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。

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。

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。

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。

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

对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。

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

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]。

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。

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。

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。