基于PCA的冰上運動體育建筑可持續運維潛力評價指標體系研究*

陸詩亮 趙紫璇 郭 旗

0 引言

中國以2022年北京冬季奧運會為契機提出了“三億人上冰雪”的發展目標，不斷出臺的國家政策和群眾對冰上運動不斷高漲的熱情，對我國冰雪運動及其周邊產業的發展起到了巨大的推動作用[1]。隨著北冰南展西擴的發展勢頭明顯，全國冰上運動設施數量和質量需全面提升[2]。冰上運動體育建筑由于其承辦體育賽事的特殊性、使用場景的多元化以及建設地點的地域性，對于優化推動我國體育事業全面建設，促進冰上運動的迅猛發展方面發揮著不可取代的作用。

冰上運動體育建筑面臨大尺度、高投資、高能耗、運維困難[3]的困擾，建筑界一直在探討其可持續運維，尋求建筑尺度與能耗、成本與營利之間的平衡。因此，其可持續運維評價體系研究值得深入探索，應通過設計手段、建筑技術、智慧管理[4-5]等多層面進行分析。我國當前多集中在建筑本體的研究，并未嚴格區分綠色建筑與可持續運維建筑等的區別，缺乏針對特殊公共建筑類型的必要制度的引導。本文基于冰上運動場館這一特殊的研究對象，致力于建立冰上運動體育建筑可持續運維潛力評價指標體系。通過主成分分析法（PCA）進行量化分析，獲得可持續運維潛力指標因子對提高冰上運動體育建筑可持續運維潛力的貢獻率和權重集，以期為建設可持續運維的冰上運動體育建筑提供參考與引導。

1 研究背景

1.1 冰上運動體育建筑賽時賽后利用存在矛盾

冰上運動體育建筑可持續運維的困難之處在于冰雪運動的季節限制，最適宜開放使用的階段只有冬季的一個季度左右[6-7]（圖1）。因此多方面考慮建筑設施使用環境以及需求，實現不同季節的“一館多用”是冰上運動場館賽后運營的普遍思路[8]（圖2）。如我國的國家速滑館，借助本身的低溫屬性來為人們提供大眾冰上健身、低溫存儲等[9-10]。2022年冬奧會中，冰壺賽事便是交付給了國家游泳中心“冰立方”來承辦，通過改造實現場館冬夏兩季不通氣候下的循環使用[11]（圖3）。但是多種運動類型的碰撞與融合，使各項技術和設施配備的運行存在矛盾，不同使用模式下的比賽廳熱環境差異性較大，因此需要靈活運維。冰上運動體育產業可以作為觸媒，將多領域有機融合，在運維中形成聯動效應，因此對場館的賽后可持續運維提前布局，在設計層面選取相應的可持續性的技術與設施[12]，通過多元運營途徑來解決賽時賽后利用的矛盾。

圖1 東北寒地城市冰上運動館各月份使用狀態統計圖Fig.1 statistical chart of use of ice sports museum in northeast cold city

圖2 冰上運動體育館賽后多元利用模式Fig.2 multi-use mode in ice sports centre after game

圖3 國家速滑館和國家游泳中心冰壺賽場Fig.3 The National Speed Skating Museum and National Swimming Center curling field

1.2 體育建筑可持續運維導向評價標準匱乏

體育建筑的可持續發展問題一直備受關注，國際上發布了一系列促進建筑可持續發展的空間設計行動指南[13]?，F階段全球存在多種針對建筑物可持續性使用的評價體系，例如美國的LEED、英國的BREEAM、法國的HQE以及日本的CASBEE等，這些評價體系主要是評價建筑物在生態方面的可持續性、以及資源友好和環境友好的程度。2007年德國可持續建筑委員（Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen, DGNB）制定了一個可持續建筑評估體系DGNB，為建筑可持續性的設計、管理及評估提供依據[14]。然而上述多種評估體系并未深入區分建筑類型，大部分針對的是住宅及辦公建筑[15]（圖4）。而冰上運動館屬于大跨度空間的特殊公共建筑類型，由于其自身的特殊性，現行評價體系的評價指標以及評價標準并不完全適用。冰上運動體育建筑具有空間復雜、功能多樣、能耗巨大、人流集中等特點，對建筑可持續運維具有特殊要求[16]，而針對冰上運動體育建筑可持續運維的定制化評價標準仍然匱乏。需要結合國內外頒布的冰上運動體育建筑設計標準與可持續建筑相關評價標準（表1），構建冰上運動體育建筑可持續運維潛力評價指標體系。

