基于氣候因素制約的寒地體育場館地域適應性設計研究

羅鵬，李麗華/LUO Peng, LI Lihua

基于氣候因素制約的寒地體育場館地域適應性設計研究

羅鵬，李麗華/LUO Peng, LI Lihua

人、建筑、環境構成了一個相互聯系，相互作用的有機整體。寒冷地區，地域的自然環境、社會文化和人的行為習慣受氣候條件的影響，形成了具有鮮明特征的整體環境。體育建筑作為一種獨特的建筑類型，其使用功能、建筑形態、空間性能和應用技術與眾不同。本文以寒地體育場館為研究對象，將調查研究與設計實踐相結合，從功能適需、形態適地、空間適候、技術適宜4個方面，通過對國內外案例的綜合分析，探索寒地體育場館地域適應性設計策略。旨在使寒地體育場館與當地的地域環境有機結合，實現低碳高效，可持續發展的設計目標。

氣候，寒地，體育場館，地域適應性設計

1 概述

氣候作為原生自然條件，是自然環境中最主要也是最敏感的影響因素，它不但直接作用于建筑，同時它還影響地域的自然景觀、社會文化和人的行為習慣等方方面面，形成具有鮮明特征的地域環境生態系統，從多方面綜合作用于建筑。當代，氣候的變化給人類社會的生存和發展帶來了巨大的挑戰。特別是在氣候條件嚴苛的寒冷地區，人、建筑、環境之間的矛盾更加突出。體育場館作為城市的重要公共設施，往往伴隨重大活動而建設，對城市的發展和城市空間格局演變具有重要作用。體育場館與城市的融合，真正成為社會生活、城市文化的有機組成部分，并為城市形成自身特色做出貢獻，需要一定的過程，但場館本身所具備的品質和適應性是其成敗的關鍵。就寒地體育場館而言，如何從寒地地域環境的實際情況出發，實現基于特殊環境制約下的理性創新，使其真正融入寒地地域環境的整體系統之中，在形成自身特色的同時達到低碳高效、可持續發展的設計目標，是擺在寒地體育建筑設計工作者面前的挑戰。

2 理念解析

“適應”原本是一個生物學上的概念，是生物特有且普遍存在的現象，指生物的結構形態和生理機能與其賴以生存的環境條件相適合的現象[1]。建筑領域，將“適應”理念引入建筑設計，用以處理建筑與環境的關系。

狹義的氣候適應性設計，是指在建筑設計中充分利用氣候資源、發揮氣候的有利條件、避免氣候的不利影響，達到不用或少用人工機械設備，創造健康舒適環境的目的，最終實現減少不可再生資源消耗和保護生態環境的目標[2]。而基于氣候因素制約的地域適應性設計把氣候放在地域的更廣義視角加以審視，從氣候對地域整體環境的影響出發，認為建筑對氣候的適應不是一個孤立的技術問題，應將人的因素和技術因素有機結合，針對地域環境中由于氣候因素影響所形成的獨特的氣象、行為、景觀、文化等條件，從多方面實現對地域氣候的綜合適應。

我國寒冷地區四季分明、冬季漫長、晝夜溫差大、極端氣溫較低，低溫、寒風、積雪等嚴酷的氣候環境是寒地建筑設計的制約條件[3]。在寒地氣候的長期作用下，人的行為習慣和審美心理、地域的物理和景觀環境都受其影響，形成了地域環境具體而獨特的個性特征。體育場館作為一種獨特的建筑類型，由于受體育工藝、結構技術等方面較強的制約，在功能、形態、空間、技術等方面類型特征明顯。基于氣候因素制約的寒地城市體育場館地域適應性設計，緊扣氣候這一寒地最主要的影響因素，將體育場館的內部影響因素與外部影響因素有機結合，根據外部環境條件調整內部組織結構，在內外因的共同制約中尋求雙向契合，整體和諧。

3 設計策略

3.1 功能適需

寒地冬季寒冷的氣候條件，對體育運動的開展產生“質”與“量”兩方面的巨大影響。在“質”的方面，寒地獨特的氣候環境為開展冰雪運動創造了得天獨厚的自然條件。在“量”的方面，嚴苛的氣候和由此帶來的空氣污染等問題，一方面嚴重地制約了體育運動的開展，另一方面又使群眾對于室內運動健身設施的需求量劇增。根據筆者對東北三省7市運動健身行為習慣以及20余座體育場館運營使用狀況的調查顯示：（1）群眾對運動健身的認知程度較高，參與熱情高漲（表1）；（2）冬夏兩季運動場所選擇和從事項目變化較大，冬季大量健身活動轉向室內，場館設施不足（表2）；（3）群眾對于冰雪運動項目的喜愛程度高，但場館設施支持不足，且對外開放程度差（圖3）；（4）由于場館設計建設、運營管理等沒考慮寒地城市特殊的氣候條件和環境特點，造成功能僵化、成本高昂、設施不配套等一系列問題，嚴重制約了場館效益的發揮（表3）；（5）場館開展各項活動比例失調，競技比賽匱乏，建設模式與實際使用存在背離現象（表4）。

