体育建筑使用后评估:广州亚运柔道、摔跤馆使用后评估研究 | 孙一民 黄祖坚 易照曌 | 时代建筑2019年第4期

原标题:体育建筑使用后评估:广州亚运柔道、摔跤馆使用后评估研究 | 孙一民 黄祖坚 易照曌 | 时代建筑2019年第4期

专题文章简介

在“建筑使用后评估”专题中,庄惟敏和韩默对建筑使用后评估的基本方法和前沿技术进行了系统的梳理与分析;梁思思和张维基于“前策划-后评估”闭环的视角,多角度对国内外研究成果进行了分析与讨论;孙一民、黄祖坚和易照曌探讨了体育建筑的使用后评估的特殊性与方法。

体育建筑使用后评估

广州亚运柔道、摔跤馆使用后评估研究

Post-Occupancy Evaluation of Sports Architecture

Post-Occupancy Evaluation of Guangzhou Asian Games Judo and Wrestling Arena

孙一民 黄祖坚 易照曌 SUN Yimin, HUANG Zujian, YI Zhaozhao

Abstract

文章以广州亚运柔道、摔跤馆为研究对象,开展室内环境使用后评估研究。通过实测验证该项目为适应热湿气候条件,在低能耗运营前提下保证室内光、热、风环境所采取技术方案的有效性。在剖析存在问题的基础上,借助计算机模拟提出优化建议,为场馆未来优化改造提供依据,并为热湿气候适宜的高校体育建筑设计提供参考。

1 引言

体育建筑使用后评估有别于其他类型的建筑,很早就受到重视,且一直具有独特的重要性。在中国,体育建筑的设计研究曾经极其重视和关注体育场馆的使用后评估。1984年,中国体育建筑专业委员会的成立就是为了沟通设计建造与使用运行两个方面,从成立之初,体育建筑专业委员会就由中国体育科学学会与中国建筑学会共管。20世纪80年代为筹备亚运会,当时的国家体委派出的考察团,基本上以体育建筑专业委员会的建筑委员为主。正是这样重视使用效果,注意从使用中提取设计依据的传统,使中国体育建筑始终在技术上与国际水准并行,顺利承接了各种国际大型运动会。近年来,这种传统日见淡漠,许多场馆建成后出现了过去已经解决,本可以避免的问题。也有许多设计的新观念、新方法的应用,缺乏后续评价,既无法判断实效,也无法改进提高。因此,在今天“建筑使用后评估”获得前所未有重视的时候,以新的视角关注体育场馆的使用后评估,具有重要的意义。

学校体育同竞技体育、群众体育一起,被视为现代体育的三大构成部分。高校体育设施则作为载体负责承接这一功能。中国高校体育设施建设伴随着高等教育发展和高校校园建设而发展起来,1978年后恢复高考并进行高等教育改革,高校开始摆脱苏联规划模式,探索符合中国国情的大学校园。1998年开始的高校合并热潮及随后的大学扩招,促成了校园建设的高峰。学校体育场馆与图书馆等建筑一起,成为高校校园必要的标志性建筑和重点建设对象。

高校体育设施承担着师生日常教学和锻炼的主要功能,虽然鼓励其在日常师生使用时间之外对社会开放,但其公益性仍远大于营利性。场馆日常运营能耗、设施设备的维护与更新需要尽可能地依靠场馆自身来平衡,否则就需要依赖外来资金的支持。因而,采取合适的技术手段,在低能耗运营条件下满足师生日常体育活动的基本室内环境需求,是高校体育建筑可持续运营的关键。

