李麟學(xué) 葛康寧 張琪
同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院
業(yè)主:河南省科技館
建設(shè)地點(diǎn):河南省鄭州市
建筑設(shè)計(jì):同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司麟和建筑工作室
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人:李麟學(xué)
設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì):吳杰、周凱鋒、劉旸、吳琦
總建筑面積:105 000m2
設(shè)計(jì)時(shí)間:2017.05~2018.10
項(xiàng)目狀態(tài):在建
建筑性能是一個(gè)長(zhǎng)久的建筑學(xué)科命題。班納姆在《環(huán)境調(diào)控的建筑學(xué)》中將建筑比喻為“環(huán)境調(diào)控的機(jī)器”,認(rèn)為建筑發(fā)展史是一部環(huán)境調(diào)控的歷史,將建筑中的環(huán)境調(diào)控提升到與結(jié)構(gòu)、材料和空間設(shè)計(jì)同樣重要的地位。從環(huán)境調(diào)控到環(huán)境性能,體現(xiàn)了當(dāng)代建筑學(xué)科的重要理論發(fā)展。建筑環(huán)境性能關(guān)注物理因素如風(fēng)、光、熱等要素對(duì)建筑空間布局和形態(tài)的影響,隨著環(huán)境模擬技術(shù)的跨越式發(fā)展以及數(shù)字技術(shù)的引入,環(huán)境性能研究逐漸從定性向定量發(fā)展。
環(huán)境和能量是相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)主題,威廉·布雷厄姆教授在《建筑與能量:性能與風(fēng)格》一書中從環(huán)境性能優(yōu)化入手,闡釋了能耗如何影響建筑的性能與形式。目前關(guān)于建筑節(jié)能的研究主要有兩方面:一是主動(dòng)技術(shù),即高效利用建筑設(shè)備調(diào)控建筑室內(nèi)環(huán)境;二是有意識(shí)地將自然通風(fēng)和自然采光相結(jié)合,以被動(dòng)方式減少能源消耗。將數(shù)字技術(shù)和工具應(yīng)用于建筑時(shí),可以對(duì)建筑物的節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的計(jì)算和模擬,但是這種方法目前仍存在諸多誤區(qū),如“回溯性”驗(yàn)算使建筑本體設(shè)計(jì)邊緣化,造成建筑師無(wú)力觸及能量議題的內(nèi)核。
環(huán)境、能量與建筑息息相關(guān),對(duì)建筑物中能量運(yùn)行機(jī)制的科學(xué)分析可以為建筑物的形式、功能、空間等的組織提供有力支持,實(shí)現(xiàn)從形體到構(gòu)造的整合。本文以河南省科技館新館為例,通過(guò)使用數(shù)字工具進(jìn)行環(huán)境參數(shù)模擬,從而實(shí)現(xiàn)建筑形態(tài)的生成與建構(gòu)。
從建筑能量系統(tǒng)的角度來(lái)看,與建筑有關(guān)的所有能量流動(dòng)可以分為三類:能量隔離、能量引導(dǎo)和能量整合。
能量隔離是指最大程度地減少建筑與環(huán)境之間的能量交換,并將建筑內(nèi)部視為完全受控的能源系統(tǒng)。洞穴和雪屋是傳統(tǒng)建筑中典型的能量隔離案例,在現(xiàn)代建筑中,有效的外部隔熱、窗戶氣密性與遮陽(yáng)系統(tǒng)的改善也可有效實(shí)現(xiàn)能量隔離。
建筑和環(huán)境中的能量引導(dǎo)以傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式進(jìn)行。能量流的方向由空間中的能量勢(shì)差決定,并且能量總是從高能勢(shì)傳遞到低能勢(shì)。能量引導(dǎo)是要有依據(jù)地在建筑物內(nèi)合理分配能源。自然通風(fēng)就是一種典型的能源引導(dǎo)。
熱力學(xué)第二定律指出,不可能從單個(gè)熱源提取熱量并將其完全轉(zhuǎn)換成有用功而不產(chǎn)生其他影響。該定律指出了能量流動(dòng)的方向性和不同能量之間的質(zhì)量差異。對(duì)于建筑能源系統(tǒng),電能和太陽(yáng)輻射是高質(zhì)量的能源,而熱能是低質(zhì)量的能源。能源整合是為了捕獲和重組內(nèi)部的能源,以求更有效地利用建筑中的能源。
設(shè)計(jì)的第一步是收集當(dāng)?shù)氐臍夂蚝吞鞖鈹?shù)據(jù),并確定相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)。使用軟件對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化,提取與建筑物能源直接相關(guān)的重要參數(shù),包括溫度、濕度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)環(huán)境等。
