自行車賽場設計研究

王彤哲

自行車賽場設計研究

王彤哲

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,濟南 250022)

以日照自行車賽場工程為例,通過賽車場跑道的形式、跑道的最大坡度、跑道的構造以及跑道面層動摩擦系數(shù)、看臺視線和跑道曲線控制的分析和闡述,對自行車賽場設計進行探討。針對日照自行車賽場通過多年承擔全國性場地比賽的考驗,驗證其技術參數(shù)取值的正確性,以冀為今后類似工程設計提供技術參考。

自行車賽場;建筑設計;結構設計

1 項目背景和工程概況

山東省是全國的體育大省,為了提高競技運動的整體水平,改善訓練環(huán)境,備戰(zhàn)2008年奧運會和2009年全國城市運動會,山東省體育局決定在海濱城市日照建設自行車賽車場,這是山東省內第一個自行車賽車場。

山東省(日照)自行車賽場(以下簡稱“日照自行車賽場”)工程,是山東省內第一個并且是按照國際自行車聯(lián)盟賽車場驗收技術標準設計的賽場,它的建成結束了山東省長期無自行車賽場的歷史,為提高山東省競技體育水平,改善訓練環(huán)境,提供了有力的支持。

日照自行車賽場位于日照新市區(qū)大學城——山東路與煙臺路交匯處,距“萬平口”海濱2 km。環(huán)境優(yōu)美,空氣清新,交通便利,地塊內地勢略有高差,場地開闊,適合于自行車賽車場的建設。

日照自行車賽場按照《國際自盟自行車賽車場驗收技術標準》比賽規(guī)定的標準尺寸進行設計,賽車場占地面積24 300 m2,建筑面積4 500 m2。設有可容2 000余觀眾的看臺,看臺下設置運動員、裁判員休息室、醫(yī)務室、興奮劑檢測室、貴賓室、會議室、場地管理辦公室等房屋。

賽車場平面長方向114 m,短方向88.5 m,其平面形式為復合式,中間盆地除草坪、花卉外,還有51 m長、26 m寬的場地,可用于籃球、排球和武術、摔跤等比賽活動,場內設有電動計時器2部。日照自行車賽場設計效果圖見圖1。

2 設計概況

自行車運動的競賽項目,是在專門供自行車訓練和比賽用的賽車場上進行的。當今,賽車場自行車運動水平之所以能迅速提高,除由于技術訓練的改進以外,與賽車場本身的建筑設計和質量關系很大。賽車場的場地根據(jù)封閉程度分為:自行車館、加有棚頂?shù)陌敕忾]賽車場以及露天賽車場3種。場地大小通常設計為250 m和333.33 m的跑道長度,賽車場的跑道為橢圓形、盆狀的設計結構,在跑道的下部設有占跑道寬度10%的放松道(藍區(qū))和供上道比賽的運動員、教練員以及裁判員使用的安全區(qū)域。在≥250 m的場地上,安全區(qū)域總寬度不得小于4 m,在藍區(qū)外延20 cm處有5 cm寬的黑線為測量線,場地的大小是以測量線來測定的。測量線外延70 cm處有5 cm寬的紅線為快速騎行線,從場地內沿算起,在場地總寬度的1/3處的藍線稱為摩托領騎線,在計時臺前,由中間4 cm寬黑線和兩邊34 cm寬的白線組成的寬帶為終點線,在直道中央位置的紅線為追逐線,在終點線前200 m的白線為200 m計時起點線[1]。

圖1 日照自行車賽場設計效果圖

賽車場自行車運動由于是在一個特殊的跑道上進行,速度很高,目前國際上自行車賽場要求設計速度為:單純自行車比賽時65～75 km/h,摩托引導時達70～90 km/h,單純摩托比賽不超過110 km/h[11],這樣的高速行駛中運動員在封閉式的跑道上不斷改變方向,因而對設計來說,在一定的條件下,如何使跑道設計符合這一運動的客觀要求,力求創(chuàng)造最優(yōu)成績,涉及到運動學、動力學和靜力學的研究,設計技術參數(shù)的確定和設計質量好壞直接影響日常訓練和比賽成績[3]。為此,前期設計中本項目設計人員多次赴南京(體院)、上海、北京等地的自行車賽場實地考察研究,通過走訪教練員、運動員獲得第一手資料,聽取他們的意見,在參考大量國內有關資料的基礎上,對工程的設計進行了以下新的嘗試。

