基于氣候特征的體育場館布局設(shè)計(jì)方法研究與實(shí)踐

李寶鑫，王昊斌，張津奕，張智晴（天津市建筑設(shè)計(jì)院，天津 300074）

基于氣候特征的體育場館布局設(shè)計(jì)方法研究與實(shí)踐

Study and Practice of Stadium Layout Design Based on Climate Characters

李寶鑫，王昊斌，張津奕，張智晴（天津市建筑設(shè)計(jì)院，天津 300074）

介紹了可持續(xù)設(shè)計(jì)方法與氣候特征分析在綠色建筑實(shí)際工程應(yīng)用中的作用。以某體育文化中心為例，通過氣候和場地功能分析，運(yùn)用可持續(xù)設(shè)計(jì)方法對(duì)場地空間布局與建筑本體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)舒適的微環(huán)境（風(fēng)環(huán)境、太陽輻射）和場地雨洪管理。在少量增量成本的情況下達(dá)到綠色建筑三星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了氣候特征分析與可持續(xù)設(shè)計(jì)方法在綠色建筑設(shè)計(jì)中的重要作用，為今后綠色建筑設(shè)計(jì)咨詢提供了一定的經(jīng)驗(yàn)與指導(dǎo)。

氣候特征分析；可持續(xù)設(shè)計(jì)；綠色建筑；微環(huán)境；雨洪管理

自 GB/T 50378—2006《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》實(shí)施以來，綠色建筑已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展共識(shí)。綠色建筑是運(yùn)用環(huán)境回饋和資源效率繼承的思維去設(shè)計(jì)和建造的建筑。它從建筑及其構(gòu)件的壽命周期出發(fā)，考慮其性能和對(duì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的影響，致力于在節(jié)省建筑使用和維護(hù)費(fèi)用的同時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)健康舒適的人居環(huán)境[1]。隨著綠色建筑體系的完善，其所倡導(dǎo)的環(huán)境友好、人員舒適的理念也越來越多地得到了社會(huì)認(rèn)同。近幾年綠色建筑數(shù)量增長很快，與此同時(shí)也出現(xiàn)了一些問題，即建筑設(shè)計(jì)僅依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行逐條“對(duì)標(biāo)”，更多地只是“為綠而綠”，并沒有根據(jù)建筑本身與周邊環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，沒有使其更好地達(dá)到人員使用舒適、與自然和諧共生的效果。針對(duì)這種情況，為了更多地降低能耗、增強(qiáng)人員的舒適感，可持續(xù)設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

建筑可持續(xù)設(shè)計(jì)注重“風(fēng)水”等傳統(tǒng)建筑理念的應(yīng)用，重視室外風(fēng)、熱環(huán)境以及室內(nèi)自然通風(fēng)、關(guān)注被動(dòng)設(shè)計(jì)策略的采用，追求建筑物理環(huán)境的舒適性，以及“人—建筑—自然”三者之間的和諧共生[2]。可持續(xù)設(shè)計(jì)在建筑形體設(shè)計(jì)和建筑群布局中起到十分重要的作用。該設(shè)計(jì)方法關(guān)注建筑功能與氣候環(huán)境的結(jié)合，在對(duì)場地和氣候條件分析的基礎(chǔ)上，利用風(fēng)環(huán)境模擬、日照模擬等輔助手段，優(yōu)化建筑布局與場地規(guī)劃。

本文以位于湖北省公安縣的某體育文化中心方案設(shè)計(jì)為案例，運(yùn)用可持續(xù)設(shè)計(jì)方法，對(duì)該地區(qū)氣候特點(diǎn)進(jìn)行分析，并針對(duì)其特點(diǎn)做出相應(yīng)的建筑與場地設(shè)計(jì)，達(dá)到綠色建筑三星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 氣候分析