針對以上實際情況，要解決寒地城市體育場館的適應性問題，首要的是從寒地的實際需求出發，通過場館功能的“轉型”和“優化”，解決其運營和使用問題，提高效益，走寒地體育場館特色發展之路。

轉型：轉型是指改變體育場館規劃和建設的思路和重點，由競技型向群眾型轉變、由專業型向社會型轉變、由夏季型向冬夏季結合型轉變。

從國外經驗來看，歐美發達國家體育場館建設與其體育、文化產業緊密結合，場館的建設不只是一個孤立的的設計和建造的問題，它與投資、開發、運營、管理統一考慮，場館在設計建設之前，就有較完善的運營計劃和明確的功能定位。如美國職業籃球聯盟（NBA）、歐洲各國的職業足球聯賽，都對本國或本地區的場館建設產生直接影響；而在氣候寒冷的加拿大、北歐、俄羅斯等國家，冰球、花樣滑冰、滑雪等冰雪運動發展成熟、產業化健全，其場館的規模和功能也有明顯的對應性。除此之外，為滿足冬季群眾的室內健身需求，社區型和學校型中小運動健身設施被重視并大量建設。

我國傳統的體育運營管理模式，屬于政府部門主導的“事業性”體制，場館建設和管理也以政府為主導，近年來產業化雖有所發展，但還遠未達到成熟階段。由此，很多場館建設之初就成為只針對短期競技賽事，而沒有現代化管理體系和長期運營發展規劃支撐的“早產兒”。在我國競技性體育場館快速發展，已基本趨于飽和，甚至很多地方出現資源閑置浪費、運營難以為繼的情況下，只有通過“轉型”，引入市場機制，重視社會需求，科學地調整場館建設目標和重點，才能使我國體育場館建設走上科學發展的道路。對于寒地城市而言，轉型一方面是結合地域體育產業發展優勢，場館功能設置適當突出冰雪運動主題，有力推動冰雪運動產業的發展；另一方面，是針對冬季嚴酷的氣候條件，大力發展群眾性體育設施，以滿足大眾的健身需求。

優化：優化是指根據轉型要求，對體育場館的布局結構、空間組成、場地效率、應變能力等進行優化，使場館更加適合寒地城市的實際使用要求。具體包括優化場地尺寸與形態，兼容冰雪功能；優化空間效率，緩解冬季健身壓力；多元功能系統配套，提高綜合適應能力；彈性應變，提高季節應變能力等幾個方面。

例如，東北大學體育館除將一層看臺設計為活動座席以外，在二層也設計了活動座席，活動看臺占總坐席的2/3以上，平時座席收起，可在二層布置乒乓球訓練場地和200m環形跑道，為滿足冬季訓練和健身提供了更多的場地空間。大連理工大學體育館附屬用房采用空間通用化設計，70%以上的面積可以于訓練和健身。哈爾濱國際會展體育中心體育館不但兼容了球類、體操和冰球等冰上項目，同時其與商業、餐飲、會議、展覽、住宿等多種功能相結合，形成了現代化的大型建筑綜合體，設施齊全，功能配套，成為我國東北地區運營效益最好的綜合性體育設施之一。以上的實例都是根據寒地的實際使用需求進行的創新性探索（表5）。

國際方面，以冬奧會冰上比賽場館為例，與夏季奧運會相比較，冬奧會場館更多地利用城市原有場館設施或臨時性場館。場館功能亦更多地考慮賽后城市的實際使用需求，旨在使場館“適需而生、物盡其用”（表6 ）。

