节能节材型科技示范建筑:济南奥林匹克体育中心

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工程概况

2009年10月16日至28日第十一届全国运动会在山东省举行,主会场设在济南市.选址于济南市东部燕山新区内的龙洞地区,东西两侧临山,用地南邻济南市龙奥大厦,体育南路,北邻经十东路,东邻体育东路,西邻体育西路.经十东路作为连接济南新旧城区的主干道,在十一届全国运动会时作为进出奥体中心的重要城市通道.中心路从龙奥大厦北侧直通经十东路,将奥体中心基地分为东西两个场区.体育场、热身场及辅助设施设在基地西区,体育馆、游泳馆,网球中心及室外场地设在基地东区.总投资约21亿元,工程于2006年5月开工建设,于2009年4月整体竣工.设计原则为:

三足鼎立:体育场馆与龙奥大厦形成“品”字形三足鼎立的总体格局.

双轴对称场地内形成南北主轴和东西次轴两条轴线.

地方特色:充分利用柳树、荷花等地方特色元素,形成“东荷西柳”的建筑景观.

交通组织:结合场地布局,满足赛时和赛后要求,形成完整合理的交通组织体系.

竖向设计:建筑布局,交通组织与地形现状有机结合,形成整体.本项目在设计中优化集成了节地、节材、节能、可再生能源利用、新型护材料和绿色照明、节水以及建筑智能化系统等方面的设计成果,具有良好的经济效益和社会效益.

新型遮阳技术

“荷”与“柳”,从自然生命形态的故事和文化意念中抽象出的母体,成为建筑、结构和功能相互融合统一的整体.这种仿生形态的出现,在摈弃象征主义的具象结果后,经过设计上的一系列调整推演,使其呈现在大众面前,成为一种表达心理诉求的抽象的创意形式,不但构成了体育建筑群独特的表皮界面,也提升了人们观赏和接近它的趣味性和戏剧性.

体育中心的游泳馆和网球馆采用了”柳叶”这种新型遮阳系统.如图所示,系统是由内外两部分组成.内部以玻璃幕墙为主的系统主要是为了保证建筑的热工及室内空间效果,外部的表皮“柳叶”则更注重表现建筑形态、承载城市文化、表达设计理念,同时也保证了建筑的遮阳、通风,采光、视觉等物理性能,成为内部幕墙系统在物理性能上的良好补充,使二者成为一个有机整体,体现了场馆能够兼顾内部舒适和外部的美观独特性.

新能源与可再生能源利用

1 太阳能热水技术

太阳能是一种取之不尽的最有条件推广应用的热源,本工程在游泳馆、网球中心尽最大程度地利用太阳能为热源,减少对不可再生能源的利用并减少二氧化碳排放量,市政热源与自建能源中心提供补充热源,并配备智能化控制系统,合理使用辅助热源.在游泳馆屋顶设置有效面积900m2的承压式热管太阳能集热器,通过高位冷、热水箱供水以保证热水的稳定供给,为游泳馆比赛区及热身厅部分提供洗浴热水,当太阳能不足时,由市政热网和室外能源中心提供的120/65度高温热水作为加热热源.本系统采用机械循环,循环泵的启停由管网最不利处的水温控制.在网球训练场屋顶设置有效面积192m2的承压式热管太阳能集热器,设压力贮热水罐,闭式系统,保证网球中心热水的稳定供给.当太阳能不足时,由电热水器作为辅助加热热源.考虑太阳能的有效利用,降低初期投资通过技术经济分析,集热器面积按春秋季运行选择,太阳集热器的日照时数应保证不少于4h,安装方位角正南,互不遮挡、有足够间距(包括安装维护的操作距离),排列整齐有序.太阳能供热水系统,设置循环水泵,机械循环,保证干管与立管中的热水充分循环,管道采取同程布置.


2 绿色照明

普通照明根据不同的使用场合采用了节能、高效、长寿、环保光源.如:荧光灯、金卤灯、节能灯等.荧光灯管采用三基色T5管,直径更小,光效更高,寿命更长.光源实际寿命高达20000h,光效高达104ImAN,比白炽灯高7倍,比上一代T8荧光灯节能15%~20%.而且汞含量极低,减少了对环境的污染.体育照明的设计体现在以下六个方面:

㈩照明设计满足《体育场馆照明设计及检测标准》JGJl53-2007所对应的水平照度、对各摄像机的垂直照度、照度均匀度、场地照明的色温、一般显色指数及眩光指数等技术指标.

f2)体育场地照明采用光效高,衰减小、寿命长的双端紧凑型金属卤化物光源,色温TcTM5600K,Ra>90,光效高达100ImAN.

