基于气候因素制约的寒地体育场馆地域适应性设计研究

罗鹏，李丽华/LUO Peng, LI Lihua

基于气候因素制约的寒地体育场馆地域适应性设计研究

罗鹏，李丽华/LUO Peng, LI Lihua

人、建筑、环境构成了一个相互联系，相互作用的有机整体。寒冷地区，地域的自然环境、社会文化和人的行为习惯受气候条件的影响，形成了具有鲜明特征的整体环境。体育建筑作为一种独特的建筑类型，其使用功能、建筑形态、空间性能和应用技术与众不同。本文以寒地体育场馆为研究对象，将调查研究与设计实践相结合，从功能适需、形态适地、空间适候、技术适宜4个方面，通过对国内外案例的综合分析，探索寒地体育场馆地域适应性设计策略。旨在使寒地体育场馆与当地的地域环境有机结合，实现低碳高效，可持续发展的设计目标。

气候，寒地，体育场馆，地域适应性设计

1 概述

气候作为原生自然条件，是自然环境中最主要也是最敏感的影响因素，它不但直接作用于建筑，同时它还影响地域的自然景观、社会文化和人的行为习惯等方方面面，形成具有鲜明特征的地域环境生态系统，从多方面综合作用于建筑。当代，气候的变化给人类社会的生存和发展带来了巨大的挑战。特别是在气候条件严苛的寒冷地区，人、建筑、环境之间的矛盾更加突出。体育场馆作为城市的重要公共设施，往往伴随重大活动而建设，对城市的发展和城市空间格局演变具有重要作用。体育场馆与城市的融合，真正成为社会生活、城市文化的有机组成部分，并为城市形成自身特色做出贡献，需要一定的过程，但场馆本身所具备的品质和适应性是其成败的关键。就寒地体育场馆而言，如何从寒地地域环境的实际情况出发，实现基于特殊环境制约下的理性创新，使其真正融入寒地地域环境的整体系统之中，在形成自身特色的同时达到低碳高效、可持续发展的设计目标，是摆在寒地体育建筑设计工作者面前的挑战。

2 理念解析

“适应”原本是一个生物学上的概念，是生物特有且普遍存在的现象，指生物的结构形态和生理机能与其赖以生存的环境条件相适合的现象[1]。建筑领域，将“适应”理念引入建筑设计，用以处理建筑与环境的关系。

狭义的气候适应性设计，是指在建筑设计中充分利用气候资源、发挥气候的有利条件、避免气候的不利影响，达到不用或少用人工机械设备，创造健康舒适环境的目的，最终实现减少不可再生资源消耗和保护生态环境的目标[2]。而基于气候因素制约的地域适应性设计把气候放在地域的更广义视角加以审视，从气候对地域整体环境的影响出发，认为建筑对气候的适应不是一个孤立的技术问题，应将人的因素和技术因素有机结合，针对地域环境中由于气候因素影响所形成的独特的气象、行为、景观、文化等条件，从多方面实现对地域气候的综合适应。

我国寒冷地区四季分明、冬季漫长、昼夜温差大、极端气温较低，低温、寒风、积雪等严酷的气候环境是寒地建筑设计的制约条件[3]。在寒地气候的长期作用下，人的行为习惯和审美心理、地域的物理和景观环境都受其影响，形成了地域环境具体而独特的个性特征。体育场馆作为一种独特的建筑类型，由于受体育工艺、结构技术等方面较强的制约，在功能、形态、空间、技术等方面类型特征明显。基于气候因素制约的寒地城市体育场馆地域适应性设计，紧扣气候这一寒地最主要的影响因素，将体育场馆的内部影响因素与外部影响因素有机结合，根据外部环境条件调整内部组织结构，在内外因的共同制约中寻求双向契合，整体和谐。

3 设计策略

3.1 功能适需

寒地冬季寒冷的气候条件，对体育运动的开展产生“质”与“量”两方面的巨大影响。在“质”的方面，寒地独特的气候环境为开展冰雪运动创造了得天独厚的自然条件。在“量”的方面，严苛的气候和由此带来的空气污染等问题，一方面严重地制约了体育运动的开展，另一方面又使群众对于室内运动健身设施的需求量剧增。根据笔者对东北三省7市运动健身行为习惯以及20余座体育场馆运营使用状况的调查显示：（1）群众对运动健身的认知程度较高，参与热情高涨（表1）；（2）冬夏两季运动场所选择和从事项目变化较大，冬季大量健身活动转向室内，场馆设施不足（表2）；（3）群众对于冰雪运动项目的喜爱程度高，但场馆设施支持不足，且对外开放程度差（图3）；（4）由于场馆设计建设、运营管理等没考虑寒地城市特殊的气候条件和环境特点，造成功能僵化、成本高昂、设施不配套等一系列问题，严重制约了场馆效益的发挥（表3）；（5）场馆开展各项活动比例失调，竞技比赛匮乏，建设模式与实际使用存在背离现象（表4）。