2.1 跑道形式

賽車場按照《國際自盟自行車賽車場驗收技術標準》比賽規(guī)定的標準尺寸進行設計,對于平面形式,國際上大多采用復合式,其優(yōu)點是當運動員高速由直線段轉入曲線段時有一條緩和曲線作為過渡,使運動員在跑道上沿著一條軌跡騎行,不斷改變重心達到力學平衡,在速度較高的情況下是比較理想的一種形式[11]。

日照自行車賽場是這樣一種復合式的平面形式:跑道設計為一近似馬鞍形復合環(huán)狀空間曲面,由直線段(2個),圓曲線段(2個),緩和曲線段(4個)組成(圖2),其設計參數(shù)按運動學原理(即確定賽車運動中的重心曲線,包括平面線型計算和按75 km/h的車速確定跑道橫坡)和動力學原理(即不同位置在運動中各種力之間的平衡條件)確定[1]。跑道周長采用250 m的規(guī)格,寬度為8 m,具有兩排平行的直線賽道,與兩端半圓型賽道相結合,用緩和曲線過渡。

考察南京、上海已有自行車賽場了解到,由于直線段較長,緩和曲線段較短,運動員普遍感到當直線段進入圓曲線和圓曲線進入直線段時,往往產生搖擺或向里壓把的感覺,影響速度[2]。因此,設計時為了解決好這一問題,經(jīng)過多個方案的計算比較,繪出平面曲線圖,再征求運動員、教練員意見進行研究,最終確定將直線段縮短,適當加長緩和曲線長度。這一改變,消除了運動員由直線馳向大坡度的曲線段時產生的陡突感覺(圖3),同時在放松道外沿設置寬4 m的保護帶,以加大安全系數(shù)。

2.2 跑道的最大坡度

賽車場跑道的坡度主要指圓曲線部分的最大坡度,坡度主要由圓曲線的半徑和自行車騎行的最高速度來決定。國際自行車聯(lián)合會規(guī)定單純自行車賽場的場地速度按65～75 km/h計算,當速度確定之后圓半徑愈大坡度愈小(但圓半徑過大直線段就相應要縮短),運動員起跑速度由零達到進入彎道時的速度有一定困難。目前國際上的幾個賽車場,如西班牙巴塞羅那賽車場周長250 m,坡度為41°21′16″,韓城奧林匹克賽車場周長333.33 m,坡度為38°44′05″[1]。從南京、上?？疾斓那闆r來看,在實際使用中運動員要達到設計最高速度75 km/h比較困難,不能充分發(fā)揮運動員騎行水平,坡度較小是其中一個因素。針對這一情況,日照自行車賽場經(jīng)過計算設計,將賽道直線段橫向坡度適當加大,弧線段橫向坡度加大到40°,圓弧段半徑亦加大到22.5 m,賽道直線段橫向傾角12°(圖4),這樣最高速度可達78 km/h,經(jīng)過比賽鑒定,不但運動員可以充分地發(fā)揮其水平,而且還有一定的潛力。

2.3 跑道構造

跑道尺寸是跑道曲面的建筑尺寸,跑道以計算機模擬坐標表為準,測量線尺寸確保在250 m+15 mm范圍內[5],各部分連接自然圓滑,使其符合跑道使用要求。

跑道的平整度是賽車場工程質量的核心,跑道面層要求平整、耐磨、不能起砂,如在跑道面上有起砂現(xiàn)象則自行車輪胎極易爆炸[6]。為了達到以上要求,日照自行車賽場根據(jù)場地現(xiàn)實條件采用鋼筋混凝土架空跑道,為了增加跑道的平整度,首先對跑道的結構進行了改變,把跑道板全部擱置于一個整體梁架上,使其充分平整。

圖2 賽場平面(單位:mm)

自行車賽場跑道面層目前世界其他國家有用木質面層,但要求木材不變形且在跑道上部要有防雨設施,造價高很多。另一種就是日照自行車賽場采用的混凝土基層水泥砂漿抹面,這種做法可以露天且經(jīng)濟,但在跑道面上需要設置大量的溫度伸縮縫,這是因為混凝土中含水量的變化而導致的收縮發(fā)生。為了防止出現(xiàn)不均勻沉降和裂縫,控制濕度收縮和防止彎道部分的水平推力所造成的變形影響,設計在賽道板采用高強度等級鋼纖維混凝土,從而消除賽道板龜裂現(xiàn)象,且在混凝土跑道上每2跨留10 mm伸縮縫,硅橡膠嵌縫,跑道面層材料為50 mm厚鋼纖維混凝土上鋪20 mm厚石英砂漿面層。

