基于BIM的可持續(xù)設(shè)計在黑瞎子島植物園項目中的創(chuàng)新實踐

蘇 昶 王萬平 蘇 駿

(1.上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041;2.上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(集團(tuán))有限公司，上海 200041)

1 工程概況

黑瞎子島植物園位于中俄邊境的黑龍江省撫遠(yuǎn)縣黑瞎子主島上，黑瞎子島位于中國最東方(圖1)，于2008年正式回歸，具有重要的戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)等方面的地位，作為黑瞎子島戰(zhàn)略性開發(fā)的第一步——黑瞎子島植物園，是首個在島上興建的民用公共建筑。

圖1 黑瞎子島地理位置

2 建筑形態(tài)的優(yōu)化處理

黑瞎子島植物園(圖2)取寓于東方升起的太陽，內(nèi)院呈環(huán)抱東方之勢，內(nèi)部引入環(huán)境水系，整體為橢球體局部，形態(tài)完整。植物園地上部分為半徑75m的圓，內(nèi)院呈曲線狀;建筑最高點為20m。建筑造型新穎，具有一定的不規(guī)則性。

圖2 黑瞎子島植物園

通過對方案造型的分析，此類造型容易遇到曲面收斂點問題。如果曲面結(jié)構(gòu)不合理，不僅造型光滑度受損影響視覺感官，而且曲面收斂點位置往往也是應(yīng)力集中突變的區(qū)域(圖3)，處理不好到了施工安裝環(huán)節(jié)甚至?xí)苯訉?dǎo)致預(yù)制件加工失敗。

結(jié)構(gòu)工程師同時也認(rèn)為單層網(wǎng)殼計算除滿足規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度、剛度計算外，還需要驗算網(wǎng)殼的穩(wěn)定性。網(wǎng)殼的靠橢球表面中心部分較為平坦，因而很難形成很好的拱度。對于單層網(wǎng)殼、整體穩(wěn)定計算起到控制作用。同時也是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點和難點。

為了找到一條既符合建筑美學(xué)又滿足結(jié)構(gòu)合理性的網(wǎng)殼基線，將確定曲線唯一性的變量設(shè)為運(yùn)算器的輸入條件，這樣建筑專業(yè)既可以繼續(xù)開展諸如網(wǎng)殼表皮細(xì)分、室內(nèi)外空間規(guī)劃等深化設(shè)計工作，結(jié)構(gòu)專業(yè)也可在Midas中導(dǎo)入BIM衍生的模型進(jìn)行諸如考慮幾何非線性的屈曲分析和在Ansys進(jìn)行同時考慮材料非線性和幾何非線性的屈曲分析。結(jié)構(gòu)計算所得的結(jié)果輸出后只需在運(yùn)算器中替換輸入條件就能實時地反饋在建筑深化模型上，便于理解和溝通(圖4，圖5)。最可貴的是借助BIM起到的橋梁作用，建筑和結(jié)構(gòu)兩個專業(yè)各自在原有工作上向前邁出一步，在這個過程中改變了以往相互反復(fù)等待對方提資的情況，由流水作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫凶鳂I(yè)，從而大大提高了效率。

圖5 體型優(yōu)化

3 網(wǎng)架構(gòu)造形式優(yōu)化

曲面表皮劃分無論使用何種方法都必須考慮曲面等參線的特點(圖6)。

圖6 曲面等參線

本項目會由于收斂點問題，在收斂點附近出現(xiàn)桿件排布過于緊密的情況(圖7)。設(shè)計師巧妙地將單體內(nèi)院立面做傾斜處理，形成相對獨立的內(nèi)院環(huán)境。這樣做的好處是既合理地組織流線，使這幅曲面幕墻成為室內(nèi)植物園的室外展示部分，而且可以將收斂點消失于造型外。

