基于气候特征的体育场馆布局设计方法研究与实践

李宝鑫，王昊斌，张津奕，张智晴（天津市建筑设计院，天津 300074）

基于气候特征的体育场馆布局设计方法研究与实践

Study and Practice of Stadium Layout Design Based on Climate Characters

李宝鑫，王昊斌，张津奕，张智晴（天津市建筑设计院，天津 300074）

介绍了可持续设计方法与气候特征分析在绿色建筑实际工程应用中的作用。以某体育文化中心为例，通过气候和场地功能分析，运用可持续设计方法对场地空间布局与建筑本体进行优化设计，以实现舒适的微环境（风环境、太阳辐射）和场地雨洪管理。在少量增量成本的情况下达到绿色建筑三星级标准，体现了气候特征分析与可持续设计方法在绿色建筑设计中的重要作用，为今后绿色建筑设计咨询提供了一定的经验与指导。

气候特征分析；可持续设计；绿色建筑；微环境；雨洪管理

自 GB/T 50378—2006《绿色建筑评价标准》实施以来，绿色建筑已经成为行业发展共识。绿色建筑是运用环境回馈和资源效率继承的思维去设计和建造的建筑。它从建筑及其构件的寿命周期出发，考虑其性能和对经济环境的影响，致力于在节省建筑使用和维护费用的同时，创建一个健康舒适的人居环境[1]。随着绿色建筑体系的完善，其所倡导的环境友好、人员舒适的理念也越来越多地得到了社会认同。近几年绿色建筑数量增长很快，与此同时也出现了一些问题，即建筑设计仅依据评价标准进行逐条“对标”，更多地只是“为绿而绿”，并没有根据建筑本身与周边环境特点进行针对性设计，没有使其更好地达到人员使用舒适、与自然和谐共生的效果。针对这种情况，为了更多地降低能耗、增强人员的舒适感，可持续设计应运而生。

建筑可持续设计注重“风水”等传统建筑理念的应用，重视室外风、热环境以及室内自然通风、关注被动设计策略的采用，追求建筑物理环境的舒适性，以及“人—建筑—自然”三者之间的和谐共生[2]。可持续设计在建筑形体设计和建筑群布局中起到十分重要的作用。该设计方法关注建筑功能与气候环境的结合，在对场地和气候条件分析的基础上，利用风环境模拟、日照模拟等辅助手段，优化建筑布局与场地规划。

本文以位于湖北省公安县的某体育文化中心方案设计为案例，运用可持续设计方法，对该地区气候特点进行分析，并针对其特点做出相应的建筑与场地设计，达到绿色建筑三星级标准要求。

1 气候分析

公安县位于湖北省中南部边缘，长江上荆江南岸。其气候类型属亚热带季风气候，四季分明、日照长、雨量充沛。全县年平均气温为 15.9～16.6℃，日照时数为 1 800～2 000 h，降雨量 1 100～1 300 mm[3]。春季冷暖多变，温度上升快，雨量递增；夏季炎热潮湿，雨量不均；秋季日暖夜凉，雨量锐减；冬季寒冷干燥，低温少雨。热量丰富，无霜期长。该地区全年温度分布如图1 所示。

根据公安县气象台提供的风速数据，公安县全年平均风速约为 1.4 m/s，主导风向为北风及东北偏北风。其风向分布如图2 所示。

由以上条件可知，该地冬季持续时间较短，风力不大且风向较稳定，适合进行自然通风；太阳日照时间较长，可充分利用其进行自然采光；降雨量较大且时间集中，需要进行场地雨洪规划，做好场地蓄水以减小地表径流。

图1 公安县气温分布

图2 公安县逐月风向分布

2 场地功能分析

本项目各建筑的主要功能为体育场馆与健身活动中心。场馆正常使用时，由于人员密集且人在运动时耗氧量增加，需要大量室外新风。自然通风与机械通风相比，风力更加柔和且风向不固定，可减小运动过程中冷风直吹带来的运动损伤风险，因此在建筑布局时应充分考虑室内自然通风，室内照明尽量利用自然采光，同时需要考虑设置遮阳以减少室内的得热量。

建筑的室外场地用作市民休息娱乐的活动广场。活动广场需要保持场地规整，同时设置部分景观和种植绿色植物，减小城市热岛效应。人员活动区内风速不宜过大，也不能存在涡旋和空气不流通区域。场地日间宜有充足的太阳照射，且在必要处设置遮荫措施，夏季在接受阳光的同时给市民提供荫凉。