圖3 加長緩和曲線長度消除騎行時陡突感覺

圖4 賽道斷面分區(qū)示意圖(單位:mm)

2.4 跑道面層與自行車輪胎的動摩擦系數(shù)確定

速度問題的分析是日照自行車賽場設計的重點內容,但在實際使用中運動員能否達到設計最高速度并能安全騎行,確與跑道動摩擦系數(shù)的(跑道面層與自行車輪胎的動摩擦系數(shù))取值有直接關系[9]。

經(jīng)考察,北京自行車賽場曾委托北京大學力學系測定跑道面層與自行車輪胎的動摩擦系數(shù),并建立了車速與動摩擦系數(shù)、轉彎半徑及坡度角的函數(shù)式,日照自行車賽場是在參照北京賽車場跑道動摩擦系數(shù)基礎上進行速度計算和分析的。

賽車通過最大坡度區(qū)時,不發(fā)生滑動的條件[10]:高速時不甩出

低速時不下滑

式中 R——賽道轉彎半徑;

a——坡度角;

g——9.8 m/s2;

u——自行車輪胎與賽道側向動摩擦系數(shù)。當動摩擦系數(shù)取0.602～0.691(北京賽車場的測定值)時,最大速度為91.224～102.011 km/h,這不僅滿足了單純自行車比賽時最高設計速度75 km/h的安全騎行,而且能滿足摩托引導時在高達90 km/h的速度下不被甩出的條件,最終由日照自行車賽場工程指揮部、山東省體育局組織專家進行審定:日照自行車賽場跑道動摩擦系數(shù)取0.668(即速度為98.994 km/h)。

日照自行車賽場在施工賽道面層前,按操作工藝做成試塊[7],經(jīng)測定,當試塊達到賽道與自行車輪胎動摩擦系數(shù)具有0.602～0.691的要求后,方可按確定值的配方進行跑道面層的施工。

2.5 看臺設計與視線分析

日照自行車賽場比賽是在一個環(huán)形的空間曲面結構的跑道上騎行,跑道的長軸兩端是一個具有40°坡度的迂旋坡道,因而看臺只有在兩個直線段設置才能使觀眾獲得良好的視線。由于跑道進入緩和曲線后跑道外緣逐漸升高,因此看臺的視線設計必須分段計算,但又必須有一個完整的看臺。其第一臺階的高度按下式計算

y=D(h-f)/(a+b)

式中 y——所求第一臺的高度;

D——每排座位的縱深,取0.75 m;

h——從跑道內邊線高程±0.00處起標的圍欄高;

f——從內邊線高程到焦點(注視點)的垂直距離。取0.375 m;

a——跑道寬度(由計算線到外邊線);

b——圍欄厚度;視點取在計算線O上0.35 m處。

由于日照自行車比賽是在場內沿跑道高速騎行,對于觀眾來說希望連續(xù)性的觀看,所以要保證觀眾視線無阻C值取12 cm[8]。采取拆線數(shù)解法計算看臺剖面(圖5)。

看臺座位按無座椅設計,所以每人所占寬度可相應減少,每人占寬0.42 m,每臺縱深0.75 m,滿足使用要求。

圖5 賽車場剖面(單位:mm)

視線質量由于看臺較長在看臺兩端有局部范圍觀看比賽時約有1 s左右看不到運動員,其他視線基本良好。

2.6 跑道曲線的控制

自行車賽場跑道的坐標控制,是保證跑道標準的關鍵問題[5]。日照自行車賽場跑道是由兩個平行的直線段,長軸兩端為半徑22.5 m的圓弧線,由直線段到圓弧線之間用4個緩和曲線相連接,跑道的里邊線是一個平面環(huán)狀,而跑道外邊線由于坡度的變化從直線到圓曲線用一條三次拋物線方程來確定[4]。由于緩和曲線的控制較為復雜,為了保證跑道的精度,設計上采用直角坐標控制,跑道的1/4范圍內共有控制點68點共計544個數(shù)據(jù)。