圖7 收斂點

再配合圖形算法編輯器生成不同的網(wǎng)架形式的供設(shè)計團(tuán)隊比較評估，選擇了結(jié)構(gòu)最為合理的網(wǎng)架形式。

圖8 殼體網(wǎng)架線框模型

4 日照輻射優(yōu)化

項目中之所以使用ETFE膜替代傳統(tǒng)玻璃幕墻的維護(hù)體系，主要出于植物對高透光性和保溫性的需要。設(shè)計師遵循以植物為本的指導(dǎo)思想，以植物需求定位建筑物的朝向，從而獲得充足的陽光。Ecotect是方案階段可持續(xù)設(shè)計最常用的定性分析軟件[5]。

但復(fù)雜建筑造型在跨環(huán)境交換下數(shù)據(jù)難免有損、計算網(wǎng)格劃分費(fèi)時費(fèi)力而且調(diào)整周期長。影響方案推敲的實用性。

為了更好地配合設(shè)計主業(yè)提升設(shè)計品質(zhì)，設(shè)計團(tuán)隊使用一種暫稱為“基于可持續(xù)設(shè)計的參數(shù)化找型”的BIM衍生技術(shù)(圖11)，即在造型環(huán)境下直接調(diào)取當(dāng)?shù)氐臍夂驍?shù)據(jù)，設(shè)定計算參數(shù)，自動生成計算網(wǎng)格，網(wǎng)殼表面每塊膜材的物理量能以顏色和數(shù)值隨建筑造型的調(diào)整實時更新反饋，甚至用這些反饋的物理量驅(qū)動建筑造型的自生長。

因而熱帶植物區(qū)和暖溫帶植物區(qū)就能設(shè)置在日照最充足的部位(圖11)，可操作性更強(qiáng)。建筑師更能從容拿捏感性和理性的平衡點。

圖11 基于可持續(xù)設(shè)計的參數(shù)化找形

5 室外風(fēng)環(huán)境優(yōu)化

黑瞎子島位于 E134°27'，N48°17'，海拔高度81.2m。結(jié)合CFD技術(shù)模擬計算室外風(fēng)環(huán)境，進(jìn)一步調(diào)整建筑朝向，從室外風(fēng)速矢量圖(圖12，13)來看，夏季主導(dǎo)西南風(fēng)，此時底部窗戶和ETFE膜同時開啟，引導(dǎo)空氣向室內(nèi)導(dǎo)風(fēng)，加強(qiáng)室內(nèi)自然通風(fēng)效果;建筑橢球體表面使得室外風(fēng)自然分流，繞建筑兩側(cè)前行，并在橢球中后部出現(xiàn)邊界層分離，兩股氣流交匯前行。整個建筑外部區(qū)域沒有出現(xiàn)大的旋渦和氣流死角，很好地避免了熱量堆積，及時將建筑外部余熱帶走，避免產(chǎn)生局部熱島效應(yīng);同時也避免了旋渦區(qū)域空氣停留聚集，加強(qiáng)了建筑外部通風(fēng)換氣，營造一個良好的室外風(fēng)環(huán)境。

6 室內(nèi)通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)優(yōu)化

展覽溫室是由人工控制的、展示生長在不同地域和氣候條件的植物及其生存環(huán)境的空間，而不同地域和氣候條件下的植物要求不同的生存環(huán)境。為此，采用空氣調(diào)節(jié)技術(shù)對展覽溫室內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，即通過科學(xué)技術(shù)手段，以空調(diào)、采暖、通風(fēng)等技術(shù)措施來模擬展覽植物原生長地的溫度、相對濕度、通風(fēng)狀況和CO2濃度，再造展覽植物的原長地生態(tài)環(huán)境，營造植物健康成長的室內(nèi)環(huán)境，同時保證全年公眾觀園游覽的舒適性。

在夏季和過度季節(jié)，采用可開啟ETFE膜進(jìn)行自然通風(fēng)，同時頂部適當(dāng)遮蔭，滿足夏季植物區(qū)降溫要求;在建筑下、中部設(shè)置可開啟側(cè)窗引風(fēng)，頂部天窗排風(fēng)，開窗面積為建筑面積14%，利用室內(nèi)外溫度差所造成的熱壓以及室外風(fēng)力所造成的風(fēng)壓來實現(xiàn)自然通風(fēng)換氣，這一過程不僅引入了大量室外新風(fēng)提高了室內(nèi)舒適程度，同時使室外風(fēng)通過溫室植物區(qū)，帶走溫室熱量，達(dá)到自然通風(fēng)降溫的目的，大大降低了建筑空調(diào)能耗。

