寒地全民健身中心空间布局与自然通风性能相关性研究＊

李晋阳 黄勇 张龙巍 陈磐

随着《全民健身纲要》的推行，各地全民健身中心大量兴建，其大空间通风性能问题也逐渐引起建筑师的关注。作为建筑性能的主要研究要素之一，自然通风对于调节室内热湿环境与空气质量有着显著的效果。利用设计手段优化室内自然通风效率，不仅能够改善室内环境舒适度，还可以降低能源消耗，从而达到节能减排的目的。这在当今倡导绿色低碳、节能减排的时代背景下，有着深远的意义。

作为体育建筑的一个分支，全民健身中心室内空间对场地环境的要求没有专业比赛场馆那般苛刻，无需过度依赖中央空调系统，在提高了建筑对自然通风需求的同时也对通过优化建筑形态改善室内通风效果提出了新的要求。目前，全民健身中心设计有着从单一功能走向复合功能的趋势[1]，这就使得全民健身中心设计既要适应民众体育活动多元化大空间设计的要求，也要应对多种空间组合形式带来的室内自然通风问题。因此，开展全民健身中心的空间布局与自然通风性能的相关性研究十分必要。

1.1 室内通风性能研究聚焦于天井、中庭

既往有关建筑室内通风的研究多集中在办公建筑和公共类建筑，且通常关注天井、中庭等竖向腔体对建筑通风的影响，而对建筑本体形态与空间布局关注不足。杨建坤等对中庭内热环境进行研究，证明自然通风在过渡季节能有效改善室内热环境[2]。李传成等对武汉某教学楼中庭内环境进行测量，发现中庭垂直温度梯度对自然通风影响很大，中庭外窗的充分开启有利于夏季自然通风和节能[3]。李浩达对中庭的平面布局、剖面布局、组合中庭和环境设计等方面进行阐述，基于通风效果根据具体问题提出一系列相对完善的中庭空间设计策略[4]。以上文献就腔体植入对室内风环境的影响进行了研究，证明了腔体对室内通风的有利影响，但这些研究均是通过腔体植入来实现通风性能的优化，对于建筑本体设计要素对室内风环境的研究相对不足。

1.2 室内通风与空间布局相关研究不足

既有关于通风与空间布局的研究集多中于外部环境，如建筑形体、建筑间距、建筑群布局、城市街道等，而对建筑内部空间布局引发的室内风环境变化讨论较少。丁勇等对重庆市部分建筑户型室内通风环境舒适情况进行研究，发现通过改变建筑朝向和局部改变建筑布局设计可以显著改善室内自然通风效果[5]。宋修教等对《建筑设计资料集》中办公建筑、教学建筑等平面进行了归纳，针对平面空间划分对建筑自然通风性能的影响进行了研究[6]。目前对于通过优化室内空间形态或空间布局改善室内自然通风的研究取得了一定成果，空间布局对室内通风的改善作用也得到了验证，但对不同功能类型、不同空间特点的建筑空间布局与通风性能的研究还相对不足。

1.3 研究定位

为了适应城市高密度环境以及城市居民对体育运动的需求，现代体育场馆有着向高空发展的趋势，因此对其标准层平面空间布局展开研究具有实际意义。鉴于体育场馆功能的需求，优化空间布局以及通风界面形态成为优化室内通风性能的主要手段。基于以上原因，本研究以寒地全民健身中心为研究对象，以“核心大空间+辅助小空间”的典型建筑空间特征为基础，根据空间围合特点构建基础空间布局模式，选取合理的通风界面形态作为控制变量，模拟风压驱动下空间布局与开口界面形态对室内通风的影响。

