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转载:曾群:世博主题馆生态节能设计
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设计上融合了老上海弄堂建筑元素,馆的造型围绕“里弄”“城市屋面肌理”的构思,屋顶借鉴石库门“老虎窗”正面开、背面斜坡的特点,展示上海的里弄特色。除屋顶设计外,整个建筑造型运用了“折纸”造型,形成了二维平面到三维空间的立体建构。@曾群的围脖
来源:建设科技

来源:《建设科技》(2010年10月)

主题馆是世博会“一轴四馆”核心建筑群的重要组成部分。世博会后,主题馆将转变为标准展览场馆,与周边建筑共同打造以展览、会议、活动和住宿为主的现代服务业聚集区。

世博主题馆建筑高度约27.7米,为亚洲最大的大跨度无柱钢结构建筑。在世博会期间承担演绎、展示主题的重任,着重反映当今世界快速城市化和城市人口加速增长的背景下,地球、城市、人三个有机系统之间的关联和互动状态,揭示如何创造更美好的城市和更美好的生活。世博会后,主题馆将转变为标准展览场馆,将弥补上海5万平方米至10万平方米展馆缺口。

科技看点一:共设立四个展馆,其中西侧展馆为2.4万㎡无柱空间,建筑跨度达到180米×126米,最低净高14米,东侧展馆为地上两层展厅,各有1.7万㎡,地下室另有1万㎡展厅。世博会期间,地上展厅分别演绎“城市人”“城市地球”“城市生命”三个大型主题展览。

科技看点二:设计上融合了老上海弄堂建筑元素,馆的造型围绕“里弄”“城市屋面肌理”的构思,屋顶借鉴石库门“老虎窗”正面开、背面斜坡的特点,展示上海的里弄特色。除屋顶设计外,整个建筑造型运用了“折纸”造型,形成了二维平面到三维空间的立体建构。

科技看点三:主题馆二三号展厅南北跨180米,东西跨126米,为矩形超大跨度无柱空间,相当于3个标准足球场大小,其双向大跨度为亚洲最大。2.5万㎡、14米净高的无柱空间,既符合了世博会的布展要求,也有利于世博会后举办各类展览和活动。屋面采用大跨张弦钢桁架的结构形式,共9榀,跨度为126米,间距18米,上弦为三角管桁架,下弦索采用两根高强钢丝束索。如此大跨度的双弦张拉桁架,目前在国内最大。

科技看点四:屋面上设计了一定比例的天窗作为展厅中部的自然采光,还在空间格局上尽量利用自然采光通风。展馆布置南北通透,侧采光天窗上还设计了部分开启扇,增加自然通风的作用,达到良好的节能效果。主题馆展览空间体量巨大,根据使用需求和功能分区采用不同的空调系统设计。同时,主题馆大尺度的挑檐,用于遮挡夏季阳光的直射,起到节能降耗的效果。

科技看点五:主题馆屋面面积6万㎡,太阳能板面积达3万㎡。屋面2.825兆瓦太阳能光伏发电,为单体面积太阳能屋顶世界之最,每年减少二氧化碳排放量约2800吨。采用并网发电运行方式,将太阳能发电传回城市电网中。

科技看点六:屋面造型特殊,便于汇水。经雨水收集和处理设备过滤、沉淀,改善了雨水的品质,可用于场地绿化的灌溉或水景用等。

科技看点七:主题馆东西立面5000㎡的垂直生态绿墙为世界最大生态墙,能耗比常规玻璃幕墙降低40%左右。在夏季,生态墙可阻隔热辐射,并使外墙附近的温度降低;在冬季,生态墙既不影响墙面吸收太阳辐射热量,同时又可以起到保温层的作用,使周围的风速降低,延长外墙的使用寿命。

项目区位

主题馆项目位于上海世博会规划围栏区B片区世博轴西侧,紧邻轨道交通8号线浦东周家渡站和磁悬浮世博园站。设计控制范围北起北环路,南v至南环路,西起园二路,东至园三路,用地面积为11.5公顷(约172亩)。