圖4 針對建筑方向的評價體系Fig.4 multi-use mode in ice sports centre after game

表1 體育建筑相關評價的指導綱領性文件Tab.1 guiding and programmatic documents for relevant evaluation of sports buildings

1.3 可持續運維導向下的技術構成

承辦冰上項目的場館由于其本身的特殊性，使得場館里溫度分區復雜，非常容易被外界風、光、熱環境所干擾，因而能耗需求巨大，是可持續設計關注的重點。因此適宜的形體是可持續設計的首要考量因素[17]。形體設計涉及表面積、容積、形狀因素。表面積是同環境進行能量交換的決定因素，容積關系到整個場館的空調負荷，形狀則關聯的是對于風、雪、融雪等外界環境因素是否有很好的適應性[18]。物理空間構成與能耗息息相關，通過采取靈活適宜的被動措施，可以使其具有很好的減耗效率。冰上運動建筑需要依靠復雜的設備系統來維持場館的良好運作，除需要一般的供水設備、電控設備和照明設備外，還需特殊的制冰設備、冰面維護設備和余熱回收設施等（圖5）。

圖5 冰上運動體育建筑可持續運維技術體系Fig.5 sustainable operation and maintenance technology system of ice sports building

2 評價指標體系的建立

2.1 指標選取

基于國外研究和國內現狀，結合冰上運動體育建筑運維特點，通過文獻整理、走訪調查形成整體架構，本文通過組織焦點小組開展研判（小組成員16人，分成兩部分，成員分別是建筑設計專家、冰上運動體育建筑管理者及體育行政人員等），討論冰上運動體育建筑可持續運維潛力的影響因素，研判獲取的關系因子是物理空間、設備形式、管理模式和智慧運營共4項一級指標：物理空間指冰上運動體育建筑的區位、建筑空間及設施的配置；設備形式指和冰上運動相關的體育工藝及設備配置；管理模式指場館的運營成本及模式；智慧運營意為依據物聯網、數字化計算、云計算、人工智能等先進科技手段的建筑設施智能運維模式[19]。它具備了四大類一級指標，還有細分的53個二級指標（表2）。

表2 焦點小組討論指標組成一覽表Tab.2 a list of focus group discussion index components

2.2 評價方法

主成分分析（PCA）在20世紀初被建立，是一種多元統計分析方法[20-21]。PCA的思想在于把評估架構里的多個因子轉化成由少數互相沒有關聯的重要變量進行描述的綜合評價體系，它使用線性方程把全部的因子進行歸納統籌，經過公式的處理使得它們用來反映上一級的變異量，所有的線性組合均是一種主成分[22]，這個方式可以給多維度的數據開展降維操作，降低其復雜程度[23]。同時對于選取的綜合因子反映出來的信息給與解釋，以此來使得整個評價模式更為全面、飽滿[24]。

指標建構方面由于前期研究和規范標準匱乏，因此將德爾菲法或焦點小組與問卷調查結合起來，應該是比較完備、客觀的指標建構方法。

2.3 問卷設計與檢驗

根據焦點小組討論確定的指標框架，本文設計了問卷調查，問卷采用李克特五分量表法[25]進行繪制，測量專家對影響冰上運動體育建筑可持續運維潛力因素重要性的調查。開展正式調研前，發放20份問卷進行初步試驗（pilot test），針對不合理處進行修正。將修正過的問卷在高校、設計單位、冰上運動體育場館管理單位、體育行政單位等場所發送，當場或者隔日回收。本文的調查一共發送了250份問卷，得到有效問卷208份，有效率達到了83%，符合70%的有效性標準，問卷結果有效。填寫問卷的人員的特征性統計如圖6所示。調查問卷覆蓋了高校、設計單位、場館管理、體育行政等各級別的專家，有71%的受訪專家從業時間在10年以上，由此該問卷涵蓋了各個專業領域專家對于冰上運動體育建筑可持續運維潛力的評價信息。