2 相关研究综述

2.1 建筑使用后评估

20世纪60年代,建筑使用后评估(Post- Occupancy Evaluation,下文简称“POE”)在美国起源,针对大学生集体宿舍等个别建筑类型开展物质环境的研究。随后研究对象逐渐涵盖到多种复杂功能建筑和大尺度城市空间环境,研究内容也从物质环境及使用者的心理反应,拓展到项目建设乃至运营过程等更多因素。1988年,普莱策(Preiser)等人使POE理论走向成熟,成为一门独立学科,在其经典著作《建筑使用后评估》(Post-Occupancy Evaluation)中提到,POE主要关注使用者的需求、设计的成败和建成后建筑的性能[1]。1997年,普莱策进一步发展出建筑性能评估(Building Performance Evaluation,下文简称“BPE”)的概念,关注建筑全寿命周期性能,此时POE被作为BPE六大环节(策划、规划与设计、建造、试运行、交付早期使用、使用维护)之一[2-4],在BPE更大的领域内,POE是理解建筑物在使用后如何运作的一个步骤。这有助于建筑师、建筑物业主、设施管理人员理解他们设计、建造或调试的设施并做出正确反应。通过全盘考虑建筑从概念到未来使用的全过程,可获得更整体的规划、设计、建造、使用和未来适应性方法[5]

POE在欧美国家已逐步发展完善,成为项目生命周期中必要的过程[6]。他们建立了体系化的评价技术,包含质性和量化研究,前者针对用户心理和行为进行调查和评价,后者关注物质环境的实际绩效[7];并发展出规范化和专业化的评估机构,如美国联邦政府用于管理政府建筑的专门机构GSA、英国的建筑研究机构有限公司BRE、澳大利亚的保护健康咨询服务机构HCCS等[8]

国内POE开始于20世纪80年代的环境心理学研究。常怀生较早地在《环境心理学与室内设计》中介绍了POE的相关概念、要素及其测定[9],并开展针对办公和居住建筑的环境心理研究[10-11],陈青慧、杨公侠等人也开展了类似的建成环境评价的早期工作[12,13]。吴硕贤院士是国内POE的早期提倡者,在20世纪80年代开始厅堂音质的评价研究,而后将研究对象拓展到居住区和大学校园等类型[14],他指导朱小雷在博士论文工作中,以使用者为核心开展主观评价研究,并运用多元的统计学分析建立起量化的居住建筑环境综合评价方法[15]。庄惟敏在《建筑策划与后评估》中系统介绍了“前策划、后评估”的程序和方法,强调对建成环境的社会学调研,通过后评估对策划提供信息反馈[16]。总体而言,中国的POE研究与实践相对滞后,多为高校师生开展的尝试性工作,而在实践中由于缺乏专项经费、专业机构、成熟技术和业主参与意愿而受到重重障碍[7]。2019年3月,中国建筑学会建筑策划与后评估专业委员会成立,旨在推动相关工作在中国的研究和实践。

2.2 绿色建筑POE研究

国外LEED认证建筑的实际运行能耗统计表明,这些建筑具有一定的节能效果,但与设计目标之间存在不同程度的区别,能耗模拟和实际运行状态之间存在一定脱节[17-18]。纽夏姆(Newsham)等对获得LEED认证建筑的实际运行性能进行POE,发现部分建筑的实际能耗与设计预期之间存在较大差异[19]。阿尔托蒙特(Altomonte)和斯基亚翁(Schiavon)等研究LEED认证的办公建筑,发现绿色建筑室内舒适性的用户满意度与普通建筑之间并无明显差别[20-21]。阿巴斯扎代(Abbaszadeh)等对比21个LEED认证建筑和160个普通建筑,发现使用者对于LEED认证建筑室内热湿舒适和空气质量满意度普遍高于普通建筑,但室内光、声环境评价结果无明显区别[22]。李丛笑等通过抽样对中国130栋已经取得绿色建筑评价标识的样本进行运行评价,通过实际测量和对比,对《绿色建筑评价标准》的应用进行实物检验,表明绿色建筑技术整体落实情况较好,节能效果较好地达到预期设想,但绿色建筑运行时会造成较高的增量成本[23]

