）[6]，将提升竞技体育综合实力、激发体育产业经济活力、发扬体育文化、扩大体育消费等列为建设重点。《国务院关于实施健康中国行动的意见》（国发[2019]13号）[7]和《健康中国行动（2019—2030年）》（国办发[2019]40号）[8]等文提出健康生活方式的推广有利于形成健康的生活方式、生态环境和社会环境，进而提高全民健康素养。2023年亚洲杯，明确要求申办城市须在2022年底前拥有一座专业足球比赛场馆。因此，增进人民的体育福祉，发展人民满意的体育事业，符合当前实际及适应发展需要。大力发展足球服务业，培育健康足球文化，提高足球运动的群众关注度，实现竞技体育、群众体育、体育产业、体育文化并驾齐驱的局面，期待着新的突破。
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1.2国内外相关研究现状及分析
近年来，各国学者就建筑风环境问题开展了大量工作，关于本论文涉及到的相关知识，需要综合体育建筑风环境、专业足球场及其发展、体育场或足球场观众环境、室外人体风舒适评估标准等多个领域的学科知识进行讨论。
1.2.1国外相关研究现状
WhiteB. R.等[17]（2001），对行人水平风环境进行了风洞研究，预测风速大小与舒适度的影响，并提出风速低于7MPH适用于在露天或室外座位区所有行人活动，风速7-11MPH是行人散步的适用风速。Wilkie S.[18]（2008），从球迷视角分析足球场容量大小，更换新旧场地及是否持有季票对足球场氛围的不同影响，确定了球迷与体育场地的纽带关系。Blocken B.和Persoon J.[19]（2009），将三维稳态雷诺平均方程与荷兰风环境评价标准结合，研究了周围新建高层建筑对阿姆斯特丹足球场附近的行人风舒适的影响。Hooff T. V.和B. Blocken[20]（2010），先后运用CFD模拟方法，研究风向、周围建筑物及地形对大型半封闭体育场入口自然通风的影响；又采用城市风与室内自然通风耦合的CFD建模方法，分析了阿姆斯特丹ArenA体育场屋顶开口形式及大小的改变对室内自然通风的影响，并得出通风率强烈依赖于风向的结论。Hooff T. V.等[21]（2011），基于CFD RANS（雷诺）稳态方程，介绍了12种不同类型的坐席和罩棚在体育场设计过程对风吹雨（wind-driven rain）的重要性，并提供了一些设计指南，以避免降雨在横扫风的影响下而引起的观众不适。Janssen W D等[22]（2012），基于CFD模拟，以案例分析的方法对不同的风标准对模拟结果进行比较研究，发现舒适标准的选择决定建筑是否应考虑补救措施，强调了风舒适度评估程序标准化对建筑设计的重要性。Ebrahimabadi和Saeed[23]（2015）针对亚北极地区的敏感气候条件，探讨风、雪及太阳辐射等因素对城市微气候的影响，并将户外舒适度纳入研究方法，对改善亚北极寒冷气候环境舒适提出设计策略。DF Campista等[24] （2016），基于ANSYS有限元分析法，研究了人类动态行为对巴西利亚国家体育场看台结构的影响，表明了人体的舒适度及安全性与足球场结构设计相关性。Jonas llegrini和Aytaç ubilay[25]（2017），基于CFD风环境模拟，研究了荷兰地区12种不同来流风向对临时避难所等候区人行高度处和座椅下方吹风舒适感的影响，结果表明，在避风区座椅高度到屋顶高度的作用基本相同，不同风向角下挡风面积的增大有利于营造舒适的风环境，但挡风板与地面的间隙，会增大座位下方的风不舒适感。
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第2章 寒冷地区冬季室外受风感受评估准则
2.1室外风环境评估影响因素
面向足球场观众区的风环境评价主要是对人体坐视高度处的城市风环境进行评价，由于行人高度一般取离地1.5m处，人体坐视高度一般取离地1.2m处，依据近地面风速剖面公式（公式3-6）计算得到V1.2/V1.5=0.967，因此本文认为此风速差值在允许误差范围内，即不再对人体坐视高度处的风速进行转换，而直接采用行人高度处的城市风环境评价标准，对专业足球场观众区风环境进行评估，详细评估影响因素有风安全、风热舒适性、风机械舒适性、风速比及人体容忍系数等几方面。
2.1.1风安全评估影响
近年来，由于建筑密度的不断增大以及建筑物的不断拔高，导致建筑周围出现的行人风环境问题在世界各地屡见不鲜。1972年，在英国伯明翰和朴茨茅斯市分别有两位老太太，因在高楼附近处被大风刮倒，并致头部受伤死亡[47]；1982年在加拿大多伦多，由于市政厅的屋顶上的一条慢跑道被大风刮落，导致一家四口受伤[48]；2005年，浙江省宁波市受到台风袭击，北仑体育馆屋顶被撕毁，场馆内漏水严重，比赛专用地板受潮，并致使正在进行的世界女排资格锦标赛转移比赛场地[49]。以上事件，一方面表现了大风天气对建筑、行人造成的直接影响以及对经济、发展造成的间接影响，另一方面表现了控制风荷载对建筑、结构设计以及建造技术、手段等的不断需求。
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2.2研究对象地点调研及数据整理
本文研究的对象为我国寒冷地区专业足球场观众区风环境，并以期对专业足球比赛达到室外寒冷季节观赛季的延伸和室外寒冷季节风速影响的优化的目的。因此，综合大风风况、寒冷气候以及承办足球赛事能力等条件，最终确定我国北方寒冷地区代表城市天津市为研究对象的地点。