3 场地微环境优化设计

结合气候及场地功能可知，场馆布局时需要考虑室内自然通风与自然采光、场地室外活动空间以及风速、日照、遮阳和雨洪控制等多方面因素。

3.1 建筑形体与活动空间布局

本项目为多个建筑组成的建筑群。各个建筑单体体形均为长方形，长方形四角做圆角设计。这样既能够保证建筑迎背风面产生风压差，又能减小建筑两侧的风速。各单体建筑摆位后包围成一个圆形区域作为活动广场。建筑间设有挑空连廊，使各建筑呈现整体感，方便人员在建筑间穿行。广场在东北和西北两个方向分别设置两个主出入口。在基础风速不大的情况下，选择这样的入口方式有利于场地整体的通风。项目建筑布局如图3 所示。

图3 项目建筑布局

3.2 室外风环境

室外风环境模拟分析的主要内容是室外的风速场和建筑立面的风压分布，以指导建筑布局和建筑体形的设计。

(1) 室外风环境。为了使室外活动广场环境舒适宜人，需要保证人员活动区风速不高于 5 m/s，有利于为行人提供舒适环境。与此同时，场地内不能出现无风区有利于污染物扩散。利用 Starccm+软件对建筑群进行室外风场模拟，边界条件见表1。室外风场风速云图和室外风速矢量图，如图4 所示。

表1 室外风场模拟边界条件

图4 室外风场风速云和室外风速矢量图

由图4(a) 可得出，室外风速没有超过 5 m/s 的区域，室外平均风速为 1.5 m/s，有利于人们在场地内活动。由于建筑之间的连廊设计成挑空连廊，可以使空气从建筑间通过，建筑周边不会出现大面积的无风区域，有利于建筑通风换气。由图4(b) 可知，由于广场主出入口朝向与风向相同的设计，广场内主要的人员活动区风速、风向保持一致，没有出现涡漩区，不但增强了广场的通风换气，还可以带走人员活动时产生的热量。

(2) 建筑立面风压和自然通风。在模拟室外风环境的同时，本文对相同边界条件下建筑各表面承受的风压进行了模拟。建筑迎风和面背风面风压如图5 所示。

图5 迎风面风压和背风面风压

由 JGJ/T 229—2010《民用建筑绿色设计规范》可知，当建筑非迎风面和迎风面之间的压差保持 1.5 Pa 左右时即可保证夏季与过度季有效的自然通风[4]。由图5 可知，由于各建筑均设计为近似长方体的形状，增大了建筑的迎、背风面产生的风压差，建筑迎风面风压约为 1.5 Pa、非风面之间风压约为 -0.5 Pa，非迎风面与迎风面间压差约为 2 Pa；大于 1.5 Pa。本项目建筑体形设计有利于建筑开窗实现自然通风，形成舒适的室内环境。

3.3 室外场地的太阳辐射

室外场地太阳辐射分析的主要目的，是从防止夏季太阳暴晒和利于冬季创造温暖室外环境的角度，分析主要活动区域内冬季是否存在无阳光照射的区域，以及夏季是否存在太阳暴晒、如何设置景观或种植乔木达到遮阴的效果。夏至日与冬至日场地太阳辐射模拟图，如图6 所示。

图6 冬至日场地太阳辐射模拟图和夏至日场地太阳辐射模拟图

由图6(a) 可知，活动广场在冬季除了靠近南侧建筑处由于不能直接接受到太阳照射而太阳辐射量小以外，其余部分太阳辐射量较高，室外环境温暖。所以，活动广场可以作为冬季的主要室外活动空间。

由图6(b) 可知，活动广场适合冬季活动的区域在夏季由于受到太阳暴晒，地表温度升高，使人们无法长时间停留驻足。因此，在活动广场应分区域种植景观乔木、灌木，以起到遮荫避阳和降低城市热岛效应的作用。

3.4 海绵城市和雨洪管理

由于公安县雨量丰富且降水时间集中在夏季，所以当雨量较大时，传统的大面积硬地广场会出现地表径流大、地面积水严重等现象。针对这类现象，需要对活动广场进行以海绵城市理念为核心的雨洪管理专项设计。

海绵城市理念是以保证场地雨水顺畅外排、降低洪涝灾害为前提；减少雨水径流量，降低对排水系统的压力；提高雨水资源利用率，降低对市政水源的消耗；体现场地低影响开发(LID)的绿色理念，最终目标达到建设场地年径流总量控制率 80% 以上。

3.4.1 以景观设计为基础的一体化雨水入渗措施

优化景观设计，利用可存蓄水的景观设施，如下凹绿地、植草沟、雨水花园等的设计，在地块内对降雨径流进行源头控制。

(1) 下凹绿地。平坦地势的绿地均为下凹绿地，低于周边地面 10～15 cm，绿地内宜种植耐浸泡植物。下凹绿地内雨水口的顶面标高应高于绿地 20～50 mm。下凹绿地可以增加雨水的蓄积量，降低地表雨水径流，削减降雨的洪峰流量。下凹绿地示意图，如图7 所示。