鉴于设计策略与实际效果之间存在较大差异,2017年,住房城乡建设部发布了《绿色建筑后评估技术指南(办公和商业建筑版)》,旨在引导绿色建筑设计策略发挥实际作用。宋凌等结合办公和商业建筑特点,提出建筑运行使用后评估的6类关键指标,建立起绿色建筑后评估指标体系[24]。酒淼对比研究8种常用的后评估方法和5种主要的后评估模型,结合中国绿色建筑发展现状,总结出一套适合绿色建筑的使用后评估方法及评估模型[6]。林波荣等开展不同气候区绿色建筑常用技术实际使用效果的调研测试和对比评价,并基于此给出设计和运行优化建议[25]。洪玲笑通过主客观评价结合,对重庆8个绿色办公建筑开展POE,并提出解决能耗和室内环境存在问题的建议[26]。肖娟对国内典型绿色公共建筑案例开展运行效果评测、常用绿色建筑技术成本效益分析及实际应用情况研究[27],相关工作还包括杨帆、刘妤、裴祖峰对既有办公建筑进行改造的可持续性及绿色办公楼进行节能效果和运行性能的后评估研究[28-30]。喻彦喆尝试利用BIM平台,收集建筑运行的实时环境和能耗数据,同时在线开展用户主观感受调查,对绿色公共建筑室内环境性能进行综合评估,并通过网络平台进行信息分享[31],利用VB软件开发评价工具,搭建绿色居住建筑环境性能后评估体系,并进行案例分析[32]

2.3 体育建筑POE研究

江亿院士团队编制了“北京奥运建设与绿色奥运评估体系”,对调试验收与运行管理阶段的室内外环境、能源消耗和绿色管理等方面给出综合评价方案[33]。李海影建立了公共体育场馆室内环境评价的指标体系,借助数据分析给出各影响因子的权重,并通过南京五台山篮球馆室内环境评价进行实证研究[34]。陈沫以热湿气候区室内大空间运动环境为研究对象,提出光环境、热环境及室内空气品质构成的评价标准,给出影响因子的权重,并结合三项体育馆实测进行指标的校验[35]。周荃对比多个绿色建筑评价体系中室内环境的相关指标,结合广州地区体育场馆绿色建筑实践,提出涉及光、热、声和空气品质的室内环境评价指标体系[36]。白欣玉以高校体育馆主空间光环境为研究对象,通过实地测量,提取影响光环境质量的客观因子,通过访谈获得影响光环境满意度的主观因子,再将主客观因子整合,借助层次分析法确定影响因子权重,从而建立起高校体育馆主空间光环境影响指标体系[37]

3 华工体育馆室内环境评估

3.1 设计概况

广州亚运柔道摔跤馆(即广州大学城华工体育馆)建成于2007年,2010年经过改造作为广州亚运期间柔道摔跤的比赛馆。在设计阶段,针对地域性热湿气候特点,考虑到大学体育场馆独特的运行与使用情况,采用了建筑围护遮阳、自然采光、机械辅助自然通风等低成本的技术方案。

广州亚运柔道摔跤馆鸟瞰图

室内比赛厅照片

(1)自然采光设计

华工体育馆屋面投影尺寸为94.3 m×64.3 m,由四片双曲抛物面钢筋混凝土扭壳结构组成,四片屋面之间设置采光天窗及遮阳板,东、西、南、北四个天窗的水平投影面积分别为113 、110 、144 和144 。四个方向遮阳板角度设计均不同,通过日照和室内采光模拟,确定遮阳方案可保证全年无太阳直射光进入比赛厅,并能避免室内光斑的产生。除顶面采光外,体育馆还采用高侧窗采光,东、西、南、北四个方向高侧窗面积分别为43.28 、55.58 、17.24 和17.24

