整合環(huán)境調(diào)控要求的高容錯(cuò)度實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)
——以浙江省疾控中心綜合樓為例

劉慧杰,王 健,李文駒

(1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310028；2.浙江大學(xué)建筑系,浙江 杭州 310027)

1 概 述

談及實(shí)驗(yàn)室空間,兩個(gè)基本事實(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注：一是科學(xué)研究挑戰(zhàn)現(xiàn)有的知識體系，具有反權(quán)威的本質(zhì)[1]，這種反權(quán)威性決定了實(shí)驗(yàn)室需要一種平等、自由的空間特質(zhì)。二是實(shí)驗(yàn)室應(yīng)對技術(shù)進(jìn)步與趨勢變化,面臨不斷改造以適應(yīng)個(gè)體研究習(xí)慣差異及研究內(nèi)容改變。兩者的指涉有著微妙的交疊,共同指向一種容錯(cuò)(tolerance)的空間特質(zhì)?！板e(cuò)”是對既定路線的偏離,在科學(xué)語境之下,“錯(cuò)”與創(chuàng)新之間的區(qū)分變得曖昧,兩者都偏離了預(yù)期的規(guī)則?！叭蒎e(cuò)”則以積極的方式去看待空間使用行為中的非常規(guī)個(gè)例,容納與預(yù)期不符的行為,不斷適應(yīng)新需求。對空間容錯(cuò)的追求,與充分滿足建筑類型本身特有的多重環(huán)境調(diào)控要求[2-3]成為貫穿浙江省疾控中心綜合樓設(shè)計(jì)的兩條主線。

2 工程概況

浙江省疾控中心2008年先期建成理化、微生物實(shí)驗(yàn)樓及行政樓。本次新建綜合樓用于開放研究平臺、菌毒種保藏及公共衛(wèi)生事件處置的指導(dǎo)與訓(xùn)練。建筑地上15層,地下1層,總建筑面積24 000 m2,標(biāo)準(zhǔn)層面積1 250 m2。不同于一期工程按用途分設(shè)獨(dú)立樓棟的方式,新樓是功能復(fù)合體,既有常規(guī)的機(jī)構(gòu)辦公空間,又有環(huán)境高度人工可控的生物安全實(shí)驗(yàn)室；既有一系列按實(shí)驗(yàn)流程緊密串并聯(lián)小空間而形成的實(shí)驗(yàn)單元,又有滿足大型道具場景模擬的應(yīng)急演練中心(圖1)。

圖1 功能構(gòu)成

因多種功能的高度復(fù)合,使得設(shè)計(jì)需要兼顧歷時(shí)性與共時(shí)性的雙重容錯(cuò)度,非如此不足以在標(biāo)準(zhǔn)框架中容納各類空間需求的同時(shí)滿足實(shí)驗(yàn)室全生命周期的各種用途型制變更。

3 容錯(cuò)度在建筑各要素中的體現(xiàn)

3.1 總圖布置

初始,兩個(gè)因素主導(dǎo)了設(shè)計(jì)方向：一是業(yè)主對于內(nèi)院空間完整性與最大化的訴求強(qiáng)烈,這種基于形態(tài)完整的場地的用途適應(yīng)性更強(qiáng)的樸素認(rèn)知得到了建筑師的認(rèn)同。二是一期實(shí)驗(yàn)室雙走廊平面交通面積占比高,而該格局復(fù)雜工藝適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)在二期的通用實(shí)驗(yàn)平臺上優(yōu)勢不明顯,業(yè)主傾向于采用中廊平面,并以足夠的進(jìn)深保證容錯(cuò)度。據(jù)此,總體布局選擇了板式布局(圖2),以南北走向板式體量與一期共同形成U形圍合,以簡單的內(nèi)外部空間關(guān)系回應(yīng)多樣的內(nèi)外部空間需求。由此,使得一個(gè)完整的內(nèi)院開敞空間朝向北側(cè)城市道路。