概况

主题馆建筑东西总长约300米,南北总宽约200米,地面二层,地下一层,总建筑面积15.3万㎡,建筑主结构高度23.7米。整个建筑由地面一、二、三、四号展厅、地下展厅和多功能中庭以及配套附属用房组成。

主题馆沿中轴线设置一条贯通基地南北的多功能中庭空间,联系南北广场,沿中庭左右两侧布置各展厅。一号和二、三号展厅平行排列于主轴线多功能中庭的东西二侧,其中西侧二、三号展厅为单层展厅,东侧一层二层分别布置一号、四号展厅,下设地下展厅。一号展厅建筑面积17030㎡,荷载2吨/㎡;二、三号展厅建筑面积为24160㎡,荷载3.5吨/㎡;四号展厅建筑面积17350㎡,荷载1.2吨/㎡。地下层展厅建筑面积12000㎡,荷载1吨/㎡。

设计理念

主题馆将为世博会主题展示提供相应的空间条件,属于大型展览建筑,具有特殊的功能空间需求。服务于世博会、服务于会后功能转换以及与功能结合的可行性是主题馆设计的核心指导思想。

1、里弄肌理与屋面

主题馆大尺度展厅空间的功能特点决定了其占地大、高度底、集中紧凑的体量特征。我们在总体布局上采用规整的矩形体量,突出展示建筑功能性优先的原则,在造型着重表现展览建筑整体大气而富有韵律的特征。

主题馆屋面总面积达6万㎡,在世博核心区中最为庞大,这个远远大于其他建筑的巨大屋面激发我们要寻找一种特殊的形式来展现其鲜明的特质。我们从上海的里弄屋顶得到灵感。里弄住宅区极富韵律感的屋顶是上海城市激励中最具美感和历史感的元素。均匀排列的坡顶、虚实相间的天井、错落有致的老虎窗,我们将这些“里弄肌理”提炼到主题馆屋面中来。主题馆屋面设计为折线形屋面,利于大面积屋面的分区排水;在屋面设置水平支撑,将太阳能光电板与屋面结构一体化集成,形成单元式有韵律的菱形构图;在屋面有规律的设置若干三角形采光天窗。这个抽象意念——具象形态的过程既解决了大型展览空间的功能要求,也满足了总体规划对于高度的限制,还在第五立面构成了既具功能性但富有立体层次的造型,从而将超大尺度的屋面形成了类似城市纵横交错,凹凸起伏的肌理效果,展现了上海这一传统城市空间的独特风情。

2、出檐深远

中国传统木构建筑主要的特征之一是“出檐深远”的挑檐空间,这种灰空间除了给人们的活动提供遮风避雨的方便外,还是室内外充分交流的场所。而主题馆作为大型展览建筑,人流大量集中、功能活动丰富灵活的场所,非常有必要提供舒适的室外等候、休息以及辅助展览的空间,以适应各种气候条件下的活动。主题馆设计借鉴中国古建“出檐深远”的特点,在南北立面主要出入口和等待区设置了大挑檐,挑檐出挑深度达到18米,结合精心设计的“人”字形钢结构立柱序列形成了主题馆独具特色的人性化空间——既为参观者遮阳挡雨,又能有效遮挡夏季阳光对建筑南立面外墙的直射,以达到节能的目的。

世博会会间功能

“城市人”馆、“城市生命”馆、“城市星球” 馆是整个世博园区最为核心也是展示面积空间体量最大的三大展示区单层展区面积需求均超过1万㎡,空间高度需求在14米以上,除了基本的建筑空间和辅助功能需求外,结构设备都必须考虑“馆中馆”大型工程建设的特殊需求,同时,主题馆作为永久性场馆,世博会后将转变成为大型标准展馆,需提供2.5万平米无柱大空间和总面积近8万平米的展厅面积。上述双重需求背景决定了主题馆设计功能优先、弹性灵活的空间特点。