公安縣位于湖北省中南部邊緣，長江上荊江南岸。其氣候類型屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明、日照長、雨量充沛。全縣年平均氣溫為 15.9～16.6℃，日照時(shí)數(shù)為 1 800～2 000 h，降雨量 1 100～1 300 mm[3]。春季冷暖多變，溫度上升快，雨量遞增；夏季炎熱潮濕，雨量不均；秋季日暖夜涼，雨量銳減；冬季寒冷干燥，低溫少雨。熱量豐富，無霜期長。該地區(qū)全年溫度分布如圖1 所示。

根據(jù)公安縣氣象臺(tái)提供的風(fēng)速數(shù)據(jù)，公安縣全年平均風(fēng)速約為 1.4 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)及東北偏北風(fēng)。其風(fēng)向分布如圖2 所示。

由以上條件可知，該地冬季持續(xù)時(shí)間較短，風(fēng)力不大且風(fēng)向較穩(wěn)定，適合進(jìn)行自然通風(fēng)；太陽日照時(shí)間較長，可充分利用其進(jìn)行自然采光；降雨量較大且時(shí)間集中，需要進(jìn)行場地雨洪規(guī)劃，做好場地蓄水以減小地表徑流。

圖1 公安縣氣溫分布

圖2 公安縣逐月風(fēng)向分布

2 場地功能分析

本項(xiàng)目各建筑的主要功能為體育場館與健身活動(dòng)中心。場館正常使用時(shí)，由于人員密集且人在運(yùn)動(dòng)時(shí)耗氧量增加，需要大量室外新風(fēng)。自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)相比，風(fēng)力更加柔和且風(fēng)向不固定，可減小運(yùn)動(dòng)過程中冷風(fēng)直吹帶來的運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)，因此在建筑布局時(shí)應(yīng)充分考慮室內(nèi)自然通風(fēng)，室內(nèi)照明盡量利用自然采光，同時(shí)需要考慮設(shè)置遮陽以減少室內(nèi)的得熱量。

建筑的室外場地用作市民休息娛樂的活動(dòng)廣場。活動(dòng)廣場需要保持場地規(guī)整，同時(shí)設(shè)置部分景觀和種植綠色植物，減小城市熱島效應(yīng)。人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)風(fēng)速不宜過大，也不能存在渦旋和空氣不流通區(qū)域。場地日間宜有充足的太陽照射，且在必要處設(shè)置遮蔭措施，夏季在接受陽光的同時(shí)給市民提供蔭涼。

3 場地微環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合氣候及場地功能可知，場館布局時(shí)需要考慮室內(nèi)自然通風(fēng)與自然采光、場地室外活動(dòng)空間以及風(fēng)速、日照、遮陽和雨洪控制等多方面因素。

3.1 建筑形體與活動(dòng)空間布局

本項(xiàng)目為多個(gè)建筑組成的建筑群。各個(gè)建筑單體體形均為長方形，長方形四角做圓角設(shè)計(jì)。這樣既能夠保證建筑迎背風(fēng)面產(chǎn)生風(fēng)壓差，又能減小建筑兩側(cè)的風(fēng)速。各單體建筑擺位后包圍成一個(gè)圓形區(qū)域作為活動(dòng)廣場。建筑間設(shè)有挑空連廊，使各建筑呈現(xiàn)整體感，方便人員在建筑間穿行。廣場在東北和西北兩個(gè)方向分別設(shè)置兩個(gè)主出入口。在基礎(chǔ)風(fēng)速不大的情況下，選擇這樣的入口方式有利于場地整體的通風(fēng)。項(xiàng)目建筑布局如圖3 所示。

圖3 項(xiàng)目建筑布局

3.2 室外風(fēng)環(huán)境

室外風(fēng)環(huán)境模擬分析的主要內(nèi)容是室外的風(fēng)速場和建筑立面的風(fēng)壓分布，以指導(dǎo)建筑布局和建筑體形的設(shè)計(jì)。

