基于生态化理念与策略的深圳坝光体育中心概念设计研究
2020-03-30丁典罗鹏袁路
丁典 罗鹏 袁路
摘要：基于生态化理念与策略探讨体育建筑的设计方法。综合生态学理论与体育建筑特点，分析体育建筑设计中的生态化理念与生态化策略。从环境因素出发，强调人与自然的合作共生关系，基于界面生态化设计、能源生态化利用、空间生态化布局等角度进行具体设计研究。完成深圳坝光体育中心的生态化设计。为体育建筑的生态化设计提供理论基础与案例参考。
关键词：体育建筑设计 生态化理念 生态化策略 坝光体育中心
中图分类号：TU245.2 文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2020）02-0032-04
引言
隨着节能环保观念和可持续发展意识的不断增强，捕捉与传达建筑的生态潜质，已成为当代体育建筑创作的主要方向之一[1]。建筑的生态化设计需要在前期综合考虑与设计相关的生态环境问题，从概念开发阶段就引进生态要素，并与传统的建造要素如成本、质量、技术可行性、经济有效性等进行综合考虑，在设计中将生态环境特性看作是提高建筑竞争力的一个重要途径[2]。体育建筑因为直接关乎人们的运动与健康，设计创作更应融入生态化理念，强调人与自然的合作共生关系。
一、体育建筑的生态化理念
英国著名生态学家Aulay Mackenize指出，生态学是研究有机体与其环境相互作用的科学。“环境”是指物理环境（温度、水、风等）和生物环境（对有机体的、来自其他有机体的任何影响）的结合体[3]。生态建筑学以人类栖息的建筑为研究主体，关注建筑所处环境与人类活动之间的相互作用关系。体育建筑生态设计，就是将建筑融于自然，保持地方和区域的生态环境特色，利用生态建筑设计手法与技术实现建筑的节能环保，为运动的人们提供适宜而健康的环境。生态建筑设计的总体目标看似普通，即建筑物光线充足、冬暖夏凉、健康舒适、节省能源、经久实用，促进人与自然的健康发展，但是要真正贯彻落实并不容易。现代社会自然环境脆弱，土地资源宝贵，各种能源紧缺，而体育建筑受限于竞技训练与观演集会的需求，具有空间大、能耗高的基本特征。研究体育建筑的生态设计，一方面契合了节能减排的公共建筑设计主题，另一方面也通过设计这个媒介向大众传播绿色建筑与可持续的发展观念[4]。基于生态设计的体育建筑应该是在全寿命期内最大限度地节约资源、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用、高效地使用空间的建筑[5]。
二、体育建筑的生态化策略
（一）界面的生态化设计。体育建筑的界面又手于周边环境的控制和利用具有重要的价值。通过体育馆屋顶界面与侧界面形态开窗的设计以及围护结构材质的合理选择，可以达成建筑对于气候环境的积极响应，主要包括自然采光、防止运动场地眩光、冬季抗寒保温、夏季通风防晒、降噪隔音等功能。通过双层屋面及双层幕墙等可变界面的合理设计，可以在体育馆内外部产生风压差与热压差，形成气流的流动循环，以被动式手段满足温度、湿度等室内物理环境需求。透明幕墙也常见于体育建筑设计中，有利于采光、视线通透与塑造建筑外形效果，其在保温隔热与遮阳方面的弊端可以通过玻璃着色、陶瓷釉料覆膜、增加空腔等多种方式改善。此外，综合应变也十分重要，界面设计要在隔热、通风等基本功能之间寻求平衡，最终实现设计性能的最优化。
（二）能源的生态化利用。体育建筑能源使用中应当充分调动太阳能、风能、雨水、地热等可再生自然资源，减少对石油、煤炭等不可再生资源的依赖，同时控制能源对周边环境的污染。结合地域具体的气候特征，通过总结太阳运行规律和风的形成规律，针对冬夏季太阳辐射得热和主导风向变换，利用不同材料的蓄热和隔热性能，增加能源贮存效率，被动化减少能源使用。如亚特兰大奥运会水上运动中心，以大量太阳能光电板和集热器覆盖了场馆的能源消耗还有盈余[3];日本札幌穹顶通过设置可移动墙体建构“风道”来减少机械通风的能耗[6]。此外，建筑系统应当具备高能效的供暖、通风、制冷等主动设备，保证能源的转化效率。