体育馆屋面天窗构造照片

体育馆屋面天窗构造模型

(2)隔热设计

体育馆屋面采用预应力钢筋混凝土自防水屋面,热容大,隔热效果显著。比赛厅外侧环绕辅助用房和疏散厅,起到热缓冲空间作用,立面采用巨型垂直遮阳系统,可缓解室外热环境对比赛厅的影响。

体育馆屋面、外立面构成照片

体育馆屋面、外立面构成模型

(3)通风设计

设计采用机械辅助通风系统,建筑首层部分埋入地下,获得较低温度。新风借助北侧游泳池和地下室降温冷却,由活动座席后方辅助用房的风扇送入比赛厅。体育馆屋面中间高、四周低,为热压通风创造高差条件,屋顶排放口处设置风机,加速室内热空气的排出。

体育馆气流组织示意图

体育馆屋顶排风机

体育馆北侧新风口

3.2 POE框架设计

华工体育馆承担着多种类型的活动,日常在其中进行的体育活动有篮球、羽毛球、网球、排球、乒乓球、体操、柔道、摔跤等,此外,还有举办学校大型集会、文艺活动功能。对应3.1的气候适应性技术,本项目开展光、热和风环境的后评估工作,为项目改造优化提供依据,也为未来的体育建筑设计提供参考(表1)。

表1. 广州亚运柔道摔跤馆室内环境POE研究框架

3.3 现场实测

光环境测试包含夏季(2013.09.15,10:00—16:00)和秋季工况(2013.11.15,10:00—16:00),在室外、室内活动场地、座席区分别布置1、8、22个测试点,采用照度计进行测量。热环境和风环境测试包含夏季(2013.09.18,10:00—17:00)、秋季(2013.11.18,10:00—17:00)和春季(2014.03.18,10:00—17:00)工况,在室外、室内活动场地、座席区分别布置1个、1个、5个测试点,采用HOBO温湿度记录仪和方向型风速仪进行测量。

左图:体育馆光环境测试点分布

右图:体育馆热和风环境测试点分布

(1)光环境

由于夏季和秋季室外照度值差异大,此处将光环境实测结果统一为采光系数进行讨论。实测结果表明,夏秋季节体育馆采光系数在1.45%~1.93%之间,以广州地区室外照度临界值5 000 lx进行计算,室内照度未能达到150 lx,采光效果不理想。对于照度均匀度,测试结果中,夏季期间比赛场地U1在0.35~0.60,U2在0.55~0.80,相应值在秋季分别为0.40~0.60和0.60~0.80之间,总体均匀性良好(表2)。

表2. 光环境实测结果(采光系数)

(2)热环境

夏季实测结果表明,室内各测试点平均气温28.53℃,比室外相应的31.17℃低2.64℃;室内空气温度振幅0.80~0.95℃之间,远小于室外的4.61℃;测试时间段内室内空气相对湿度在62%~68%之间。对于秋季工况,室内各测试点平均气温21.82℃,比室外相应的24.63℃低2.81℃;室内空气温度振幅0.70~0.91℃之间,远小于室外的5.10℃;测试时间段内室内空气相对湿度在52%~58%之间。对于春季工况,室内各测试点平均气温21.96℃,比室外相应的25.06℃低3.10℃;室内空气温度振幅1.68~2.34℃之间,明显小于室外的5.48℃;测试时间段内室内空气相对湿度,除S1外,一直维持在80%以上(表3)。

表3. 热环境测试结果(室内空气温度)

