滑冰馆建筑叠置式赛训空间研究——孙逊.doc

The Innovative Application of Vertical Superimposition Space for Competition and Training in Gymnasium for SkatingSun Xun1, Mei Hongyuan21: School of Architecture. Harbin Institute of Technology, Harbin, chinae-mail address：67961090QQ.com 图1 滑冰馆建筑日常能耗与其它民用建筑能耗比较Figure1 Comparison of daily energy-consumption between gymnasium for skating and other civil architecture.AbstractUnder the influence of sustainable building theory, more and more request to the ecological function of the gymnasium for skating is put forward in society. Based on the research on the characteristics of gymnasium for skating and the analysis of traditional horizontal juxtaposition of space for competition and training, this paper proposes a new space modevertical superimposition of space for competition and training and discusses its ecological benefits, technical problems and comprehensive application, to provide an energy-saving and land-conservation space mode for the architectual creation in gymnasium for skating.Keywords- horizontal juxtaposition;vertical superimposition; energy saving;land conservation;I. 引言滑冰馆是由众多辅助空间围绕核心赛训空间聚合而成的复杂建筑系统。场馆各部分功能在空间上紧密关联，同时又在热环境上迥然相异，由此聚合起来的滑冰馆建筑具备大空间、大体量、大能耗的类型性特质。近年来，随着可持续发展观在中国的深入，大型公共建筑必须在节约能源、节约土地方面符合更高的时代标准。2011年5月，我国财政部、住建部明确提出了“十二五”期间公共建筑单位面积能耗下降10%，大型公共建筑单位面积能耗下降15%的新指标。因此，对滑冰馆建筑核心赛训空间的设计进行研究与创新，探寻一种新型的，更加节能环保，节省土地的赛训空间模式，对于完善冰雪体育建筑设计理论，推动滑冰馆建筑的健康发展，都有着重要的理论意义和现实意义。II. 传统并置式赛训空间基于国际滑冰联合会（International Skating Union）对可承办正式冰上运动比赛的滑冰馆建筑场地条件要求，滑冰馆必须具备两块独立冰场，作为比赛、热身训练之用。因此，多数现有滑冰馆建筑，采用并置式赛训空间设置模式，即比赛场地、训练场地位于同一层面并列设置，位置相对独立，采用一定的交通空间相连接。对于独立并置的两个冰场配备各自专属的冰面制冷设备、浇冰养护设备。传统的并置式赛训空间有着功能分区明确，构造层次简单，场地便于独立使用、分时使用的特点。但是与此同时，并置式空间两块场地的相对独立性使得滑冰馆建筑需要同时维持两个大型空间的复杂热环境，由此带来的建筑热交换界面增大，冰面制冷设备、冰场养护设备、空调控温设备的双重投入极大地增加了滑冰馆建筑的建设费用和运营能耗（图1）。从土地利用角度讲，赛训场地空间并置，明显的增加了滑冰馆建筑的占地面积。通常情况下分置的赛训场地空间，训练部分占地面积与主比赛场地空间的比例为1：43：7之间。整体建筑面积中，训练场地空间往往可占到建筑面积的35%以上。由此可见，在提倡土地高效利用、建筑低能耗运行的今天，滑冰馆建筑并置式赛训空间模式有其先天性的不足，这一问题极大的降低了场馆的可持续发性，严重制约了滑冰馆建筑在我国的普及与发展。