[分享]基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色

发表于2020-09-04     52人浏览     2人跟帖     总热度:263  


基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色_2


刘昱辰,傅绍辉,徐岩,郝琛.基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色设计研究[J]. 工业建筑,2020,50(7):77-82.
DOI10.13204/j.gyjzG20070803

01

研究背景

近年来,许多城市在建设新的文化、体育类场馆时,开始逐渐摒弃传统的独立、单一功能的场馆,取而代之的是将多种类型的文化、体育场馆——如剧场、图书馆、游泳馆、篮球馆、冰球馆等融合并置在一个综合性建筑之中,使之成为一个集文化、体育、娱乐、交往于一身的一站式文体中心综合体建筑。这一现象的产生,与当代城市生活方式和大众消费心理的转变等因素息息相关,在经历了高速、粗放的城市化发展之后,城市逐渐走上一种更精细、精明的发展道[1-2]
1.1 城市土地资源紧缺
我国在经历了四十余年的城市化建设之后,城市开始面临许多“ 大城市病”,首当其冲的就是城市的拥挤和城市土地资源的紧缺。从全世界的范围来看,这个问题在城市发展的过程中并不罕见。在20世纪80年代,国际城市研究学者就曾提出过“新都市主义” ( New Urbanism ) 的城市规划设计理论, 针对城市无序蔓延带来的问题寻找城市发展之道。到21世纪之初,美国规划协会联合60家公共团体组成了“ 美国精明增长联盟”,针对城市蔓延问题提出了精明增长的理论。他们都主张为解决城市问题,应当注重紧凑、高密度、垂直化、混合化的土地利用原则。在这些思潮的影响下,越来越多的综合体类型建筑开始出现在城市中,从最初的商业综合体,到交通、文化、体育等各种功能有机混合的综合服务型建筑[3-4]
1.2 从功能性走向娱乐性、交往性
传统的独立、单一型场馆更加注重功能性,其主要使用功能由于空间上的独立和封闭可以确保使用上的高性能。然而这样的建筑,往往缺乏与其他建筑以及城市空间的互动和对话,在娱乐性、交往性上有所局限,难以融入城市生活,也无法激发大众的交往、互动为之带来活力。
1.3 从竞技性、专业性到全民性、大众化
传统的大型场馆往往依托大型赛事而生,在规划建设初期便以赛事需求为核心进行开发,建筑空间注重竞技性、专业性,但在赛后往往面临使用单一的问题,也常常处于空置的状态,造成了资源的极大浪费。赛事的需求是一时的,赛后的利用和运营却是长期的,赛事的举办往往能够调动大众参与到体育运动中的热情,加之近年来倡导的全民健身活动, 使体育逐渐成为大众生活必不可少的组成部分。在这样的背景下,将体育场馆、文化设施等具有人流吸引力的功能进行复合化设计,资源共享、优势互补, 文体叠加形成更大的流量效应,为整个区域带来活力和人气,促进城市综合效益的提升。
门头沟体育文化中心项目(图1、图2 ) 将体育、文化两大功能版块整合成一个综合体建筑的形式, 同时南北两部分在底部被市政路贯穿,建筑两大版块的形式和功能既相互交融,又保持各自的独立性, 一方面发挥综合体建筑的优势,空间利用高效集约, 另一方面保证使用的便捷性,能够独立运行与管理。
基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色_3
图1 门头沟体育文化中心效果
Fig.1 Rendering of the Mentougou Sports and Cultural Center
基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色_4
图2 门头沟体育文化中心总平面
Fig.2 Site plan of the Mentougou Sports and Cultural Center
02