(3)采用发光效率高,防护等级高、衰减小,控光精确,结构牢固的灯具,高效高纯铝反射器及定位精确的双端光源,灯具发光效率可达80%以上.全部灯具防护等级达到IP65,最小限度地减少灰尘对光的衰减.

(4)选择高品质、低功耗的光源电器,配置合适的补偿电容,提高功率因数.采用的电感镇流器均为节能型电感镇流器,自身功耗低,镇流器谐波含量降至最低,减少对输入电路的扰动影响.触发器选用了技术先进的智能型宽频电子触发器,能够自行判断光源工作状态,决定是否连续触发,保护光源寿命.加入补偿电容后,单灯的功率因数大于0.9.

(5)合理高效、科学的照明设计,降低灯具数量.在照明设计时,充分利用灯具的多种配光,调整灯具瞄准点,最大限度地提高灯具利用效率,集中照明于场地比赛区域,降低灯具使用数量.

(6)降低线缆中的损失,电气配电设计选用了高品质.低电阻率材料的YJV-1KV电线电缆,降低线缆压降,减小线缆能量损耗.

景观照明的设计中大量采用LED光源.LED作为第一代新型固态照明光源,经过近10年的快速成长和发展,已形成规模化产业,且愈来愈广泛地应用于建筑物照明.LED是冷光源,半导体照明自身对环境没有任何污染,与白炽灯,荧光灯相比,节电效率可以达到90%以上.在同样亮度下,耗电量仅为普通白炽灯的1/10,荧光灯管的1/2.LED光源的基本特征为发光效率高,耗电量少,使用寿命长,安全可靠性强,有利于环保.图表表明各种光源的经济性比较得出在10年以上寿命期内LED是性价比较高的产品.

建筑节地与地下空间开发利用

对于济南奥林匹克体育中心这一大型公共建筑群而言,建筑节地主要应用在以下几个方面:

[1)在工程的建筑设计中采用立体交通组织模式――提高了建筑的空间利用率.

(2)人防结构采用覆土建筑――丰富了建筑场区的立体绿化技术.

(3)建筑群的东区场地由劈山造地形成――最大程度地减少了对优质土地的占用.

(4)地下空间的开发利用――改善地表环境,增加使用面积满足功能要求.

(5)地下空间的开发不仅能够节约建筑用地,同时也能改善周围环境,为奥体中心带来更多的绿化,给市民带来更赏心悦目的视觉感受和健身、休闲空间.建筑节水与水资源开发利用

节水措施体现在七个方面:

(1)充分利用市政供水压力,减少给水系统需要提升的水量,满足用水点水量水压要求.

(2)给水水嘴采用陶瓷芯等密封性能好、能限制出流率并经国家有关质量检测部门检测合格的节水水嘴.(3)卫生间脸盆、小便器采用红外感应水嘴、感应式冲洗阀,蹲便器采用脚踏式冲洗阀,坐便器采用低水箱式(水箱容积6L),所有洁具均采用节水型卫生器具.

(4)运动员淋浴,采用可靠恒温混合阀供水,多于三个淋浴器的配水管道,布置成环形.

(5)自建中水处理站,收集游泳馆及体育馆洁净废水,处理后回用,冲厕、绿化,浇洒道路、清洗屋面尽量采用中水,减少自来水用量.

(6)空调机房补水处、集中用水等处加设水表,做到用水有量.

(7)室外雨水采用排渗结合的方式,尽量使雨水能回补到土壤和水体中.

中水利用技术,在济南奥体中心游泳馆自建中水处理站,收集游泳馆、体育馆淋浴用水等优质杂排水,以作为中水系统的处理原水加以利用,处理达标后用于冲厕,绿化、清洗等,很大程度上减少了废水的外排量以及自来水的用水量.本工程中水处理的工艺路线为 中水原水一细格栅网筐一曝气调节池一毛发聚集器一一级提升泵一高效反应沉淀池一中间水池一过滤器一臭氧强化消毒一活性炭吸附一恒压供水机组一长效消毒冲厕、绿化、清洗等.本系统中水原水量约:330m3/d,中水设备日处理时间取16h,处理设施能力为:20m2/h.