(3)风环境

自然通风实测结果显示,由于日常运营基本不开窗,只打开地下层比赛场南侧入口的卷帘门,因而比赛场地气流不明显,基本在0.05 m/s以下。机械通风实测结果显示,夏季工况(2013.10.11,15:00—15:30),打开比赛大厅顶部的排风机和东西两侧防雨百叶,在排风机30分钟运转期间各测试点空气流速提高0.1~0.6 m/s。然而与此同时,由于室外空气的大量进入,室内各测试点的温度均提高约1.0℃。春季工况(2014.03.19,12:00—14:00),关闭东西两侧防雨百叶,依靠北侧新风口、南侧卷帘门和器械入口进风,结果表明各测试点空气流速得以提高,而气温下降,其中比赛场地中央测试点风速上升0.2 m/s,气温下降0.8℃。进一步选择南北两侧通风流线进行分析,测试北侧室外—新风口—北侧走廊—比赛场北侧入口,以及南侧室外—南门—比赛场南侧入口—比赛场中间的8处测试点进行进一步分析。北侧流线和南侧流线进入比赛厅的新风,由于游泳池和地下室的降温作用,分别比室外空气降低约4℃和2℃。

体育馆空气温度和风速实测结果图示

3.4 技术实效评价、问题及分析

(1)光环境

顶部天窗Z形遮阳板能有效地避免直射阳光,保证室内无眩光产生,也使得采光均匀性较好。然而采光系数不理想,原因在于玻璃污染和老化造成透光率降低、Z形遮阳板遮光严重、室内顶面粗糙混凝土表面反射率低。此外,由于西晒严重,西面侧窗常年被遮阳帘遮蔽,实际上没有起到采光作用,而东面侧窗被部分设备用房遮挡,明显地减小了实际采光面积。由于实际采光不足,日常师生教学活动时间段需要开1~7盏灯来辅助保证室内光环境质量。

(2)热环境

夏、秋季节,与常规体育馆的金属、膜等轻型屋面相比,华工体育馆厚重的混凝土屋面具有显著的热容优势,一定程度上有助于维持夏季室内阴凉效果。此外,对南北功能分区测试结果显示北区比南区气温较低,这与北面靠近游泳池和覆土,而南区为硬质广场铺地的设计有关。春季室内仍能比室外获得较理想的气温参数,但存在突出的高湿问题。

(3)风环境

南北两侧经由地下室引进的新风,在经过游泳池和地下室冷却后,在屋顶排风机辅助下加速进入比赛场,可获得提高风速和降低气温的效果。东西侧窗下部设置可手动开启的玻璃防雨百叶,可用于加强东西两侧的风压通风。但在炎热季节打开东西侧窗通风口,虽可提高室内空气流速,与此同时带进来的热量反而会导致室内空气温度的上升,因而在实际使用中并没有开启。

体育馆大厅中间的比赛场由于四周界面封闭,且相对于看台区下沉一层,形成了风场的“盆地”,在自然条件下通风效果不理想。机械辅助通风可为比赛场提供稳定和均匀的风速,并可控制在一定范围内,但在运用这一手段的过程中,应采取方案对新风进行预处理,避免室外多余热量带来不利影响。

3.5 优化模拟与建议

(1)光环境设计优化

屋面采光天窗达501 ,面积足够,可优化天窗构造,如移除或改变遮阳构件、采用不带遮阳的磨砂玻璃;对于混凝土屋面,其双曲面造型给室内屋面提供了良好的光线散射基础,但现有室内天花采用灰色混凝土机械原浆磨平,反射比仅有0.2~0.4,若在此基础上涂刷白色乳胶漆,可将反射比提高到0.7~0.85。

遮阳构件形式及模拟结果:采用Radiance软件在全阴天工况下模拟,室外照度5 000 lx,结果表明,以Eave(lx)判断,Z形遮阳板的添加会使得天窗采光效率降低至无遮阳板工况的约20%,而水平遮阳板的使用,可将室内照度提高到150 lx以上,并且均匀度也得到提升。采用磨砂玻璃工况亦能提高室内照度,然而Emax偏高,容易在非全阴天条件下造成室内眩光。因而建议改造时采用水平遮阳为主,结合磨砂玻璃为辅。天花板改用高反射材料作为面层后,室内照度值和均匀度均有提高,并且提升幅度对于带遮阳板构件的工况更为明显。相比之下,磨砂玻璃工况仅有轻微改善(表4、表5)。