圖2 板式布局方式

3.2 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

基本結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)的容錯(cuò)需考慮對各類實(shí)驗(yàn)操作的適應(yīng)性。一般來說,獲得容錯(cuò)度會帶來尺寸冗余,容錯(cuò)度越高,冗余越大。以實(shí)驗(yàn)臺為例,普通操作用實(shí)驗(yàn)臺深度為750 mm,儀器臺則選取800～1 000 mm。柱網(wǎng)的廣譜適應(yīng)性需要涵蓋各類布置,從常規(guī)的理化、微生物到儀器分析,從橫豎均可的雙向網(wǎng)格到教學(xué)式實(shí)驗(yàn)室,經(jīng)典的3.3 m網(wǎng)格可滿足一般的雙向排布要求(圖3),但大型儀器需專設(shè)檢修通道時(shí)就無法滿足尺寸要求,反而只能以更低效地減少一排的方式布置(圖4)。對于有示教功能的實(shí)驗(yàn)室也無法很好滿足(圖5)。

圖3 雙向模數(shù)[4] 圖4 大型儀器實(shí)驗(yàn)室的擴(kuò)大模數(shù) 圖5 示教實(shí)驗(yàn)室布置[4]

結(jié)構(gòu)網(wǎng)格還直接關(guān)系到對于實(shí)驗(yàn)室建筑這一類型至關(guān)重要的排風(fēng)井道的布置。理化實(shí)驗(yàn)排風(fēng)量大,土建風(fēng)道內(nèi)襯風(fēng)管,井道短邊尺寸也多在0.6 m以上。加之疾控類實(shí)驗(yàn)室多涉及有毒有害物質(zhì),出于保障實(shí)驗(yàn)人員健康以及降低自控系統(tǒng)難度的考慮,業(yè)主對采用多臺通風(fēng)柜共用風(fēng)機(jī)風(fēng)管的變風(fēng)量系統(tǒng)始終存有疑慮。即便自控日趨成熟,硬件投資逐步降低,一線實(shí)驗(yàn)人員仍傾向于保守的一柜一管一風(fēng)機(jī)的模式,導(dǎo)致理化類實(shí)驗(yàn)室的井道尺寸的平面占比居高不下。本項(xiàng)目理化實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜密度高,井道面積與實(shí)驗(yàn)區(qū)凈面積的比介于1/9～1/8之間(表1)?？紤]到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格扣除井道仍具有雙向布置的靈活性,3.3 m網(wǎng)格加上檢修通道最小半寬0.3 m和井道短邊0.6 m計(jì),最終選用4.2 m網(wǎng)格8.4 m的柱網(wǎng),兼顧實(shí)驗(yàn)室類型差別、井道布置以及地下室停車效率。

3.3 平面模式

針對實(shí)驗(yàn)室建筑典型的平面格局有雙廊式、單廊式以及一些派生變體。本項(xiàng)目面向通用實(shí)驗(yàn)平臺,復(fù)雜工藝流程需求并不突出,具有足夠進(jìn)深的單走廊模式在平面效率和適應(yīng)性方面均滿足需求。實(shí)驗(yàn)區(qū)門禁外獨(dú)立成區(qū)布置非受控的普通研究室、研討室，以及主交通核、更衣、廁所等輔助功能區(qū),實(shí)驗(yàn)區(qū)域則一律設(shè)于門禁內(nèi),滿足安全管理要求。設(shè)置兩處豎向主管井,主要伺服空間可在兩處靈活布置。局部的大跨柱網(wǎng)用以實(shí)現(xiàn)通高門廳、遠(yuǎn)程指導(dǎo)、應(yīng)急演練等大空間。見圖6。

表1 平面各項(xiàng)面積統(tǒng)計(jì)

3.4 剖面設(shè)計(jì)

