自行车赛场设计研究

王彤哲

自行车赛场设计研究

王彤哲

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,济南 250022)

以日照自行车赛场工程为例,通过赛车场跑道的形式、跑道的最大坡度、跑道的构造以及跑道面层动摩擦系数、看台视线和跑道曲线控制的分析和阐述,对自行车赛场设计进行探讨。针对日照自行车赛场通过多年承担全国性场地比赛的考验,验证其技术参数取值的正确性,以冀为今后类似工程设计提供技术参考。

自行车赛场;建筑设计;结构设计

1 项目背景和工程概况

山东省是全国的体育大省,为了提高竞技运动的整体水平,改善训练环境,备战2008年奥运会和2009年全国城市运动会,山东省体育局决定在海滨城市日照建设自行车赛车场,这是山东省内第一个自行车赛车场。

山东省(日照)自行车赛场(以下简称“日照自行车赛场”)工程,是山东省内第一个并且是按照国际自行车联盟赛车场验收技术标准设计的赛场,它的建成结束了山东省长期无自行车赛场的历史,为提高山东省竞技体育水平,改善训练环境,提供了有力的支持。

日照自行车赛场位于日照新市区大学城——山东路与烟台路交汇处,距“万平口”海滨2 km。环境优美,空气清新,交通便利,地块内地势略有高差,场地开阔,适合于自行车赛车场的建设。

日照自行车赛场按照《国际自盟自行车赛车场验收技术标准》比赛规定的标准尺寸进行设计,赛车场占地面积24 300 m2,建筑面积4 500 m2。设有可容2 000余观众的看台,看台下设置运动员、裁判员休息室、医务室、兴奋剂检测室、贵宾室、会议室、场地管理办公室等房屋。

赛车场平面长方向114 m,短方向88.5 m,其平面形式为复合式,中间盆地除草坪、花卉外,还有51 m长、26 m宽的场地,可用于篮球、排球和武术、摔跤等比赛活动,场内设有电动计时器2部。日照自行车赛场设计效果图见图1。

2 设计概况

自行车运动的竞赛项目,是在专门供自行车训练和比赛用的赛车场上进行的。当今,赛车场自行车运动水平之所以能迅速提高,除由于技术训练的改进以外,与赛车场本身的建筑设计和质量关系很大。赛车场的场地根据封闭程度分为:自行车馆、加有棚顶的半封闭赛车场以及露天赛车场3种。场地大小通常设计为250 m和333.33 m的跑道长度,赛车场的跑道为椭圆形、盆状的设计结构,在跑道的下部设有占跑道宽度10%的放松道(蓝区)和供上道比赛的运动员、教练员以及裁判员使用的安全区域。在≥250 m的场地上,安全区域总宽度不得小于4 m,在蓝区外延20 cm处有5 cm宽的黑线为测量线,场地的大小是以测量线来测定的。测量线外延70 cm处有5 cm宽的红线为快速骑行线,从场地内沿算起,在场地总宽度的1/3处的蓝线称为摩托领骑线,在计时台前,由中间4 cm宽黑线和两边34 cm宽的白线组成的宽带为终点线,在直道中央位置的红线为追逐线,在终点线前200 m的白线为200 m计时起点线[1]。

图1 日照自行车赛场设计效果图

赛车场自行车运动由于是在一个特殊的跑道上进行,速度很高,目前国际上自行车赛场要求设计速度为:单纯自行车比赛时65～75 km/h,摩托引导时达70～90 km/h,单纯摩托比赛不超过110 km/h[11],这样的高速行驶中运动员在封闭式的跑道上不断改变方向,因而对设计来说,在一定的条件下,如何使跑道设计符合这一运动的客观要求,力求创造最优成绩,涉及到运动学、动力学和静力学的研究,设计技术参数的确定和设计质量好坏直接影响日常训练和比赛成绩[3]。为此,前期设计中本项目设计人员多次赴南京(体院)、上海、北京等地的自行车赛场实地考察研究,通过走访教练员、运动员获得第一手资料,听取他们的意见,在参考大量国内有关资料的基础上,对工程的设计进行了以下新的尝试。