表1 東北寒地人群對非冬季健身和冬季健身重視程度統計表

東北寒地人群非冬季健身與冬季健身的重視程度對比圖

東北寒地人群對于體育鍛煉與自身健康的認識

表2 東北寒地人群不同時態下各屬性健身場所選擇比例統計表

寒地人群不同季節時健身場所變更對比圖

冰上健身項目場地數量的滿足率

表3 影響東北寒地人群冬季室內健身的主要因素調查表

表4 寒地城市體育館各項活動的季節性統計比例

張家港市體育館與牡丹江市體育館近5年各項活動統計比例對比圖

不同時態下寒地綜合體育館各項活動的2013年平均統計比例對比圖

表5 寒地體育場館功能適需性優化設計對策舉例

表6 近3屆冬奧會冰上比賽場館賽時與賽后使用情況統計

3.2 形態適地

建筑是技術與藝術的統一體，其形態生成是內部組織結構與外部環境相互作用、動態適應的結果。[5]在寒冷地區，自然氣候條件是建筑創作的主要制約因素之一。一方面，作為物質存在，寒冷地區客觀存在的低溫、寒風、積雪、日照時間短等嚴苛的自然條件對建筑能耗和內部環境舒適性的影響強烈，需要建筑形態順應自然條件，趨利避害，理性適應。另一方面，作為文化載體，在寒地氣候條件影響下形成的獨特的地域景觀和人群性格特質、文化心理，潛移默化地影響著人們對建筑的接受度和認同感，要求寒地建筑在創作過程順應地域建筑“語境”、體現寒地建筑性格特征，實現感性適應。寒地獨特的氣候條件，對建筑形態創作既是制約也是一種啟發，巧妙地利用氣候與建筑之間的矛盾，成為建筑創作的靈感，在適應地域環境的過程中，會自然地生成既合乎邏輯與美學，又富有個性的建筑形態。

具體結合體育建筑而言，體育場館由于受體育工藝、場館規模、結構形式、觀賞要求等方面的制約，其建筑形體具有體量巨大、空間完整、主次分明等原型特征，其高度、跨度和基本形態往往受到一定限制。在設計時，應充分尊重體育建筑自身的類型特點，內外因相結合綜合考慮。

大興安嶺體育文化中心地處我國東北嚴寒地區，冬季寒冷、多雪、多風，場館形態設計從地域環境出發，采用聚合、覆土、順風、塑型、控色等一系列手法，在特殊的地域環境中創造了自身獨特的個性特征。首先，針對冬季的嚴寒，從功能和節能考慮，設計師將主比賽廳、訓練館、游泳館等幾座不同規模的場館聚合形成統一的整體，有效地縮小了建筑的整體體形系數。同時，一層采用覆土處理，進一步減小建筑外露體量，降低由于熱傳導所帶來的能量損耗。針對當地冬季盛行西北風和西風的特點，主比賽廳采用不對稱布置，結合訓練館和游泳館的空間高度，形成東高西低，西北最低的形體關系，既有效地減弱了冬季寒風的吹襲，又借助風的作用，有利于屋面排雪。在建筑性格塑造方面，設計從該地區“冰、雪、山、林”的自然景觀基因出發，結合寒地豪邁、大氣、敦厚的性格，形成簡潔、純凈、厚重又富于動感的建筑特征，實現了“利用地域條件、融于地域環境”的創作初衷[6]。

表7 寒地體育場館形態適地性設計對策舉例

東北大學渾南校區風雨操場設計方案，從寒地氣候條件出發，適應基地環境與寒地氣候特征、激發多元運動行為，在突出寒地建筑特色的同時，創造綠色和富有活力的空間環境。在建筑形體塑造過程中綜合運用了“減體、順勢、融合”等一系列設計對策。“減體”就是減小建筑體量，一方面順應寒地建筑節能的需求，另一方面也降低大空間建筑巨大的體量在相對緊張的基地環境中對于周邊環境的壓迫。為此，主訓練廳根據球類運動的軌跡特征，結合屋蓋結構優化，將邊緣部分適當降低，形成中部高周邊低的形體關系；同時局部空間采取下沉處理，從而有效地縮小了建筑體量。進一步運用“順勢”的方法，結合當地風環境和日照條件，優化形體關系。屋面傾斜角度根據太陽入射角度進行優化，從而為屋面集成太陽能設施創造更好的條件，減少陰影面積，并且有利于屋面排雪。附屬用房布置于主場地周邊，并采取與景觀一體化的覆土處理，既形成了主體空間的緩沖，減少寒風對建筑的影響，又創造了富于趣味性的空間體驗，可以激發冬夏兩季多種活動的開展。建筑界面結合內部空間特點，通過大實大虛大處理手法，堅硬而棱角鮮明的細部處理，塑造出實體感強烈、力量感與動勢十足的建筑，具有強烈的寒地地域性格特征。