（三）空间的生态化布局。除了界面、能源等“硬性”的可衡量式的生态化手法，在体育建筑设计中相对“软性”的是空间上的合理规划与布局。场地环境、组群关系、建筑形态、单体空间组织等要素都会影响生态化设计的开展。如在夏热冬暖地区，体育馆比赛厅与训练馆之间常采用分离式的布置策略，以加强夏季的通风散热效果。在夏热冬冷地区，通过合理的外廊设计，使得比赛厅空间与外部环境之间形成隔层，冬季保温夏季降温[7]。而在严寒地区，冬季的保温更为重要，从体形系数的角度考虑，近圆形的建筑平面对生态节能更为有利，可以尽量多地选择圆形建筑平面。在体育建筑设计中，因地制宜布局空间是生态化策略重要的一环。
三、设计案例——深圳坝光体育中心概念设计
（一）项目背景
坝光片区地处深圳大鹏半岛东北端，西南临排牙山，东北与惠州大亚湾相接。片区三面环山，一面靠海，具有得天独厚的生态与资源优势。占地面积约31.9平方公里，拥有16公里的沿海岸线，绿地覆盖率达70%以上。平均气温22.5℃，平均风速2.5米每秒，气候舒适度较高。2013年11月，深圳市政府将坝光片区确定为国际生物谷的核心启动区，对其进行规划建设，要求坝光片区尽可能保持滨海岸线的原生态边界和风貌，维护岸线地带的自然形态和生物群落的完整性。
（二）整体规划
1.采用“一心两翼三片区”的空间规划结构。“一心”为城市延续至滨海区域的中心;“两翼”为网球馆和体育多功能综合馆组成的两大运动核心;“三片区”分别为北侧网球场外的健身场地区，东侧的滨水休闲场地区，南侧与坝光广场结合的广场休闲娱乐区。整体规划布局如图1。
2.采用“融景”与“借景”的景观布局思想。“融景”指将体育中心消隐于自然环境之中。大面积利用屋面和平台创造绿化和活动空间，解决基地内部用地紧张的问题，优化绿地率与建筑密度。在赛时交通组织中充分利用地形高差，将观众人流与特殊人员（贵宾、运动员、媒体记者、场馆工作人员）的人流分层布置，避免交叉;在赛后交通组织中结合绵延的坡道与平台，将地下广场作为交通纽带，形成立体的交通空间与观景层次，将人流疏散融于绿色景观之中。“借景”指将滨海景色尽可能引入体育中心内部。在东西方向上，通过架空入口以及下沉处理，将两侧的景观打通形成视线通廊;在南北方向上，将南侧休闲娱乐区与坝光广场结合，将北侧健身场地与戏水平台结合，形成建筑内部空间与室外场地空间的对话，通过透明界面将外部景观引入建筑之内，最大化利用自然资源。
（三）单体建筑设计
1.设计理念与方案生成
设计理念主要源于三个方面：
（1）形态的“整体性”。建筑形态从基地环境和景观条件出发，整体造型沿海面展开，宛如向海展翅的羽翼，蓄势飞翔，自由舒展，与海浪遥相呼应。体育馆、游泳馆、网球馆三个单体运动馆联动，沿海心路方向依次布置在如海浪般律动的绿色大屋盖之下。由于建筑有15米限高要求，在建筑布局上将对高度要求较低的游泳馆下沉处理，借助玻璃幕墙打开沿海界面。体育中心效果图如图2、3。
（2）空间的“参与性”。针对基地内部用地紧张的问题，利用建筑不同高度的屋面和平台，引入人流，创造多层次绿化及活动空间。通过坡道联系地下、地面、屋面空间，创造绵延的漫步道和观海景观道，提升人与建筑的互动性，创造运动与休闲娱乐相结合的群众性体育活动综合体。建筑空间中的人群活动与海景、树景的视线关系如图4。
（3）气候的“适应性”。以性能为导向驱动体育中心积极回应地域气候，实现生态建筑理念。借助软件模拟分析，尽可能争取自然采光通风，同时压低建筑高度，柔化建筑边缘，削弱强风对于建筑的影响。此外，运用“海绵城市”的设计思想，贯彻生态设计技术，立体化、多层次收集雨水径流。
方案的生成过程如下：首先，保证篮球馆、游泳馆、网球馆三个场馆的使用尺度需求，发现受限于基地面积，场馆并排连接会阻隔陆地与海平面的连通性;其次，将游泳馆旋转90°并往地下方向下沉，把游泳馆的屋顶平台作为观海平台使用，获得良好视野的同时改善场地的通风环境;再次，利用沉降和交错创建多层次的平台空间，使建筑在局限的场地内获得通透性和丰富性;最后，调整建筑的整体形态，使主入口和沿海平台获得更多的缓冲空间，而篮球馆和网球馆与广场呼应的立面面积更大，得到最终方案的形体基础。体育中心形体与空间的生成过程如图5。
2.空间布局