圖6 問卷填寫人員描述性統計Fig.6 descriptive statistics of questionnaire fillers

2.4 數據信度檢驗

借助SPSS軟件檢驗問卷的信度，即測量調研數據的可靠程度，獲取到了本次調查的克朗巴哈（Cronbach）α信度指標是0.870，滿足標準閾值0.8的最低要求，說明問卷的信度較好。問卷效度從內容效度和建構效度兩方面來研判，前者為通過查閱文獻、實地調研、焦點小組座談研究的基礎而得到的，具備了現階段冰上項目場館設施可持續運維的基本潛力因子，因此其內容效度好。而后者的判斷依據53個二級因子和同它們相關聯的上一級因子的關聯程度。

2.5 指標級建構

指標集建構采用因子分析中的主成分分析法，初始時利用因子分析模塊的KMO檢驗以及Bartlett球形檢驗開展因子的適用性檢驗。KMO= 0.828，Sig（顯著性水平）=0，均表明適合進行因子分析[26]。

將原始數據進行PCA分析，經運行結果顯示特征值＞1的一級指標有12個（表3），它們的累計貢獻率達到了70%（而英國NGST研究依據PCA處理因子結構，它的貢獻率值為62%[27]）。采用最大方差旋轉后，獲取了每個指標對應的主成分和其旋轉矩陣系數（表4）。

從表3可以看出，一級指標主成分由4個擴展為12個。初期“物理空間”指標，專家認為應擴展細分為“建筑選址”“內場空間”“輔助設施”“裝配技術”“場地預留”“屋頂形態”“器材設備”“運營營利”，從實際情況看，建筑物理空間包含內部與外部空間，運用各種建筑主要要素與形式，由其依據場館功能特征擴展細分出8個指標是科學合理的。初期“設備形式”指標擴展細分為“制冰工藝”與“能源利用”，根據實際情況，制冰工藝與能源利用雖然都與設備形式有關，但二者具有獨立體系屬性，因此擴展細分為2個指標。X50~X52聚集在第五主成分下，一起歸入“音響燈光”。X44~X46指標聚集在第9主成分下，說明將這三個指標歸入“運營成本”是合理的。同時，將部分被標記為不重要或重要性不顯著的因子排除，如“X41雨水回收技術的應用”和“X42廢水利用”等。綜上所述，修正后的冰上運動體育建筑可持續運維潛力評價指標集合如表4所示，共具備了一級因子12個，二級因子50個。同時，各二級因子通過提取主成分方式歸入一級因子。

表3 解釋的總方差Tab.3 total variance explained

表4 指標所屬的主成分和旋轉矩陣系數Tab.4 main components and coefficients of the index belong

2.6 因子權重計算方法

每個因子的權重反應的為該因子對于整體目標的綜合評價能夠有多大關聯，同時也反映了其對于整體目標評價的影響力。它的模型計算為：

假如有p個因子，從中選擇m個主成分，X=(X1,X2, …,XP)T是因子集向量，主成分是Y=(Y1,Y2, …,Ym)T，那么：Y=AX，而這里的A=aij( )mxp，aij是Yi和Xj二者的相關系數。假如B=b1,b2, …,bp( )是各因子權重向量，而Yi的貢獻率是hi，m個主成分的全部的貢獻率是M，那么因子權重的獲取方式是：

在這里，依據這種方式的因子集進行修正，那么獲取到二級因子為p=50個，而又m=12個主成分，M=70%。依據上述公式，能夠獲取各類二級因子的權重（圖7），而一級因子權重是歸屬于其中的二級因子的權重的累加（表5）。