世博会会后功能

世博会后,主题馆将转变为标准展览场馆,与周边中国馆、星级酒店、世博中心、世博轴和演艺中心共同打造以展览、会议、活动和住宿为主的现代服务业聚集区。主题馆提供2.5万平米无柱大空间和总面积近8万平米的展厅面积,满足多功能大型活动,也是上海都市多样化城市生活的大舞台,它将以超大尺度的空间、精彩多样的活动迎接来访客人、成为充满上海城市情怀和内在张力的“都市客厅”。

生态节能亮点

1、节地与室外环境

主题馆设计在节地及室外环境方面的技术措施主要包括以下几个方面:地下室空间的利用、透水地面、垂直绿化墙面与景观绿化的结合。

地下空间的利用:世博会主题展示的需求特点是面积大、净空高、人流量大,同时,最初规划高度控制为20米,因此,主题馆将层数设计控制在世博会期间单层使用、世博会后两层(东侧展厅会后加建),共形成东侧一号展厅,西侧二号,三号展厅,东侧二层四号展厅(会后)。为了更好地开发展厅空间潜力,主题馆设计了5万多㎡的地下空间,将大量后勤办公辅助用房安排到地下空间,其中包括展厅11906㎡、会议区3993㎡、后勤办公区2021㎡、设备区3120㎡、地下层和地下夹层停车库16936㎡。同时在东北角设置达5千㎡的下沉广场,改善地下空间的采光通风和人员疏散。地下空间北侧与人防空间(会间功能为世博辅助功能区)相连通、往东与世博轴地下车库联系,从而形成与地铁8号线、世博轴、中国馆的整体地下空间开发利用。

透水地面:主题馆外场硬地分为车行道路、室外展场、人行广场和绿化步行道。场地景观设计中道路展场(21883㎡)选用排水沥青路面、绿化步行道(610㎡)选用透水砖,占总路面的49.7% ,路面透水性良好,雨天路面基本无水。

垂直绿化墙面与景观绿化:绿化隔热外墙利用绿化在夏季阻隔辐射,并使外墙表面附近的空气温度降低,降低传导和渗风得热;同时在冬季既不影响墙面得到太阳辐射热,同时形成保温层,使风速降低,延长外墙的使用寿命。而新型保温节能外围护体系恰恰是大型公共建筑生态节能设计中的倡导重点。主题馆沿建筑东西立面设计的垂直绿化墙面,单面长190米,高26.3米,总绿化面积接近5000平方米。墙面采用了由金属结构、金属种植面板、种植土、绿化植物和滴灌系统组成的与建筑外幕墙一体化的垂直绿化墙面系统,形式选用了可回收PVC塑料模块灌木式,并在模块后方设置养护通道,设计利用绿化与内侧墙面间的通风通道,每个立面在绿化墙内侧设置3道检修马道,分别位于标高6米、12米、16.8米处,检修马道间以爬梯相连。绿化模块作为建筑构件的一部分,挂接在幕墙结构上(为装饰、结构一体化构件),与建筑立面形态更加吻合。形态上,垂直绿化墙面系统的支撑龙骨与屋面菱形肌理相呼应,整个墙面用菱形单元绿化中不同植物搭配,构图形成“节日焰火”的城市意向。通过在立面上布满菱形网格,形成背景再再选用4种(红叶石楠、亮叶忍冬、金叶六道木、花叶络石)由深至浅的耐旱、耐寒常绿小灌木模块被从下往上依次嵌入菱形网格中,最下面的网格被全部铺满,越往上越稀少,直到最上方直接露出菱形网格。同时,模块摆放的角度向外偏20度,保证植物生长出绿叶能将模块覆盖。

主题馆场地绿化采用草坪、灌木和乔木结合的立体布置方式,草种选用禾本科结缕草属中的天鹅绒(细叶结缕草)和马尼拉结缕草;绿篱灌木选用小叶黄杨、法国冬青、金叶女贞、椤木石楠等;乔木均采用胸径40厘米以上的香樟、银杏。