2.1 环境参数

本研究选取北方中部典型寒地城市沈阳的气象环境数据作为模拟条件，针对北方寒地城市气候下全民健身中心空间布局与自然通风性能的关系进行研究。使用LBT（Ladybug Tools）软件对沈阳市气象环境数据CSWD（Chinese Standard Weather Data）进行分析，假定室外干球温度区间在18～28℃、相对湿度在80%以下，适宜采用自然通风进行室内温湿度调节，数据显示全年有6个月具备有条件利用自然通风改善室内温湿度环境，其中主要时间段集中在春夏两季。

利用软件生成沈阳市春夏两季风玫瑰图（图1)，春季主导风向为西南偏南风，平均温度10.5℃，平均风速2.98m/s，最高风速12m/s；
夏季主导风向为南风，平均温度23.6℃，平均风速2.02m/s，最高风速7m/s。本研究以春夏两季平均风速为模拟环境条件，设定距地面10m处的参考风速为2.5m/s，风向为正南风。

2.2 模型参数

调研发现，全民健身中心建筑在空间布局与空间尺度上针对民众健身的使用需求均进行了优化[7]。与传统竞技型体育馆相比，全民健身中心省去了观众区，为多层空间层叠模式提供了更有利的自然通风与采光；
与训练型体育馆相比，全民健身中心满足了不同活动对场地空间的使用要求，加强了空间功能复合性和丰富性，使得内部空间布局更加自由。

在本研究中，我们将单层大空间围绕布置辅助空间作为基准的空间布局形式，按照辅助空间围合模式的差别，将全民健身中心分为单侧布置、对侧布置、L形布置和U形布置4种模式，进而探讨不同空间模式下室内自然通风情况。根据既有研究对全民健身中心空间尺寸的建议[8]，设定实验模型数据如下：主体大空间长、宽和高分别为60m、40m和12m，辅助空间进深12m，层高6m，将此条件与布局模式结合，确定8种空间布局模式的实验模型（图2)。同时，利用参数建模工具对建筑开口界面个数进行控制，开口界面占墙面比设定为0.15，辅助空间开口界面中心点间距为6m，大空间开口界面中心点间距设定为9.5m、9m、8m、7m、6m、5.5m、5m、4.5m共8种条件，对应界面开口个数为6至13个。

2.3 模拟参数

研究聚焦于不同建筑形态下室内风场情况，故忽略太阳辐射以及室内热源对室内气体流动的影响。研究基于建筑尺寸采用雷诺平均N—S方程组模型（RANS）进行计算求解，利用Grasshopper平台Butterfly插件调用Open FOAM工具进行CFD模拟。为了反应真实的室内外流场情况，在模拟中引入外部计算域。参考建筑外部环境计算域的模拟要求，对计算域进行如下设置：设定建筑高度为H，建筑迎风面、顶面和两侧计算域为5H，建筑背风面计算域为10H（图3）。在模拟计算中，为了优化网格的准确性，对建筑表面及建筑内部空气流动出入口进行网格加密处理，以此获得较为准确的模拟结果[9]。

3.1 单侧布局模式

单侧布局模式是最基础的“大空间+辅助空间”平面布局模式，其布局方式根据辅助空间所处大空间的方位可细分为3种类型，即辅助空间位于单侧迎风布局、单侧背风布局、单侧侧风布局（图2a—2c）。根据模拟结果绘制拟合曲线（图4）和1.5m高度处界面开口数为10时3种类型布局的室内风速云图（图5）。

模拟结果显示，室内最大风速与平均风速数值由高到低分别为背风布局、侧风布局、迎风布局，其中迎风布局与背风布局相比，最大风速与平均风速降幅度均达26.8%，可见辅助空间布置位置对室内空间整体风环境有着较大影响。

3种布局模式下0.1～0.3m/s与0.3～0.5m/s风速区间占比均较高，室内空气流动较为良好。其中，背风布局与侧风布局的风速区间占比接近，均在32%左右，而迎风布局下0.1～0.3m/s舒适风速区间占比高达44.3%，远高于0.3～0.5m/s风速区间的21.5%，此时室内风环境较为理想。