基于環(huán)境分析和建筑物的規(guī)模和功能要求,建筑師可以在總體規(guī)劃中設(shè)計(jì)建筑物的總體布局,同時(shí)借助模型軟件創(chuàng)建建筑物的粗略體積和形狀、立面開(kāi)口和中庭位置。建筑技術(shù)人員試圖通過(guò)風(fēng)環(huán)境模擬軟件尋找“環(huán)境響應(yīng)”的建筑物形態(tài)。在不同季節(jié),外部風(fēng)環(huán)境和對(duì)建筑自然通風(fēng)強(qiáng)度的需求有所不同,因此建筑師需要分別在冬季和夏季進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬,選擇環(huán)境參數(shù)并根據(jù)反饋優(yōu)化形態(tài)以獲得最終方案。
在建筑設(shè)計(jì)階段,“建筑實(shí)現(xiàn)”常常與建筑表皮形式、結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)造有關(guān)。首先,建筑師應(yīng)充分考慮建筑物外墻材料、顏色、墻面熱阻、比熱容、外門窗和遮光條件,確定表皮的基本類型和形式。建筑表皮對(duì)環(huán)境的響應(yīng)能力可以分為固定、可變和自適應(yīng)三個(gè)級(jí)別。在對(duì)表皮進(jìn)行模擬優(yōu)化后,選出節(jié)能和環(huán)保功能較好的被動(dòng)式建筑表皮構(gòu)件,以增強(qiáng)自然采光和通風(fēng)。最后,當(dāng)被動(dòng)式表皮構(gòu)件不足以提供舒適感時(shí),需尋求主動(dòng)式技術(shù)的輔助。
當(dāng)代建筑表皮建構(gòu)日益向模塊化設(shè)計(jì)邁進(jìn)。根據(jù)其工作原理和相應(yīng)的氣候要素,表皮建構(gòu)可分為日照模塊、通風(fēng)模塊、熱模塊和能量模塊。表皮設(shè)計(jì)不是單純的拼貼,而應(yīng)考慮能量系統(tǒng)中不同模塊之間的交互作用。不同的建筑表皮可以滿足其特定需求,使表皮與環(huán)境形成積極互動(dòng)。
表1 建筑表皮優(yōu)化和整合進(jìn)程
1 河南科技館新館效果圖
2 鄭州市氣候統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
3 鄭州市全年相對(duì)濕度分析
4 鄭州市夏、冬兩季焓濕圖分析
5 鄭州市太陽(yáng)輻射分析
6 鄭州市年風(fēng)環(huán)境分析
河南科技館新館是麟和建筑工作室在建筑領(lǐng)域探索“能量協(xié)同設(shè)計(jì)”的重要實(shí)踐。該項(xiàng)目位于河南省鄭州市鄭東新區(qū)象湖湖畔,建筑用地面積54 453m2,總建筑面積105 000m2,容積率1.47,建筑高度42m,地上4層,地下1層(圖1)。
鄭州市屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候,在太陽(yáng)輻射、地形地質(zhì)、大氣環(huán)流等因素的共同作用下,形成了冷暖適中、四季分明、雨熱同期、干冷同季等氣候特征(圖2)。其中冬季最長(zhǎng),夏季次之,春秋季較短,年平均溫度維持在14~14.3℃。鄭州的降水量較低,春季干旱少雨,夏季炎熱多雨,秋季晴朗少雨,冬季寒冷少雪。年降水量為610mm且主要分布在6~9月,一年中其他季節(jié)雨水較少。
3.2.1 溫濕度分析
借助可視化工具軟件,對(duì)鄭州地區(qū)一天內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行分時(shí)分析,可以看出鄭州夏季溫度和相對(duì)濕度都較高,尤其在午后溫度達(dá)到一天中最高點(diǎn)時(shí),冬季溫度和相對(duì)濕度較夏季而言都比較低。此外,冬季和夏季常出現(xiàn)極端氣候。分時(shí)段對(duì)一天的氣候變化進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度最高點(diǎn)都出現(xiàn)在夜間。鄭州全年相對(duì)濕度相較于沿海城市低很多,上午較低,夜間較高,整體較為舒適。相較于其他月份,8月份較為潮濕,平均濕度達(dá)72%以上,在這個(gè)時(shí)期應(yīng)做好適當(dāng)?shù)某凉翊胧▓D3)。
3.2.2 焓濕圖分析
通過(guò)焓濕圖對(duì)鄭州的冬季和夏季氣候進(jìn)行分析,圖中藍(lán)色部分顯示的是鄭州室外氣候集中出現(xiàn)的區(qū)域,而黃色框內(nèi)是人體感到舒適的區(qū)域。藍(lán)色部分遠(yuǎn)離黃色框,可知夏季鄭州氣候呈現(xiàn)高溫高濕的特點(diǎn),而在冬季則溫度偏低。因此在建筑被動(dòng)式設(shè)計(jì)中最有效的方案為:夏季加強(qiáng)自然通風(fēng)和夜間通風(fēng),從而覆蓋大量在舒適區(qū)域之外的氣候數(shù)據(jù),提高舒適性;冬季則利用被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù),覆蓋部分舒適區(qū)域之外的氣候數(shù)據(jù),同時(shí)配合主動(dòng)式設(shè)計(jì)來(lái)抵御嚴(yán)寒(圖4)。
3.2.3 日照分析
鄭州日照資源較豐富,全年日照時(shí)間約2 400h,最佳日照朝向?yàn)槟掀?.5°,在此情況下可以最大程度獲取冬季陽(yáng)光,同時(shí)降低夏季太陽(yáng)輻射對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響(圖5)。