圖6 二期典型層平面

為滿足大量通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的安裝及后續(xù)調(diào)整,通常會設(shè)置專門的設(shè)備層(吊頂)。若每層均設(shè)設(shè)備層,則管線短捷,最為靈活富余,但代價(jià)也最高,這對于高受控實(shí)驗(yàn)環(huán)境需求強(qiáng)度不高的實(shí)驗(yàn)室過于奢侈。而采用隔層設(shè)夾層的方式綜合適用性更好。設(shè)備層高度以滿足大型空調(diào)箱的安裝、檢修為標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)單元的空調(diào)系統(tǒng)按照可滿足全新風(fēng)、部分新風(fēng)以及內(nèi)循環(huán)模式的自由切換為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置,由于包含多個(gè)處理段,機(jī)組體積大,安裝區(qū)域至少應(yīng)具有1.8 m以上的凈空要求。夾層層高設(shè)置為2.2 m。為爭取凈高,采用鋼吊柱下吊鋼梁形成結(jié)構(gòu)骨架,吊柱柱距4.2 m,設(shè)備層結(jié)構(gòu)高度僅0.28 m,這一體系保證了設(shè)備層中主梁下凈高也可達(dá)1.4 m,梁格之間設(shè)備安裝區(qū)凈高2 m。設(shè)備層設(shè)置于奇數(shù)層內(nèi),相鄰奇偶層作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元。奇數(shù)層層高包含設(shè)備吊頂高度、吊頂下支風(fēng)管高度以及噴淋高度。偶數(shù)層高度則需滿足支風(fēng)管、噴淋的布設(shè)。按照房間凈高2.7 m,奇數(shù)層5.7 m,偶數(shù)層3.9 m,合計(jì)9.6 m為一標(biāo)準(zhǔn)單元較為理想。但作為包含高致病性菌毒種保藏功能的一類高層建筑,為控制層間位移角指標(biāo),最終按奇偶數(shù)層的高度分別為5.6 m、4 m實(shí)施。

支風(fēng)管排布是凈高控制的另一重要因素,理想狀態(tài)下支風(fēng)管在設(shè)備層布設(shè),設(shè)備層下方只布置噴淋和風(fēng)口。但考慮到設(shè)備吊頂內(nèi)部風(fēng)管機(jī)組布置已經(jīng)較多,支風(fēng)管的排布難以繞開障礙,加之支風(fēng)管送風(fēng)口數(shù)量多,若按在設(shè)備層內(nèi)布置的方案,則需要在設(shè)備層板面上大量開孔。最終支風(fēng)管按照在每個(gè)單元預(yù)留的固定位置下穿設(shè)備層板后仍在設(shè)備層板下按需展開布置(圖7)。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)單元軸測剖視

3.5 井道布置

理化實(shí)驗(yàn)室大量的通風(fēng)柜需要通過井道接至屋面環(huán)保處理后高空排放,理化實(shí)驗(yàn)室對通風(fēng)柜的使用與控制方式,對井道的面積與布置影響很大(圖8)。井道集中式布置由于風(fēng)管尺寸累加,會在接入主井道處附近形成凈高瓶頸, 對于通風(fēng)柜密度高的實(shí)驗(yàn)室并不適用。分散式布置方式下管井就近分散布置,管道短捷,排風(fēng)效果好,屋面風(fēng)機(jī)布置空間寬裕。但管井?dāng)?shù)量多而分散,影響實(shí)驗(yàn)室平面的靈活性。

圖8 井道常見布置[5]

本項(xiàng)目通風(fēng)柜數(shù)量大、密度高,采用分散式布置。分散式也有多種選擇,可外掛于立面,可沿實(shí)驗(yàn)室分隔的橫墻布置,亦可沿內(nèi)走廊隔墻布置。外掛于立面需協(xié)調(diào)室內(nèi)視野與自然通風(fēng)需求,但也有機(jī)會成為立面造型的驅(qū)動(dòng)因素。沿橫墻布置占用開間尺寸,應(yīng)控制井道縱深尺寸,以免實(shí)驗(yàn)室被全部分為小開間,失去布置靈活性。沿走廊隔墻布置,井道位于建筑中心,同樣不利于大開間實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置,加之近年來疾控類實(shí)驗(yàn)室針對公眾關(guān)切,承擔(dān)了相當(dāng)多的對外宣教功能,內(nèi)走廊多需要透明可視,井道位置布置于此與上述需求沖突。綜合考慮,本項(xiàng)目采用沿局部外墻與內(nèi)橫墻布置,同時(shí)注意控制井道縱深,不打斷實(shí)驗(yàn)室各開間之間互通乃至歸并的可能性。這一方式與前述柱網(wǎng)的高容錯(cuò)度選擇相呼應(yīng),且管線走向與空調(diào)系統(tǒng)空氣的送回循環(huán)流程匹配,管線短捷,走回頭路的現(xiàn)象少[6]。