從室內(nèi)Z=1.5m標(biāo)高平面自然通風(fēng)矢量圖來看，室外風(fēng)通過外窗和可開啟ETFE膜進(jìn)入室內(nèi)，外窗和可開啟ETFE膜起到很好地導(dǎo)風(fēng)作用，促使室外自然風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)各植物區(qū)，為植物呼吸帶來新鮮空氣的同時，帶走了室內(nèi)的熱量，使得植物處于一個適宜的熱濕風(fēng)環(huán)境下，保證植物的健康成長;同時，室內(nèi)各區(qū)域自然風(fēng)在各植物區(qū)域流動暢通，沒有出現(xiàn)大的旋渦和氣流死角，這樣很好地避免了污濁空氣和粉塵在房間內(nèi)聚集，及時將其排出室外，保證了植物區(qū)和人員活動區(qū)域的空氣品質(zhì)。

圖14 CFD模擬

展覽溫室是以熱帶、亞熱帶及其他具有特殊氣候或地域的植物種類為主要對象，根據(jù)植物生長需求，夏季植物區(qū)溫度保持35℃以下便可不影響其生長，所以從節(jié)約能源出發(fā)，并征詢有關(guān)植物學(xué)專家意見，溫室內(nèi)空調(diào)僅對人行道進(jìn)行局部區(qū)域空調(diào)，保證游人區(qū)域適當(dāng)?shù)氖孢m性。人行道空調(diào)送風(fēng)采用全新風(fēng)機(jī)器露點送風(fēng)，夏季新風(fēng)處理到溫度20℃。

1.5m高度是人體活動的重要范圍，其范圍內(nèi)的溫濕度直接關(guān)系到人體舒適，為此，此區(qū)域的風(fēng)速和溫度需要我們重點考慮。圖中給出了1.5m標(biāo)高處室內(nèi)溫度分布云圖，從圖中溫度分布來看，人體主要活動的道路范圍內(nèi)，溫度基本維持在23～26℃左右，這一范圍正好能滿足人體的舒適性需求;而道路兩側(cè)的溫度相對較高一些，平均約為28～30℃左右，這一溫度范圍也是植物生產(chǎn)需求的合適溫度區(qū)域。

從溫度分布云圖可以看出，路面下送風(fēng)形式僅僅對溫室內(nèi)人體活動的小部分范圍(道路)進(jìn)行局部空氣調(diào)節(jié)，保證人體舒適性，同時也達(dá)到滿足植物生產(chǎn)的合適溫度需求。這樣設(shè)計的路面“置換式(通風(fēng))”送風(fēng)形式不僅達(dá)到了設(shè)計得目的，而且起到了很好的節(jié)能效果。

新鮮空氣從開啟的門窗進(jìn)入，利用熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)實現(xiàn)自然通風(fēng)，排出的空氣在中庭上空匯合，從頂部可開啟膜拔出。中庭天窗出口空氣在太陽直接輻射作用下溫度進(jìn)一步升高，同時反作用于出口處，加強(qiáng)了天窗拔風(fēng)效果。

從剖面溫度分布來看，路面下送風(fēng)置換式通風(fēng)形式取得的效果更為直觀、更明顯。室內(nèi)出現(xiàn)了明顯的溫度分層，梯度十分明顯。下部1～2m范圍內(nèi)為人體活動區(qū)域，其溫度控制在23～26℃范圍內(nèi);這一范圍內(nèi)空氣在吸收室內(nèi)余熱余后溫度升高、密度將小，熱空氣慢慢上浮，與室外風(fēng)一起匯合從屋頂天窗導(dǎo)出。室內(nèi)人體活動的范圍形成了一個相對的“低溫空氣湖”，不僅很好地滿足了人體的舒適性需求，同時達(dá)到了明顯的節(jié)能效果。