表4. 遮阳构件尺寸优化模拟结果

表5. 天花板材料优化模拟结果

(2)热环境设计优化

结合地形进行体量下沉,利用覆土、种植屋面、周围绿化和水体降温,使得进入室内的新风获得较低初始温度。实际调研中,夏季工况下体育馆上午初始气温较高,这与窗户夜间关闭,造成屋面散热慢有关,建议日常运营中,在夜间开启东西面防雨百叶,利用夜间时间为室内降温。

(3)室内通风策略

针对广州气候特点,在不同月份采取不同的通风措施。12月至2月,以换气为通风目的,可在日间开启窗户;3月至5月,避免雨天换气,尽量利用室外相对湿度较低的10:00—16:00时段通风;6月至9月,建议采用空调辅助室内通风换气;10月至11月,可全天开启窗户,充分利用自然通风。

4 总结

本文以广州亚运柔道、摔跤馆为研究对象,开展室内环境使用后评估研究。通过实测验证该项目为适应热湿气候条件,在满足日常低能耗运营前提下保证室内环境质量所采取技术方案的有效性。光、热和风环境实测结果表明,由于天窗遮阳构件遮挡、侧窗部分被遮蔽、天花板表面材料反射系数低,该馆采取的自然采光设计并未达到理想效果;体育馆围护遮阳和屋盖热容优势、热缓冲空间设置、新风降温冷却处理有效地改善了室内热环境,然而春季工况存在室内湿度过大的问题;仅仅依靠自然通风效果不理想,而机械辅助自然通风效果显著,但应结合室外气象工况变化采取相应的通风策略。在分析问题的基础上,借助计算机模拟提出优化建议,为场馆未来优化改造提供依据,并为热湿气候适宜的高校体育建筑设计提供参考。

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完整深度阅读请参见《时代建筑》2019年第4期 新引擎:引领城市群发展的国家级新区与新城,孙一民、黄祖坚、易照曌 体育建筑使用后评估:广州亚运柔道、摔跤馆使用后评估研究》,未经允许,不得转载。

作者单位:华南理工大学建筑学院、亚热带建筑科学国家重点实验室、广东省可持续建筑与城市设计工程技术研究中心、广州市城市规划勘测设计研究院

作者简介:孙一民,男,华南理工大学建筑学院 院长、教授、博士生导师;黄祖坚,男,华南理工大学建筑学院 博士后;易照曌,女,广州市城市规划勘测设计研究院 工程师

基金项目:国家自然科学基金面上项目(51778233),基于城市设计的珠江三角洲湾区城市适应性转型研究;华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究课题项目

完整深度阅读请参见《时代建筑》2019年第4期 新引擎:引领城市群发展的国家级新区与新城,孙一民、黄祖坚、易照曌 体育建筑使用后评估:广州亚运柔道、摔跤馆使用后评估研究》,未经允许,不得转载。

作者单位:华南理工大学建筑学院、亚热带建筑科学国家重点实验室、广东省可持续建筑与城市设计工程技术研究中心、广州市城市规划勘测设计研究院

作者简介:孙一民,男,华南理工大学建筑学院 院长、教授、博士生导师;黄祖坚,男,华南理工大学建筑学院 博士后;易照曌,女,广州市城市规划勘测设计研究院 工程师

基金项目:国家自然科学基金面上项目(51778233),基于城市设计的珠江三角洲湾区城市适应性转型研究;华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究课题项目

[1]庄惟敏、韩默.建筑使用后评估:基本方法与前沿技术综述[J]. 时代建筑,2019(4):46-51.

[2]梁思思、张维.基于“前策划-后评估”闭环的使用后评估研究进展综述[J]. 时代建筑,2019(4):52-55.

[3]孙一民、黄祖坚、易照曌.体育建筑使用后评估:广州亚运柔道、摔跤馆使用后评价研究[J]. 时代建筑,2019(4):56-61.返回搜狐,查看更多

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