2、节能与能源利用

主题馆设计在节能与能源利用方面技术措施特点包括体形系数控制、建筑遮阳以及光伏建筑一体化屋面。

体形系数控制:主题馆东西总长约300米,南北总宽约200米,采用了简洁常规的矩形体量。

在满足基本功能前提下尽量减少体形变化和外围护面积,体形系数计算值为0.1。

建筑遮阳:主题馆作为大型展览建筑,是参观人流大量集中、功能活动丰富灵活的场所,为了适应各种气候条件下的布展活动,提供舒适的半室外等候、休息以及辅助展览活动空间是重要的设计目标。主题馆形体设计借鉴中国古建“出檐深远”的特点,在南北方向均设主要出入口和等待区,相应地在南北设计大挑檐,形成展厅与室外环境相连的灰空间,从而更利于塑造人性化功能空间和节能型生态体量。主题馆挑檐出挑深度达到近18米,结合精心设计的“人”字形钢结构立柱序列形成了正常街景视角下主题馆最具特色的空间特征——大挑檐,既为参观者遮阳挡雨,又能有效遮挡夏季阳光对建筑南立面外墙的直射,形成良好的遮阳效果,以达到节能的目的。而东西立面通过垂直绿化墙面,更是具有良好的遮阳效果。

光伏建筑一体化屋面:2010年上海世博会在“城市,让生活更美好”的主题下,将在清洁能源利用方面体现先进性和导向性。太阳能无疑是可再生能源在城市中应用的主导力量。主题馆建筑屋面长约300米,南北总宽约200米,屋顶面积达到近6万㎡,屋面造型结合水平向太阳能板和折板式屋面,提炼上海城市里弄的概念用菱形主题进行演绎,同时将屋面采光天窗结合到屋面肌理中,面积达3.11万㎡太阳能板总发电量达到2.8兆瓦,年发电量可达284万度,每年减少CO2排放量约2500吨。

主题馆屋面光伏建筑一体化设计主要解决了荷载、防水、维护、造型、系统集成五大核心问题。屋面总体设计思路是将太阳能光伏组件处理为装饰面,与防水保温功能性钢屋面分离。主题馆屋面为大跨度钢结构体系,太阳能光伏组件的支架位于金属屋面之上,设计将支架主结构立柱局部穿透金属屋面落于屋面主桁架结构上,将太阳能支架与屋面主结构进行刚性连接,保证了结构体系的稳定性和安全性。支架立柱穿越金属屋面处立柱与钢屋面采用抗老化材料柔性柱帽(得泰盖片)连接,既解决光伏组件支架与钢屋面结构得微弱变形,也利于防水;主题馆屋面另隐蔽设喷头,用于光伏组件日常维护、清洗、降温等并专门设置屋面检修通道和参观通道。

太阳能组件在屋面呈菱形均匀布置,在中庭上空组件为底部可见,经过数十种组件类型、大小、间距的比较设计将深蓝色反光的太阳能电池板作为一种全新的材料、全新的肌理出现在整个建筑材料体系中并和谐融入建筑外观。

3、节水与水资源利用

主题馆中的节水及水资源利用措施主要包括:采用节水设备器具和雨水回收利用。

节水设备器具:主题馆供水系统竖向分两区,地下室、一层和一层夹层由市政直接供给,二层采用智能箱式泵站变频供水,以充分利用市政压力,地下车库、室外道路、绿化浇灌及水景补水由雨水回收处理后由变频装置供给;生活变频泵选用高效、节能型水泵;公共卫生间采用感应式卫生洁具;坐便器采用容积为6L的冲洗水箱(可节约用水1/3)。

雨水回收利用:主题馆屋面约6万平米并设计雨水回收系统,收集约占1/4屋面的1.4万㎡的屋面雨水,处理工艺为:屋面雨水-雨水收集池(预沉淀及调节)-加药混凝-过滤器-杂用水清水池-用水点;室外绿化地面设雨水收集池300m³ 。其中用水点包括屋面清洗、地下车库、室外道路、垂直绿化微灌和地面景观绿化喷灌及水景补水。