(1) 室外風(fēng)環(huán)境。為了使室外活動(dòng)廣場環(huán)境舒適宜人，需要保證人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速不高于 5 m/s，有利于為行人提供舒適環(huán)境。與此同時(shí)，場地內(nèi)不能出現(xiàn)無風(fēng)區(qū)有利于污染物擴(kuò)散。利用 Starccm+軟件對(duì)建筑群進(jìn)行室外風(fēng)場模擬，邊界條件見表1。室外風(fēng)場風(fēng)速云圖和室外風(fēng)速矢量圖，如圖4 所示。

表1 室外風(fēng)場模擬邊界條件

圖4 室外風(fēng)場風(fēng)速云和室外風(fēng)速矢量圖

由圖4(a) 可得出，室外風(fēng)速?zèng)]有超過 5 m/s 的區(qū)域，室外平均風(fēng)速為 1.5 m/s，有利于人們?cè)趫龅貎?nèi)活動(dòng)。由于建筑之間的連廊設(shè)計(jì)成挑空連廊，可以使空氣從建筑間通過，建筑周邊不會(huì)出現(xiàn)大面積的無風(fēng)區(qū)域，有利于建筑通風(fēng)換氣。由圖4(b) 可知，由于廣場主出入口朝向與風(fēng)向相同的設(shè)計(jì)，廣場內(nèi)主要的人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速、風(fēng)向保持一致，沒有出現(xiàn)渦漩區(qū)，不但增強(qiáng)了廣場的通風(fēng)換氣，還可以帶走人員活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量。

(2) 建筑立面風(fēng)壓和自然通風(fēng)。在模擬室外風(fēng)環(huán)境的同時(shí)，本文對(duì)相同邊界條件下建筑各表面承受的風(fēng)壓進(jìn)行了模擬。建筑迎風(fēng)和面背風(fēng)面風(fēng)壓如圖5 所示。

圖5 迎風(fēng)面風(fēng)壓和背風(fēng)面風(fēng)壓

由 JGJ/T 229—2010《民用建筑綠色設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，當(dāng)建筑非迎風(fēng)面和迎風(fēng)面之間的壓差保持 1.5 Pa 左右時(shí)即可保證夏季與過度季有效的自然通風(fēng)[4]。由圖5 可知，由于各建筑均設(shè)計(jì)為近似長方體的形狀，增大了建筑的迎、背風(fēng)面產(chǎn)生的風(fēng)壓差，建筑迎風(fēng)面風(fēng)壓約為 1.5 Pa、非風(fēng)面之間風(fēng)壓約為 -0.5 Pa，非迎風(fēng)面與迎風(fēng)面間壓差約為 2 Pa；大于 1.5 Pa。本項(xiàng)目建筑體形設(shè)計(jì)有利于建筑開窗實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，形成舒適的室內(nèi)環(huán)境。

3.3 室外場地的太陽輻射

室外場地太陽輻射分析的主要目的，是從防止夏季太陽暴曬和利于冬季創(chuàng)造溫暖室外環(huán)境的角度，分析主要活動(dòng)區(qū)域內(nèi)冬季是否存在無陽光照射的區(qū)域，以及夏季是否存在太陽暴曬、如何設(shè)置景觀或種植喬木達(dá)到遮陰的效果。夏至日與冬至日?qǐng)龅靥栞椛淠M圖，如圖6 所示。

圖6 冬至日?qǐng)龅靥栞椛淠M圖和夏至日?qǐng)龅靥栞椛淠M圖

由圖6(a) 可知，活動(dòng)廣場在冬季除了靠近南側(cè)建筑處由于不能直接接受到太陽照射而太陽輻射量小以外，其余部分太陽輻射量較高，室外環(huán)境溫暖。所以，活動(dòng)廣場可以作為冬季的主要室外活動(dòng)空間。

由圖6(b) 可知，活動(dòng)廣場適合冬季活動(dòng)的區(qū)域在夏季由于受到太陽暴曬，地表溫度升高，使人們無法長時(shí)間停留駐足。因此，在活動(dòng)廣場應(yīng)分區(qū)域種植景觀喬木、灌木，以起到遮蔭避陽和降低城市熱島效應(yīng)的作用。