表5 評價體系指標構成Tab.5 composition of the evaluation system indicators

圖7 評價體系指標權重Fig.7 the evaluation system composition and weight

3 評價模型對冰上運動體育建筑可持續性設計的啟示

3.1 增效提質：節能舒適導向下的智慧冰場策略

制冰工藝權重值為39.13%，排在第一位，對可持續運維潛力的提高起主要作用，這與冰上運動體育建筑的功能特質直接相關。其中H1制冰工藝與技術（4.30%）、H6空調和除濕系統（4.29%）、H5防結露設計（4.26%）和H11場館智能控制系統（4.20%）等的權重相對較大，占P1制冰工藝權重的44%，所以將從冰場制冰、場館熱舒適度及智慧冰場策略三個方面分析可持續運維提升路徑。

制冰工藝與技術是冰上運動場館可持續運維的關鍵要素，對場館能耗具有重要的影響作用，而制冷方式和制冷劑的選擇，直接影響場館的能耗性能。不同冰上運動項目的冰場制冷，宜根據冰面場地的布局采用分區模塊化制冰模式。國內冰場制冷系統通常采用乙二醇作為載冷劑的間接制冷系統，制冷媒也宜采用更加安全、環保、高效的（HFC+HFO）混合制冷劑以及二氧化碳等。氨制冷劑有毒且易燃，而含氯氟化物制冷劑會破壞生態環境，已逐漸被淘汰。冰上運動館制冷機房中有主、備用兩臺冷機，維持著冰場的冰面質量，為節省管道，降低輸送過程中的冷能損耗，應盡量縮短機房和冰場的距離。通常可承辦比賽的冰上運動場館會設有兩塊冰場，制冷設備應兼顧兩塊冰場的使用要求，避免重復建設同功能設備。

同時，專家問卷結果也表明了目前以人為本的冰場熱環境，是維持場館使用者使用頻率、保障冰上運動場館長效活力的有效途徑，對冰上運動體育建筑的可持續運維也具有重要影響?？照{系統的設置對于維持場地區與觀眾區的人體熱舒適性至關重要。室內相對濕度隨著空氣溫度的升高而增大，冰場上空會出現起霧現象，所以需將室內空氣的露點溫度降低，因此與控制溫度相比控制場館內的濕度更重要。但是這樣會影響到人體的空間感受，因此，場館內宜設置除濕機并采用合適的氣流組織，加強空氣流動來達到維持適宜的冰場熱環境的目的。

智慧冰場策略能提高場館的節能效率，提升場館的長期運行水平，是目前智慧冰上場館的發展趨勢。其涉及了場館各使用客群的機電系統智能化管控運行和智慧場館服務，能夠為冰上運動體育建筑可持續運維提供必要的信息，通過場館智能控制系統實現建筑數據的宏觀感知、推理、判斷以及自我決策，提供具有高效、節能、安全、健康人性化功能環境的冰上運動體育建筑。智慧運營場館設施體系應能適應多種活動的舉辦需求，以提高場館的使用率，帶動建筑整體可持續發展。

3.2 主體嬗變：高效彈性應變下的主動式可持續

評價模型中內場空間的權重是15.37%，排在第二，表明了該指標對整體評價體系有重要影響。其中H16冰車庫位置（2.56%）、H19比賽廳空間高度（2.41%）和H21冰面天然采光的控制（1.89%）等權重占其中的45%，所以將從這三個方面分析可持續運維提升路徑。

澆冰車庫的位置決定了冰面質量維護的便捷性。澆冰車起到掃冰、澆冰的功能，比賽期間的澆冰車平均3 h就要工作一次，與場地轉換效率息息相關，應將其設置在臨近冰場區域且方便進出的房間內，其位置應方便所有冰場的使用。