施工過程中為了確保尺寸準確,施工單位按設計提供的直角坐標控制放線外,又用極坐標進行了復核,在施工中設計人員經(jīng)常深入現(xiàn)場了解情況,隨時檢驗,發(fā)現(xiàn)問題及時解決,從平面曲線控制到空間曲面控制,都要求較為嚴格,施工單位隨時進行復核。在跑道全面完成后,經(jīng)實測,當氣溫在20℃左右條件下,周長250 m的跑道,誤差只超出15 mm,坡度完全準確,達到設計要求的標準。

通過跑道幾何尺寸的控制,要達到高標準首先設計上要有精密的準確計算,另外就是施工時的嚴格測量,操作上嚴格要求,對于控制方法,直角坐標控制是比較準確的,但是測量時比較復雜,控制不好容易出現(xiàn)誤差,對施工測量要求極高,極坐標控制是比較簡單的方法[5],為了更好地保證質量加快施工進度,更簡易可行的控制方法,有待進一步研究。

2.7 場內排水

自行車賽場由于特定的形狀,從內部來看好像一個大的盆子一樣,南京賽車場看臺和跑道緊緊相連,場內只有4個下水口,所以到雨季時,看臺和跑道的雨水全部集中在場內,對場地影響很大。針對這一情況,設計時看臺與跑道分隔并保持一定距離,這樣不但保證了運動員的安全,不受場外觀眾影響,而且排水系統(tǒng)得到很大的改善。日照自行車賽場采取分而治之的辦法,東西看臺自成一排水系統(tǒng),場內按環(huán)狀布置排水溝,在跑道里邊緣有1圈水溝,內場周圍做1圈暗溝,用下水管道排至場外,接入城市下水管網(wǎng),通過雨季觀察效果良好。為了在施工中排水通暢,在施工時首先完成內圈排水溝及地下排水管溝,從而保證了工程質量。

3 實際使用情況

日照自行車賽場由于克服了南京等賽車場存在的問題,教練員和運動員騎行時感覺良好,有充分發(fā)揮水平的潛力,造型設計上結合場地特征,反復采用了圓形和弧線形曲線,使其具有強烈的個性和可識別性,賽場和看臺、局部和總體相互呼應,渾然一體,新穎別致又較好地體現(xiàn)了自行車運動的特點,成為地域標志性建筑(圖6)。

日照自行車競賽場先后成功舉辦了2005年全國殘疾人自行車錦標賽、全國場地自行車冠軍賽和2006年全國場地自行車冠軍賽(第一站、第二站)。

經(jīng)過多年尤其是全國性場地自行車比賽的考驗,證明日照自行車賽場各項性能指標達到國內先進水平,驗證了設計確定的各種參數(shù)取值的正確性,在這里訓練、比賽過的自行車運動員、教練員普遍反映,賽車場跑道平整光潔、穩(wěn)定舒坦,騎行時感覺良好,是運動員較為理想的訓練場地。

[1] 建筑設計資料集:第7集[M]2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994.

[2] 孫振華.上海體育建筑[M].上海:同濟大學出版社,2000:60 -61.

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[4] 趙碧寶,楊斌,陸彪,王崇明.云南自行車賽場跑道施工技術[J].施工技術,2003(5):55-57.

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[11]山西省建筑設計院.山西自行車賽車場設計介紹[Z].太原:山西省建筑設計院,1990.

Design and Research on a Velodrome for Bicycle Racing

WANG Tong-zhe
(Jinan Design Institute,China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Jinan 250022,China)

In this paper,the project of Rizhao Velodrome for bicycle racing was taken as an example. The paper analyzed and expounded relevant factors,including the racetrack type of the velodrome,the maximum slop of the racetrack,the racetrack structure,the dynamic friction coefficient of racetrack surface layer,the sight line of the stands,the control of racetrack curve.The paper also discussed how to design a velodrome for bicycle racing.As a result,this velodrome had undertaken some of national bicycle racings for many years successfully,and this proves the correctness of design technical parameters of this velodrome.This research can serve as reference for the design of similar project in future.

velodrome for bicycle racing;architecture design;structure design

TU245.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.027

1004-2954(2014)04-0115-05

2013-07-19;

2013-08-16

王彤哲(1963—),女,工程師,E-mail:wangtongzhe@ sina.com。