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南坡变北坡,2022冬奥会国家雪车雪橇中心是怎样实现的?

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策略与过程
2022 冬奥会国家雪车雪橇中心地形气候保护系统遮阳设计

文 / 窦平平 南京大学建筑与城市规划学院
国家雪车雪橇中心是延庆赛区核心区的两个竞赛场馆之一,是冬奥会雪上竞赛项目中极具观赏性的明星项目——雪车、钢架雪车、雪橇的九个子项目的比赛场地,这些项目都是速度最快、危险性最高的运动。作为北京冬奥会三大赛区之一的延庆赛区,是联系北京赛区和张家口赛区的重要节点,其核心区位于燕山山脉军都山以南的海坨山区域、小海坨南麓山谷地带,邻近松山国家森林公园自然保护区,既有山林秀美、谷底幽深的自然景观,同时也有坡陡林密、地形复杂、海拔变化幅度大、用地狭促的建设难度。这些因素使延庆赛区拥有冬奥会历史上最难设计的雪车雪橇赛道和最为复杂的场馆。与此同时 我国雪车雪橇竞技项目处于起步阶段,符合冬奥会标准的雪车雪橇场馆是国内设计的空白,在设计、建设、运行三方面都是零经验[1] 。  国家雪车雪橇中心位于延庆赛区南区中部一块北高南低的山脊坡地上,主要建设内容包括总长度近 2 000m 的蜿蜒赛道、各出发区、运行区、结束区、出发训练道、冰屋、制冷机房、入口隧道、观众广场等,附近的相关设施还包括赛区安检广场、 媒体中心等。独特的山形选址、竞赛项目自身的特点和高难度的赛道形式,共同为场馆带来了独特的初始形态。延庆赛区的总体规划提出了“山林场馆、生态冬奥”的设计理念,并且针对国家雪车雪橇中心位于南坡,对赛道冰面平滑度、制冷设备能耗等方面有着天然的不利影响的问题,设计团队提出了“地形气候保护系统”(以下简称“TWPS”,Terrain Weather Protection System)—— 用遮阳屋顶结合赛道自身形体、天然地形植被和人工地形,保护冰面免受日照、风、雨、雪等多变的气候因素影响,确保赛事高质量进行,并最大限度地降低能耗,实现“南坡变北坡”的理想状态。   南坡变北坡,2022 冬奥会国家雪车雪橇中心是怎样实现的? 国家雪车雪橇中心选址及场地原状 在这样的背景下,笔者带领的剑桥大学—南京大学建筑与城市合作研究中心团队,受到北京市科委《北京 2022 年冬奥会延庆赛区场馆及赛事设施支撑技术研究及应用》的课题资助,重点研发 TWPS 的遮阳系统,并在方案设计过程中与中国建筑设计研究院的设计团队同步转化研究成果。