3.2.4 風(fēng)環(huán)境分析
根據(jù)風(fēng)玫瑰圖顯示,鄭州全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸逼珫|風(fēng),次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)和西南風(fēng)。冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng),次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)??紤]到夏季西南風(fēng)和冬季東北風(fēng)對(duì)沖(圖6),在夏季自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)東南風(fēng)布局風(fēng)道。此外,應(yīng)對(duì)西南方向的風(fēng)進(jìn)行靈活的可開(kāi)閉性設(shè)計(jì),夏季導(dǎo)風(fēng),冬季阻風(fēng)。
3.3.1 風(fēng)環(huán)境模擬
鄭州夏季盛行風(fēng)的主要方向?yàn)闁|南風(fēng),為促進(jìn)通風(fēng),建筑布局應(yīng)在一定程度上順應(yīng)風(fēng)向。通過(guò)風(fēng)環(huán)境模擬軟件的初步模擬,在室外主要人行區(qū)1.5m高度處,場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)場(chǎng)流線順暢,無(wú)氣流死區(qū),無(wú)明顯的漩渦,風(fēng)速保持在0.5~2.5m/s,基本符合人體舒適度要求。為了深入探究地形對(duì)建筑自然通風(fēng)的影響,在風(fēng)環(huán)境模擬中加入地形因素,結(jié)果顯示,地形對(duì)場(chǎng)地內(nèi)建筑的自然通風(fēng)有著較為明顯的影響,在一定程度上降低了場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)速,但并沒(méi)有形成明顯的渦流或者阻礙(圖7)。
7 夏季風(fēng)環(huán)境模擬
8 冬季風(fēng)環(huán)境模擬
9 建筑形態(tài)生成策略
10 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M裝置
11 表皮結(jié)構(gòu)分析
12 表皮構(gòu)造分析
鄭州冬季盛行風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。經(jīng)過(guò)風(fēng)環(huán)境模擬軟件的初步模擬,我們看到在主要人行區(qū)1.5m高度處,場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)場(chǎng)流線順暢,無(wú)氣流死區(qū),無(wú)明顯的漩渦,風(fēng)速保持在0.8~2.6m/s,基本符合人體舒適度要求。相較于夏季而言,冬季風(fēng)速略微偏大,故計(jì)劃在風(fēng)速放大區(qū)域種植植被,對(duì)其進(jìn)行一定的阻擋(圖8)。
整個(gè)外墻為“響應(yīng)環(huán)境”采用了流線形設(shè)計(jì),沒(méi)有明確的邊界和界限,建筑體量呈現(xiàn)三叉形,每一個(gè)分叉都在截面方向扭轉(zhuǎn)了90°,使得建筑部分屋頂和另一部分的外墻處于同一個(gè)曲面,外墻、屋頂和架空樓板融為一體。建筑面對(duì)象湖方向形成了多層次的錯(cuò)落空間,在湖畔綿延展開(kāi),利用自然高差呈現(xiàn)出階梯狀的立體態(tài)勢(shì),形成錯(cuò)落流暢的天際線。建筑的整體形態(tài)生成與場(chǎng)地風(fēng)場(chǎng)的最大化契合,使其可以平衡最小化能源的使用和最舒適環(huán)境性能的營(yíng)造(圖9)。
3.3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)
河南科技館新館形體基本確定后,在同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室,結(jié)合環(huán)境參數(shù)化技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)室中,3D打印的剛體模型設(shè)660個(gè)風(fēng)壓測(cè)點(diǎn),通過(guò)細(xì)管傳壓至電子掃描閥,每個(gè)點(diǎn)312次/s掃描測(cè)定點(diǎn)所在的時(shí)空動(dòng)脈特性(圖10),在環(huán)境模擬技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)環(huán)境分析,以1/300的幾何縮尺比模擬了B類風(fēng)場(chǎng),同時(shí)模擬了位于周邊約850m直徑范圍內(nèi)的主要建筑,得出每個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)風(fēng)壓,以此精準(zhǔn)驗(yàn)證建筑形態(tài)與界面設(shè)計(jì),形隨流定,從而推動(dòng)環(huán)境、能量與建筑的互動(dòng)設(shè)計(jì)。