空间叠合设计策略在门头沟体育文化中心综合体建筑中的应用

门头沟体育文化中心项目将体育、文化两大功能板块整合成一个综合体建筑的形式,主要通过空间叠合设计策略来实现。空间叠合设计策略是将建筑主要使用高大空间垂直叠加的一种空间组合方式。
门头沟体育文化中心项目总建筑面积 132 933m2 , 其中 地 上 建 筑 面 积 59 618m2 , 地 下 建 筑 面 积73 315m2 ,地上五层,地下三层,建筑高度 35.0 m,主要包括体育、文化两大功能版块,北区体育功能板块主要由体育馆、游泳馆、全民健身中心、体育运动学校、室内冬季运动场构成,南区文化功能版块主要由文化馆、图书馆、剧院、非物质文化遗产展示中心构成。文体中心以综合体的建筑形式整合多种功能,功能和业态融合共生、相互支撑,充分发挥多功能综合体的优势和效率。
门头沟体育文化中心在空间组织上,采用了两组高大空间竖向叠合的构成方式,体育馆比赛场地和游泳馆上下叠合,训练馆和室内冬季运动场上下叠合(图3),最大限度地集约利用土地,既为室内活动提供高品质的空间,也释放出珍贵的地面空间,创造同样优质的室外活动空间和城市景观。
基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色_5
图3   高大空间竖向叠合示意
Fig.3 Schematic diagram of vertical superposition of tall and large spaces
03