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遮阳系统设计的任务难度与三个设计原则

冬奥会举办城市基本分布在北纬 40°以北,北京延庆地区的纬度为 40.4°。相对于赛道通常选址的北坡,南坡的太阳入射角更大、照射时间更长,因此接受的太阳辐射总量更多。以北京地区太阳辐射数据为基础,比较平均坡度均为 12°的南坡和北坡,经过初步测算,南坡的太阳辐射热量比北坡多出约 38%。  确定遮阳系统的设计目标是最为困难的,因为目标既不是单一的(仅以遮阳为目的),也不是单向的(最大限度遮蔽最好) 。即使仅从物理性能本身考虑,也有日间太阳照射得热和夜间地面向天空散热的矛盾关系。而赛道本身如蜿蜒曲折的长龙匍匐于山坡上,加上整个赛道的弯道与直道变化,赛道各个截面与太阳入射角的关系均不一样,也就是说 在没有遮蔽的情况下赛道各段冰面的太阳照射时间和得热量均不相同且相差很远 。此外,遮阳效果主要由屋面带来,而屋面形式、跨度和高度又与视线、安保、灯具设置等诸多因素密切相关,遮阳目标的遮蔽需求与其他需求也会出现矛盾。  南坡变北坡,2022 冬奥会国家雪车雪橇中心是怎样实现的? 国家雪车雪橇中心赛道组合立面图、平面图 以“结合赛道自身形体达到局部自遮阳”这一设计目标为例,模拟计算其自遮阳的达成率难度巨大,因为赛道设计方德国 PDG(戴勒公司)也在同步测绘山体并进行设计, 赛道设计图处于不断更新之中且本身极为复杂,赛道设计受到长度、速度、弯道数量、难度、安全性、展示性、趣味性、便利性等多重因素影响 。  在充分认识任务难度的前提下,笔者在设计团队初始意向剖面的基础上确定了遮阳系统设计的三个原则,遮阳系统设计不是单纯的建筑物理问题,而是更为综合的建筑设计问题。  南坡变北坡,2022 冬奥会国家雪车雪橇中心是怎样实现的? 国家雪车雪橇中心地形气候保护系统初始剖面图 (1)动态目标,动态适应  遮阳系统的设计是赛道冰面保护工程的重要部分。 《竞赛场馆设计标准技术手册》对赛道冰面的硬度、强度、弹性、表面粗糙度等材料特性提出了运动舒适性、无害性控制的目标要求 [2]。而保证场地质量在实际操作上是一个复杂和动态的系统工程,目前国内外主要依靠有经验的制冰师的感性判断。 总体来说,希望冰面的温度尽可能均匀一致,且反应迅速、易于调节 [3]。  (2)满足竞赛的第一和第二体验  相较于之前,21 世纪的竞技体育赛事更注重全方位的沉浸体验,包括良好的观赛视角、互动的感觉、热烈的气氛以及依附于场馆的附属建筑和设施提供的一体化周边服务[4]。对观众看台,从视距、视点、方位角、高度角、视野角等方面进行严格的视线设计,以满足观赛舒适需求。不仅是现场的“第一体验”,由电视和互联网转播给现场以外观众的“第二体验”更为重要。赛道不仅是个运动场更是一个展示台,足够且精确的摄影机位、满足摄影和摄像要求的灯光照明以及现场观众的位置安排都对“第二体验”有很大影响。  南坡变北坡,2022 冬奥会国家雪车雪橇中心是怎样实现的? 雪车雪橇项目竞赛时的运动员、媒体、观众位置关系 (3)环境气候因素引导而非决定形体  环境气候条件的回应是赛道屋面设计的主导因素,但不是决定因素。近年国际奥委会关于奥运场馆建设问题,在布局上强调通用适需、多元灵活、主动增强动态适应能力以利于赛后发展;在结构上强调保持先进性,做到与适用性和易建性高度统一[2]。从近几届的冬奥会看,索契 2014 是史上最昂贵的冬奥会,而平昌 2018 是迄今赛事规模最大、参赛人数最多的冬奥会,但耗资仅有索契的 1/4,堪称史上最节俭的冬奥会[5]。 通过先例的比较分析我们认为,对建造、形体、材料、性能的平衡可以在满足赛事高要求的同时,实现能耗控制和成本管控。 遮阳系统设计的工作剖面由此确立。在增大遮阳率、降低系统能耗的静态目标基础上,结合观赛体验需求,设立了将太阳辐射密度均匀化(目标 SED 值分段设置)、将非比赛时段与比赛时段运行模式相结合(垂直遮阳卷帘参数 h3 的设置)、将一天中不同时段根据太阳高度角变化适应性应对(檐口格栅参数 B 的设置)的动态目标。遮阳屋面的各项参数,包括跨度参数 S、檐口高度 H、张角参数 a,对第一和第二体验有直接影响,需要增加相应的评价函数。 在设置计算SED 目标下,总跨度的范围是 6m≤S≤12.5m,上限和下限由功能布局需求确定,其中 S 的取值以 0.5m 为单位进行变化。 南坡变北坡,2022 冬奥会国家雪车雪橇中心是怎样实现的? 国家雪车雪橇中心地形气候保护系统中遮阳系统设计的工作剖面

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遮阳系统的设计策略和工具

传统的设计方法对于环境性能通常使用经验公式或简化的图表进行计算。近年的模拟软件可以通过计算机模拟将定量设计方法可视化,一方面可以直观表达环境性能,另一方面可以和建筑形体建立关联。一些过去只能被定性分析的性质在不断迭代 的技术水平下已经转化为可以量化分析的性质。最新的信息化模型平台集成了众多性能化分析组件,可以进一步将建筑的内在运行机制和性能表达在外在形体上。比如,定量化的太阳能得热模拟分析,可以定量表达遮阳屋面的理想覆盖面,通过定量化评价,为屋面的长度、高度、角度、透光率等给出优化建议。得益于基于性能驱动的算法,建筑与环境之间的关系不再是利用机械控制系统对环境进行被动地应对,而是优化建筑形式产生对环境的积极响应,从而建立起性能逻辑与形式本体之间的动态联系[6]。 遮阳系统的设计是通过算法生成的形式操作提升综合性能的过程。 综合性能的各个因素是经过分析和选择确定的,以环境性能为主导,但不是单一目标。将其他相关因素设为参数,建立一个动态网络关系,共同关联生成相应的形式,因此设计策略是多因素综合的遮阳屋面形态优化。  南坡变北坡,2022 冬奥会国家雪车雪橇中心是怎样实现的? 国家雪车雪橇中心遮阳系统施工场景 具体操作方法和工具是在参数化建模平台 Grasshopper 上选用 Diva for Rhino 插件进行采光和 能量模拟,生成赛道得热分布模型,选用 Ladybug 环境模拟分析组件(包含 Ladybug、Honeybee、Butterfly 三个组件,分别连接风、光、热环境模拟软件),并用同一平台的插件 Galapagos 进行遗传算法寻优找形。 在一个整合的综合平台上可以完成建模、模拟、迭代、优化、生形一系列任务,使动态适应的设计原则在方法上具备可行性。最后需要设计团队对生成的基准体量模型进行调整应用,控制建筑的最终形式。

