新加坡开放共享型社区体育中心环境设计研究.pdf

47Design Technology设计技术 丨 中图分类号 TU245 文献标识码 B 文章编号 1003-739X（2023）08-0047-06 收稿日期 2022-10-31摘 要 针对新加坡开放共享型社区体育中心环境设计，从空间组织、建筑朝向、开放方式、开放程度等角度，结合CFD模拟和Radiance日光照度模拟探讨了不同开放状态下场地内风速、热舒适及日光照度的变化规律，并结合各空间内运动项目的专业体育工艺要求，创造性地提出了社区体育服务设施的开放设计策略。研究旨在通过对新加坡相关案例的关键要素提取与典型模式分析，为我国社区层叠式体育服务设施的开放共享式设计提供策略参考和建议。关键词 社区体育中心 开放共享 热舒适度 日光照度 环境优化设计Abstract The research focuses on the environmental design of the open and shared community sports center in Singapore.From the perspectives of space organization,architectural orientation,location and degree of openness,integrated CFD simulation with Radiance daylight intensity simulation,we discussed the law of change of wind velocity,thermal comfort and daylight intensity on sports courts under different open conditions.With consideration of the professional sports craft requirements of each space,we creatively proposed the open design strategy of community sports service facilities,which aims to provide strategic reference and suggestions for the open and shared design of community cascading sports service facilities in China through the extraction of key elements and typical model analysis of relevant cases in Singapore.Keywords Community sports center,Open and share,Thermal comfort,Daylight intensity,Environmental optimization新加坡开放共享型社区体育中心环境设计研究Environmental Design of Open and Shared Community Sports Center in Singapore随着城市公共服务体系的精细化建设和全民健身计划的推行，社区体育设施逐渐成为我国体育设施建设发展的新方向。对于服务城市居民的体育设施而言，开放建筑平余中奇|Yu Zhongqi范兆祥|Fan Zhaoxiang汤朔宁|Tang Shuoning面或立面的部分围合构件，直接向城市社区提供共享性服务空间逐渐成为社区中心活力提升和生态化设计的新兴模式。一方面取消了建筑围护结构的遮蔽，社区中心通过直接呈现内部有活力的运动场景和丰富的层叠式空间，增加了其自身对于社区居民参与体验的吸引力；另一方面，开放的建筑空间在自然通风、场地热舒适和日光利用率等方图1 周边城市形态抽象模型及主要分析朝向图2 新加坡310月风玫瑰图48HA 08/2023务网络2。本研究对11个新加坡社区体育服务设施展开了调研。相较于大规模的区域中心管理需求和较小规模的组团中心尺度限制，邻里中心因其适宜的尺度规模更易实现空间开放性。因此本研究主要针对新加坡邻里中心尺度的社区中心展开。