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张拉膜结构应用于全民健身设施的气候适应模式初探

发布时间:2020年3月19日 点击数:113

1 全民健身设施的发展及建设要求

随着我国全民健身系列政策的出台,我国各地兴建了大量全民健身设施。截至2013年12月31日,全国体育场地面积共19.92亿平方米。室外体育场地面积19.30亿平方米,室内体育场地面积0.62亿平方米[1]。其中室外场地虽然总量可观,但在日常使用中受限条件过多,管理和维护不便。且整体来看,城乡分布极其不均衡;而室内场地人均资源严重不足,存在设计模式单一、建造及维护成本过高、场地接待和服务能力较低等各类问题。超过80%向社会开放的室内健身场地日均人流不足80人。没有合适的运动场地成为阻碍运动参与度的一大重要原因,加强全民健身场地多样化发展,是全民健身运动进程中的一项重要任务。

面向广大市民的公共健身体育场馆在建设时不必考虑举办专业赛事所需的高标准,而要在基础设施和全面布局上整体统筹,力求实现社会利益和经济利益的长远双赢。因此,现阶段更需加强完善全民健身设施服务体系,将更实用、更舒适和更便捷的活动场地覆盖到市民身边,充分利用建筑领域的新材料、新技术等多路径,加速完成《“健康中国2030”规划纲要》[2]所部署的“15分钟健身圈全覆盖”要求。

全民健身设施作为专项功能空间,运动人群的舒适性不可轻视。为满足运动舒适条件,对各项环境指标例如温度、湿度、风速等均有一定要求。考虑到室外全民健身设施数量和成本条件占优,且运动状态的舒适条件范围较大,在室外运动场地的基础上进行环境优化是一项性价比较合适的选择。随着科学技术的发展,已有各类新兴设计模式和技术可对室外微气候进行局部合理调控,例如目前已得到一定认可的充气式膜结构体育设施,国内现有气膜体育项目133个。对室外健身设施环境条件的有效调控有助于提高使用者的积极性和场地利用率,有利于社会目标和效益目标的双重实现。

2 张拉膜结构的优良性能

不同于传统建筑形式,膜结构通常为轻质高强的柔性薄膜材料与支撑体系的结合,形成具有一定刚度可承受一定荷载的稳定曲面,能够覆盖大空间[3]。膜结构造型可随支撑边界条件和预应力分布状态而变化,因而具有刚柔并济的结构造型美,轻盈自由又挺拔醒目。张拉式膜结构是最能发挥膜材材料性能的膜结构类型,需刚性结构或索结构的支承配合来完成整体构造(图1)。

由于自身厚度极小,膜材热工性能较为一般,无法大幅减少外部温度及辐射变化的影响。但膜材良好的透光性对于建筑光环境的营造有很大优势,可使光线均匀透过,内部光环境平衡。

膜结构建筑在造价、运营成本、投资回报周期、节能环保、安全和抗震等多个方面具有突出优势。据数据统计,单独膜结构的造价约为同等规模传统建筑造价的1/2,年运营成本则是传统建筑的1/3左右。

3 膜结构在健身设施领域的应用潜力

在上述各项特点的促进下,膜结构形式进入体育建筑领域。目前在大规模建筑中,膜结构应用多为观众席上方的骨架式或张拉式膜顶棚;小规模场地的应用主要以气膜结构、张拉膜顶棚等单体建筑构筑物为主。虽然膜结构工程已有了一些实践,但总体来说,现阶段膜结构体育项目还未完全摆脱传统建筑形式。由于自身社会属性所限,全民健身设施有低专业性高开放性的特点,而膜结构完全可以突破建筑室内外的常规限制,探索更灵活开放的公共健身设施形制。不同形式膜结构对环境条件起不同程度的调节作用,有选择地利用或过滤部分外界气候要素,可创造出相较于单纯室外空间运动热舒适更好的活动场地。同时与室内场馆相比,膜结构设施便于配合全被动式设计措施,将大大降低运营成本和能源消耗。综上,膜结构在我国全民健身设施的建设市场上具有巨大潜力。

4 不同气候区膜结构设施气候适应模式

我国国土面积辽阔,各地气候条件相差悬殊。为充分地利用和适应不同气候条件,达到因地制宜的目的,《民用建筑设计通则》[4]中进行了建筑气候区划分,主要包括严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区5个气候区。为了探究不同气候条件下膜结构的适用情况,本文在五大气候区分别选取一个典型城市(沈阳、北京、合肥、昆明和广州),以其2016年的气候数据为基础做后续分析。

按边界形式对膜结构进行分类,可分为封闭式、半开放式两大类。其形式特征及功能分别如表1所示。

本文以上述两种类型所需的外界气候范围为限制条件,分别对五个典型城市各类型的适用天数和年度适用率进行统计,得到下列统计图像。

不同地区受气候条件限制因素及程度有很大不同。室外场地在北方使用过程中面临的最大不利条件为冬季低温及风等效降温,而在南方城市则是夏季高温和强烈的日照辐射,因此各地室外场地的适用时间也大相径庭。探究膜结构设施适用性的主要目的也是为了改善这种季节性的限制,使市民在一年四季都可以舒适地进行体育健身活动。