比賽廳空間高度決定了場館未來開展運營活動的潛力。比賽廳能夠拓展為兼備健身訓練、商業展覽、文藝演出等多樣性的使用途徑[28]。然而為了避免頂棚結露現象，冰場上空16 m以內應禁止存在障礙物。為了滿足這些功能多樣化的使用，使得比賽場地以及觀眾席均具有動態可調節性，即場館滿足所有比賽項目的高度要求，比賽廳凈高需超過16 m。例如帕拉競技冰球館的吊頂可調節高度，得以適應不同的場景模式需求（圖8）。通過應用臨時設施和可變技術，降低初始經濟投入及對環境的沖擊，便于匹配賽后當地的使用需求以及運營能力。

圖8 帕拉競技冰球館內場空間Fig.8 Pala Arena Ice Hockey Pavilion infield space

冰上運動場館的冰面天然采光控制問題一直備受爭議，太陽直射光會向室內引入過多的太陽輻射，造成場地冰面不均勻，所以建筑主體空間在自然采光方面應遵循其天然的避直射光特質。另一方面，體育建筑的人工光環境營造耗能巨大，因此合理的結合自然采光，降低人工照明能耗，塑造良好的室內光環境，可以有效提升冰上運動建筑可持續運維的潛力。

3.3 環境交互：生態友好下的能源利用技術革命

能源利用權重值為8.41%，顯示其對可持續運維潛力的評價具有較重要的影響。其中H24余熱回收方式（2.58%）和H23座席采暖設施（1.64%）的權重占其中的50%，所以將從這兩個方面分析可持續運維提升路徑。

余熱回收系統決定了場館降低建筑能源損耗的潛力。冰上運動場館內部特殊的熱環境需求以及融冰制冰設施巨大的運轉功率，使得冰上運動場館比其他類型體育建筑的日常維護能耗成本高昂得多。而場館運轉過程里各類制冷設備余溫散失能耗占到建筑總能耗的8%～25%以上，因此合理利用余熱回收系統對冰上運動體育建筑的可持續運維意義重大（圖9）。場館需探索主、被動節能技術與環境結合，運用生態友好的適宜技術，減少運營能耗，從而有效提升建筑能源利用效率。

圖9 冰場的能量系統組成與利用Fig.9 energy system composition and utilization of the ice field

座席采暖設施保障觀眾的觀看體驗感與觀演品質。冰上運動場館中冰場與場地看臺區域的溫度需求差異顯著。觀眾席的環境溫度不能低于18 ℃，建筑內的空調系統為維持觀眾坐席區域的合理溫度，往往承擔了較大的運營荷載，能源消耗巨大，座席采暖設施可與余熱回收系統相結合，提升場館內觀眾坐席區域熱舒適性，從而緩解建筑空調系統能源消耗大的問題。

3.4 便捷服務：城市融合下的生態布局策略

建筑選址權重值為8.34%，其對可持續運維潛力的評價具有重要的影響。其中H29場館服務半徑（3.28%）、H28建筑選址（2.01%）和H27場館可達性（1.89%）等權重占其中的86%，所以將從這三個方面分析可持續運維提升路徑。

場館服務半徑及建筑選址決定了其對城市周邊區域輻射影響力的潛力，場館可達性決定了場館吸引使用人群的潛力。冰上運動館的社會特性使其具有巨大的人流吸引力，勢必能夠帶來大量的使用人群以及社會關注度，同時也為周邊商業活動帶來巨大的動力。一個冰上運動體育館能夠對方圓2 km之內的周邊設施產生直接影響，同時也會間接輻射到周邊45 min路程內的至少30萬人口日常生活模式。比如為場館使用者服務的餐飲建筑、冰上運動器材的銷售與維護機構、各種冰上運動的會員俱樂部、賽后休閑娛樂的場所等。另外，周邊城市區域在場館帶動下興旺發展，也會給冰上運動館的經營維護帶來更大的便利。冰上運動場館在總體布局上與區域內人文生態環境的有機結合是非常重要的。統籌考慮場館總體布局規劃、城市生態系統與區域人文環境的問題（圖10），助力城市可持續健康發展，同時在區域環境布局上，城市綠化系統的有機滲透可以使得場館綠化體系更加和諧，形成有機聯系的互益共生體。