针对以上实际情况，要解决寒地城市体育场馆的适应性问题，首要的是从寒地的实际需求出发，通过场馆功能的“转型”和“优化”，解决其运营和使用问题，提高效益，走寒地体育场馆特色发展之路。

转型：转型是指改变体育场馆规划和建设的思路和重点，由竞技型向群众型转变、由专业型向社会型转变、由夏季型向冬夏季结合型转变。

从国外经验来看，欧美发达国家体育场馆建设与其体育、文化产业紧密结合，场馆的建设不只是一个孤立的的设计和建造的问题，它与投资、开发、运营、管理统一考虑，场馆在设计建设之前，就有较完善的运营计划和明确的功能定位。如美国职业篮球联盟（NBA）、欧洲各国的职业足球联赛，都对本国或本地区的场馆建设产生直接影响；而在气候寒冷的加拿大、北欧、俄罗斯等国家，冰球、花样滑冰、滑雪等冰雪运动发展成熟、产业化健全，其场馆的规模和功能也有明显的对应性。除此之外，为满足冬季群众的室内健身需求，社区型和学校型中小运动健身设施被重视并大量建设。

我国传统的体育运营管理模式，属于政府部门主导的“事业性”体制，场馆建设和管理也以政府为主导，近年来产业化虽有所发展，但还远未达到成熟阶段。由此，很多场馆建设之初就成为只针对短期竞技赛事，而没有现代化管理体系和长期运营发展规划支撑的“早产儿”。在我国竞技性体育场馆快速发展，已基本趋于饱和，甚至很多地方出现资源闲置浪费、运营难以为继的情况下，只有通过“转型”，引入市场机制，重视社会需求，科学地调整场馆建设目标和重点，才能使我国体育场馆建设走上科学发展的道路。对于寒地城市而言，转型一方面是结合地域体育产业发展优势，场馆功能设置适当突出冰雪运动主题，有力推动冰雪运动产业的发展；另一方面，是针对冬季严酷的气候条件，大力发展群众性体育设施，以满足大众的健身需求。

优化：优化是指根据转型要求，对体育场馆的布局结构、空间组成、场地效率、应变能力等进行优化，使场馆更加适合寒地城市的实际使用要求。具体包括优化场地尺寸与形态，兼容冰雪功能；优化空间效率，缓解冬季健身压力；多元功能系统配套，提高综合适应能力；弹性应变，提高季节应变能力等几个方面。

例如，东北大学体育馆除将一层看台设计为活动座席以外，在二层也设计了活动座席，活动看台占总坐席的2/3以上，平时座席收起，可在二层布置乒乓球训练场地和200m环形跑道，为满足冬季训练和健身提供了更多的场地空间。大连理工大学体育馆附属用房采用空间通用化设计，70%以上的面积可以于训练和健身。哈尔滨国际会展体育中心体育馆不但兼容了球类、体操和冰球等冰上项目，同时其与商业、餐饮、会议、展览、住宿等多种功能相结合，形成了现代化的大型建筑综合体，设施齐全，功能配套，成为我国东北地区运营效益最好的综合性体育设施之一。以上的实例都是根据寒地的实际使用需求进行的创新性探索（表5）。

国际方面，以冬奥会冰上比赛场馆为例，与夏季奥运会相比较，冬奥会场馆更多地利用城市原有场馆设施或临时性场馆。场馆功能亦更多地考虑赛后城市的实际使用需求，旨在使场馆“适需而生、物尽其用”（表6 ）。