4、节材与材料资源利用

主题馆中节材与材料资源利用措施主要有使用可回收材料使用和废弃材料再利用。

可回收材料:主题馆地上主体结构采用钢框架结构,框架柱为箱形截面,局部设置柱间竖向支撑;东西展厅屋面结构采用了单层大跨张弦钢桁架结构,东展厅楼面结构采用双向平面钢桁架形式;屋面维护结构采用铝镁锰合金板+保温+铝镁锰合金板+钢结构檩条+铝合金穿孔吊顶;南北立面采用中空玻璃幕墙+压花不锈钢板;东西立面采用垂直绿化+镀铝锌彩钢板+YTONG砌块(磨细石英砂+水泥+石灰+石膏);内隔墙均采用YTONG砌块和轻钢龙骨+保全防火板以及成品玻璃隔断。另外主题馆室内外装饰还大量采用了如铝蜂窝板、水泥木丝板、木塑复合材料等绿色建筑材料。

废弃材料再利用: 主题馆废弃材料再利用的亮点设计主要体现在将外墙压花不锈钢板切割后的边角余料经设计整合运用到室内装饰中,代替大量室内装饰材料。从采光和形式出发,主题馆南北立面的压花不锈钢板上开方孔,其尺寸从下至上依次减小,切割出的方型不锈钢板共4108块,经过造型组合设计,它们大部分用在了室内地下中庭西立面和南立面的装饰面层,面积共计1410㎡,其中部分最小尺寸200毫米X200毫米的不锈钢方片经过设计,用在了特殊设计的照明灯具上。

5、室内环境质量

主题馆室内环境质量设计措施包括自然采光、自然通风设计、大空间气流组织。

自然采光:主题馆功能空间主要为展厅和公共中庭,其中展厅进行展览时都需进行人工照明设计,对自然光需求小甚至一些光电展示需要遮光处理;但是作为会后多功能使用包括展览布展期间,自然光具有不可替代的优越性而且节能;主题馆展厅空间横纵跨都在100米以上,仅靠立面采光远远不够,因此,在屋面上结合太阳能板的空缺处适当设置了10处采光天窗,增加室内纵深范围的自然补光;同时在南北侧立面上选用釉点印刷玻璃和不锈钢板开孔处理,侧面采光从上至下递增,配合展厅天窗,形成相对均匀的室内空间自然光环境。

中庭的自然光主要依靠半透太阳能组件板+屋面透明玻璃顶棚+漫反射遮阳膜形成均匀的自然光,正常天气状况下日间照度完全可满足功能需求。

地下展厅的北面是下沉广场,东面也有疏散通道并设置采光通风井,尽可能最大限度地提供了自然光线。

自然通风:主题馆展厅内通过大量外门、侧立面外窗和屋面自动排烟天窗可以形成良好的自然通风环境。以西展厅为例,展厅南北两侧各开有4扇4.2米X4.4米的外门,西侧开有五组5米X4.5~6米的外门;南北立面12米高处设14组长3米,高2米的窗带;顶面沿主桁架设9条贯穿东西跨的自动排烟天窗。

大空间气流组织:主题馆西展厅由二、三号展厅组成,整个西展厅建筑面积2.5万㎡(相当于3个标准足球场大小),净高14米至21米,南北跨180米,东西跨126米,为矩形超大跨度无柱空间。通常展厅的空调送风会采用下送风、顶送风或侧送风三种方案,设计综合考虑顶篷结构、布展的灵活性、项目造价、施工难度和节能性,采用了喷口侧送分层空调方案。由于西展厅南北两侧为玻璃幕墙,因此将风口布置在东西两侧进行送风。西展厅的东西两侧跨度有126米,采用两侧对喷的话,每一侧的风口至少要送60米的距离,这在国内项目中尚属首例。为此主题馆项目组特地邀请了喷口技术上处于国际领先的德国妥思公司进行了详细的计算,最后决定采用可调型远程投射喷口进行送风。该喷口可根据冬夏不同工况电动调节送风角度,喷口内胆为动力抛物线形,射程远,气流诱导比在远端最高可达到84次,保证了室内空气的充分混合冷却。为了进一步保证如此长跨度上的不同展位间的温度均匀,采用了双层送风。高层喷口布置在16.7米高度,负责60米距离处的送风,下层喷口布置在5米高度处,负责30米范围内的送风,回风口布置在送风口下方,即同侧送同侧回,人员在回流区活动,如此保证了人员活动区的温度场和速度场都能在舒适的范围内,也避免了世博会结束后不同的展位布置而造成的温度不均匀。为了进一步论证方案的可行性,项目组还进行了CFD模拟,经计算这种方案具备良好的可行性。