图7 下凹绿地示意图

(2) 雨水花园和植草沟。分区分路段在硬质地面两侧建设雨水花园或植草沟。雨水花园或植草沟一般由砾石层、砂层、种植土壤层、覆盖层和蓄水层组成；同时设有雨水收集管，排出超过蓄水能力的积水。雨水花园原理图，如图8所示；示意图，如图9 所示。

图8 雨水花园原理图

图9 雨水花园和植草沟示意图

(3) 透水铺装。由于活动广场为机动车不可穿行区域，所以在广场大部分硬地区可铺设透水砖，或采用透水混凝土。透水铺装效果图和原理图，如图10 所示。

图10 透水砖效果图和透水砖原理图

3.4.2 与功能结合的生态廊道

将活动广场设计为下沉式广场。广场中心为场地高度最低点，在给人们提供充分的休息和活动空间的同时，降雨时地表水可有方向地向广场中心汇流。在汇流路径种植蓄水功能绿地，形成绿地廊道。以广场为中心向外呈辐射状布局，全面有效地汇集地表径流，并在绿地廊道内充分过滤和下渗。下沉式广场作为整个生态雨水系统的核心，有效滞蓄洪水并削减洪峰，实现广场的多功能设计。

3.4.3 海绵城市细节设计——合理开发地下空间

使该项目与高强度开发区之间形成缓冲区，适当减少地下停车场开发，提高区域蓄水能力。

4 建筑优化设计

4.1 建筑遮阳设计

本项目各建筑均能充分地受到日间太阳辐射，使其夏季的热量增加。为了在尽量不降低自然采光效果的情况下减少室内得热，对项目做出了有针对性的遮阳设计。将建筑立面遮阳设计与立面太阳辐射模拟结果结合，采用科学的遮阳形式。在降低夏季冷负荷、减少空调制冷能耗的同时，考虑系统设计的工程造价及遮阳设计具的有差异性，在南、东、西立面外窗均进行遮阳设计，外遮阳采用中空百叶可调节遮阳形式。不同立面在遮阳设计方面考虑遮挡因素，在建筑立面受到遮挡时分别采用不设遮阳设施或设内遮阳卷帘的形式。

4.2 建筑围护结构设计

建筑的墙体、窗体等围护结构的优化设计，有利于提高建筑的保温隔热性能，从而降低夏季空调能耗和冬季采暖能耗，达到节能环保的目的。

5 绿色建筑策划

在基于气候与场地功能分析的各专项设计的基础上，对该项目做出更有针对性的绿色建筑策划，实现真正的“绿色建筑”。根据 GB/T 50378—2014《绿色建筑评价标准》，结合本项目的功能定位，从绿色建筑增量成本和后期运营管理等多方面考虑，建议绿色建筑设计目标为绿色建筑设计标识三星级；并通过方案优化设计、技术措施的经济性分析等，充分控制绿色建筑的增量成本。本项目绿色建筑策划得分如表2 所示，绿色建筑措施带来的成本增量如表3所示。本项目绿色建筑带来的增量成本为建筑面积 41.4 元/m2，远低于全国统计的三星级绿色建筑建筑面积 100 元/m2以上的成本增量。由此可知，在气候特征分析基础上的可持续设计方法既可增加建筑使用者的舒适程度，又可为开发商节约成本。

表2 绿色建筑策划得分

表3 绿色建筑成本增量

6 结 语

本文以公安县某体育文化中心为例，通过对项目所在地气候条件和场地功能分析，运用可持续设计方法进行空间布局和建筑本体设计。在优化设计的基础上，对该项目进行绿色建筑策划，使该项目在仅增加少量投资的情况下达到绿色建筑三星标准。该项目绿色建筑设计和策划流程体现了绿色建筑的发展方向，使绿色建筑向“深绿”发展，为今后绿色建筑的发展提供了一定的借鉴。

[1] 姚润明, 李百战, 丁勇,等. 绿色建筑的发展概述[J]. 暖通空调, 2006,36(11):27-32.

[2] 李宝鑫. 可持续设计在建筑方案创作中角色与作用的思考[J]. 绿色建筑, 2014(6):19-21.

[3] 中国天气网. http://www.weather.com.cn/cityintro/101200801.shtml.

[4] JGJ/T 229—2010 民用建筑绿色设计规范[s].

TU50

A

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

天津市科技计划项目——天津市绿色低碳建筑关键技术集成与示范14ZCDGSF00123。

2016-06-11

李宝鑫，中国绿色建筑委委员会，LEED AP，天津市建筑设计院可持续设计总监，主要从事绿色建筑设计与咨询、建筑可持续设计、生态规划等工作(baoxinleed@126.com)。作者通信地址：天津市河西区气象台路 95号。邮编：300074。