2.1 跑道形式

赛车场按照《国际自盟自行车赛车场验收技术标准》比赛规定的标准尺寸进行设计,对于平面形式,国际上大多采用复合式,其优点是当运动员高速由直线段转入曲线段时有一条缓和曲线作为过渡,使运动员在跑道上沿着一条轨迹骑行,不断改变重心达到力学平衡,在速度较高的情况下是比较理想的一种形式[11]。

日照自行车赛场是这样一种复合式的平面形式:跑道设计为一近似马鞍形复合环状空间曲面,由直线段(2个),圆曲线段(2个),缓和曲线段(4个)组成(图2),其设计参数按运动学原理(即确定赛车运动中的重心曲线,包括平面线型计算和按75 km/h的车速确定跑道横坡)和动力学原理(即不同位置在运动中各种力之间的平衡条件)确定[1]。跑道周长采用250 m的规格,宽度为8 m,具有两排平行的直线赛道,与两端半圆型赛道相结合,用缓和曲线过渡。

考察南京、上海已有自行车赛场了解到,由于直线段较长,缓和曲线段较短,运动员普遍感到当直线段进入圆曲线和圆曲线进入直线段时,往往产生摇摆或向里压把的感觉,影响速度[2]。因此,设计时为了解决好这一问题,经过多个方案的计算比较,绘出平面曲线图,再征求运动员、教练员意见进行研究,最终确定将直线段缩短,适当加长缓和曲线长度。这一改变,消除了运动员由直线驰向大坡度的曲线段时产生的陡突感觉(图3),同时在放松道外沿设置宽4 m的保护带,以加大安全系数。

2.2 跑道的最大坡度

赛车场跑道的坡度主要指圆曲线部分的最大坡度,坡度主要由圆曲线的半径和自行车骑行的最高速度来决定。国际自行车联合会规定单纯自行车赛场的场地速度按65～75 km/h计算,当速度确定之后圆半径愈大坡度愈小(但圆半径过大直线段就相应要缩短),运动员起跑速度由零达到进入弯道时的速度有一定困难。目前国际上的几个赛车场,如西班牙巴塞罗那赛车场周长250 m,坡度为41°21′16″,韩城奥林匹克赛车场周长333.33 m,坡度为38°44′05″[1]。从南京、上海考察的情况来看,在实际使用中运动员要达到设计最高速度75 km/h比较困难,不能充分发挥运动员骑行水平,坡度较小是其中一个因素。针对这一情况,日照自行车赛场经过计算设计,将赛道直线段横向坡度适当加大,弧线段横向坡度加大到40°,圆弧段半径亦加大到22.5 m,赛道直线段横向倾角12°(图4),这样最高速度可达78 km/h,经过比赛鉴定,不但运动员可以充分地发挥其水平,而且还有一定的潜力。

2.3 跑道构造

跑道尺寸是跑道曲面的建筑尺寸,跑道以计算机模拟坐标表为准,测量线尺寸确保在250 m+15 mm范围内[5],各部分连接自然圆滑,使其符合跑道使用要求。

跑道的平整度是赛车场工程质量的核心,跑道面层要求平整、耐磨、不能起砂,如在跑道面上有起砂现象则自行车轮胎极易爆炸[6]。为了达到以上要求,日照自行车赛场根据场地现实条件采用钢筋混凝土架空跑道,为了增加跑道的平整度,首先对跑道的结构进行了改变,把跑道板全部搁置于一个整体梁架上,使其充分平整。

图2 赛场平面(单位:mm)

自行车赛场跑道面层目前世界其他国家有用木质面层,但要求木材不变形且在跑道上部要有防雨设施,造价高很多。另一种就是日照自行车赛场采用的混凝土基层水泥砂浆抹面,这种做法可以露天且经济,但在跑道面上需要设置大量的温度伸缩缝,这是因为混凝土中含水量的变化而导致的收缩发生。为了防止出现不均匀沉降和裂缝,控制湿度收缩和防止弯道部分的水平推力所造成的变形影响,设计在赛道板采用高强度等级钢纤维混凝土,从而消除赛道板龟裂现象,且在混凝土跑道上每2跨留10 mm伸缩缝,硅橡胶嵌缝,跑道面层材料为50 mm厚钢纤维混凝土上铺20 mm厚石英砂浆面层。