空间叠合设计策略对绿色建筑设计的贡献

在门头沟体育文化中心项目中,通过空间叠合设计策略的应用,在空间处理上采用集约化设计,有效缓解了用地的紧张,节约了珍贵的城市资源。同时,空间叠合的处理手法还能够有效降低建筑的能耗,并通过结构体系的精简处理和材料构造的精准控制,进一步实现节能和节材的目标。除此之外,空间叠合设计策略的运用还会给建筑的使用及运营带来极大便利,并通过低碳化的运行策略达到节能环保的目的。
3.1 空间集约
空间叠合设计策略最直接的优势就是实现了空间的集约化设计,从而能够显著而有效地实现节地的绿色设计目标。空间的集约化体现在以下四个维度:平面维度、高度维度、功能性辅助空间维度以及交通性辅助空间维度。
平面维度的集约是空间叠合设计策略最显而易见的结果。将主要使用高大空间在竖向垂直叠置, 与将其在横向并置相比,节约了将近一半的占地面积。这种紧凑化的文体综合体建筑模式,实现建筑立体化的垂直分区,拓展纵向发展空间,遵循形体占地最小化原则, 有利于城市土地资源的高效利用。门头沟体育文化中心主要使用高大空间采用横向组合与竖向垂直叠置的占地面积差异如图 4 所示,采用空间叠合策略占地面积显著减少。
高度维度的集约是空间叠合设计策略的一种间接结果。传统的独立、单一型场馆在设计时,通常会选择远超使用需求的空间高度,这通常是为了避免建筑形象过于“ 扁平”,利用拔高的高度来调节建筑形体的比例,塑造恢弘的意象来彰显城市形象。而在应用空间叠合设计策略时,高大空间在竖向叠置, 仅仅在合理范围内设计功能需要的空间高度,即可自然形成高大的空间体量,无需过度拔高空间高度。门头沟体育文化中心北区体育馆比赛场地和游泳馆上下叠合,游泳馆层高 12m,净高约 8m,体育馆比赛场地净高约 16m,结构高度约4m;训练馆和室内冬季运动场上下叠合,室内冬季运动场层高 12m,净高约8m,训练馆净高为变值,约9~16m,结构高度约4m;两组大空间上下叠加,此部分曲面屋面最高点高度约35m,既满足两组使用空间的功能需求,又无需设置更大的高度来塑造形体(图5)。空间叠合设计策略不仅实现了平面维度的集约,还间接催生出极限化的空间高度控制,也实现了高度维度的集约,将空间集约化更进一步。
基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色_6
图 5 门头沟体育文化中心高度维度的集约分析   m
Fig.5 Diagram of intension in height dimension of the Mentougou Sports and Cultural Center
功能性辅助空间维度和交通性辅助空间维度的集约是空间叠合设计策略在方案设计演进中的后续结果。如果将各种不同功能的场馆单独建设,则需要分别配置各自的管理用房、设备机房等功能性辅助空间。而门头沟体育文化中心将主要使用空间竖向叠置,空间使用效率提高,管理用房、配套用房等空间可以共享共用,设备机房等辅助空间可以整合精简,无需重复设置这些用房,同样实现了空间的集约。与此同时,当主要使用空间竖向叠置,功能性辅助用房集约化处理,整个建筑的功能流线更加紧凑、高效,这就进一步提升了建筑的平面使用系数,有效 地节约了交通性辅助空间的设置,再次实现了空间的集约(图6)。
基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色_7
图6 门头沟体育文化中心辅助空间维度的集约分析
Fig.6 Diagram of intension in support space dimension of the Mentougou Sports and Cultural Center
3.2 降低能耗
空间叠合设计策略的应用还有助于建筑降低能耗,对降低能耗的作用体现在以下三个维度:体型系数维度、空间高度维度以及屋面面积维度。
在GB 50189—2015《 公共建筑节能设计标准》中,对于单栋建筑的体型系数有限值要求。在建筑物的供暖热量中,围护结构的传热耗热量占有很大比例,建筑物体型系数越大,即发生向外传热的围护结构面积相对越大。因此,同等条件下,建筑体型系数越小越有利于节能。门头沟体育文化中心应用空间叠合设计策略,与传统的单一场馆群组建筑组织形式相比,体型系数更小,因而能够降低能耗。
针对高大空间的能耗试验结果显示,在平面一定的情况下,能耗与空间高度成正比,即空间高度越大,能耗越大。例如在一项针对北方大中型体育馆形体空间要素能耗关联度的研究中[1] ,分别以75m×55m的中型体育馆典型平面和102m×74.8m的大型体育馆典型平面为条件, 对对应高度取值15.6 ~ 25.6m 和 25.6 ~ 35.6m的两个区间段进行模拟,分别求得中型体育馆和大型体育馆空间高度能耗关联回归曲线,通过计算可以得出建筑高度的能耗变化率量化指标,中型体育馆空间高度每增加1m,能耗增加 9.336MW·h,节能百分比变化率为1.43% ,而大型体育馆空间高度每增加1m,能耗增加13.038MW·h,节能百分比变化率为1.99%。门头沟体育文化中心应用空间叠合设计策略,可以对空间高度进行极限控制,在满足使用功能的条件下合理设计空间高度,不必为了调和建筑形体比例关系而过度拔高空间高度,因而能够通过空间高度的降低实现节能的目的。
门头沟体育文化中心将多种功能融合,无论是游泳馆、训练馆等体育设施,还是剧院、图书馆等文化场所,平面面积规模都比较大。同时,门头沟体育文化中心还是区域城市生活的中心所在,兼具文化交流、公共交往等属性,因此颇具规模,面积在十万量级上下,占地也是若干个街区的尺度。在这种条件下,建筑的形体呈现出来的特征是:屋面比立面在围护结构面积中占比更大,而屋面和立面与太阳辐射的角度关系决定了其接受太阳辐射量更大,这也意味着,由屋面带来的能耗影响比立面大得多。门头沟体育文化中心屋面面积 34855.94m2 ,外墙面积 26913.36m2 ,屋面面积是外墙的 1.3 倍,叠加角度因素,屋面的能耗影响显著大于外墙,因此减小屋面面积能够有效降低能耗(图7)。应用空间叠合设计策略的文体中心综合体建筑,与传统的单一场馆群组建筑相比,上下叠合的大空间使屋面面积减少了一半,因而能够大幅降低能耗。
基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色_8
图7 门头沟体育文化中心建筑体量全年太阳辐射总量模拟平面示意   %
Fig.7 Round-year solar radiation analysis of building volume of the Mentougou Sports and Cultural Center
3.3 结构精简
