郑方 | 数字人文导向的体育建筑全寿命期智慧化整合设计方法框架
全文刊登于《当代建筑》2022年第12期 p36-39
作者简介
郑方 | Zheng Fang
北京交通大学“卓越百人”教授、建筑与艺术学院郑方工作室主持人，北京交大建筑勘察设计院有限公司总建筑师
摘要：通过数字技术提升场馆室内外的空间性能和环境性能，在环境友好和绿色低碳的基础上，服务于运动员的运动体验和观众的观赛体验，是当今体育建筑设计的关键目标之一。本文尝试从数字人文视角出发，在场地、建筑、专项三个方面，探讨针对体育建筑全寿命期的智慧化整合设计方法。
关键词：数字人文；建筑全寿命期；整合设计
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自近代以来，结构、机电、环境等工程技术渐渐从建筑学体系中分离出来，成为众多独立发展的专业知识体系，这使得建筑的技术体系日益庞杂，建筑师也越来越难以了解和掌握全部专业技术。直到现在，工程技术和建筑设计的这种分离经常导致建筑品质和建筑整体性能缺失，以及技术系统的相互冲突，甚至混乱，更不用说通过建筑设计展现前沿技术的人文潜力。虽然影响设计的核心性能问题在不同时期，针对不同建筑类型会有所不同，但是重新实现技术和人文的统一、建筑形式和工程性能的统一，一直是建筑学要面对的严峻挑战。
建筑全寿命期的整合设计可以理解为针对建筑全寿命期的多专业整合设计。埃因霍芬理工大学建筑与规划系于2004—2008年发展了一种“整合设计方法”（Integral Design Method），基于C-K理论解释了“知识空间”和“概念空间”的含义，通过整合特定的专业知识来支持建筑设计概念的创建。[1]现在的多专业整合设计通常涵盖场地、建筑、结构、机电、能源、工艺等专业，以及幕墙、装饰等各类专项的设计和技术决策；全寿命期则涉及生产、建造、运维和终止等阶段的物料、资源、能源的消耗与回收再利用。①整合设计提供了一个针对建筑全寿命期的跨专业设计途径，使建筑师和工程师能够以更为紧密的方式实现协同，建筑也由此成为一个人文导向的完整系统，其中每个技术体系都是系统的一个部件。体育场馆是有大量人群聚集、容纳的人员类型众多、技术系统高度复杂的建筑类型。设计的整合程度越高，越有可能建设出高品质、高效能的建筑。
从建筑策划到设计，直至后评估的闭环流程，采用贯通、共享的数字信息模型是整合建筑全寿命期多源同构或异构数据，进行形式生成、性能测试和多目标优化的有效方法。建筑师在各设计阶段借助数字工具和生成算法建模，检验并测试人在场地和建筑中的使用状况及空间体验感，据此对概念设计阶段的整体效果、施工图阶段的材料质感及构造节点的细节效果进行判断。这些模型和数据不断扩展跨平台的兼容性，使得工程师从一开始就能够模拟、评估、监测结构系统的力学性能、内外部环境舒适性，以及建筑全寿命期中各专项的运行状态，并通过算法迭代，对设计、加工、建造和运维的数字模型进行反馈和优化。针对建筑的全寿命期，以智能工具和方法整合高性能的工程技术系统，聚焦数字时代人的体验，提升建筑的使用品质和可持续性，是智慧化整合设计方法的核心目标。
1 场地整合
在城市规划和城市设计的管控指导下，场地设计主要涉及交通、环境、景观、市政等相关专业，需要整合诸多要素，服务于各类人群的集散、休闲、交流等活动（表1）。
这些要素塑造了场地室外空间的使用活力、场所体验感和适应当地气候的环境性能，包括通风、热湿环境、日照、声环境、光环境和太阳辐射等。设计阶段的场地整合对建筑全寿命期的运行情况和用户体验感有决定性影响，相关工程仿真模拟工具已经得到广泛应用，包括交通、人流、物理环境、日照、地形、地表径流等。场地设计主要依靠规则生成，相关智能生成方法仍在尝试阶段，但是已经有一些工具和平台通过性能分析的交互，协助场地布局的生成和优化。
对体育建筑来说，在赛时场景和平时场景中，不同的使用者对场地的需求有非常大的差异。赛时运行的场地范围由安保边界的设置而确定，经常超出单个场馆的用地红线（图1）。在大型赛事中，各类人群的交通服务涉及整个城市的交通系统，北京2022年冬季奥运会（以下简称“冬奥会”）还涉及城市冰上场馆群和山地雪上场馆群之间的区域交通。大型公共建筑的交通仿真分析是场地整合设计的关键因素之一。赛时，场地前院为观众和赞助商服务，入场、散场的模拟分析和相关场地、设施的优化，是体育建筑场地布局的核心问题，其布局合理能够为观众提供安全、高效的公共空间和良好的观赛体验感（图2）。场地后院为运动员、媒体、贵宾、技术官员、工作人员等服务。场地整合的目标是流线顺畅，互不干扰，并使人们的出行更加快捷、便利。例如：国家速滑馆最初的场地整合概念区分了前、后院的大致范围（图3）；冬奥会赛时场地则整合了复杂完整的注册分区、运行流线和大量的室外临时设施（图4）。