体育馆总建筑面积为11589m2，建筑层数地上3层，地下1层，总坐席数2061个，其中固定坐席1478个，建筑采取空间网架结构。一层布置可容纳2块标准篮球场的比赛馆。场地尺寸为38m×45m，可满足篮球、排球、乒乓球、羽毛球等体育比赛的要求。布置尽可能多的活动坐席，兼顾文艺演出、会展、商品发布会等的需要。围绕比赛馆布置体育比赛的功能用房，共分为5个区：运动员区、新闻媒体区、贵宾区、竞赛组织区和办公区;二层为观众服务区;三层为观众坐席层，布置大屏幕控制室和评论席;地下层布置跆拳道训练馆。游泳馆总建筑面积6234m2，总坐席数210个。地下层布置可以容纳25m×50m的标准比赛泳池。围绕比赛场地布置功能用房，其中贵宾区和运动员区与体育馆共享。观众由游泳馆首层进入场地，在场馆北侧结合沿海景观设计为观海健身用房，因地制宜提供舒适宜人的锻炼场所。网球馆总建筑面积4034m2。首层布置可以容纳2片标准网球比赛的场地。围绕比赛场地布置功能用房，利用一侧通高空间布置攀岩岩壁，提高建筑利用率，尽可能节约有限的资源，体现生态化设计理念。体育中心平面布置如图6-9，东西向剖面如图10。
体育馆南侧设置活动隔墙，可面向坝光广场一侧开放，结合广场活动布置更多活动坐席。同时，将立体公园环绕建筑，充分发挥其休闲性，形成自然的外部市民健身步道，创造运动休闲活动空间。赛时外场与内场联系处作为观众厅，直接对观众服务;赛后外场变为完整的大厅，利于组织健身、舞蹈等集体活动以提高体育馆在非赛时的利用率，如图11、12。
3.生态技术设计
（1）通风设计。方案结合坝光当地风环境进行Ecotect软件模拟分析，分别模拟了标高1.00m、3.00m、6.00m、9.00m、12.00m和13.00m的6個高度段风速图，观察体育中心东西两侧的风速分布情况，如图13所示。通过多次调整建筑形态获得了理想的通风效果，体育中心面海方向设立通透观海平台，在提供良好海景的同时，有效保证建筑东西两侧的自然通风性能。建筑的屋面两侧挑高，中间压低，使气流在较低标高处即可产生对流，减弱对基地自然风环境的阻隔。沿曲线屋面设有跌落式的高侧窗，进一步加强通风效果。
（2）采光设计。考虑到体育中心地处较为炎热的气候区，建筑立面的通透玻璃是造成能源消耗的主要问题[8]，因此方案的自然采光均经过了额外的设计处理，主要来源于三种途径。第一，在体育馆的短边设有较大面积的玻璃幕墙，同时辅以可变高度的活动结构，借助内嵌百叶适时调配光线，以满足场地在不同时段的照度需求。当晴天阳光充沛时百叶可以完全落地，为室内提供柔和光线并且避免眩光，当阴天时百叶收起，尽可能地补充室内光照;第二，在体育馆屋面设有多层次的侧天窗，利用屋面弧度阶梯式叠落，天窗在东西方向对称分布，进一步增加观众看台的自然光照明;第三，在体育馆长边使用具有透光构造的穿孔铝板包覆，通过不同大小的孔洞为环绕运动场地的辅助用房引入多角度的柔和光线，同时在外部立面上也具有统一的肌理效果。
（3）多层次海绵系统设计。基于“低影响开发”（LID）的理念，在方案设计中将雨水大规模集中排放转变为小径流的传递。基地环境中雨水径流依次通过屋顶绿化、墙面绿化、地面绿化三大系统，基于种植的土壤和植物群落，层层净化过滤，以生物媒介吸收和蒸发雨水，最终回收利用。屋顶绿化和墙体绿化具有“绝缘”功能，在夏季减缓太阳辐射的传递速度，在冬季削弱风荷载造成的影响。地面绿化系统中涵盖了停车场、沿海堤岸、城市街道、绿地公园等多种类的海绵系统，如图14所示，收集的雨水最终汇入地下储水箱，应对暴雨时可以防止城市内涝，日常储水经过过滤处理后可以重复用于厕所冲洗与景观灌溉。总体而言，雨水处理与多层次景观平台设计相结合，积极引入城市绿脉，并在场地中向横向延伸、纵向渗透，形成一个立体化多层次的生态建筑系统。
（4）其他绿色建筑措施。方案采取多种主动式节能与被动式节能措施。使用柔性太阳能电池板覆盖具有弧度的建筑屋顶，供给建筑系统部分运行能耗。依据基地环境的海风优势和文丘里管效应，高侧天窗在建筑内部产生自然的风压通风，而在夏季高温情况下也有利于内部的热压通风。基于建筑中具体位置的照度和热辐射需求，分别采用low-e玻璃、防眩光玻璃、smartshade玻璃等新型节能玻璃技术，营造节能舒适的室内光环境。
结论
建筑作为社会中最重要的能源使用主体之一，其可持续发展性越来越受到重视。相比于传统的设计手法，体育建筑的生态化设计强调了建筑与自然环境的交互作用，赋予建筑使用者良好体验的同时被动化节约资源。在未来体育建筑的设计创新中建筑师应当更加注重生态化理念与策略的实践，以广泛的视野来研究体育建筑与自然环境间的关系，从而更好地把控体育建筑的发展趋势。
基金项目：国家自然科学基金面上项目支持，项目编号51678177。
参考文献
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