表8 寒地體育場館空間物理性能適候設計對策舉例

國外許多優秀的寒地體育場館設計實例也正是從地域環境出發形成了自身特色，為我們提供了許多值得借鑒的經驗。例如，挪威利勒哈默爾冬奧會速滑館，建筑形態收斂而富于寓意，并且運用當地盛產的木材作為主要建筑材料，建筑形象如同“倒扣的北歐海盜船”與地域文化和氣候特征實現雙適應[7]。而其冰球館則完全是利用自然條件，將場館與天然的山洞相結合，在國際體育場館建設領域寫下了獨具特色的一筆。加拿大卡爾加里速滑館，利用折線拱結構，有效地降低了場館的空間高度，并形成屋面起伏的肌理，建筑如同匍匐于大地之上，適寒節能。索契冬奧會波紹伊體育館整體形象簡潔、完整，橢圓形圓滑的形體有利于避風和排雪，潔白的色彩與冬季冰雪景觀融為一體，相得益彰（表7）。

綜合以上實例可以看出，寒地體育場館具有完整、簡潔、收斂、厚實且富于動感和力量等共性特征。這是建筑的內在空間類型特質與地域的氣候條件、景觀基因相互作用，形成理性與感性、技術與藝術雙適應的結果。堅持形態創作的適地原則，挖掘表象背后的深層動因，實現扎根本土的地域建筑特色創新，是寒地建筑形象創作應該秉承的原則。

3.3 空間物理性能適候

建筑空間的物理性能受外部氣候條件的作用最為直接，對于建筑功能的實現、能源的消耗和人體感受的舒適性等方面都有重要的影響。氣候條件的主要構成要素由溫度、太陽輻射、風、降水等因素組成，建筑的內部空間環境也同樣包含溫度、照明、氣流和濕度等具體控制變量。寒地氣候具有變化劇烈、嚴苛的特點，而體育場館的內部空間性能要求相對穩定。在處理這對矛盾的過程中，關注室內外環境的關聯性，本著“適候性”原則，對寒地氣候“防”與“用”相結合，通過主動適應減少技術調節所帶來的能耗和運營成本的增加。

減容增效。比賽廳作為體育場館的主體空間其性能對體育建筑整體空間性能的影響是決定性的。比賽廳內部空間的體積直接影響其熱穩定性，體積越大熱量損耗越大，其空間環境控制所需要的能耗越高。因此，在滿足功能要求的基礎上，盡量減少空間體積是寒地體育場館適候性設計的基礎。加拿大卡爾加里冬奧會冰球館，采用馬鞍形的雙曲懸索屋面結構，有效地降低了2萬座席大型場館比賽廳中部空間的高度，起到了節能適寒的作用。

表皮應變。建筑表皮是熱交換的主要界面，表皮的性能直接影響建筑的能耗。寒地建筑從防寒的角度出發表皮大多厚實、封閉。長野市綜合體育館在此基礎上結合寒冷地區冬夏季氣候變化明顯的特點，采用雙層可調節式外墻構造。通過建筑表皮的性能調節，適應氣候條件的季節性變化，達到更加高效節能的內部空間性能控制效果。

防風與用風。冬季寒風的吹襲能夠導致場館內部氣流的不穩定，更能帶走大量的熱量。與南方建筑強調通風降溫不同，寒地建筑更加注重冬季的防風。但如能夠通過巧妙的設計，在防御的同時利用風的作用，冬季排雪、夏季降溫，實現防用結合，更有助于場館對地域氣候的適應。日本札幌穹頂體育館根據當地的風環境進行了有針對性的設計。場館北向封閉、南向開敞，同時根據風環境分析，對場館形態進行優化，使建筑具備良好的空氣動力學性能。冬季防風的同時，利用風力吹走屋面的積雪；夏季南向界面開啟，將風引入室內，帶來清新的空氣并降低室內溫度。

合理用光。體育建筑空間進深大，合理地應用自然采光可以減少照明能耗，并能給室內帶來自然怡人的空間感受，在寒地冬季寒冷的氣候條件里使內部空間的舒適性大大提升。長野冬奧會速滑館利用屋蓋之間的高差設置采光天窗。光線通過折射進入室內，在有效避免炫光的基礎上，形成了開敞、明亮的內部空間感受（表8）。

1 加拿大卑詩穹頂原狀、屋頂撕裂塌陷及改造后照片

2 日本大館樹海穹頂外觀及屋頂排雪技術綜合應用[8]

3 日本太陽之鄉體育館的太陽能綜合利用[7]

除以上主要手法之外，通過觀眾休息廳和輔助用房設置氣候緩沖區，利用大地通過下沉和覆土提高熱穩定性等一系列手法，都是改善寒地體育場館空間性能氣候適應能力的有效途徑，在實際應用中應該根據具體情況合理采用并不斷進行創新探索。