表1 东北寒地人群对非冬季健身和冬季健身重视程度统计表

东北寒地人群非冬季健身与冬季健身的重视程度对比图

东北寒地人群对于体育锻炼与自身健康的认识

表2 东北寒地人群不同时态下各属性健身场所选择比例统计表

寒地人群不同季节时健身场所变更对比图

冰上健身项目场地数量的满足率

表3 影响东北寒地人群冬季室内健身的主要因素调查表

表4 寒地城市体育馆各项活动的季节性统计比例

张家港市体育馆与牡丹江市体育馆近5年各项活动统计比例对比图

不同时态下寒地综合体育馆各项活动的2013年平均统计比例对比图

表5 寒地体育场馆功能适需性优化设计对策举例

表6 近3届冬奥会冰上比赛场馆赛时与赛后使用情况统计

3.2 形态适地

建筑是技术与艺术的统一体，其形态生成是内部组织结构与外部环境相互作用、动态适应的结果。[5]在寒冷地区，自然气候条件是建筑创作的主要制约因素之一。一方面，作为物质存在，寒冷地区客观存在的低温、寒风、积雪、日照时间短等严苛的自然条件对建筑能耗和内部环境舒适性的影响强烈，需要建筑形态顺应自然条件，趋利避害，理性适应。另一方面，作为文化载体，在寒地气候条件影响下形成的独特的地域景观和人群性格特质、文化心理，潜移默化地影响着人们对建筑的接受度和认同感，要求寒地建筑在创作过程顺应地域建筑“语境”、体现寒地建筑性格特征，实现感性适应。寒地独特的气候条件，对建筑形态创作既是制约也是一种启发，巧妙地利用气候与建筑之间的矛盾，成为建筑创作的灵感，在适应地域环境的过程中，会自然地生成既合乎逻辑与美学，又富有个性的建筑形态。

具体结合体育建筑而言，体育场馆由于受体育工艺、场馆规模、结构形式、观赏要求等方面的制约，其建筑形体具有体量巨大、空间完整、主次分明等原型特征，其高度、跨度和基本形态往往受到一定限制。在设计时，应充分尊重体育建筑自身的类型特点，内外因相结合综合考虑。

大兴安岭体育文化中心地处我国东北严寒地区，冬季寒冷、多雪、多风，场馆形态设计从地域环境出发，采用聚合、覆土、顺风、塑型、控色等一系列手法，在特殊的地域环境中创造了自身独特的个性特征。首先，针对冬季的严寒，从功能和节能考虑，设计师将主比赛厅、训练馆、游泳馆等几座不同规模的场馆聚合形成统一的整体，有效地缩小了建筑的整体体形系数。同时，一层采用覆土处理，进一步减小建筑外露体量，降低由于热传导所带来的能量损耗。针对当地冬季盛行西北风和西风的特点，主比赛厅采用不对称布置，结合训练馆和游泳馆的空间高度，形成东高西低，西北最低的形体关系，既有效地减弱了冬季寒风的吹袭，又借助风的作用，有利于屋面排雪。在建筑性格塑造方面，设计从该地区“冰、雪、山、林”的自然景观基因出发，结合寒地豪迈、大气、敦厚的性格，形成简洁、纯净、厚重又富于动感的建筑特征，实现了“利用地域条件、融于地域环境”的创作初衷[6]。

表7 寒地体育场馆形态适地性设计对策举例

东北大学浑南校区风雨操场设计方案，从寒地气候条件出发，适应基地环境与寒地气候特征、激发多元运动行为，在突出寒地建筑特色的同时，创造绿色和富有活力的空间环境。在建筑形体塑造过程中综合运用了“减体、顺势、融合”等一系列设计对策。“减体”就是减小建筑体量，一方面顺应寒地建筑节能的需求，另一方面也降低大空间建筑巨大的体量在相对紧张的基地环境中对于周边环境的压迫。为此，主训练厅根据球类运动的轨迹特征，结合屋盖结构优化，将边缘部分适当降低，形成中部高周边低的形体关系；同时局部空间采取下沉处理，从而有效地缩小了建筑体量。进一步运用“顺势”的方法，结合当地风环境和日照条件，优化形体关系。屋面倾斜角度根据太阳入射角度进行优化，从而为屋面集成太阳能设施创造更好的条件，减少阴影面积，并且有利于屋面排雪。附属用房布置于主场地周边，并采取与景观一体化的覆土处理，既形成了主体空间的缓冲，减少寒风对建筑的影响，又创造了富于趣味性的空间体验，可以激发冬夏两季多种活动的开展。建筑界面结合内部空间特点，通过大实大虚大处理手法，坚硬而棱角鲜明的细部处理，塑造出实体感强烈、力量感与动势十足的建筑，具有强烈的寒地地域性格特征。

