李寶鑫，王昊斌，張津奕，張智晴（天津市建筑設計院，天津 300074）

基于氣候特征的體育場館布局設計方法研究與實踐

Study and Practice of Stadium Layout Design Based on Climate Characters

李寶鑫，王昊斌，張津奕，張智晴（天津市建筑設計院，天津 300074）

介紹了可持續(xù)設計方法與氣候特征分析在綠色建筑實際工程應用中的作用。以某體育文化中心為例，通過氣候和場地功能分析，運用可持續(xù)設計方法對場地空間布局與建筑本體進行優(yōu)化設計，以實現(xiàn)舒適的微環(huán)境（風環(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到綠色建筑三星級標準，體現(xiàn)了氣候特征分析與可持續(xù)設計方法在綠色建筑設計中的重要作用，為今后綠色建筑設計咨詢提供了一定的經(jīng)驗與指導。

氣候特征分析；可持續(xù)設計；綠色建筑；微環(huán)境；雨洪管理

自 GB/T 50378—2006《綠色建筑評價標準》實施以來，綠色建筑已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展共識。綠色建筑是運用環(huán)境回饋和資源效率繼承的思維去設計和建造的建筑。它從建筑及其構(gòu)件的壽命周期出發(fā)，考慮其性能和對經(jīng)濟環(huán)境的影響，致力于在節(jié)省建筑使用和維護費用的同時，創(chuàng)建一個健康舒適的人居環(huán)境[1]。隨著綠色建筑體系的完善，其所倡導的環(huán)境友好、人員舒適的理念也越來越多地得到了社會認同。近幾年綠色建筑數(shù)量增長很快，與此同時也出現(xiàn)了一些問題，即建筑設計僅依據(jù)評價標準進行逐條“對標”，更多地只是“為綠而綠”，并沒有根據(jù)建筑本身與周邊環(huán)境特點進行針對性設計，沒有使其更好地達到人員使用舒適、與自然和諧共生的效果。針對這種情況，為了更多地降低能耗、增強人員的舒適感，可持續(xù)設計應運而生。

建筑可持續(xù)設計注重“風水”等傳統(tǒng)建筑理念的應用，重視室外風、熱環(huán)境以及室內(nèi)自然通風、關注被動設計策略的采用，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]?？沙掷m(xù)設計在建筑形體設計和建筑群布局中起到十分重要的作用。該設計方法關注建筑功能與氣候環(huán)境的結(jié)合，在對場地和氣候條件分析的基礎上，利用風環(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計為案例，運用可持續(xù)設計方法，對該地區(qū)氣候特點進行分析，并針對其特點做出相應的建筑與場地設計，達到綠色建筑三星級標準要求。

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)公安縣氣象臺提供的風速數(shù)據(jù)，公安縣全年平均風速約為 1.4 m/s，主導風向為北風及東北偏北風。其風向分布如圖2 所示。

由以上條件可知，該地冬季持續(xù)時間較短，風力不大且風向較穩(wěn)定，適合進行自然通風；太陽日照時間較長，可充分利用其進行自然采光；降雨量較大且時間集中，需要進行場地雨洪規(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 公安縣逐月風向分布

2 場地功能分析

本項目各建筑的主要功能為體育場館與健身活動中心。場館正常使用時，由于人員密集且人在運動時耗氧量增加，需要大量室外新風。自然通風與機械通風相比，風力更加柔和且風向不固定，可減小運動過程中冷風直吹帶來的運動損傷風險，因此在建筑布局時應充分考慮室內(nèi)自然通風，室內(nèi)照明盡量利用自然采光，同時需要考慮設置遮陽以減少室內(nèi)的得熱量。

建筑的室外場地用作市民休息娛樂的活動廣場?；顒訌V場需要保持場地規(guī)整，同時設置部分景觀和種植綠色植物，減小城市熱島效應。人員活動區(qū)內(nèi)風速不宜過大，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，且在必要處設置遮蔭措施，夏季在接受陽光的同時給市民提供蔭涼。

3 場地微環(huán)境優(yōu)化設計

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

3.1 建筑形體與活動空間布局

本項目為多個建筑組成的建筑群。各個建筑單體體形均為長方形，長方形四角做圓角設計。這樣既能夠保證建筑迎背風面產(chǎn)生風壓差，又能減小建筑兩側(cè)的風速。各單體建筑擺位后包圍成一個圓形區(qū)域作為活動廣場。建筑間設有挑空連廊，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方向分別設置兩個主出入口。在基礎風速不大的情況下，選擇這樣的入口方式有利于場地整體的通風。項目建筑布局如圖3 所示。

圖3 項目建筑布局

3.2 室外風環(huán)境

室外風環(huán)境模擬分析的主要內(nèi)容是室外的風速場和建筑立面的風壓分布，以指導建筑布局和建筑體形的設計。

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

表1 室外風場模擬邊界條件

圖4 室外風場風速云和室外風速矢量圖

由圖4(a) 可得出，室外風速沒有超過 5 m/s 的區(qū)域，室外平均風速為 1.5 m/s，有利于人們在場地內(nèi)活動。由于建筑之間的連廊設計成挑空連廊，可以使空氣從建筑間通過，建筑周邊不會出現(xiàn)大面積的無風區(qū)域，有利于建筑通風換氣。由圖4(b) 可知，由于廣場主出入口朝向與風向相同的設計，廣場內(nèi)主要的人員活動區(qū)風速、風向保持一致，沒有出現(xiàn)渦漩區(qū)，不但增強了廣場的通風換氣，還可以帶走人員活動時產(chǎn)生的熱量。