圖10 冰上運動館文化生態環境解讀Fig.10 interpretation of cultural and ecological environment

4 場館規模對可持續運維潛力指標影響分析

冰上運動體育建筑規模應取決于場館的定位，冰上運動場館的定位決定了場館承辦的賽事性質、場館影響力的輻射范圍等，進而決定了場館和配套設施的規模。根據不同的場館規模，考慮到運維成本，冰上運動體育建筑可持續運維設計對于各項潛力指標的關注重點也有所不同，當成本有限時，應選取每項重點指標進行優化，保障有限投資產生最大效益，具體詳見表6。

表6 場館規模與重要潛力指標分析Tab.6 analysis of the venue scale and important potential indicators

5 可持續運維潛力評價指標體系的實踐應用

目前對冰上運動體育建筑可持續運維潛力評價指標體系的應用研究尚不完善，在建筑設計實踐中應用較為繁瑣。由于研究時間的限制，且研究結果包含眾多評價指標，因此今后的研究工作計劃，是將研究結論有效地轉化為實踐支持體系。利用開發工具Excel VBA（Visual Basic for Applications）[29]等，配合構建大數據支撐下的冰上運動體育建筑可持續運維數據庫，從而形成具有廣泛代表性的長效動態的數據平臺。本文建立的能夠反映可持續運維潛力的指標體系和評價標準是后續研究工作的基礎，在此基礎上通過大數據和智能化技術對可持續運維評價要素進行動態監測與深度控制，可以進一步形成可持續運維研究的決策優化，從而為冰上運動體育建筑可持續運維研究及工程實踐夯實基礎。

6 結語

前國際奧委會主席雅克·羅格曾經指出現如今體育場館設計正持續地發展，要緊密結合不斷推陳出新的先進科技，同時也應當結合社會整體發展環境標準的變化[30]。伴隨著2022年北京冬奧會的到來和全民健身政策的推進，即將迎來冰上運動體育館的建設高峰，冰上運動館的多元使用與智慧運維是可持續發展導向下的必然趨勢，對于我國冰上運動體育建筑發展的深化和轉型具有重要意義。針對冰上運動體育建筑可持續運維潛力建立了評價體系，獲得模型中各潛力指標的權重值及權重排序。在構建評價指標體系的同時，提出針對不同冰上運動體育建筑規模的可持續運維提升路徑，倡導以可持續為主旨，順應當下和未來的需求。以上結論可為冰上運動體育建筑老舊場館的更新改造與新場館的可持續運維建設提供參考和依據，以期引起社會和設計師對于冰上運動體育體育建筑可持續運維的關注和思考。

注釋：

① 在中華人民共和國行業標準《體育建筑設計規范》中，冰上運動建筑的規模按照座席容量可分為三個等級：小型（3 000 座以下）、中型（3 000~6 000 座）和大型場館（6 000 座以上）。

圖表來源：

圖1：改繪自張爍.北京冬奧會國家速滑館的可持續發展研究[D].北京: 國家體育總局體育科學研究所, 2020.

圖2：改繪自孫澄, 高亮, 黃茜.冬奧會場館建設思想的演進與嬗變[J].建筑學報, 2019(1): 8-12.

圖3a：人民網.國家速滑館“冰絲帶”迎來速滑比賽首秀[EB/OL].(2021-04-07)[2022-11-20].http://ent.people.com.cn/n1/2021/0407/c1012-32072119-2.html.

圖3b：張晨霖.國家游泳中心完成第二次“水冰轉換”并開啟冰壺體驗[EB/OL].(2020-12-21)[2022-11-20].https://www.sohu.com/a/439621678_267106.

圖4-7、9-10：作者繪制

圖8：九地國際.“浮冰上的盒子”06年都靈冬奧會奧林匹克帕拉競技冰球體育館[EB/OL].(2015-01-19)[2022-11-20].http://www.jiudi.net/2014/content/?2274.html.

表1-6：作者繪制