在体育功能设置上，邻里中心服务功能主要包括篮球场、羽毛球场、游泳池、室内慢跑道和小型足球场等运动设施，以满足社区居民休闲健身和体育游戏等需求。此外，这类社区体育中心通常设置包含休闲购物、餐饮售卖、社区医疗等多种服务业态的附属服务空间，并通过开放的线性公共空间与体育空间和运动场地有效结合，形成综合性的社区服务空间。2 实验模型提取与参数设置2.1 典型模型的建立及特征分析通过对调研案例的分析归纳，新加坡社区体育中心在空间组成上可按功能分为运动空间、附属服务空间和公共交通空间三大模块，其中运动空间功能以篮球、游泳和羽毛球为主。在整体空间布局模式上，新加坡社区呈现高度集约化特征，各空间相对紧凑，体量组合形态大多为较规整的长方体块。研究以调研对象空间模块组合模式的特征作为典型实验模型的依据，通过空间简化和模式归纳形成具有代表性的三类社区中心参数模型（表1）。（1）城市环境及主要朝向周边建筑形态通过对气流和日光遮挡直接影响着社区体育中心的光热环境。本研究模拟过程对周边城市肌理的设定以新加坡HDB典型住区为参考，设定为容积率2.3的板式住宅模块3，模块宽10m，高30m（10层）4，该设定依托已有新加坡城市类型学研究经验，以统一的抽象化住区模式为测试条件，便于不同模拟对象的横向比较5。根据调研案例分析，新加坡社区体育中心的主要布局方位与主导高频风向（南向）夹角呈现多种可能，如West Coast社区体育中心短轴与南向呈45，Taman Jurong 和Hillview社区中心短轴则与南向呈近似90。为探索社区体育中心不同朝向对主运动空间舒适度的影响，研究将实验模型按照参数类型开放参数设定开放空间位置底层空间开放中层空间开放顶层空间开放下沉空间开放开放边数单侧立面开敞双侧立面开敞（相邻）双侧立面开敞（相对）三边立面开敞开放程度完全开放（100%开放）下半部开放（50%开放）上半部开放（50%开放）正常开窗（WWR=30%）类型I-1型I-2型L型空间原型抽象模型主要特征公共空间呈I型且服务空间单侧布置公共空间呈I型且服务空间双侧布置公共空间呈L型且服务空间双侧布置典型案例项目名称NUS体育中心West Coast社区体育中心Hillview社区体育中心面，相较于传统封闭模式也均有一定程度的改善1。本研究旨在探讨社区体育中心立面开放状态下对于运动场地热舒适和自然光照度的影响，通过不同模式下场地物理性能的比较，形成针对不同运动项目的开放共享式设计策略。1 新加坡开放共享式社区体育设施概况相较于我国，新加坡社区体育设施建设发展时间相对较早，建设模式也更为完善。通过系统的规划，新加坡体育设施逐渐 形成了国家 级中心 区级中心 镇中心邻里中心组团中心五级体育设施服表1 新加坡社区体育中心典型空间组合模式表2 新加坡社区体育中心立面开放模式分类49Design Technology设计技术 丨 建筑短轴与南向的夹角分为0、45、90三种主要朝向，分别模拟不同朝向下场地环境变化（图1）。（2）立面开放模式新加坡社区体育中心多为多层层叠式体育综合体。运动空间在不同高度下由于立面开放所接受的日光辐射与通风水平均有较大差别，继而对内部场地光热环境产生不同影响。与此同时，社区中心在平面上不同位置的开放模式同样会较大程度地影响场地周围的气流状态和辐射分布，因此研究结合案例存在的实际情况探讨了不同位置、不同边数、不同程度的立面开敞模式下对室内环境的影响（表2）。2.2 模拟模型参数设定（1）CFD模拟研究采用以Grasshopper中Butterfly插件驱动OpenFOAM平台对社区体育中心场地进行气流组织的模拟，OpenFOAM提供多种湍流计算模型，本研究采用RAS模型，并采用参考高度15m的对数型大气边界条件6。具体测试CFD模型以I-1型运动中心为例，建筑整体尺寸为45m55m，测试区中心场地为32m22m。以1m为间隔将场地均匀划分为704个网格，并以其中心点作为测试点，测试高度1.4m。风场根据风玫瑰图（图2）及新加坡绿色建筑技术导则（GM_NRB2015）中的相关规定设置7，其常年夏季主导风向为南向，风速2.8m/s。CFD模拟具体边界条件及相关参数设定如表3所示。（2）平均辐射温度计算新加坡受热带季风影响，全年气候分为旱雨两季，本研究选择选择持续时间更长的旱季（310月）作为测试时间段，以计算当地的平均辐射水平。