4 国家速滑馆冬奥会赛时场地运行设计
体育建筑场地平时场景的核心主体是参与运动健身和大型活动的人群。除了功能性的体育场地，开放的高品质公共空间能够增强体育场馆日常运营的活力。对建筑全寿命期而言，保持场地的空间弹性至关重要。国家网球中心在最初立项时，针对2008年北京奥运会网球比赛的需求，设置了16片场地，占地面积为167 000 m²。2008年北京奥运会结束后，国家网球中心每年10月承办中国网球公开赛，并且日常服务于市民，因此网球场地增加到32片。2020年，设计团队对园区场地进行了整体提升和整合设计，重新调整了场地的流线，新建了餐饮综合楼，用地面积扩展为207 000 m²，从而使中国网球公开赛各类人员的餐饮服务和环境景观等活动空间焕新升级（图5）。
2 建筑整合
建筑整合设计包括形式、空间、结构和机电等要素，为体育场馆的使用者创造专业、安全和愉悦的建筑体验感（表2）。
智慧化整合设计方法基于策划数据和规则约束，通过高水平的人机交互，完成建筑形式和建筑空间的生成与优化。概念设计阶段的数字模型用于整合这些要素的初始设想；初步设计和施工图阶段的数字模型用于整合工程技术信息；生产和建造阶段的数字模型用于整合产品和装配的信息；轻量化的数字模型用于整合运维数据，并针对实际运行，学习、适应和调整运行策略。
体育场馆的功能核心是比赛场地和场地周围的物理环境。赛时场景为运动员竞技提供最佳的舞台，助力他们创造新纪录；日常场景为运动员提供恰当的训练、健身条件——这是体育建筑人文导向的根本内涵。为此，国家游泳中心（水立方）通过整合独立的池体结构、自然光、温湿度环境、水处理工艺，以及泳池溢水槽的独特构造设计，造就世界上“最快的游泳池”；国家速滑馆（冰丝带）同样通过整合冰场相关的形式、结构、环境及制冰工艺等设计，形成了系统的冬奥会技术解决方案——“最快的冰”[2]（图6）。
在概念设计阶段，国家速滑馆的数字模型整合了初始的形式、结构和能源设想，是“最快的冰”的设计起点（图7）。概念模型包括三个关键特征：
第一个特征是概念性的双曲面马鞍形屋顶。其用于控制冰场内部巨大空间的容积，最大限度地减少空调、除湿的负荷。这样一个曲面，同时也是索网结构张拉受力的有效形状，索网结构高度约0.2 m，能够极大地节省结构本身所占的空间。
第二个特征是内外双层空间体系。体育馆内部的比赛大厅形成容纳冰场和看台的密闭内核，像是一个密封完好的冰箱。在比赛大厅之外，全部采用透明的立面，环绕成一个温室，在观众进入冰场空间之前，为他们提供一个休息和交流的场所。
第三个特征是比赛大厅的内部空间设计。内部空间使用低发射率的顶棚来降低屋顶对冰面的热辐射，用模糊的反射来表现“冰”带给人的感受。
在初步设计和施工图阶段，设计组基于严格的几何逻辑，建立了工程数字模型，用来整合建筑形式、结构系统和环境性能（图8）。结构工程师发展了“多重弹性边界找形方法”，用于双曲面屋顶和曲面幕墙的找形和优化，经过持续的迭代和测试，使力学性能和建筑师期望的室内外动感效果相统一。这一方法源自安东尼奥·高迪（Antonio Gaudí）和弗雷·奥托（Frei Otto）：基于自然规则和力学规律，发展形式、材料和结构之间全新的整合关系。建筑和结构的整合通过几何逻辑、结构找形，以及尺度、构造体系等系统实现，并由此发展设备空间和竖井的尺度、路由及几何关系。比赛大厅的膜结构顶棚是由概念设计发展而来的：建筑师在顶棚上设置环形的开槽，用以安装马道，然后根据体育照明模拟的照度分布，调整开槽的位置，同步测试室内的视觉效果，直至照度水平符合电视转播规范的要求，顶棚上3圈环形分布的灯具如同银河一样，增强了双曲面屋顶的动感。同一个数字模型也用于室内热湿环境、风环境、天窗日照的模拟和优化，并建立对应系统的运行机制和控制策略（图9）。
在生产和施工阶段，设计模型经过历次深化和修改，加入现场工程的实际信息后，模型与建造保持同步，从而为关联工序提供数据。钢结构、幕墙、屋面、管线的部品和组件由数字模型分别导出，使用于各自的生产过程。索网结构张拉成型之后，承包商扫描完成的索网结构，将现场信息更新至数字模型中，然后再由这些数字模型深化、导出屋面金属单元的生产数据。统一的数字模型确保现场主要分部、分项的安装准确无误。
在测试赛、冬奥会及赛后运营中，数字模型通过轻量化、可视化地展现智慧场馆的各类传感器和运维系统数据，监控场地运行期间的环境参数、能耗、设备运行等信息，使空间环境适合人们活动和使用。