III. 新型叠置式赛训空间滑冰馆建筑叠置式赛训空间模式是从立体空间角度突破传统并置式模式的平面思维，通过对地下、半地下空间的开发，将滑冰馆训练场地空间设置于主比赛场地空间之下，形成赛训空间上下叠置的新型空间模式。这一新型空间模式较之旧有并置式空间在生态效益、土地利用方面都有着自身显著的优势。A. 生态效益优势图2 滑冰馆建筑日常能耗比例示意Figure2 Proportion of daily energy-consumption in gymnasium for skating.图3 并置式空间模式与叠置式空间模式热量分布比较Figure3 Comparison of heat distribution between horizontal juxtaposition and vertical superimposition space mode.滑冰馆建筑的高能耗问题，始终是制约其发展的主要障碍，建筑巨大的日常运营能耗主要由场馆照明、空调通风、冰场制冷、其它设备用电和赛时特别负荷几部分组成。其中，照明约占总能耗23%，空调约占总能耗42%，冰场制冷约占总能耗15%，其它设备使用约占总能耗20%。 举办正规比赛时，场馆运行能耗通常在日常运行基础上再增加25%赛时特别负荷（图2）。通过以上分析，我们可以看到，在冰上运动馆的能耗比例中，为了维持场馆内部各空间截然激变的温环境，空调设备及冰场制冷占用了建筑整体能耗57%的比例，是建筑主要的能耗支出。在这一方面，滑冰馆建筑叠置式赛训空间模式有着显著的节能优势，首先通过讲训练冰场叠置于比赛冰场之下，建筑整体大大的缩小了暴露在空气介质中的建筑外表面积，减少了建筑内部环境与室外热交换所损耗的能量。地下训练场地部分，借用维护结构外土壤层热衰减快速、温度稳定的特点，通过较小的调温能耗即可维持训练所需的场地恒温。同时，比赛场地、训练场地上下叠置，使得两块冰场的设备共用成为了可能。以往并置式赛训空间模式中，比赛训练场地相对独立，单套制冷设备因管线过长，输冷途中损耗难以承受。而采用叠置式赛训空间，两块场地可以方便的共用一套制冷设备，配合升降机后，可共用一台浇冰车和融雪槽，极大的降低了前期投入和日常运营能耗。通过建立数字模型分析，我们可以借由量化分析法更加直观的研究比较叠置式赛训空间模式的生态节能优势。预设模型选取规模最具代表性的50000平米滑冰馆建筑，其中包括40000平米比赛馆及10000平米训练馆，比赛馆与训练馆均设标准冰场。冰面温度控制为比赛要求的-6，观众区域温度为规范要求数值16，外环境温度预设为10。建筑外围护结构K值预设0.45。经模型热能分布图模拟（图3）,我们可以看到，叠置式赛训空间在热扩散上相比并置式更加节能高效。通过模型模拟计算，使用叠置式赛训空间的冰上运动馆建筑在空调能耗上，比并置式场馆节约35%左右，冰场制冷能耗节约22%，照明能耗增加13%，其它设备能耗基本持平。综合比较叠置式赛训空 间模式相比并置式赛训空间模式可节省31%运营能耗。在夏热冻冷、温差明显的地区，这一能耗节省比例甚至可达35%以上。由此可见，叠置式赛训空间模式极大的降低了滑冰馆建筑的运营能耗，具有显著的生态效益优势，在强调低碳、节能、可持续发展的今天，这一新型空间模式的使用可以有效的推动滑冰馆建筑的发展和普及。B. 土地利用优势 近年来，我国城市用地日渐紧张，土地供需矛盾比较突出，大型公共建筑对于用地面积的要求远高于其它民用建筑。因此，为了城市空间的健康可持续发展，如滑冰馆一类的公共建筑必须更加高效的利用土地资源。在传统的并置式赛训空间模式下，滑冰馆建筑的总占地面积往往达到核心冰场面积的15倍以上。以一座容纳两千名观众的配备标准训练场地的滑冰馆来说（图4），基本上总建筑面积可达到四万平米左右，建筑基底面积大于两万五千平米，加之必要的室外场地，整体占地约四万平米左右，这对于一般城市空间地块产生了巨大的压力。 利用馆叠置式赛训空间模式后，滑冰馆建筑可以通过将训练场地竖向设置，有效的减少建筑占地面积。一般情况下，滑冰馆建筑比赛主体部分与训练馆部分的面积比为4：1左右，空间叠置之后，训练部分完全置于比赛空间之下。在传统滑冰馆训练空间中，冰面制冷设备、浇冰车库、融雪池等功能约占建筑面积的30%以上，通过赛训空间叠置式设计，训练空间可以与比赛空间共用一套制冷、养护设备。通过以上两种途径，功能组成相同的滑冰馆建筑，采用叠置式赛训空间模式的场馆相比采用传统并置式赛训空间模式的场馆，可节约25%30%的用地面积。对于占地面积巨大的滑冰馆建筑，这一改变可以有效缓解场馆与城市的用地矛盾，使得大型滑冰馆建设可以有更多的场地选择，进一步的推动滑冰馆建筑在我国的发展实践。