3.4.1 雙層鋁板幕墻體系
河南科技館新館的外墻采用雙層框架式幕墻體系。外層是帶翻轉(zhuǎn)遮陽(yáng)構(gòu)件的開(kāi)放式銀白色陽(yáng)極氧化鋁板裝飾掛板幕墻,內(nèi)層為框架式玻璃幕墻,雙層幕墻通過(guò)連接構(gòu)件固定在主體結(jié)構(gòu)上。其中,內(nèi)層玻璃幕墻距離主體鋼結(jié)構(gòu)250mm,裝飾面層距離主體鋼結(jié)構(gòu)1 000mm。玻璃幕墻傳熱系數(shù)K≤1.9,玻璃幕墻遮陽(yáng)系數(shù)0.47。外側(cè)的開(kāi)放式陽(yáng)極氧化鋁板幕墻使用鋼框與銀白色陽(yáng)極氧化鋁板裝飾面板,裝飾面板內(nèi)側(cè)防水層采用氧化鋁單板+防水透氣層+保溫層+龍骨+隔音層+室內(nèi)裝飾吸音面層的構(gòu)造做法(圖10)。
建筑物被連續(xù)的鋁制外殼包裹,形成了能量的界面。根據(jù)白天內(nèi)部功能的不同要求,對(duì)表皮進(jìn)行參數(shù)化控制,通過(guò)一組模塊化系統(tǒng)控制幕墻的打開(kāi)率。不透明部分采用魚鱗狀的鋁板,透明部分根據(jù)鋁板的翻轉(zhuǎn)角度滿足不同的功能需求(圖11,12)。
13 表皮效果圖
14 表皮建構(gòu)模擬和優(yōu)化
15 表皮立面和剖面圖
3.4.2 表皮建構(gòu)
通過(guò)軟件模擬和優(yōu)化,可將面板尺寸模塊化,使整個(gè)建筑曲面轉(zhuǎn)換為一系列平板組件,最大程度地減少曲面面板,從而控制建造成本。幕墻框架安裝在主體結(jié)構(gòu)上,建筑表皮的翻轉(zhuǎn)角度可以根據(jù)不同的光照環(huán)境自動(dòng)變化,同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效的通風(fēng)控制(圖13)。
在設(shè)計(jì)初期,主體鋼結(jié)構(gòu)由水平和垂直框架形成3m×3m的正方形正交網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格支撐四個(gè)鋁板單元。在計(jì)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度之后,通過(guò)在正方形網(wǎng)格對(duì)角線方向增加斜桿,將幕墻支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化為更合理的三角形單元。
同時(shí),表皮的陽(yáng)極氧化鋁板配備了納米技術(shù)防塵自潔涂層,以應(yīng)對(duì)中國(guó)北方的多塵環(huán)境。自潔涂層的使用也可以視為一種“環(huán)境響應(yīng)”的材料選擇(圖14)。
河南科技館新館按照LEED白金標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家三星級(jí)綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造,考慮到局部空間機(jī)械通風(fēng)的必要性,采用了自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)協(xié)同的設(shè)計(jì)方法。以中庭通風(fēng)為例,中庭通風(fēng)采用了主動(dòng)式與被動(dòng)式協(xié)同的策略。在夏季和冬季,中庭以主動(dòng)式空調(diào)送風(fēng)為主,空調(diào)采用分層送風(fēng),保證冷熱量均勻分布??紤]到科技館中庭高大空間送風(fēng)的有效性,經(jīng)與暖通工程師溝通,結(jié)合座椅設(shè)置送風(fēng)口,在滿足送風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),綜合考慮中庭空間的美觀性和舒適度,風(fēng)管需穿越樓板下的桁架空間到達(dá)指定座椅下方的送風(fēng)口。在春秋過(guò)渡季節(jié),中庭屋頂開(kāi)啟,利用煙囪熱壓效應(yīng)進(jìn)行自然通風(fēng)。
環(huán)境、能量和建筑是三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主題?;诮ㄖh(huán)境性能和能量系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制,利用技術(shù)平臺(tái)和模擬工具,實(shí)現(xiàn)“材料—能量—形式—性能”之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換,是當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)的重要方法。文章以環(huán)境性能為評(píng)價(jià)指標(biāo),以河南科技館新館項(xiàng)目為例,對(duì)如何借助數(shù)字化工具從氣候參數(shù)分析出發(fā)進(jìn)行建筑形態(tài)的生成和建構(gòu)進(jìn)行了闡述,所提出的“環(huán)境響應(yīng)”以及物質(zhì)化的“建造實(shí)現(xiàn)”將成為建筑設(shè)計(jì)發(fā)展的重要機(jī)遇,也是當(dāng)代建筑學(xué)科的重要理論發(fā)展。