表8 寒地体育场馆空间物理性能适候设计对策举例

国外许多优秀的寒地体育场馆设计实例也正是从地域环境出发形成了自身特色，为我们提供了许多值得借鉴的经验。例如，挪威利勒哈默尔冬奥会速滑馆，建筑形态收敛而富于寓意，并且运用当地盛产的木材作为主要建筑材料，建筑形象如同“倒扣的北欧海盗船”与地域文化和气候特征实现双适应[7]。而其冰球馆则完全是利用自然条件，将场馆与天然的山洞相结合，在国际体育场馆建设领域写下了独具特色的一笔。加拿大卡尔加里速滑馆，利用折线拱结构，有效地降低了场馆的空间高度，并形成屋面起伏的肌理，建筑如同匍匐于大地之上，适寒节能。索契冬奥会波绍伊体育馆整体形象简洁、完整，椭圆形圆滑的形体有利于避风和排雪，洁白的色彩与冬季冰雪景观融为一体，相得益彰（表7）。

综合以上实例可以看出，寒地体育场馆具有完整、简洁、收敛、厚实且富于动感和力量等共性特征。这是建筑的内在空间类型特质与地域的气候条件、景观基因相互作用，形成理性与感性、技术与艺术双适应的结果。坚持形态创作的适地原则，挖掘表象背后的深层动因，实现扎根本土的地域建筑特色创新，是寒地建筑形象创作应该秉承的原则。

3.3 空间物理性能适候

建筑空间的物理性能受外部气候条件的作用最为直接，对于建筑功能的实现、能源的消耗和人体感受的舒适性等方面都有重要的影响。气候条件的主要构成要素由温度、太阳辐射、风、降水等因素组成，建筑的内部空间环境也同样包含温度、照明、气流和湿度等具体控制变量。寒地气候具有变化剧烈、严苛的特点，而体育场馆的内部空间性能要求相对稳定。在处理这对矛盾的过程中，关注室内外环境的关联性，本着“适候性”原则，对寒地气候“防”与“用”相结合，通过主动适应减少技术调节所带来的能耗和运营成本的增加。

减容增效。比赛厅作为体育场馆的主体空间其性能对体育建筑整体空间性能的影响是决定性的。比赛厅内部空间的体积直接影响其热稳定性，体积越大热量损耗越大，其空间环境控制所需要的能耗越高。因此，在满足功能要求的基础上，尽量减少空间体积是寒地体育场馆适候性设计的基础。加拿大卡尔加里冬奥会冰球馆，采用马鞍形的双曲悬索屋面结构，有效地降低了2万座席大型场馆比赛厅中部空间的高度，起到了节能适寒的作用。

表皮应变。建筑表皮是热交换的主要界面，表皮的性能直接影响建筑的能耗。寒地建筑从防寒的角度出发表皮大多厚实、封闭。长野市综合体育馆在此基础上结合寒冷地区冬夏季气候变化明显的特点，采用双层可调节式外墙构造。通过建筑表皮的性能调节，适应气候条件的季节性变化，达到更加高效节能的内部空间性能控制效果。

防风与用风。冬季寒风的吹袭能够导致场馆内部气流的不稳定，更能带走大量的热量。与南方建筑强调通风降温不同，寒地建筑更加注重冬季的防风。但如能够通过巧妙的设计，在防御的同时利用风的作用，冬季排雪、夏季降温，实现防用结合，更有助于场馆对地域气候的适应。日本札幌穹顶体育馆根据当地的风环境进行了有针对性的设计。场馆北向封闭、南向开敞，同时根据风环境分析，对场馆形态进行优化，使建筑具备良好的空气动力学性能。冬季防风的同时，利用风力吹走屋面的积雪；夏季南向界面开启，将风引入室内，带来清新的空气并降低室内温度。

合理用光。体育建筑空间进深大，合理地应用自然采光可以减少照明能耗，并能给室内带来自然怡人的空间感受，在寒地冬季寒冷的气候条件里使内部空间的舒适性大大提升。长野冬奥会速滑馆利用屋盖之间的高差设置采光天窗。光线通过折射进入室内，在有效避免炫光的基础上，形成了开敞、明亮的内部空间感受（表8）。

1 加拿大卑诗穹顶原状、屋顶撕裂塌陷及改造后照片

2 日本大馆树海穹顶外观及屋顶排雪技术综合应用[8]

3 日本太阳之乡体育馆的太阳能综合利用[7]

除以上主要手法之外，通过观众休息厅和辅助用房设置气候缓冲区，利用大地通过下沉和覆土提高热稳定性等一系列手法，都是改善寒地体育场馆空间性能气候适应能力的有效途径，在实际应用中应该根据具体情况合理采用并不断进行创新探索。