考虑工具协同的可能性，研究选用Ladybug工具计算模型场地区域的平均辐射温度。（3）日照分析在日照分析中，研究利用Radiance测试场地日光照度水平。与CFD模拟相类似，日照分析模型采用相同尺度（1m）网格划分运动场地，并据此形成704个照度测试点，测试高度1.4m。并利用新加坡平均气候条件的天空模型作为模拟的天穹条件，分析统计场地高频使用时段9:00、12:00、15:00的平均日光照度以衡量场地日光利用能力。依据案例的实际情况，模型光学参数设置如表4所示。3 模拟结果及分析3.1 CFD模拟结果及热舒适分析表5显示了不同开放模式下运动空间环境参数的模拟结果。其中，对于I-1、I-2和“L”型社区中心，当开放空间位于社区体育中心底层时，场地内平均风速相对最低，中层和顶层开放模式下风速有较为明显的增大。同层状态横向比较看，L型社区中心各层场地内风速高于I-1和I-2模式（图3）。各模式场地内平均辐射温度相对稳定，从底层到顶层稍有减小。结合场地内平均风速、平均辐射温度MRT、平均气温和相对湿度计算出场地内UTCI从底层至顶层依次递减，其中以I-1型空间UTCI下降最为明显。从不同朝向模拟结果分析，当社区中心短轴与南向呈0 至90变化时，场地内自然通风水平有明显的提升，对应的场地内平均参数名称参数值说明主风向、风速南向2.8m/s依据新加坡风玫瑰图设定迎风面计算区边界距离6LL为测试主体建筑长度顶、侧面计算区边界距离6L背风面计算区边界距离10L地形类型ZO1.0m具有标准大型障碍物城市环境主体建筑网格尺度1.0m依据GM_NRB2015_Technical_Guide_Requirements设定周边建筑体块网格尺度5.0m开放模式平均风速（m/s）平均辐射温度（）平均干球温度（）平均相对湿度（%）UTCI（）I-1底层0.242827.7527.4683.5732.2I-1中层0.503127.7227.4683.5731.6I-1顶层0.493727.6227.4683.5731.5I-2底层0.274327.7227.4683.5731.9I-2中层0.411827.6827.4683.5731.7I-2顶层0.408527.6127.4683.5731.7L-底层0.355727.7227.4683.5731.7L-中层0.535527.6827.4683.5731.6L-顶层0.565127.6327.4683.5731.4材料类型材料名称反射率/透射率粗糙度镜面反射率非透明材料天花板0.670.0330.06地面0.260.0720.01运动场地0.210.0640.03墙壁0.410.0420.04透明材料玻璃0.61-0.10表3 CFD模拟相关参数设定表4 测试模型各材料光学属性参数设定8表5 不同空间开放模式下模拟结果50HA 08/2023辐射温度也有一定幅度的降低，二者的变化共同促进了场地内热舒适性的改善（图4）。对于不同开放位置，相较于单侧立面开放的，双侧和三侧立面开放时的通风水平有明显改善，其中三侧开放对于室内风速提升最为明显。但同时三侧开放会导致室内辐射温度一定程度的上升。在风速和辐射温度共同影响下，双侧开放模式的UTCI低于单侧和三侧开放模式，为32.1，该模式下场地舒适水平相对最高。对于不同开放程度，相较于用窗墙比0.3的常规窗立面和上半侧开放模式，立面下半侧开放对于室内风速提升更为明显。而当立面完全开敞时，场地内自然通风风速达到最大且风速分布更加均匀。综合考虑室内辐射温度的影响，场地下半侧开放对于室内舒适的提升最为明显（图4）。3.2 照度模拟结果分析图5表明了不同开放模式下的日光模拟结果。从中可见，运动空间位置越高，其所能获得的平均日光照度也越强（图5）。不同空间模式横向比较，I-1型社区体育中心仅单侧设置附属服务空间，其三侧开敞所获得的日光照度高于I-2和“L”型社区中心。对于场地内照度分布，因运动空间整体空间进深较大，场地内部照度分布不均匀，开放区边缘场地照度值变化较大，而内部空间照度相对较低但均匀。I-1型社区体育中心仅在北侧布置附属服务空间，其东西南三侧开放后对于场地对应方向场地边缘照度整体提升十分明显。对于I-2和“L”型社区中心，因其附属空间设置方式仅能开放西南两侧立面，故场地内照度仅西南侧边缘区域提升较多（图6a）。