应用空间叠合设计策略的文体中心综合体建筑,由于其大跨度多层结构有机叠置的形式,结构体系的设计难度较高,尤其是如何解决减轻结构自重、提高大跨度多层结构叠置的稳定性等问题。得益于材料科学和建筑技术的不断进步,大跨度楼板可选用轻型结构体系,预应力混凝土楼板、钢结构楼板、组合结构楼板都较为常用[5]。门头沟体育文化中心的大跨度楼盖采用了钢桁架+ 钢筋桁架楼板结构形式, 屋面采用钢桁架+ 轻质屋面板。楼盖的钢桁架经过不同方案的比选,最终确定了受力合理而最精简、节材高效的方案(图8),竖腹杆数量得到有效控制。这些轻型楼盖体系的使用可以优化整个建筑结构体系的性能,提高结构设计效率,同时精简了材料的使用,也实现了节材的目标。
大跨度楼面在设计中还对结构通用节点进行了优化。门头沟体育文化中心的大跨度楼面标高为+ 12.000m,主要功能为篮球比赛场、篮球训练馆,跨度均为 39.6m (图9);采用双下弦桁架体系, 桁架高度3.5m,桁架两端上下弦交于一点,与框架柱相连,双下弦节点如图10所示。
基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色_9
图9  39. 6 m 大跨度楼面模型
Fig.9  39. 6 meters long-span floor model
基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色_10
图10  双下弦节点示意
Fig.10 Schematic diagram of double lower chord joint
这种双下弦杆件, 主桁架下弦为两个平行的圆形钢管,为了保证下弦的稳定性, 在两榀上下弦之间设置交叉拉索(图11),以保证桁架的平面外稳定。同时,还需要保证下弦的两根圆钢管协同受力,为此设计连接板,使得腹杆和下弦可共同受力,经过软件验证,对下弦节点进行实体分析,下弦两根圆管的应力值相同,说明双下弦可以协调共同受力,结构体系合理。与此同时, 双下弦节点的设计,与单下弦相比,可以减小下弦构件的尺度,由于使用空间叠合策略,空间高度相对节制,位于场馆二层楼座的观众与桁架距离相对更近, 较小的桁架构件尺度使观众的观感效果更优质,建筑效果和结构效率相得益彰。下弦构件尺寸的减小也能够减少材料的用量,达到节材的目的。
基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色_11
图11  拉索节点示意
Fig.11 Schematic diagram of inhaul cable joint
应用空间叠合设计策略的文体中心综合体建筑还面临一个重要的结构问题就是大跨度楼面的安全性问题。门头沟体育文化中心,由于人流密集,活动多样,尤其是体育功能中的跑动、跳跃等行为模式, 给结构特别是楼板的振动带来了极大的挑战。在功能上,合理的动静分区可以减小结构对振动的传导性,将不同使用功能之间的影响降到最低[6] 。 在结构设计时,注重结构稳定性的设计,能够确保楼面安全性及舒适度符合功能使用需求。门头沟体育文化中心的楼盖双下弦节点设计,给稳定性带来挑战,通过在两榀上下弦之间设置交叉拉索,可以确保桁架的整体稳定性及大跨度楼面的安全性。
3.4 材料构造
应用空间叠合设计策略的文体中心综合体建筑,与传统的单一场馆群组建筑相比, 体型系数更小。在同等规模条件下,门头沟体育文化中心应用空间叠合设计策略,建筑发生向外传热的围护结构面积相对更小,因而围护结构需要使用的材料用量也更小,达到了节材的目的。
在门头沟体育文化中心项目中,空间叠合处理手法使得建筑整体形体关系明确,富有特色,造型要素简约,非功能性的装饰性构件占总造价的0.32% ,不高于所在单栋建筑总造价的0.5% 。在立面设计中,幕墙整合一体化设计,东西立面曲面由菱形网格交织而成,根据室内功能的需求,有些是透光的玻璃幕墙,有些是干挂铝板幕墙或干挂铝板装饰幕墙,赋予建筑完整、连贯的形态(图12)。这种立面几何构成有理化和结构围护一体化的策略也有利于建筑实现节材的目标。
基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色_12
图12 门头沟体育文化中心鸟瞰图
Fig.12 Aerical view of the Mentougou Sports and Cultural Center
门头沟体育文化中心空间叠合采用的大跨度楼面,选取了钢桁架+ 钢筋桁架楼板结构形式。除此以外,包括北区北侧、东侧、西侧幕墙主体结构,钢结构全部采用预制。预制构件部分重量折算后为1408.61kN,建筑结构总重量折算后为3776.711kN,预制构件用量比例为 37.30% , 符合节材与材料资源利用合理的要求。同时,项目还大面积采用钢桁架、钢筋、玻璃幕墙、铝板等可再循环利用材料,这些材料质量为10463.15 t,总建筑材料的质量为103416.65 t, 占总建筑材料比例的10.12% ,也符合节材与材料资源利用合理的原则。
3.5 运营优化
空间叠合设计策略的运用还会给建筑的使用及运营带来极大便利。在门头沟体育文化中心建筑中,主要的使用空间叠合设计,其他功能性空间围绕核心空间布置,各种设备系统在设计时可以根据不同空间的使用特点来分区配控,在运营时也可分区调控、分时调控来确保使用的舒适度和节能目标的平衡。建筑主要使用空间竖向叠置时,功能性辅助用房集约化处理,整个建筑的功能流线更加高效,各功能单元组织灵活,紧凑的交通流线便于彼此资源共享,建筑的运行效率较高,使用者体验较好。不同功能的复合化叠置,还提升了建筑的全时段使用率,使建筑的功能最大程度地被利用,避免空置造成的资源浪费。主要使用大空间的叠合需要采取立体化的交通空间来组织功能流线,而为了满足日常使用人流集散和消防疏散的要求,常常需要结合城市空间进行竖向交通体系的设计。门头沟体育文化中心设置了与城市环境紧密联系的大型步梯、台阶,也成为向城市开放的公共交往空间,进一步提升了建筑的使用率,提高了土地资源的利用率。
3.6 策略矩阵
为应对城市化进程加快带来的各种问题而生的集约化文体综合体建筑,在应用空间叠合设计策略后,能够从空间集约、降低能耗、结构精简、材料构造、运营优化等方面提高建筑的绿色性能。以空间叠合设计策略为核心展开的一系列设计要素群组与建筑的绿色性能关联,即可得到一个绿色设计策略矩阵,见表1。这个策略矩阵能够全面地展现应用空间叠合设计策略对绿色建筑的贡献,指导建筑设计实践在不同的建筑中应用并形成不同的设计策略,通过策略矩阵在深度和广度上的持续延伸,高大空间能够有效提升绿色建筑性能,实现更高的绿色建筑目标。
表1 绿色设计策略矩阵
Table1  Strategy  matrix  for  green  building design
基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色_13
04