3.4 技術適宜

“適宜”在《辭海》中具有“合適、相宜”的意思，強調和諧統一、調和折中，認為事物的發展過猶不及。寒地體育場館的技術創新和應用必須考慮地域實際的自然條件和社會經濟制約，一方面技術應用要適合于寒地實際的環境條件；另一方面，要講求實際使用效果，在實際能力可承受的范圍實現社會效益與經濟效益、投入與產出的綜合平衡與優化。合理的技術措施能夠取得良好的應用效果。反之，盲目應用，片面迷信高新技術，在帶來大量資金投入增長、建設難度增加的同時，不但不能解決問題，甚至還會產生一系列問題。

例如，加拿大溫哥華舉辦2010年冬奧會的卑詩穹頂體育館，屋頂采用充氣膜結構，但由于大風和降雪等惡劣的氣候條件，體育館屋頂多次出現坍陷和撕裂事故，不得不改為懸索結構（圖1）。在哈爾濱國際會展體育中心最初的方案設計競賽中，也有外國建筑師提出過采用膜結構屋面的設想，但終因不適應哈爾濱冬季寒冷的氣候條件，能耗過高而被放棄。與之相對比，日本大館樹海體育館、音更町綜合體育館、鳥取穹頂等場館，專門針對當地降雪量大的氣候特征，進行了屋面排雪的技術研究和設計（圖2）；而日本的太陽之鄉體育館結合當地實際情況綜合運用了太陽能和地熱資源（圖3），以上成功案例都是從地域的實際情況出發進行技術創新，取得了良好的效果。

當代，技術發展日新月異，太陽能、地源熱泵、生態幕墻、綠色屋頂、智能空調等大量新結構、新材料和新設備不斷涌現。這既增加了技術選擇的多樣性，同時也要求設計師本著實事求是的態度理性對待，探索建筑技術與地域環境的科學結合、相適相宜。

4 結論

當代，隨著社會的不斷進步與發展，對于地域性、差異性和多樣性的追求也越來越強烈。低碳與可持續發展等普世價值觀在被認同的同時，其實現途徑必須與地域具體的實際情況相結合，走多元化、本土化的發展道路。寒地嚴苛的氣候條件，制約著體育場館的功能、形象、空間和技術等方方面面，既帶來了挑戰也蘊含著機遇。寒地體育場館設計必須尊重自然氣候條件，根植于地域的自然與社會現實，通過對地域環境的深入挖掘與凝練，走與地域環境和諧發展、綜合適應的特色創新之路。□

[1] 梅洪元，適宜與適度理念下的寒地建筑創作，城市·環境·設計，2012.（1+2）: 276-279.

[2] 氣候適應設計策略，百度文庫，www.wenku.baidu.com.

[3] 梅洪元，張向寧，林國海， 東北寒地建筑設計適應性技術策略，建筑學報，2011（9）: 10-12.

[4] 梅洪元，寒地建筑，中國建筑工業出版社，2012.

[5] 梅洪元，王飛，張玉良，低能耗目標下的寒地建筑形態適寒設計研究，建筑學報，2013（11）: 88-93.

[6] 唐佳駿，羅鵬，及強，大興安嶺體育文化中心， 城市建筑，2013（11）: 88-92.

[7] 羅鵬，大型體育場館動態適應性設計研究，哈爾濱工業大學，2006.

[8] UIA/JIA, Sports facilities in cold and snow-covered area, Nagno Winter Olympic Game Memorial International Seminar, Tokyo, 1998.

Regional Adaptable Design of Sports Venues in Response to Cold Climate

People, climate and architecture relate to each other and form an organic system. In cold regions, the natural environment, culture and human behavior are affected by climate conditions, and manifest common and distinctive features. As a unique building type, the function, form, space, performance and technology of sports venues are different from other buildings. In this paper, by analyzing the result of the surveys of the competitive sports and fitness behavior characteristics, as well as the conditions of the building and using of the sports venues in winter-cities, the relationship between the adaptability of the venue and the cold climate and the influencing factors are elucidated. Then in combination with the design practices and case study, the design strategies to improve the regional adaptability are explored from the four aspects as follows: the function fitting the needs of society, the form fitting the regional landscape, the physical performance fitting the cold climate and the suitability of technologies, in order to realize the design aims of the sports venues in cold region to implement low-carbon, high-efficiency and sustainable development.

climate, cold region, sports venue, regional adaptable design

哈爾濱工業大學建筑學院

2015-08-30