对于不同朝向，在开放模式下不同建筑朝向对于平均照度整体数值范围变化不大（图6b）。对于不同的开放位置，以I-1型社区中心为例，单侧开放模式下场地内仅开放侧日光照度有一定的改善，但场地整体平均照度相对较低（图6c）。当采用双侧开放模式时（临侧、对侧），尽管相较于单侧开放模式获得了一定照度的提升，但效果仍相对有限。当东西南三侧立面完全打开时，场地三侧照度获得较大程度改善，场地整体照度提升显著。当立面下半部开放时，室内照度尽管相较于常规窗状态下有少许提升，但均匀性仍图3 不同开放模式场地风速CFD模拟结果（I-1型）图5 不同开放模式场地照度模拟结果（I-1型）图4 不同开放模式风速、平均辐射温度、UTCI值对比a 不同垂直开放位置比较c 不同立面开放程度比较b 不同水平开放位置比较d 不同建筑朝向比较51Design Technology设计技术 丨 较差，难以满足日光照明要求。当立面上半部开放时，室内照度提升程度与立面完全开敞时的平均照度相近，这表明立面上半部开敞对日光照度的调节作用更为明显（图6d）。4 环境设计优化策略（1）风环境及热舒适优化策略在体育工艺要求方面，根据体育建筑设计规范 JGJ312019相关规定，室内运动场地的风速设计标准为0.2m/s0.5m/s。热舒适方面，参照ASHARE标准对于建筑空间热舒适模型的通风率规定，净开口尺寸影响的自然通风空气流量是影响室内空气质量和乘员热舒适水平的关键因素11，因此当场地内CFD模拟风速大于0.5m/s的区域面积越大，其乘员热舒适水平越高。最终设计策略应是在体育工艺和热舒适度两者共同限制下的最优解。对于场地风环境及热舒适的优化，当运动空间位于中层和顶层时，运动场地平均风速高于0.5m/s，对应场地内舒适度相对较高，因此对于活动量较大的运动空间如篮球、排球等空间，应适当布置在社区体育中心的中层或上层，以获得相对较大的自然通风量促进乘员运动过程汗液蒸发，进而改善其热舒适性12。另一方面，对于对风速敏感的运动空间如羽毛球、乒乓球场地，或衣着较少的运动空间如泳池，在开放空间设置上更适合在建筑底层布置，以控制场地内风速，减少自然通风速率对运动的干扰和舒适度的影响（图7）。为提高自然通风水平，在条件允许的情况下应尽可能将建筑立面三侧全部开放。对于I-2和“L”型社区中心则建议开放相邻两侧立面并尽可能采用全部开放或开放运动空间立面的下半部以提升场地内自然通风水平。在整体朝向上，尽可能在主导风向上保证场地两侧立面开敞的贯通，将附属服务空间设置在主频风向的侧面，以促进场地内自然通风效能的最大化。（2）日光采光优化设计策略运动训练场地的光环境设计应尽量避免场地出现较大明暗对比，造成运动者的视觉疲劳，同时应避免在人视线及其仰角0 14的开设窗户，以及在场地侧端开设大面积侧窗，侧向采光易产生反射眩光和直射眩光。根据日光模拟结果，当立面采用开敞模式时，场地内照度水平基本能够达到运动训练和小型赛事的要求，但是在采光均匀度和眩光避免层面则需要针对开放的位置和开放程度做出进一步的选择。游泳等运动对眩光、照度均匀度相对宽松，因而可以采取全部开放的立面模式以获得最大的日光照度和自然通风水平。但对于竞技型较强的室内球类运动如篮球、羽毛球等运动，在追求照度提升的同时，应兼顾室内照度的均匀性以及潜在直射光的眩光危害。因此在开放模式设计上可以形成可开合的动态立面以适应不同模式的使用，a 垂直开放模式场地平均照度对比c 水平开放位置场地平均照度对比b 建筑朝向下场地平均照度对比d 开放程度场地平均照度对比图6 不同开放模式下场地平均日光照度对比图7 开放式社区中心功能空间组合方式优化图8 开合立面不同开放状态下调节作用示意52HA 08/2023当训练健身模式下将立面完全打开，最大程度形成良好的自然通风，提升空间热舒适水平；而竞技模式时仅开放立面的上半部形成高侧采光带，既最大程度提升室内日光利用率，同时减少眩光的危害和风速过高对于小型竞技球类运动的不利影响（图8）。结语本研究通过对新加坡社区体育中心开放模式典型案例的归纳总结提取主要开放参数并针对运动空间光热环境进行模拟，通过将模拟结果与体育工艺规范对照，形成针对不同类型运动空间环境优化的针对性设计策略，进而减少人工调节手段的使用，降低建筑整体能耗，为我国社区体育中心低碳健康发展提供参考和借鉴。开放共享型社区体育中心的推广既反映了体育建筑长期以来以绿色低碳策略调控环境的传统，也回应了人们对回归自然的健康体育环境的向往。