4 多重環(huán)境調(diào)控對容錯(cuò)導(dǎo)向要素的補(bǔ)正

4.1 外環(huán)境調(diào)控的總體評估

在滿足節(jié)能基本要求的同時(shí)考慮了相應(yīng)的被動(dòng)式策略,根據(jù)焓濕圖中舒適區(qū)域范圍以及本項(xiàng)目溫濕度控制特點(diǎn),選擇增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱性、自然通風(fēng)、夜間設(shè)備層自然通風(fēng)三種適合當(dāng)?shù)氐谋粍?dòng)式措施作為設(shè)計(jì)導(dǎo)向(圖9)。作為不設(shè)裙房的條形板式體量,長軸與正南北方向呈25°角,基于CSWD氣象數(shù)據(jù)①,主朝向與全年平均曝輻射值最高朝向接近(圖10)。遮陽措施與淺色外立面基調(diào)應(yīng)作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本考慮。同時(shí)也注意到這一格局導(dǎo)致的風(fēng)環(huán)境利用上的優(yōu)勢——迎風(fēng)面積比夏季大冬季小(圖11)。有利于建筑內(nèi)部夏季自然通風(fēng)降溫的同時(shí)減少冬季寒風(fēng)造成的熱量損失。

圖9 適用于當(dāng)?shù)氐谋粍?dòng)式策略 圖10 各朝向曝輻射值 圖11 夏季風(fēng)向頻率

4.2 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的環(huán)境調(diào)控響應(yīng)

4.2.1 采光

根據(jù)所處光氣候區(qū)和建筑性質(zhì)確定采光等級,進(jìn)而確定窗地比。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)單元面積大小與窗地比,確定采光口的面積,為保證進(jìn)深方向照度的均勻性,采光口采用豎向矩形,為提高采光有效進(jìn)深,盡可能提高采光口上部高度(圖12)。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)單元外觀

杭州位于Ⅳ類光氣候區(qū),實(shí)驗(yàn)涉及精細(xì)化操作,采光等級宜按照Ⅱ級不低于Ⅲ級考慮。綜合窗墻比節(jié)能因素,窗地比按照1/6控制,采光有效進(jìn)深比3。按每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)置一處采光口,標(biāo)準(zhǔn)單元面積約30 m2計(jì),當(dāng)前建筑層高以及結(jié)構(gòu)高度下,有效窗高2.3 m,窗洞寬度達(dá)2.1 m即可實(shí)現(xiàn)1/6的窗地比。按3.1 m窗頂高度計(jì),采光有效進(jìn)深達(dá)9 m以上。上述以采光系數(shù)和窗地比為基礎(chǔ)獲得了窗洞形式基本數(shù)據(jù)再由相關(guān)軟件模擬檢驗(yàn)(圖13)。向陽側(cè)窗洞晴天照度過量的問題,通過中置百葉系統(tǒng)得以改善,百葉的漫反射特性提高建筑縱深的照度指標(biāo),改善照度的均勻度。

圖13 Ecotect東側(cè)標(biāo)準(zhǔn)單元晴天上午照度模擬

4.2.2 通風(fēng)

可開啟外窗利用室內(nèi)外壓差進(jìn)行空氣交換,貼合實(shí)驗(yàn)室人員的心理需求,本項(xiàng)目在生物安全要求允許時(shí)全面采用自然通風(fēng)。通常采光窗會兼顧通風(fēng),但當(dāng)前外窗依據(jù)節(jié)能和改善照度均勻性的需求設(shè)置了帶可調(diào)中置遮陽簾的雙層中空low-e玻璃,按照5%的自然通風(fēng)面積最低要求,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元需開啟面積為1.5 m2,照此構(gòu)造形式再設(shè)置開啟扇,每扇重達(dá)60 kg。顯然讓這種構(gòu)造復(fù)雜的大幅面多層隔熱玻璃窗承擔(dān)開啟功能并不明智,將固定玻璃構(gòu)件與絕熱良好的輕質(zhì)通風(fēng)門分開設(shè)置是更好的選擇[7]。建筑進(jìn)深21 m,主要以動(dòng)壓作為通風(fēng)動(dòng)力,板式方案在夏季和過渡季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向下迎風(fēng)比大(圖14),建筑不同朝向外表面風(fēng)壓差值大,自然通風(fēng)條件相比前述點(diǎn)式方案為好。