3.4 技术适宜

“适宜”在《辞海》中具有“合适、相宜”的意思，强调和谐统一、调和折中，认为事物的发展过犹不及。寒地体育场馆的技术创新和应用必须考虑地域实际的自然条件和社会经济制约，一方面技术应用要适合于寒地实际的环境条件；另一方面，要讲求实际使用效果，在实际能力可承受的范围实现社会效益与经济效益、投入与产出的综合平衡与优化。合理的技术措施能够取得良好的应用效果。反之，盲目应用，片面迷信高新技术，在带来大量资金投入增长、建设难度增加的同时，不但不能解决问题，甚至还会产生一系列问题。

例如，加拿大温哥华举办2010年冬奥会的卑诗穹顶体育馆，屋顶采用充气膜结构，但由于大风和降雪等恶劣的气候条件，体育馆屋顶多次出现坍陷和撕裂事故，不得不改为悬索结构（图1）。在哈尔滨国际会展体育中心最初的方案设计竞赛中，也有外国建筑师提出过采用膜结构屋面的设想，但终因不适应哈尔滨冬季寒冷的气候条件，能耗过高而被放弃。与之相对比，日本大馆树海体育馆、音更町综合体育馆、鸟取穹顶等场馆，专门针对当地降雪量大的气候特征，进行了屋面排雪的技术研究和设计（图2）；而日本的太阳之乡体育馆结合当地实际情况综合运用了太阳能和地热资源（图3），以上成功案例都是从地域的实际情况出发进行技术创新，取得了良好的效果。

当代，技术发展日新月异，太阳能、地源热泵、生态幕墙、绿色屋顶、智能空调等大量新结构、新材料和新设备不断涌现。这既增加了技术选择的多样性，同时也要求设计师本着实事求是的态度理性对待，探索建筑技术与地域环境的科学结合、相适相宜。

4 结论

当代，随着社会的不断进步与发展，对于地域性、差异性和多样性的追求也越来越强烈。低碳与可持续发展等普世价值观在被认同的同时，其实现途径必须与地域具体的实际情况相结合，走多元化、本土化的发展道路。寒地严苛的气候条件，制约着体育场馆的功能、形象、空间和技术等方方面面，既带来了挑战也蕴含着机遇。寒地体育场馆设计必须尊重自然气候条件，根植于地域的自然与社会现实，通过对地域环境的深入挖掘与凝练，走与地域环境和谐发展、综合适应的特色创新之路。□

[1] 梅洪元，适宜与适度理念下的寒地建筑创作，城市·环境·设计，2012.（1+2）: 276-279.

[2] 气候适应设计策略，百度文库，www.wenku.baidu.com.

[3] 梅洪元，张向宁，林国海， 东北寒地建筑设计适应性技术策略，建筑学报，2011（9）: 10-12.

[4] 梅洪元，寒地建筑，中国建筑工业出版社，2012.

[5] 梅洪元，王飞，张玉良，低能耗目标下的寒地建筑形态适寒设计研究，建筑学报，2013（11）: 88-93.

[6] 唐佳骏，罗鹏，及强，大兴安岭体育文化中心， 城市建筑，2013（11）: 88-92.

[7] 罗鹏，大型体育场馆动态适应性设计研究，哈尔滨工业大学，2006.

[8] UIA/JIA, Sports facilities in cold and snow-covered area, Nagno Winter Olympic Game Memorial International Seminar, Tokyo, 1998.

Regional Adaptable Design of Sports Venues in Response to Cold Climate

People, climate and architecture relate to each other and form an organic system. In cold regions, the natural environment, culture and human behavior are affected by climate conditions, and manifest common and distinctive features. As a unique building type, the function, form, space, performance and technology of sports venues are different from other buildings. In this paper, by analyzing the result of the surveys of the competitive sports and fitness behavior characteristics, as well as the conditions of the building and using of the sports venues in winter-cities, the relationship between the adaptability of the venue and the cold climate and the influencing factors are elucidated. Then in combination with the design practices and case study, the design strategies to improve the regional adaptability are explored from the four aspects as follows: the function fitting the needs of society, the form fitting the regional landscape, the physical performance fitting the cold climate and the suitability of technologies, in order to realize the design aims of the sports venues in cold region to implement low-carbon, high-efficiency and sustainable development.

climate, cold region, sports venue, regional adaptable design

哈尔滨工业大学建筑学院

2015-08-30