3种布局模式下室内风场存在较大差异。背风布局模式下，室外气流直接流进大空间，此时室内窗口附近2m范围形成高速分区。同时由于建筑进深变大，背风侧辅助空间形成明显穿堂风。侧风布局模式下，大空间内气体流通相对均匀，但辅助空间空气流动性较差，形成较大范围的静风区。迎风布局模式下，大空间与辅助空间室内均形成穿堂风，空气流场分布不均，室内风环境舒适性较差。

1 春季、夏季风玫瑰图

2 空间布局模式

3 计算域设置

4 单侧布局模式不同布局类型对通风的影响

3.1.1 背风布局模式

对不同界面开口个数下模拟结果绘制拟合曲线（图6）。背风布局模式下，随着界面开口个数的增加，最大风速呈上升趋势，平均风速呈下降趋势。斯皮尔曼相关系数分别为0.827和—0.959，可见背风布局模式下界面开口个数与室内最大风速以及平均风速有着紧密的联系。随着开口个数的增加，0.0～0.3m/s风速区间占比逐步增加，0.3～0.5m/s风速区间占比逐渐减小，室内0.1～0.3m/s、0.3～0.5m/s以及0.5～0.7m/s风速区段占比相对平均，室内通风性能较好。

3.1.2 侧风布局模式

绘制不同界面开口个数模拟结果拟合曲线（图7）。侧风布局模式下，随着界面开口个数的增加，最大风速与平均风速均呈下降趋势。斯皮尔曼相关系数分别为—0.770和—0.161，可见最大风速与界面开口个数有着密切联系，而平均风速与界面开口个数关系不大。随着开口个数的增加，0.1～0.3m/s与0.3～0.5m/s风速区间均占较大比重，平均占比在32%左右，此时室内风环境较为良好。

3.1.3 迎风布局模式

绘制不同界面开口个数模拟结果拟合曲线（图8）。迎风布局模式下，随着界面开口个数的增加，最大风速与平均风速变化不大。斯皮尔曼相关系数分别为—0.112和—0.408，可见最大风速和平均风速与界面开口个数关系较弱。随着开口个数的增加，0.1～0.3m/s风速区间始终占据较大比重，平均占比在43%左右，此时室内风环境较为稳定。

5 背风布局、侧风布局、迎风布局模式风速云图

6 背风布局模式下界面开口个数对通风的影响

7 侧风布局模式下界面开口个数对通风的影响

8 迎风布局模式下界面开口个数对通风的影响

9 对侧布局模式下界面开口个数对通风的影响

3.2 对侧布局模式

对侧布局模式是两侧辅助空间布局类型中的特殊形式，可分为长边对侧布局与短边对侧布局。本研究考虑到大空间室内采光的要求，仅对短边对侧布局模式开展模拟研究（图2d）。

根据模拟结果绘制拟合曲线（图9）和1.5m高度室内风速云图（图10）。在对侧布局模式下，随着界面开口个数的增加，最大风速呈上升趋势，平均风速呈下降趋势。斯皮尔曼相关系数分别为0.627和—0.922，可见对侧布局模式下界面开口个数与室内最大风速以及平均风速关系较为明显，且向不同趋势发展。此布局模式下0.3～0.5m/s风速区间占比略高于0.1～0.3m/s风速区间。随着开口个数的增加，0.1～0.7m/s风速区间占比不断提高，0.1m/s以下与0.7m/s以上风速区间占比不断下降。

10 对侧布局模式风速云图

3.3 L形布局模式

L形布局模式是两侧辅助空间布局的常见形式，相较于对侧布局L形布局能够将辅助空间更好的集中，功能组织更加便利，但存在采光面相对较小，通风流畅度降低等问题。本研究将L形布局分为迎风L形布局与背风L形布局（图2e,2f）。