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

圖5 迎風面風壓和背風面風壓

由 JGJ/T 229—2010《民用建筑綠色設計規(guī)范》可知，當建筑非迎風面和迎風面之間的壓差保持 1.5 Pa 左右時即可保證夏季與過度季有效的自然通風[4]。由圖5 可知，由于各建筑均設計為近似長方體的形狀，增大了建筑的迎、背風面產(chǎn)生的風壓差，建筑迎風面風壓約為 1.5 Pa、非風面之間風壓約為 -0.5 Pa，非迎風面與迎風面間壓差約為 2 Pa；大于 1.5 Pa。本項目建筑體形設計有利于建筑開窗實現(xiàn)自然通風，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、如何設置景觀或種植喬木達到遮陰的效果。夏至日與冬至日場地太陽輻射模擬圖，如圖6 所示。

圖6 冬至日場地太陽輻射模擬圖和夏至日場地太陽輻射模擬圖

由圖6(a) 可知，活動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，活動廣場可以作為冬季的主要室外活動空間。

由圖6(b) 可知，活動廣場適合冬季活動的區(qū)域在夏季由于受到太陽暴曬，地表溫度升高，使人們無法長時間停留駐足。因此，在活動廣場應分區(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間集中在夏季，所以當雨量較大時，傳統(tǒng)的大面積硬地廣場會出現(xiàn)地表徑流大、地面積水嚴重等現(xiàn)象。針對這類現(xiàn)象，需要對活動廣場進行以海綿城市理念為核心的雨洪管理專項設計。

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

3.4.1 以景觀設計為基礎的一體化雨水入滲措施

優(yōu)化景觀設計，利用可存蓄水的景觀設施，如下凹綠地、植草溝、雨水花園等的設計，在地塊內(nèi)對降雨徑流進行源頭控制。

(1) 下凹綠地。平坦地勢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)雨水口的頂面標高應高于綠地 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；同時設有雨水收集管，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。由于活動廣場為機動車不可穿行區(qū)域，所以在廣場大部分硬地區(qū)可鋪設透水磚，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

將活動廣場設計為下沉式廣場。廣場中心為場地高度最低點，在給人們提供充分的休息和活動空間的同時，降雨時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生態(tài)雨水系統(tǒng)的核心，有效滯蓄洪水并削減洪峰，實現(xiàn)廣場的多功能設計。

3.4.3 海綿城市細節(jié)設計——合理開發(fā)地下空間

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

4 建筑優(yōu)化設計

4.1 建筑遮陽設計

本項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，對項目做出了有針對性的遮陽設計。將建筑立面遮陽設計與立面太陽輻射模擬結(jié)果結(jié)合，采用科學的遮陽形式。在降低夏季冷負荷、減少空調(diào)制冷能耗的同時，考慮系統(tǒng)設計的工程造價及遮陽設計具的有差異性，在南、東、西立面外窗均進行遮陽設計，外遮陽采用中空百葉可調(diào)節(jié)遮陽形式。不同立面在遮陽設計方面考慮遮擋因素，在建筑立面受到遮擋時分別采用不設遮陽設施或設內(nèi)遮陽卷簾的形式。

4.2 建筑圍護結(jié)構(gòu)設計

建筑的墻體、窗體等圍護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，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設計的基礎上，對該項目做出更有針對性的綠色建筑策劃，實現(xiàn)真正的“綠色建筑”。根據(jù) GB/T 50378—2014《綠色建筑評價標準》，結(jié)合本項目的功能定位，從綠色建筑增量成本和后期運營管理等多方面考慮，建議綠色建筑設計目標為綠色建筑設計標識三星級；并通過方案優(yōu)化設計、技術措施的經(jīng)濟性分析等，充分控制綠色建筑的增量成本。本項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。本項目綠色建筑帶來的增量成本為建筑面積 41.4 元/m2，遠低于全國統(tǒng)計的三星級綠色建筑建筑面積 100 元/m2以上的成本增量。由此可知，在氣候特征分析基礎上的可持續(xù)設計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，通過對項目所在地氣候條件和場地功能分析，運用可持續(xù)設計方法進行空間布局和建筑本體設計。在優(yōu)化設計的基礎上，對該項目進行綠色建筑策劃，使該項目在僅增加少量投資的情況下達到綠色建筑三星標準。該項目綠色建筑設計和策劃流程體現(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)設計在建筑方案創(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 民用建筑綠色設計規(guī)范[s].

TU50

A

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

天津市科技計劃項目——天津市綠色低碳建筑關鍵技術集成與示范14ZCDGSF00123。

2016-06-11

李寶鑫，中國綠色建筑委委員會，LEED AP，天津市建筑設計院可持續(xù)設計總監(jiān)，主要從事綠色建筑設計與咨詢、建筑可持續(xù)設計、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)氣象臺路 95號。郵編：300074。