从图2整体来看,增加了膜结构设施后,活动场地的适用情况较单纯室外场地得到了一定改善。各城市中不同膜结构形式适用情况变化趋势一致,封闭式性能较优,半开放式效果次之。从适用天数上看,封闭式膜结构可以提高使用天数约100天,占全年比例27%;半开放式膜结构也有明显作用,一年内适用天数比室外场地多70~180天。封闭式膜结构在改善效果上表现更佳,但也有其弊端。目前我国相关部门仍旧将气膜设施归在临时性建筑行列中,且气膜设施需要额外机械环境设备来辅助内部环境的稳定,长远来看稳定性和经济性反倒不如半开放设施。

典型城市之间对比来看,随着纬度的降低,各城市所在气候区平均温度条件上升,膜结构的适用性也逐步增强。两种膜结构设施在样本中位于最北的沈阳市的平均适用率为48.36%,而在处于最南的广州市该值为89.07%,几乎达到沈阳市的两倍。造成这种差异的主要因素为气温条件,膜结构本身并不具备良好的保温隔热性能,目前通用单层普通膜材的厚度大概为0.5~1.5mm,膜材自身热阻可起到的作用十分有限。因此在我国整体范围内来看,在南方气候温暖的地区膜结构的适用性普遍更强。

图1 应用膜材张拉性能的膜结构建筑形式

图1 应用膜材张拉性能的膜结构建筑形式   下载原图

表1 不同膜结构形式分类情况     下载原表

表1 不同膜结构形式分类情况
图2 典型城市各类型膜结构适用天数情况

图2 典型城市各类型膜结构适用天数情况   下载原图

图3 典型城市各类型膜结构年适用率统计

图3 典型城市各类型膜结构年适用率统计   下载原图

表2 北京市及广州市不同空间形式健身设施适用情况对比     下载原表

表2 北京市及广州市不同空间形式健身设施适用情况对比

5 不同气候区膜结构设施设计策略

为探讨如何有效进一步延长各地膜结构健身设施的使用时长,下文以气候条件特点的突出性和典型性为依据,分别选取位于我国北方寒冷地区和南方夏热冬暖地区的北京市及广州市为例进行细致分析。表2总结了两地膜结构健身设施的空间形式特点及与室内外常规场地对比情况。

图4 北京市各形式设施月度适用情况

图4 北京市各形式设施月度适用情况   下载原图

图5 广州市各形式设施月度适用情况

图5 广州市各形式设施月度适用情况   下载原图

图6 膜结构可开合形式案例

图6 膜结构可开合形式案例   下载原图

在北京市,室外场地仅能满足市民约三个月时长的健身活动需求,加上简单的膜结构设施后,适用率上升至60%;广州市的相应数值从35%上升为86%以上。对各结构类型月度详细作用情况进行统计和分析可知(图3、图4),膜结构通过自身的遮阳通风等作用基本完全改善了夏季室外活动的不适情况。但冬季情况则没有太大好转,为解决这一问题,可采用保温隔热措施。常见的手段为将单层膜结构变为双层,或结合充气式结构,利用内部空气间层的良好保温能力提升设施整体性能。从另一角度来看,可选择季节性调整所提供的活动项目,冬季选择布置较适合冬季条件下进行的体育项目场地,例如冰上运动场地。

相较于北方,我国南方地区普遍温高湿重,雨水充沛,太阳辐射强烈。介于室内室外之间的开放式膜结构设施可抵挡强烈日照和降水,侧面开敞引入自然通风,有效增强运动人群的对流换热和汗液蒸发,对气候的部分不利条件起到调控作用。但南方局部地区夏季多有大风暴雨天气,膜结构尤其是张拉膜结构存在潜在不稳定因素。可考虑引入可变式边界设计,常规天气下以开放形式存在,恶劣天气时围护结构动态变换成为封闭式结构。适用于膜材特性的开合方式有牵引张拉式开合或伞式开合(图6),该设计策略有助于兼顾人群运动热舒适性和对恶劣天气的抵抗性。

在利用合理的技术手段及运营策略后,膜结构健身设施的适用率可以做到逼近室内场馆。与室内场馆相比,膜结构设施大大节省了建设费用、运营费用、维护费用等经济支出,其环保节能特性节约了大量水电资源。

结语

膜结构以其自身造型多样、成本低廉、建造方便等优点可作为健身设施的一种新型材料,创造更为灵活自由更可持续的运动设施,起到兼顾利用率和综合成本的作用,在全民健身设施方面有极大应用潜力。在各类气候条件下,膜结构均具备改善室外场地适用率的能力,但由于膜材本身热工性能有限,膜结构在气温条件较好的南方地区适用情况更佳。不同城市因其气候条件的巨大差异适用不同空间形式的膜结构设施。膜结构设施在应用过程中可采用一定的设计策略及技术手段来有效提高气候适应性,以延长膜结构设施的使用时间和效率。

图片来源:

图1:https://timgsa.baidu.com

图2、图3、图4、图5:作者自绘

图6:http://img.mp.sohu.com

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