6、运营管理

现代绿色建筑全生命周期包括运营管理阶段,此阶段也是绿色建筑设计的实际运行检验。主题馆内所采用的机电设备、通信设备和办公自动化设备的种类繁多,是能源消耗的主要运行项目,主题馆运营管理设计措施包括了空调智能化系统、给排水智能化系统和照明、能源智能化系统、生活垃圾气体管道输送系统。

空调智能化系统:空调系统的智能化运营管理的主要方式是实现空调系统的监视与自主控制调节。主题馆空调系统的智能化设计措施包括冷水机组、热力站、送排风系统及变风量末端。①主题馆空调系统智能化设计措施中在建筑各区域设置的温度、湿度感应末端,提高室内温度、湿度控制精度,在设定精度范围内保障了空调节能。②主题馆空调系统智能化控制通过对空调设备的最佳启停时间的计算和控制,可以在保证环境舒适的前提下,缩短不必要的空调启停宽容时间,达到节能的目的;同时在预冷、预热时,自动控制关闭室外新风阀,不但可以减少设备容量,而且可以减少获取新风而带来冷却或加热的能量消耗。③主题馆空调系统设计考虑了水系统平衡与高效变流量管理,通过空调系统智能化控制,动态调整设备运行,可以有效地减少由于暖通设计时的设备容量动力冗余,从而减少之一和能源的消耗。

给排水智能化系统:主题馆给排水系统设计采用了智能箱式泵站系统,利用智能化控制系统根据各用水单位的用水量、所需的扬程和水箱贮水量等情况自动调整水泵设备的开起和关闭及运行频率,使得在满足用水需求的情况下水泵设备始终处于最合适工况,减少不必要的电能消耗;而排水智能化控制系统主要是根据雨水高低液位自动合理调整雨水泵的运行工况。照明、能源智能化系统:主题馆照明设计针对展厅、公共场所、会议区等不同使用空间采取了相应的智能照明设计措施:在展厅空间设置专业照明控制系统,根据使用及功能要求达到分组、分区、时段、管理模式等进行有效的场景和节能控制,并且与BAS联网;公共区域及车库照明由楼宇设备自控管理系统(BAS)进行控制,达到分组、分区、分时段等进行节能控制;会议区设置专业灯光控制系统,根据会议要求`对舞台灯光进行调光控制。

另外,主题馆电气系统设计设置了楼宇设备自控管理系统(BAS)对空调设备、水泵、各类风机及其他用电设备进行能量自动控制、自动调节、实时监察、自动计量,以实现最优化运行,达到集中管理、程序控制和节约能源等目的;同时设置电力能源管理系统(EMS),通过各种电气设备的接口及模块装置,用计算机对电力系统的各类参数进行监控和管理,以达到节能及优化运行的目的,并且与BAS联网。

生活垃圾气体管道输送系统:主题馆和世博轴、中国馆、世博中心、演艺中心构成的“一轴四馆”核心区设置了一套国内最大的垃圾气力输送系统。主题馆场馆内、外场地均分别设置有垃圾收集间和垃圾投放口并按可回收和不可回收分类,运送速度可达60米/秒。满足运营管理指标要求“制定垃圾管理制度,对废品进行分类收集;设置密闭的垃圾容器,并有严格的保洁清洗措施,生活垃圾袋装化存放;垃圾站存放垃圾及时清运,不污染环境,不散发臭味;垃圾分类收集率达90%以上。”

本版图片均为资料图片

 

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曾群——同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司副总裁/集团副总建筑师/教授级高级建筑师
同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司副总裁,集团...
2013.04.10
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