圖15 CFD模擬

圖16 溫度分布圖

7 雨雪荷載解決方案

由于項目身處高寒地區(qū)，膜結(jié)構(gòu)的雪荷載融雪構(gòu)造深化尤為重要。本項目外形上沒有一根雨雪管，所有在表面形成的雨雪在重力作用下順著膜夾片兼掃雪天溝導(dǎo)向建筑底層的雨水收集渠。以往工程中，膜結(jié)構(gòu)等專業(yè)公司在設(shè)計階段只提供常規(guī)的通用節(jié)點，大部分的節(jié)點構(gòu)造都是在施工安裝過程中發(fā)現(xiàn)再臨時增補(bǔ)的。這種邊施工邊設(shè)計的惡性循環(huán)對于設(shè)計總包單位而言很難保證最終交付成果的品質(zhì)，對業(yè)主而言也不利于項目質(zhì)量、進(jìn)度和造價的控制，后期還會衍生諸如協(xié)調(diào)管理成本增加、推諉扯皮等次生問題。這個項目中BIM團(tuán)隊協(xié)助設(shè)計團(tuán)隊和膜結(jié)構(gòu)專業(yè)公司前后解決了節(jié)點錯漏、施工構(gòu)造二次設(shè)計，曲面造型上膜結(jié)構(gòu)節(jié)點錯邊拼縫等問題(圖17～圖19)。

8 幕墻表皮優(yōu)化

由于本項目內(nèi)庭幕墻獨特的創(chuàng)意和生長肌理，首先對這幅幕墻進(jìn)行重塑，使其曲面流向與結(jié)構(gòu)構(gòu)造吻合也更有利于幕墻深化的需要。但是如果按常規(guī)思路，內(nèi)庭幕墻勢必是由許多單雙曲面的玻璃組成的。本著對業(yè)主和社會資源負(fù)責(zé)的態(tài)度，必要的成本控制和技術(shù)優(yōu)化是不能忽略的，首先我們嘗試將每塊幕墻玻璃拍平，即在相鄰立挺間設(shè)計一系列鱗片狀的單元式幕墻，但是這樣做每片玻璃至少有一個點不在擬定的幕墻完成面上，其中誤差最大的地方達(dá)27mm，而一般幕墻安裝允許的誤差只有±5mm以內(nèi)。隨后我們又嘗試三角形的幕墻形式，這樣每塊玻璃的端點就能和既定幕墻完成面貼合，這幅呈環(huán)抱東方之勢的幕墻被隨曲面韻律舞動的立挺裝飾所包裹，在內(nèi)院水系的映襯下形成獨特的效果。這樣的創(chuàng)意使幕墻安裝單位日后不需`要定制一塊曲面玻璃一根曲線龍骨就能達(dá)到預(yù)期的立面效果，在現(xiàn)有技術(shù)和造價上保證施工的質(zhì)量(圖20)。

圖21 建筑剖面圖

9 結(jié)語

盡管工程建設(shè)領(lǐng)域的可持續(xù)性設(shè)計在中國尚處于發(fā)展早期，但是對于致力于可持續(xù)發(fā)展的中國來說已經(jīng)變得尤為重要，“綠色建筑”不僅僅是一種風(fēng)潮，更應(yīng)該是一個現(xiàn)實的需要。

除了貫徹“綠色建筑”的理念，在整個設(shè)計、施工、運(yùn)營等各階段全面采用能幫助實現(xiàn)“可持續(xù)性”標(biāo)準(zhǔn)的三維技術(shù)。憑借BIM，以更為精確的方式可視化、模擬分析該項目在未來世界的真實表現(xiàn)，從而為客戶減少不必要的成本消耗，減少施工過程中或是建成后的碳排放量。在細(xì)節(jié)中確?！熬G色設(shè)計”的盡善盡美。現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的業(yè)主要求自己所處的建筑更加‘綠色’。這種‘可持續(xù)建筑’的理念會逐漸產(chǎn)生更大影響，這就更需要我們要進(jìn)行可持續(xù)性的設(shè)計。”

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