图4 滑冰馆建筑各部分功能面积分析Figure4 Area analysis of the functions in gymnasium for skating.C. 叠置式空间下行冷传递问题的解决 滑冰馆建筑叠置式赛训空间模式，通过将训练空间置于比赛空间之下，显著的提升了场馆的节能性与节地性。但是与此同时，训练空间冰场设置于建筑地下部分也带来了相应的问题，其中最主要的是训练冰场冷能下行传递，导致场馆地基冻胀的问题。这一问题可以说在很长一段时期内制约了叠置式赛训空间模式的提出。因此，解决冰场冷能对地基的传递问题，是叠置式空间模式能够应用于实践的重要保障。滑冰馆建筑冰面使用温度在-4-8之间，场地冷冻层温度一般在-12左右，在长期使用状态下，冷冻层因热传递作用向周边散失大量冷能，这一状况通过介质下行传递作用，长时间积聚于地基部分将产生强大的膨胀力，最终导致冰场结构破坏。鉴于地下训练空间冰面无法象地上冰场采用设置于室外联通的架空层方式来阻隔冷能传递，而通过设备加热方式又与降低能耗的设计初衷不符，所以在问题的解决上，主要应依靠合理的建筑构造做法来避免地基冻胀的问题。图5 地下平面图Figure5 Basement floor plan图6 地下室冰面防冻胀管沟布置图 Figure 6 Anti-frost heave piping layout for the ice in the basement 首先，基于冰面冻胀破坏实验的分析我们可以发现，因冷量发散不便，冻胀应力主要集中在冰场中心区域，因此冰场中心处地基是产生冻胀应力最严重的地带。鉴于这种情况，通过构造手段合理的分割冰场，切断冷能传递介质，可以有效的防止冷能向冰场中心区域积聚。在标准60米28米冰场（图5）中，设置数道纵横交叉的地沟，将冰场地下分割为数块不大于13米8米的小区块（图6），纵向地沟同时兼做冰场主冷管沟。这样的构造做法使得每一块冰面的冷能积聚小于临界数值，产生的膨胀力不足以对冰面构造形成破坏。同时，冰场下设置的地沟与制冷机房联通，如长时间使用，可通过送风设备将制冷过程中产生的余热以热风方式送至地沟，以缓解冷能下行的问题。在以上构造措施防护的基础上，冰场本身构造的强化也是解决地基冻胀问题的关键所在。为阻止冷能向下传递，我们可以针对性的提高冰面下保温层的隔热能力。经数字模型模拟和现场试验证明，通过采用下设200毫米厚挤塑苯板（XPS板）的方法，利用其0。027W/M.K，吸水率1%的材料特性，冰场可减少32%39%的下行冷能量，有效的控制了冰面温度对建筑地基的传导。同时，地下冰场需强化冰面防水层构造。地基冻胀后体积增加比例与地基部分的含水率有直接关系，而冰场浇冰融冰必然会产生大量的自由水，因此地下冰场宜设置双道防水层，并选取材料性质稳定、低温无脆变、抗反复冻融性能好的防水卷材，通过减少地下空间含水率来降低冻胀时地基部分的膨胀。最后，针对性的在冰场构造中设置防冻胀层也是必要且行之有效的解决方法。冰场防冻胀层材料可选择500毫米厚干砂，设置位置，应为冰场基层和构造层之间。通过利用干砂的形变能力，防冻胀层可以将地基局部冻胀应力充分的分散到整体构造层次上，杜绝局部应力集中的破坏发生。同时干砂较强的吸水能力和热稳定性，也尽可能的降低了基础冻胀对冰面的影响。综合以上构造做法（图7），滑冰馆建筑可以通过简便廉价的构造手段有效的降低地下冰场下行冷传递量，消除地基冻胀对冰面的影响，切实的确保叠置式赛训空间模式建筑的安全性与耐久性。这一问题的解决为滑冰馆建筑叠置式赛训空间的实践与推广提供了技术保障，也使得这一新型空间模式具备了极强的现实意义。图7 冰面防冻胀做法构造 Figure 7 The anti-frost heave measures for the iceIV. 结论滑冰馆建筑叠置式赛训空间模式，是应时代需求而对滑冰馆建筑固有空间模式进行的一次创造性变革，是设计者对建筑与空间生态的反思和回应。通过打破平面思维对比赛、训练空间组合的桎梏，进行创新性的立体空间设计，滑冰馆建筑得以更加契合节能、节地的可持续发展建筑要求。这一创新性的赛训空间模式，丰富了滑冰馆建筑核心空间设计的模式选择，对滑冰馆建筑设计理论体系的发展完善有着重要的理论意义。滑冰馆建筑叠置式赛训空间在节能性上比之旧有并置式赛训空间可降低能耗31%以上，在节约土地方面，叠置式赛训空间可比并置式赛训空间节省25%的用地面积。将叠置式空间模式运用于实际项目，可以有效的缓解滑冰馆这一大型公共建筑在城市能耗、城市用地方面的压力，使得滑冰馆建筑可以更加健康快速的发展。综上所述，叠置式赛训空间模式对滑冰馆建筑的发展具有非常重要的理论和现实意义，这