在采光口兩側(cè)各設(shè)一扇保溫鋁板通風(fēng)門,有效開啟面積達(dá)2 m2,輕質(zhì)高強(qiáng),尺寸、重量適合手動(dòng)開啟。作為立面形式對自然通風(fēng)的增益機(jī)制,通風(fēng)門與設(shè)備取風(fēng)口都設(shè)置在0.5 m寬、0.6 m深的立面凹槽中。凹槽將開啟扇包容其中,既在迎風(fēng)面有效提升局部風(fēng)壓差,增強(qiáng)通風(fēng)效果②,又結(jié)合了防墜落措施提高了高層外開窗扇的安全性,還成為統(tǒng)一立面視覺節(jié)奏的重要要素,避免了一般采用外開窗扇時(shí)常見的雜亂觀感。

4.2.3 遮陽

當(dāng)前建筑主朝向西偏南25°44′,直射陽光導(dǎo)致夏季室內(nèi)過熱以及對實(shí)驗(yàn)操作不利的矛盾突出。各立面采用綜合遮陽構(gòu)件。以夏至日南偏東立面上午10點(diǎn)有滿窗遮陽為例,水平遮陽根據(jù)計(jì)算需挑出0.57 m。而西偏南立面以滿足夏至日下午3點(diǎn)有滿窗遮陽為例,對于0.5 m寬的通風(fēng)門,豎向遮陽板外挑需0.3 m,而對于2.1 m窗寬采光固定扇區(qū)域,為保證無陽光直射實(shí)驗(yàn)區(qū)域,需要保證凸窗空間進(jìn)深0.8 m以上,對于更低高度角的直射陽光則通過中置遮陽百葉簾應(yīng)對③。

最終結(jié)合柱網(wǎng)模數(shù),建筑沿軸線整體挑出1 m。這一周圈外挑條帶內(nèi)解決了因面積控制導(dǎo)致的邊跨與主跨模數(shù)不一致帶來的立面均分難題,又將綜合遮陽構(gòu)件整合其中。各朝向不同的遮陽需求能在一套立面構(gòu)件系統(tǒng)中兼顧。

整體外觀上,構(gòu)造外平處理的采光固定窗分樘簡潔,鋁板通風(fēng)門置于凹槽中,前者形成整體光潔平滑的基調(diào),后者為基調(diào)點(diǎn)綴上節(jié)律性的變化因子,最終達(dá)成一種含蓄的形式辨識度。

5 結(jié) 語

作為“科學(xué)容器”的實(shí)驗(yàn)室建筑易于被賦予更多實(shí)證的想象,加之本項(xiàng)目容錯(cuò)度和環(huán)境調(diào)控要求的疊加,使得綜合性的建筑技術(shù)問題,即結(jié)構(gòu)、光、熱、空氣調(diào)節(jié)等意義上的技術(shù)問題,成為達(dá)成形式結(jié)果的主驅(qū)動(dòng)力[8]。實(shí)際的設(shè)計(jì)過程并非是線性清單滿足式的推導(dǎo),本文的目的是通過設(shè)計(jì)回顧,以容錯(cuò)度與環(huán)境調(diào)控視角將要素拆分,呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室建筑設(shè)計(jì)中這兩個(gè)關(guān)鍵概念究竟是如何塑造形式結(jié)果的。

設(shè)計(jì)終歸是技術(shù)性要素與非技術(shù)性創(chuàng)造的融合,無論技術(shù)問題如何重要,最終還將落腳于一種“詩性的創(chuàng)造”“需要借助想象將技術(shù)轉(zhuǎn)化為詩意的結(jié)果”[9]。無須擔(dān)心機(jī)械的要素拆分會導(dǎo)致創(chuàng)造力的缺位,需要警惕的反倒是總是停留在對技術(shù)的“想象”,總是過于輕快的滑向“詩”[9]。通過浙江省疾控中心綜合樓的設(shè)計(jì),筆者充分認(rèn)識到,在容錯(cuò)度與環(huán)境調(diào)控的礪石上摩擦的過程,對設(shè)計(jì)方法論的肌體是有益的。

注釋

① CSWD為中國國家氣象局與清華大學(xué)合作實(shí)測氣象數(shù)據(jù),風(fēng)頻于曝輻射圖基于該數(shù)據(jù)。

② 通風(fēng)分析基于WinAir軟件運(yùn)算所得。

③ 計(jì)算所需杭州地區(qū)太陽位置參數(shù)基于Autodesk Ecotect Analysis2011的Weather Tools。