建筑节材技术体系

体育场上部钢结构为2片独立的钢结构罩棚,呈弧形状,覆盖了东西看台大部分观众席.单片罩棚最宽处约70m,罩棚外边缘南北向最长处约330m.整个罩棚外立面落地,钢结构罩棚由径向主桁架和环向次桁架组成,采用折板型空间悬挑结构体系.整个罩棚中间高,两端低,高差14m,罩棚最高点离地面约52m.其中,主桁架最大悬挑长度约为52m,桁架根部最大高度8m,最小悬挑长度约为26,5m,根部高度2.5m.罩棚外侧落地结构采用圆管组合三角形截面,主桁架采用圆管组合菱形截面.罩棚内支坐落在混凝土看台短柱顶部,外支坐落在混凝土平台短柱顶部.看台顶部支座间设5对纵向支撑.

为了增强结构的整体稳定性和侧向抗扭刚度,桁架下弦平面设置了8道水平支撑,支撑采用直径50mm棒钢,施加初始预应力.预拉力值的确定原则:棒钢初始预拉力值的确定,以尽量减少预拉力并且确保结构具有足够的刚度为原则,控制最不利工况时棒钢的应力水平amax<0.7fy,amin>0.05fy,fy为钢材强度标准值.经过反复调试,初始预应力取0.3fy时,拉索受力状态最优.

结构钢材采用Q345B,符合规范GB5118―85有关要求.无缝钢管按GB/T17395―1998选用,热轧型钢按GB/T11263―1998选用.结构用索按上海市工程建设规范DG/TJ08-019-2005J10553-2005选用.

体育馆采用弦支穹顶屋盖结构和下部混凝土简体,框架结构及外网交叉柱编织筒体结构组成的结构体系.其中弦支穹顶由上部单层网壳和下部索杆张拉体系组成,单层网壳为混合型布置,索杆张拉体系为肋环型布置,整个结构支承于周边混凝土环梁上.

济南奥体中心体育馆钢结构弦支穹顶直径为122m,为目前国内外最大直径的钢结构弦支穹顶.我国自20世纪90年代即已经开始对弦支穹顶结构进行研究.国内学者所作的大量理论研究及结构模型试验为弦支穹顶结构在大跨度建筑特别是大型体育场馆中的应用奠定了良好的理论和实验基础.弦支穹顶结构要在实际钢结构屋盖体系中应用仅有理论和实验方面的研究是远远不够的,预应力的张拉施工技术和施工经验是不可或缺的应用基础.在过去的20年中,索杆,索膜、索杆梁体系已经在我国大量建成和正在建设,包括2008北京奥运会的主体育馆为空间张弦结构,北工大体育馆的大跨弦支穹顶,武汉市体育中心体育馆穹顶结构等等,表明我国的施工企业、预应力施工技术和施工经验已经具备,索、膜等材料的生产也有较大发展.

智能化控制应用技术体系

济南奥体中心的智能化设计将奥体中心的各场馆及附属设施作为统一的整体考虑,建立联系各场馆的电信管控通道,各场馆设置了各自独立的智能化子系统.在中心区设置智能化监控中心,作为整个园区的总控制中心.楼宇自控整体规划:体育场、体育馆、游泳馆、网球中心、能源中心,中心商业区分别建立各自独立的楼宇自控系统,对各自建筑单体进行机电设施的自动监控,对变配电、空调通风、给排水、照明、电梯等进行自动控制,确保机电设备的最佳运行,节能降耗及节省人力,财力.通过奥体中心的控制网络平台将各场馆楼控系统联网,信息共享,通过关键数据的上传,在中心区智能监控中心可以对整个奥体中心的楼宇控制进行必要的统一监视.

节能技术体系

本工程自然通风设计主要分为以下几个步骤:建立数学模型:对整个奥体中心的室外微环境分析,得出各建筑物的风压分布,确定自然通风口位置;根据建筑物的实际情况,确定自然通风

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340;开口位置及大小,利用室外气象参数和建筑物的内部负荷分布,进行动态热模拟,得到建筑物表面的温度边界条件;进行室内自然通风模拟计算,得到室内热环境舒适性分布,如计算结果不满意,根据建筑物的实际情况,调整自然通风的开口位置及大小,重复验算(见微气候分析流程示意).