根据模拟结果绘制拟合曲线（图11）和1.5m高度室内风速云图（图12）。随着界面开口个数的增加，背风L形布局最大风速呈上升趋势，平均风速呈下降趋势；
迎风L形布局最大风速与平均风速变化不大。其模拟结果与单侧布局下背风布局和迎风布局吻合。风速云图显示，背风L形布局西侧辅助空间空气流场明显优于迎风L形布局，但其大空间南侧进风界面向内2m范围形成高速风场。

3.4 U形布局模式

U形布局模式同样可分为背风U形布局与迎风U形布局模式两种（图2g,2h）。根据模拟结果绘制拟合曲线（图13）和1.5m高度室内风速云图（图14）。在背风U形布局模式下，随着界面开口个数的增加，最大风速呈上升趋势，平均风速呈下降趋势。斯皮尔曼相关系数分别为0.860和—0.952，可见背风U形布局模式下界面开口个数与室内最大风速以及平均风速关系较为明显。而在在迎风U形布局模式下，界面开口个数的增加对最大风速和平均风速几乎没有影响。此外，界面开口个数对两种U形布局模式风速区间影响不大。背风与迎风U形布局0～0.7m/s风速区间平均占比分别为80.6%和75.9%，相差4.7%。其中0.1～0.3m/s风速区间平均占比分别为49.1%和26.6%，相差22.5%。可见背风U形布局室内风速分布明显优于迎风U形布局。

11 L 形布局模式下界面开口个数对通风的影响

12 迎风与背风L 形布局风速云图

13 U 形布局模式风环境模拟图

14 迎风与背风U 形布局风速云图

风速云图显示，背风U形布局模式下，虽然在南侧进风界面产生2m范围高速风区，但主体大空间与周边辅助空间空气流动良好。而迎风U形布局模式下，南侧辅助空间与大空间形成明显穿堂风，而东西侧辅助空间空气流动极差，风场分布较差。

本研究从空间布局模式的角度探讨了大空间建筑通风性能特点，同时对相同开窗比例下通风界面形式与通风性能影响关系进行研究，得出如下结论。

（1）大面宽、小进深对室内通风有利。典型布局中最大风速和最小风速分别为对侧布局模式的1.852m/s和单侧迎风布局模式的1.267m/s，两者相差46.2%。平均风速呈现规律与最大风速接近，最大平均风速同样出现在对侧布局模式，风速为0.450m/s。最小平均风速出现在迎风L形布局，风速为0.307m/s，单侧迎风布局模式次之，风速为0.327m/s。而对侧布局模式与单侧迎风布局模式分别为8种布局模式中面宽进深比的两个极端，可见大面宽、小进深对整体通风更加有利。

（2）背风侧布局模式对室内通风性能更为有利。面宽与进深相同时，背风L形布局和背风U形布局的最大风速和平均风速两方面均大于迎风L形布局和迎风U形布局，且背风布局模式室内风场均匀度优于迎风布局模式。其原因在于迎风侧辅助空间与核心大空间连接处门洞面积小于外墙通风界面面积，局部压力造成室内通风变差，因此在设计中应避免采用迎风侧布局模式。

（3）通风界面个数与室内风速分布并无明显规律。对侧布局模式下核心大空间背风侧与迎风侧不存在辅助空间，此时开口个数对室内风速分布占比影响较大，开口个数越多，高速风区占比越低，室内风场均匀度越好。当核心大空间背风侧与迎风侧存在辅助空间时，界面开孔个数对室内风速分布影响较弱。因此如果想获得更好的室内通风性能，核心空间迎风侧与背风侧均应避免设置辅助空间。

本文对寒地全民健身中心空间布局与自然通风性能相关性进行了初步的研究，而空间布局只是影响通风性能的一个方面。建筑周围环境条件、建筑立面开窗形式、建筑屋顶通风条件以及通风腔体布置等都对室内风环境产生影响，未来我们也会对其他影响通风性能的设计条件进行综合分析，从而实现对寒地全民健身中心建筑通风性能影响因子的综合梳理。

图片来源

1-14作者自绘