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遮阳系统的设计过程与成果

遮阳系统的设计过程分为四个步骤:1)确定地形气候保护系统剖面参数模型,包括场 地和设计条件分析、赛道遮阳系统设计先例分析和 初始模型分析、设计目标与变量综合分析;2)对 参数模型进行环境性能模拟,包括赛道分段与转换段误差处理、太阳直射时长计算和太阳能量密度计算;3)根据模拟结果对参数模型进行优化,包括设置适应性函数和遗传算法库参数进行综合评价, 选定程序运行时长和终止条件进行优化形态的生成;4)对优化结果进行形式评估和局部调整,包括活动垂直遮阳帘(赛时不用)的设置、使用后评估及调整。 南坡变北坡,2022 冬奥会国家雪车雪橇中心是怎样实现的? 国家雪车雪橇中 心地形气 候保护系统中遮阳系统设计的工作流程 遮阳目标参数为太阳直射辐射遮蔽率和太阳能量密度 SED,赛道分段后的整段和每小段均低于目标 SED 值。气象数据为北京延庆地区过去 10 年的平均气候数据,计算周期为 9 月 23 日至次年 3 月 21 日,即秋分至次年春分,涵盖了冬季项目场馆有可能运行的时段,包括赛后综合利用的全民健身使用。 计算模型加入了有可能影响赛道冰面得热情况的、距离赛道周边 20m 范围内的自然地形。计算 时,赛道按照弯道转换位置总共切分为 18 段,每段再均分为 11 小段,也就是 12 个计算剖面,并进行二次计算处理转换误差。 计算发现屋顶对降低太阳辐射强度和日照时间起主要作用,对于目标 SED 值而言,屋顶贡献约占 80%,地形和附属 建筑的贡献约占 5%左右。屋面宽度由算法生成,最宽处距结构立柱中线 12.5m,最窄处 6.0m,变化幅度为 6.5m。  南坡变北坡,2022 冬奥会国家雪车雪橇中心是怎样实现的? 南坡变北坡,2022 冬奥会国家雪车雪橇中心是怎样实现的?
计算生成的国家雪车雪橇中心遮阳屋面的基准体量投影线和剖面,第 2、7 段 遮阳系统设计过程的前三个步骤在实际的算法生成过程中需要很多次的循环,即根据模型优化结果形式进行评估,决定是否需要调整设计目标、参数类型和拓扑关系,进而进行新一轮模拟和优化。例如,屋檐高度综合了遮阳、视线、易建性,在过程中设定为固定值 4.0m。  南坡变北坡,2022 冬奥会国家雪车雪橇中心是怎样实现的? 国家雪车雪橇中心遮阳屋面的基准体量投影线(折线)与最终设计屋面的投影线(平滑曲线)的关系,第 3、4、6、14 段 最终确定的形体为满足遮阳目标的基准体量, 原则上最终屋面体量应涵盖基准体量,随后交由设计团队进一步考虑其他综合因素,如安保需求、附属建筑的设置、结构、构造等,并确定最终屋面形态。 南坡变北坡,2022 冬奥会国家雪车雪橇中心是怎样实现的? 南坡变北坡,2022 冬奥会国家雪车雪橇中心是怎样实现的? 国家雪车雪橇中心遮阳系统施工场景

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结语

2022 冬奥会国家雪车雪橇中心地形气候保护系统的遮阳系统设计策略,是通过分析和算法生成的形式操作提升建筑系统的综合性能。设计过程得出的遮阳屋面的形态是内在的运行机制和性能表现的外在显现,以环境性能目标为主导,综合竞技体育特点、观赛体验、易建性等多重需求平衡而得,是来自自然的逻辑法则、技术革新带来的可能性和人文维度共同呈现出的理性与平衡。 致谢  感谢团队顾问剑桥大学 Koen Steemers 教授和团队成员朱凌峥 (剑桥大学博士生)、陈硕、梅凯强、陈博宇(南京大学硕士毕业生)对本文的帮助。

* 注:本研究得到北京市科技计划项目“北京 2022 冬奥会延庆赛区场馆及赛事设施设计支撑技术研究及应用”之课题“雪车雪橇场馆设计方法及关键技术研究”(D171100007417002)资助。
参考文献  [1] 李兴钢 . 文化维度下的冬奥会场馆设计——以北京 2022 冬奥会延庆赛区为例 [J]. 建筑学报,2019,604(1):41-48. [2] 陆诗亮,李磊,解文龙,等 . 国际奥委会可持续发展理念下的冬奥会冰雪体育场馆设计研究 [J]. 建筑学报,2019,604(1):19-24. [3] 郑方 . 基于既有建筑改造的冬奥会冰上场馆可持续策略 [J]. 建 筑学报,2019,604(1):49-53. [4] 范文杰,杜朝辉,马雪容 . 奥运体育建筑的发展历程回顾及展望 [J]. 体育文化导刊,2004(11):32-35. [5] 孔舜九,梁斌,朴志训 . 可持续的 ” 新境界 “——2018 年平昌冬奥会场馆设计 [J]. 建筑学报,2019(1):24-28. [6] 袁烽,闫超 .“新唯物主义”营造——从图解思维到数字建造 [J]. 时代建筑,2016(5):6-13.


窦平平  南京大学建筑与城市规划学院副教授,剑桥大学博士。



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