2.2.1研究地点概况
天津处于我国华北平原东部，属于建筑热工设计分区寒冷气候A区（《民用建筑设计通则》GB 50352-2005）。以温度和风速风向条件分析，该市具备的气候特点有： 天津季风盛行，年平均风速为2 m/s ~4m/s，夏、秋两季风速较小，冬、春两季风速较高，以春季为最，春季中又以4月份为最；全市冬季多为西北风，夏季多为东南风，春秋季节多为西南风，据1971～2000年天津各台站风向风速统计，市区全年以西南偏南风（SSW）为主。
天津冬冷夏热，年平均温度为12~15℃，根据1981～2010年资料统计，春、冬两季，市区平均气温分别为13.4℃和-1.7℃。其中三月平均温度为4~14℃，历史低温为-3℃，十一月平均温度为3~11℃，历史低温为-8℃[67]。
以北半球四季划分，在天津3~5月为春季，人体体感由“寒冷”转向“稍暖”；6~8月为夏季，人体体感由“暖”转向“热”；9~11月为秋季，人体体感由“稍暖”转向“稍冷”，12~2月为冬季人体体感由，则以“极冷”为主。
根据温湿指数和风寒指数划分标准可将天津地区全年总日数分为舒适日、寒冷日和炎热日，资料统计1980-2012年，天津寒冷日数占全年总日数的29%~32%，其中三月份寒冷日数占该月总日数的38%，十一月份寒冷日数占该月总日数的52%，为典型的“冷舒适型”气候区[68]。
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第3章CFD数值模拟方法及实验平台的验证..................................34
3.1数值模拟平台的建立 .................................34
3.1.1软件模拟的目的 ............................34
3.1.2模拟软件的选择 ......................35
第4章足球场界面形态模拟试验及优化策略 ........................56
4.1确定主要影响因素 ...................................56
4.1.1影响因素的分析与界定 ................................56
4.1.2内界面(Internal boundary )孔隙率的影响 ..................................58
结论 ..........................79
第4章足球场界面形态模拟试验及优化策略
4.1确定主要影响因素
风在遇到障碍物时会发生绕流，在遇到孔隙时会发生渗透。专业足球场观众区风环境就是外部环境自然风在专业足球场建筑物或构筑物影响下，发生绕流和渗透后形成的风场。受足球场几何形状、迎风宽度、顺风深度以及来流风特性等多个因素的综合影响，观众区的风环境及其复杂。与自然条件相反，设计条件具有一定的可逆性和可控性，因此笔者在上文中已经设定了初始来流风速及风向条件，本章节则主要将影响观众区风环境的着眼点放在专业足球场的界面形态设计上。
4.1.1影响因素的分析与界定
4.1.1.1物理模型的有效性选择
专业足球场的形态变化差异巨大，为能够进行定量计算，需要以统筹的办法对足球场建筑形态进行筛选。
1.以国内外已建成专业足球场为样本，如图4-1和图4-2所示，a.在坐席平面形态分类中，方形倒圆角且四面连续布置球场平面占样本总数量最多；b.在坐席剖面形态分类中，从整体来看，专业足球场看台一般是分层设计，且在层间布置包厢，从局部来看，首排坐席会被抬升一定的高度，以达到提高首排坐席的观赛效果的目的；c.在罩棚形态分类中，单侧布置罩棚、双侧布置罩棚、四面独立罩棚和四面贯通式罩棚的占比依次增大，且直面罩棚比曲面罩棚在实际应用中更为常见。
建筑论文参考
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结论
本文以专业足球场观众区风环境为研究对象，首先通过实地调研制定了适用于本文的寒冷地区的室外活动舒适风速范围，然后采用CFD数值模拟的方法，对专业足球场界面形态变化下的观众区风环境特性进行研究，并通过对模拟结果的比较和分析，从观赛风舒适角度对我国寒冷地区专业足球场界面形态的优化提出设计策略，具体内容如下：
（1）基于文献调研，选定模拟研究的专业足球场容量为30 000座，罩棚形态为四面连续直面平直罩棚，平面坐席形态为四面连续倒圆角，并参考观众席视线设计相关数据计算了坐席总高度，得到理想的三维物理模型，明确了专业足球场对于观众区风环境产生影响的主要因素为界面的通透率。
（2）基于实地调研，在天津地区开展了室外风寒环境舒适度调查，以现场发放问卷的方式，调查了在室外休憩或活动的人群对当时气象条件的主观感觉和期望值。同时持续记录了问答时间段内的风速、温度等气象条件参数。利用数理统计的方法，寻找由风速变化带来的室外人群舒适感受的变化规律，并参考风对大气污染物的影响，得到适用于对足球场观众区风环境进行评价的寒冷地区冬季室外受风感受评估准则。
（3）基于理论研究与实践，对哈尔滨国际会展中心体育场观众区风环境进行了数值模拟并与实测数据进行比较，验证了模拟平台的可靠性；通过不同质量的网格划分模拟实验对比，确定了可行性划分方法；通过对模拟地区风速气象资料的统计与分析，确定了实验来流风速及风向。最终建立了较为可靠的模拟平台，保证减小后期模拟实验工作的误差。
参考文献（略）