在一个复杂的针对全寿命期的多专业整合过程中，比赛大厅的运行目标得到严格的控制，包括冰温、分层分区的温度、湿度、风速等。冬奥会期间，尽管场地处于低海拔地区，但速度滑冰运动员们在设有纪录的12个小项中，打破了10项奥运会纪录，1项世界纪录，使“冰丝带”成为“最快的冰”。在冬奥会之后，场地向公众开放滑冰的日常运营场景也得到了相应的验证。通过数字方法，这一设计实现了“以运动员为中心”的人文目标。
3 专项整合
建筑各专项通常由多专业咨询和顾问工程师负责，从而在建筑设计中促进各领域的专项设计和技术进展整合（表3）。
同建筑形式一样，室内设计的品质由形式、结构、材料构造、机电设备和管线、照明等因素综合确定，并通过统一的数字模型整合。标识、导视等系统影响人们的空间视觉认知和寻路等行为。建筑立面照明与幕墙构造的整合对建筑在白天、夜晚的效果都会产生影响。绿色建筑和建筑全寿命期的碳排放对建筑品质和性能的影响是全局性的，并受概念设计阶段的主要设计影响。随着相关数据的积累和设计工具的开发，在建筑策划和设计的初始阶段，建筑师和工程师就可以运用工具对相关专项进行预评估和反馈，从而支持建筑全流程数据和性能的整合。
体育建筑对专项整合设计的要求更为迫切。在国家速滑馆的数字模型中，根据场地工艺和视线算法，尤其是无障碍座席特殊加高的视线要求，确定看台的完成面，其中永久看台形成预制砼部件信息，可拆除看台形成钢构件信息。在某种程度上，轮椅座椅的视线要求决定了建筑剖面的算法，并最终影响屋面主体结构的几何逻辑和边界。看台外边缘环绕倾斜70˚的椭圆形碗状“蓝墙”，厚度渐变，范围为2.5～3.5 m，用于容纳看台结构斜撑和设备竖向路由。设计考虑到比赛大厅内侧安装吸声板、外侧挂装饰板的构造尺度，从而确定了室内设计的基础几何逻辑。“蓝墙”的顶部曲线由看台顶部曲线升高获得，是屋顶环桁架的支座（图10）。这一过程基于规则生成，整合了建筑空间、主体结构找形、机电路由、声学和装饰装修等专业和专项的数据。国家游泳中心（冰立方）的改造是基于原有的建筑数字模型，以“可逆式”的装配方法，整合各相关专项完成的。数字工具研发的可拆装冰壶场地和围绕场地的室内环境系统，为运动员提供了完美的比赛环境，获得世界冰壶联合会的高度评价。②
4 结语
体育建筑的全寿命期整合设计，首先服务于体育运动本身，包括比赛、日常训练和群众健身，回归“以人为核心”的设计目标。国家游泳中心“最快的游泳池”和“智慧的冰”、国家速滑馆“最快的冰”，以及国家网球中心整体环境提升等项目均提供了数字人文方向的实践案例。这些方法对大型公共建筑具有普遍示范意义。数字人文导向的体育建筑全寿命期智慧化整合设计方法，有待更为广泛、深入的研究、测试和应用。■
注释
①BS EN 15978: 2011 Sustainability of construction works - Assessment of environmental performance of buildings - Calculation method，详见https://www.thenbs.com/PublicationIndex/Documents/Details?DocId=299189。
②National Aquatics Centre Delivery Quality Appraisal Letter（WCF），详见http://www.water-cube.com/en/2022-05/29/content_41991439.html。
图1、图4：孙卫华绘制
图2、图6：作者摄影
图3：作者绘制
图5、图7、图8、图10：宋刚绘制
图9：林坤平绘制
参考文献
[1] SAVANOVI P, ZEILER W. Integral design method for conceptual building design[C]//ICED. Proceedings of the 17th International Conference on Engineering Design (ICED 09). Palo Alto: Design Society, 2009: 167-178.
[2] 郑方．设计可持续的未来：从水立方到冰丝带[M]．北京：中国建筑工业出版社，2022．
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本文发表于《当代建筑》2022 | No.12
编辑/毕程程 校对/潘琦 审核/牛晨曦