3.4 海綿城市和雨洪管理

由于公安縣雨量豐富且降水時(shí)間集中在夏季，所以當(dāng)雨量較大時(shí)，傳統(tǒng)的大面積硬地廣場會(huì)出現(xiàn)地表徑流大、地面積水嚴(yán)重等現(xiàn)象。針對(duì)這類現(xiàn)象，需要對(duì)活動(dòng)廣場進(jìn)行以海綿城市理念為核心的雨洪管理專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

海綿城市理念是以保證場地雨水順暢外排、降低洪澇災(zāi)害為前提；減少雨水徑流量，降低對(duì)排水系統(tǒng)的壓力；提高雨水資源利用率，降低對(duì)市政水源的消耗；體現(xiàn)場地低影響開發(fā)(LID)的綠色理念，最終目標(biāo)達(dá)到建設(shè)場地年徑流總量控制率 80% 以上。

3.4.1 以景觀設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的一體化雨水入滲措施

優(yōu)化景觀設(shè)計(jì)，利用可存蓄水的景觀設(shè)施，如下凹綠地、植草溝、雨水花園等的設(shè)計(jì)，在地塊內(nèi)對(duì)降雨徑流進(jìn)行源頭控制。

(1) 下凹綠地。平坦地勢(shì)的綠地均為下凹綠地，低于周邊地面 10～15 cm，綠地內(nèi)宜種植耐浸泡植物。下凹綠地內(nèi)雨水口的頂面標(biāo)高應(yīng)高于綠地 20～50 mm。下凹綠地可以增加雨水的蓄積量，降低地表雨水徑流，削減降雨的洪峰流量。下凹綠地示意圖，如圖7 所示。

圖7 下凹綠地示意圖

(2) 雨水花園和植草溝。分區(qū)分路段在硬質(zhì)地面兩側(cè)建設(shè)雨水花園或植草溝。雨水花園或植草溝一般由礫石層、砂層、種植土壤層、覆蓋層和蓄水層組成；同時(shí)設(shè)有雨水收集管，排出超過蓄水能力的積水。雨水花園原理圖，如圖8所示；示意圖，如圖9 所示。

圖8 雨水花園原理圖

圖9 雨水花園和植草溝示意圖

(3) 透水鋪裝。由于活動(dòng)廣場為機(jī)動(dòng)車不可穿行區(qū)域，所以在廣場大部分硬地區(qū)可鋪設(shè)透水磚，或采用透水混凝土。透水鋪裝效果圖和原理圖，如圖10 所示。

圖10 透水磚效果圖和透水磚原理圖

3.4.2 與功能結(jié)合的生態(tài)廊道

將活動(dòng)廣場設(shè)計(jì)為下沉式廣場。廣場中心為場地高度最低點(diǎn)，在給人們提供充分的休息和活動(dòng)空間的同時(shí)，降雨時(shí)地表水可有方向地向廣場中心匯流。在匯流路徑種植蓄水功能綠地，形成綠地廊道。以廣場為中心向外呈輻射狀布局，全面有效地匯集地表徑流，并在綠地廊道內(nèi)充分過濾和下滲。下沉式廣場作為整個(gè)生態(tài)雨水系統(tǒng)的核心，有效滯蓄洪水并削減洪峰，實(shí)現(xiàn)廣場的多功能設(shè)計(jì)。