新加坡社区体育中心建设体系相对完善，开放模式较为成熟，在开放方式和空间组合模式上具有借 鉴 价 值。资料来源：文中图表均为作者自摄或自绘。参考文献1 郑皓怀，钱锋.国外社区体育设施的发展建设初探J.建筑学报，2008（1）：5.2 张宇飞.新加坡公共体育设施建设：特征、经验与启示J.南京体育学院学报，2021，20（4）：37-43.3 泰坤生，张钦楠.关于新加坡大众住宅的一些想法J.建筑学报，1992（1）：52-54.4 Zhang J，Xu L，Shabunko V，et al.Impact of urban block typology on building solar potential and energy use efficiency in tropical high-density cityJ.Applied Energy，2019，240（APR.15）：513-533.5 郑媛，刘少瑜，王竹，等.新加坡公共住宅的地域性设计策略研究J.新建筑，2020（1）：83-87.6 Andrey Sogachev and Oleg Panferov.Modification of two-equation models to account for plant drag.Boundary-Layer Meteorology，2006，12（12）：229-266.7 G M _ N R B 2 0 1 5 _ T e c h n i c a l _ G u i d e _Requirements.8 Zhaoxiang Fan，Mengxuan Liu，Shuoning Tang.A multi-objective optimization design method for gymnasium faade shading ratio integrating energy load and daylight comfortJ.Building and Environment，2022：207.9 Ghani Saud，Mahgoub Ahmed Osama，Bakochristou Foteini，ElBialy Esmail A.Assessment of thermal comfort indices in an open air-conditioned stadium in hot and arid environmentJ.Journal of Building Engineering，2021：40.10 李煜.体育运动训练设施天然光环境舒适性动态优化方法研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.11 王天童.全民健身馆内大型球类场地自然通风设计策略研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学.12 Cheng Z，Li L，Bahnfleth W P.Natural ventilation potential for gymnasia Case study of ventilation and comfort in a multisport facility in northeastern United StatesJ.Building and Environment，2016,108：85-98.基金项目：国家自然科学基金项目“基于效率最优的场地层叠式体育综合体协同设计研究”（编号：52078342），同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司自主立项课题“基于智能感知与数字孪生的城市区域舒适度环境评估与自优化设计方法研究”作者信息：余中奇，同济大学建筑与城市规划学院助理教授，高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室范兆祥，同济大学建筑与城市规划学院博士研究生汤朔宁，同济大学建筑与城市规划学院教授、博士生导师，同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司国家一级注册建筑师（通讯作者）