结束语

门头沟体育文化中心采用空间叠合的设计策略,从空间集约、降低能耗、结构精简、材料构造、运营优化等五个层面展开绿色建筑设计:在平面维度、高度维度、功能性辅助空间维度以及交通性辅助空间维度四个方面实现了空间集约;在体型系数维度、空间高度维度以及屋面面积维度三个方面降低了建筑能耗;通过减轻结构自重、节点优化设计以及提高稳定性和安全性等三个手段实现了结构精简;从构件节材、结构围护一体化、应用可循环利用材料等三个方面优化了材料构造;从分区和分时调控、建筑全时段运行效率、与城市共享共生等三个方面实现了运营优化。以空间叠合设计策略为核心展开的一系列设计要素群组与建筑的绿色性能关联,构建绿色设计策略矩阵,促进高大空间有效提升绿色建筑性能,实现更高的绿色建筑目标。

参考文献
[1]王超,张伶伶,张民意,等.基于数据库分析的北方大中型体育馆形体空间要素能耗关联度研究[J] .华中建筑, 2019 (6) : 26-32.
[2]张龙巍,张伶伶,王超,等. 北方地区高大空间公共建筑绿色设计研究[J].工业建筑,2019,49(12):63–68.
[3]胡小雨.体育产业化背景下体育综合体集约化设计方法研究[D].南京:东南大学,2017.
[4]汤朔宁,赵孔,谭杨.融合与共生:大中型体育中心的复合化设计研究[J].城市建筑,2016(10):35-37.
[5]赖纯翠.基于轻型楼板振动模拟的层叠式健身馆设计研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.
[6]陆诗亮,解潇伊,李磊,等.单一走向复合:基于全民健身的场地层叠式体育馆设计研究[J].城市建筑, 2017 (5):112-115.


扫码加入筑龙学社  ·  建筑设计微信群 为您优选精品资料,扫码免费领取
分享至

分享到微信朋友圈 ×

打开微信"扫一扫",扫描上方二维码
请点击右上角按钮 ,选择 

 发表于2020-09-04   |  只看该作者      

2

基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色设计研究


 发表于2020-09-14   |  只看该作者       筑龙币+10

3

在欧洲,超低耗能的被动式房屋已经成为所有新建筑的建设标准

在中国,建筑能耗位居各行业的首位的现实也令被动房加速推动

国企首先积极响应绿色智慧理念

现在的建筑业,绿色建筑正是逐渐兴起的新风潮

来免费公开课,帮你解读 “绿色建筑

基于空间叠合策略的门头沟体育文化中心绿色_1

麻瓜苏

  | 建筑设计

1 关注

999+ 粉丝

899 发帖

29 荣誉分

该博主未添加简介

猜你爱看

添加简介及二维码

简介

还可输入70字

二维码(建议尺寸80*80)

发站内信息

还可输入140字
恭喜您已成功认证筑龙E会员 点击“下载附件”即可
分享
免费
加入微信交流群
精品资料,免费课程
2/20