图3 加长缓和曲线长度消除骑行时陡突感觉

图4 赛道断面分区示意图(单位:mm)

2.4 跑道面层与自行车轮胎的动摩擦系数确定

速度问题的分析是日照自行车赛场设计的重点内容,但在实际使用中运动员能否达到设计最高速度并能安全骑行,确与跑道动摩擦系数的(跑道面层与自行车轮胎的动摩擦系数)取值有直接关系[9]。

经考察,北京自行车赛场曾委托北京大学力学系测定跑道面层与自行车轮胎的动摩擦系数,并建立了车速与动摩擦系数、转弯半径及坡度角的函数式,日照自行车赛场是在参照北京赛车场跑道动摩擦系数基础上进行速度计算和分析的。

赛车通过最大坡度区时,不发生滑动的条件[10]:高速时不甩出

低速时不下滑

式中 R——赛道转弯半径;

a——坡度角;

g——9.8 m/s2;

u——自行车轮胎与赛道侧向动摩擦系数。当动摩擦系数取0.602～0.691(北京赛车场的测定值)时,最大速度为91.224～102.011 km/h,这不仅满足了单纯自行车比赛时最高设计速度75 km/h的安全骑行,而且能满足摩托引导时在高达90 km/h的速度下不被甩出的条件,最终由日照自行车赛场工程指挥部、山东省体育局组织专家进行审定:日照自行车赛场跑道动摩擦系数取0.668(即速度为98.994 km/h)。

日照自行车赛场在施工赛道面层前,按操作工艺做成试块[7],经测定,当试块达到赛道与自行车轮胎动摩擦系数具有0.602～0.691的要求后,方可按确定值的配方进行跑道面层的施工。

2.5 看台设计与视线分析

日照自行车赛场比赛是在一个环形的空间曲面结构的跑道上骑行,跑道的长轴两端是一个具有40°坡度的迂旋坡道,因而看台只有在两个直线段设置才能使观众获得良好的视线。由于跑道进入缓和曲线后跑道外缘逐渐升高,因此看台的视线设计必须分段计算,但又必须有一个完整的看台。其第一台阶的高度按下式计算

y=D(h-f)/(a+b)

式中 y——所求第一台的高度;

D——每排座位的纵深,取0.75 m;

h——从跑道内边线高程±0.00处起标的围栏高;

f——从内边线高程到焦点(注视点)的垂直距离。取0.375 m;

a——跑道宽度(由计算线到外边线);

b——围栏厚度;视点取在计算线O上0.35 m处。

由于日照自行车比赛是在场内沿跑道高速骑行,对于观众来说希望连续性的观看,所以要保证观众视线无阻C值取12 cm[8]。采取拆线数解法计算看台剖面(图5)。

看台座位按无座椅设计,所以每人所占宽度可相应减少,每人占宽0.42 m,每台纵深0.75 m,满足使用要求。

图5 赛车场剖面(单位:mm)

视线质量由于看台较长在看台两端有局部范围观看比赛时约有1 s左右看不到运动员,其他视线基本良好。

2.6 跑道曲线的控制

自行车赛场跑道的坐标控制,是保证跑道标准的关键问题[5]。日照自行车赛场跑道是由两个平行的直线段,长轴两端为半径22.5 m的圆弧线,由直线段到圆弧线之间用4个缓和曲线相连接,跑道的里边线是一个平面环状,而跑道外边线由于坡度的变化从直线到圆曲线用一条三次抛物线方程来确定[4]。由于缓和曲线的控制较为复杂,为了保证跑道的精度,设计上采用直角坐标控制,跑道的1/4范围内共有控制点68点共计544个数据。

施工过程中为了确保尺寸准确,施工单位按设计提供的直角坐标控制放线外,又用极坐标进行了复核,在施工中设计人员经常深入现场了解情况,随时检验,发现问题及时解决,从平面曲线控制到空间曲面控制,都要求较为严格,施工单位随时进行复核。在跑道全面完成后,经实测,当气温在20℃左右条件下,周长250 m的跑道,误差只超出15 mm,坡度完全准确,达到设计要求的标准。