3.4.3 海綿城市細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)——合理開發(fā)地下空間

使該項(xiàng)目與高強(qiáng)度開發(fā)區(qū)之間形成緩沖區(qū)，適當(dāng)減少地下停車場開發(fā)，提高區(qū)域蓄水能力。

4 建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 建筑遮陽設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目各建筑均能充分地受到日間太陽輻射，使其夏季的熱量增加。為了在盡量不降低自然采光效果的情況下減少室內(nèi)得熱，對(duì)項(xiàng)目做出了有針對(duì)性的遮陽設(shè)計(jì)。將建筑立面遮陽設(shè)計(jì)與立面太陽輻射模擬結(jié)果結(jié)合，采用科學(xué)的遮陽形式。在降低夏季冷負(fù)荷、減少空調(diào)制冷能耗的同時(shí)，考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程造價(jià)及遮陽設(shè)計(jì)具的有差異性，在南、東、西立面外窗均進(jìn)行遮陽設(shè)計(jì)，外遮陽采用中空百葉可調(diào)節(jié)遮陽形式。不同立面在遮陽設(shè)計(jì)方面考慮遮擋因素，在建筑立面受到遮擋時(shí)分別采用不設(shè)遮陽設(shè)施或設(shè)內(nèi)遮陽卷簾的形式。

4.2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建筑的墻體、窗體等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于提高建筑的保溫隔熱性能，從而降低夏季空調(diào)能耗和冬季采暖能耗，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

5 綠色建筑策劃

在基于氣候與場地功能分析的各專項(xiàng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)該項(xiàng)目做出更有針對(duì)性的綠色建筑策劃，實(shí)現(xiàn)真正的“綠色建筑”。根據(jù) GB/T 50378—2014《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合本項(xiàng)目的功能定位，從綠色建筑增量成本和后期運(yùn)營管理等多方面考慮，建議綠色建筑設(shè)計(jì)目標(biāo)為綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)三星級(jí)；并通過方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、技術(shù)措施的經(jīng)濟(jì)性分析等，充分控制綠色建筑的增量成本。本項(xiàng)目綠色建筑策劃得分如表2 所示，綠色建筑措施帶來的成本增量如表3所示。本項(xiàng)目綠色建筑帶來的增量成本為建筑面積 41.4 元/m2，遠(yuǎn)低于全國統(tǒng)計(jì)的三星級(jí)綠色建筑建筑面積 100 元/m2以上的成本增量。由此可知，在氣候特征分析基礎(chǔ)上的可持續(xù)設(shè)計(jì)方法既可增加建筑使用者的舒適程度，又可為開發(fā)商節(jié)約成本。

表2 綠色建筑策劃得分

表3 綠色建筑成本增量

6 結(jié) 語

本文以公安縣某體育文化中心為例，通過對(duì)項(xiàng)目所在地氣候條件和場地功能分析，運(yùn)用可持續(xù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行空間布局和建筑本體設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行綠色建筑策劃，使該項(xiàng)目在僅增加少量投資的情況下達(dá)到綠色建筑三星標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目綠色建筑設(shè)計(jì)和策劃流程體現(xiàn)了綠色建筑的發(fā)展方向，使綠色建筑向“深綠”發(fā)展，為今后綠色建筑的發(fā)展提供了一定的借鑒。

[1] 姚潤明, 李百戰(zhàn), 丁勇,等. 綠色建筑的發(fā)展概述[J]. 暖通空調(diào), 2006,36(11):27-32.

[2] 李寶鑫. 可持續(xù)設(shè)計(jì)在建筑方案創(chuàng)作中角色與作用的思考[J]. 綠色建筑, 2014(6):19-21.

[3] 中國天氣網(wǎng). http://www.weather.com.cn/cityintro/101200801.shtml.

[4] JGJ/T 229—2010 民用建筑綠色設(shè)計(jì)規(guī)范[s].

TU50

A

1674-814X(2017)01-0040-05

天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目——天津市綠色低碳建筑關(guān)鍵技術(shù)集成與示范14ZCDGSF00123。

2016-06-11

李寶鑫，中國綠色建筑委委員會(huì)，LEED AP，天津市建筑設(shè)計(jì)院可持續(xù)設(shè)計(jì)總監(jiān)，主要從事綠色建筑設(shè)計(jì)與咨詢、建筑可持續(xù)設(shè)計(jì)、生態(tài)規(guī)劃等工作(baoxinleed@126.com)。作者通信地址：天津市河西區(qū)氣象臺(tái)路 95號(hào)。郵編：300074。