良好的自然采光可以最大限度利用自然光来代替人工照明,以减少能源消耗,同时通过提高视觉环境舒适性改善人的心理状态.自然采光的三个重要方面是:自然采光性能,采光均匀性、照明能源的节省.采光随内部空间引入合理日光,改善照明及视觉舒适度外,配合适当的采光设计及控制,可节省日间的照明需求.采用自然采光,大部分照明系统都可于正常日照情况下关闭,从而节省能耗.全年中,日照时间不断变化,夏季的采光时间最长,冬季最短.

水蓄冷方面充分考虑节约费用.济南城市的用电政策与国家峰谷电价相差较大,约3倍,峰时:1.0003元,谷时:0.3581元.

地源热泵系统为可再生能源.为响应国家节能减排的需要,按照整体能源规划和能源论证,地源热泵系统应用在济南奥体中心的主体育场,主要承担体育场非赛事期间空调采暖负荷.体育场赛事期间的负荷由能源中心承担,地源热泵空调系统承担体育场非赛事期间的部分空调采暖负荷,非赛事期间的峰值负荷由能源中心和市政热源承担.体育场主空调系统共设4个换热站(A、B、C、D),空调系统相应分为4个区,即A区、B区,C区,DN.由于设计冷热峰值负荷出现的时间短,若按设计峰值冷热负荷匹配地源热泵机组,会导致机组容量和系统投资增加.为保证系统的运行安全可靠和降低系统投资,决定采用地源热泵系统承担基本负荷,能源中心和市政热力承担峰值负荷.根据评估预测和要求,确定体育场地源热泵系统总装机冷负荷为4000kW,总装机热负荷为3500kW.而体育场的高峰负荷仍由主能源中心和市政热力提供.

结论

济南奥体中心工程的设计优化集成了以下先进,适用和创新技术,并在2009年12月20日通过了国家住房和城乡建设部的验收,符合示范工程标准,并获得证书(NO.09046):节地方面:项目总体规划、场馆平面布局、交通流线组织,地下空间开发利用和场馆功能设计先进合理,充分利用地形地势,节约了土地,通过立体交通组织减少建筑占地面积和地下建筑覆土绿化,有效增加绿化面积,美化环境和增加市民健身休闲活动用地.

节材方面:优化了体育场和体育馆的结构设计.尤其是采用的直径122m大跨弦支穹顶结构,体系简洁,建筑效果好,用钢量低,节材显著.体育场钢结构用钢量6500t,体育馆钢结构用钢材2420t,用索133t,相比国内同类同规模钢结构用钢量减少30-40%.

节水方面项目用地内自建中水处理站,淋浴水循环用于;中厕绿化减少废水外排,处理能力20m3/h.

护结构采用外墙外保温技术和复合保温墙体,均高于国家及地方的节能标准要求,建筑围护结构节能约55%.结合当地文化创意设计“柳叶”形式的新型遮阳系统,不仅美观,而且可减少太阳辐射,减少空调能耗约10%.

充分利用自然采光、自然通风技术,全年估计可节省人工照明能耗达207536kWh.

能源中心采用水蓄冷技术,便于管理,减少运行费用,减少环境污染.从初投资上:水蓄冷比常规制冷节约438万元,比冰蓄冷节约2339万元;从运行费上水蓄冷比常规制冷节约203.45万元/年,比冰蓄冷节约80.66万元/年.

采用大温差、变频水系统空调系统,可以节约水泵电耗40%.

大空间采用分层空调技术,可以节约30%.

新风热回收技术,热回收效率60%.

空调净化消毒技术达到降低空调运行能耗及费用的作用.

采用绿色节能高效的新型灯具和智能照明控制等多方面绿色照明技术.

游泳馆、网球馆设置太阳能热水系统,有效利用可再生能源.游泳馆太阳能热水系统的年节能量1389312MJ/a,CO2减排量1620.5t.网球中心太阳能热水系统的年节能量398131.2MJ/a,C02减排量674t.

体育场采用地源热泵系统,利用可再生能源.地源热泵系统冬季总供热量约为12424GJ,地源热泵系统不需要冷却塔和锅炉房,因此每年可以节省能源折合成标准煤424t.按照每吨标准煤燃烧后排放CO2约2.65t,SO,约17.87kg,15.39kg烟尘等大气污染物,排放炉渣0.62t计算,每年减少CO2的排放约1125t、SO2约7585Kq,烟尘约6532Kg、炉渣263t,对改善城市的空气质量有相当大的作用.

先进的智能化楼宇控制系统,使设备在理想状态下工作,降低能耗,可节约运行能耗15%~30%.

因篇幅所限,大量数据和计算报告及相关节点图纸不能一一详细论述.

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