通过跑道几何尺寸的控制,要达到高标准首先设计上要有精密的准确计算,另外就是施工时的严格测量,操作上严格要求,对于控制方法,直角坐标控制是比较准确的,但是测量时比较复杂,控制不好容易出现误差,对施工测量要求极高,极坐标控制是比较简单的方法[5],为了更好地保证质量加快施工进度,更简易可行的控制方法,有待进一步研究。

2.7 场内排水

自行车赛场由于特定的形状,从内部来看好像一个大的盆子一样,南京赛车场看台和跑道紧紧相连,场内只有4个下水口,所以到雨季时,看台和跑道的雨水全部集中在场内,对场地影响很大。针对这一情况,设计时看台与跑道分隔并保持一定距离,这样不但保证了运动员的安全,不受场外观众影响,而且排水系统得到很大的改善。日照自行车赛场采取分而治之的办法,东西看台自成一排水系统,场内按环状布置排水沟,在跑道里边缘有1圈水沟,内场周围做1圈暗沟,用下水管道排至场外,接入城市下水管网,通过雨季观察效果良好。为了在施工中排水通畅,在施工时首先完成内圈排水沟及地下排水管沟,从而保证了工程质量。

3 实际使用情况

日照自行车赛场由于克服了南京等赛车场存在的问题,教练员和运动员骑行时感觉良好,有充分发挥水平的潜力,造型设计上结合场地特征,反复采用了圆形和弧线形曲线,使其具有强烈的个性和可识别性,赛场和看台、局部和总体相互呼应,浑然一体,新颖别致又较好地体现了自行车运动的特点,成为地域标志性建筑(图6)。

日照自行车竞赛场先后成功举办了2005年全国残疾人自行车锦标赛、全国场地自行车冠军赛和2006年全国场地自行车冠军赛(第一站、第二站)。

经过多年尤其是全国性场地自行车比赛的考验,证明日照自行车赛场各项性能指标达到国内先进水平,验证了设计确定的各种参数取值的正确性,在这里训练、比赛过的自行车运动员、教练员普遍反映,赛车场跑道平整光洁、稳定舒坦,骑行时感觉良好,是运动员较为理想的训练场地。

[1] 建筑设计资料集:第7集[M]2版.北京:中国建筑工业出版社,1994.

[2] 孙振华.上海体育建筑[M].上海:同济大学出版社,2000:60 -61.

[3] 辽宁省建筑设计研究院.辽宁自行车赛场[J].建筑学报,1996 (3):24-25.

[4] 赵碧宝,杨斌,陆彪,王崇明.云南自行车赛场跑道施工技术[J].施工技术,2003(5):55-57.

[5] 唐友琪.简述上海自行车赛场计算线的测定[J].上海计量测试, 1998(4):14-15.

[6] 季锡斋,王雨景.南京自行车赛场跑道面层施工技术[J].施工技术,1998(10):24-25.

[7] 廖传模,秦寿珪.自行车赛场摩擦系数和骑行安全策略[J].力学与实践,1990(6):48-51.

[8] 中华人民共和国建设部.JGJ 31—2003体育建筑设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[9] 陈恩义,冯乃谦,廉慧珍.自行车赛场跑道面层材料及配合比的试验及研究[J].施工技术,1998(7):21-22.

[10]黄汉强.昌平自行车赛场跑道施工技术[J].建筑技术,1990(8): 41-45.

[11]山西省建筑设计院.山西自行车赛车场设计介绍[Z].太原:山西省建筑设计院,1990.

Design and Research on a Velodrome for Bicycle Racing

WANG Tong-zhe
(Jinan Design Institute,China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Jinan 250022,China)

In this paper,the project of Rizhao Velodrome for bicycle racing was taken as an example. The paper analyzed and expounded relevant factors,including the racetrack type of the velodrome,the maximum slop of the racetrack,the racetrack structure,the dynamic friction coefficient of racetrack surface layer,the sight line of the stands,the control of racetrack curve.The paper also discussed how to design a velodrome for bicycle racing.As a result,this velodrome had undertaken some of national bicycle racings for many years successfully,and this proves the correctness of design technical parameters of this velodrome.This research can serve as reference for the design of similar project in future.

velodrome for bicycle racing;architecture design;structure design

TU245.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.027

1004-2954(2014)04-0115-05

2013-07-19;

2013-08-16

王彤哲(1963—),女,工程师,E-mail:wangtongzhe@ sina.com。