基于設(shè)計主導(dǎo)的門頭溝體育文化中心項目綠色設(shè)計策略研究

徐 巖

傅紹輝

劉昱辰

洪烽桓

1 研究背景

1.1 課題背景簡介

近年來，隨著綠色建筑設(shè)計理念的更新迭代，在建筑設(shè)計初期引入以“設(shè)計”為主導(dǎo)的綠建設(shè)計策略越來越得到關(guān)注。在以往的設(shè)計實踐中，諸多項目都存在“建筑設(shè)計先行、綠建打分滯后”的設(shè)計過程與綠建脫節(jié)的狀態(tài)，在建筑設(shè)計初期對綠色、節(jié)能等設(shè)計缺失，后期通過專業(yè)設(shè)備及技術(shù)達(dá)到綠建評分標(biāo)準(zhǔn)的情況普遍存在。這種在綠建設(shè)計中長期的“缺位”狀態(tài)導(dǎo)致建筑師在設(shè)計實踐中缺乏系統(tǒng)的方法的引導(dǎo)。

為此，依托“十三五”國家重點研發(fā)計劃課題《北方地區(qū)高大空間公共建筑綠色設(shè)計新方法與技術(shù)協(xié)同優(yōu)化》（2016YFC0700200），以高大空間公共建筑綠色設(shè)計為研究對象，通過建立北方地區(qū)典型高大空間公共建筑數(shù)據(jù)庫為建筑師設(shè)計決策提供廣泛的樣本參照；通過建立貫穿設(shè)計全過程的綠色設(shè)計指標(biāo)體系為建筑設(shè)計流程提供量化的指標(biāo)導(dǎo)控；通過建立不同設(shè)計條件下的綠色設(shè)計策略矩陣為建筑師的設(shè)計實踐提供系統(tǒng)的方法指引[1]。

1.2 研究目的及意義

本文依托課題組前期大量的樣本采集的數(shù)據(jù)積累，以課題組通過模擬研究建立的綠色設(shè)計矩陣策略（表1）為框架，通過“門頭溝體育文化中心項目”的方案設(shè)計實踐，構(gòu)建出本項目以設(shè)計為主導(dǎo)的綠色建筑設(shè)計方法及策略，為實踐在一線的建筑設(shè)計師提供一種與設(shè)計過程聯(lián)動的綠色設(shè)計新思路。

2 項目綠建設(shè)計解析

2.1 項目簡介（圖1～2）

門頭溝體育文化中心用地位于北京市門頭溝新城，該地區(qū)屬中緯度大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷干燥。項目主要功能包括體育、文化兩大功能板塊，總建筑面積132933m2，其中：地上建筑面積59618m2，地下建筑面積為73315m2。項目具體核心功能如下：

①體育功能板塊：由體育館、游泳館、全民健身中心、體育運(yùn)動學(xué)校、室內(nèi)冬季運(yùn)動場構(gòu)成。

②文化功能板塊：由文化館、圖書館、劇院、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)展示中心構(gòu)成。

文化中心屬于當(dāng)下較為典型的主要服務(wù)于市民兼具休閑、健身、文化娛樂的體育文化綜合體建筑。

2.2 綠色設(shè)計策略及研究框架

綠色建筑的“綠色”并不是一般意義的立體綠化和屋頂花園，通常指具備“對周圍環(huán)境負(fù)責(zé)”和“資源利用效率高”兩個條件的構(gòu)筑物或使用程序，并貫穿于建筑的整個生命周期[2]。在《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中將綠色建筑定義為“在全壽命期內(nèi)，節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、減少污染，為人們提供健康、適用、高效的使用空間，最大限度地實現(xiàn)人與自然和諧共生的高質(zhì)量建筑?！被谏鲜鼍G色設(shè)計的理念，本項目通過方案設(shè)計階段采用被動式的綠色設(shè)計策略，降低建筑整體的能耗及資源需求，并在深化及施工圖設(shè)計階段選用主動式節(jié)能的設(shè)備系統(tǒng)及運(yùn)行模式，提高運(yùn)行能效比，提升用戶滿意度。本文集中探討方案設(shè)計階段的以設(shè)計為主導(dǎo)的綠色設(shè)計策略。

基于課題組對方案設(shè)計階段提出相應(yīng)的指標(biāo)體系，方案設(shè)計階段的綠色設(shè)計重點在于處理高大空間公共建筑的場地布局、建筑形體、空間組織、結(jié)構(gòu)選型和圍護(hù)體系與綠色性能的關(guān)系參看表2[3]。

本文以“門頭溝文體中心項目”的方案設(shè)計階段為例，通過定性及定量的分析方法，闡述“建筑的場地布局、建筑形體、空間組織、結(jié)構(gòu)選型和圍護(hù)體系”等綠色設(shè)計要點的應(yīng)用及其綠色性能效果，其綠色設(shè)計整體策略如下：

表1 綠色設(shè)計策略矩陣表

首先，基于節(jié)地的性能目標(biāo)。本項目在空間組織上采用了兩組高大空間豎向疊合的構(gòu)成方式，形成了較為集約的場地布局；其次，基于節(jié)能及舒適的目標(biāo)。根據(jù)不同的建筑功能形成了主功能核心空間居中，輔助功能圍繞周圍的空間組織形式，有效降低核心空間的能耗指標(biāo)。再次，基于降低能耗的目標(biāo)，通過對建筑平面輪廓傾斜角度、立面傾斜角度、屋面傾角等建筑形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化；最后，基于節(jié)材的目標(biāo)，通過對結(jié)構(gòu)選型及外維護(hù)表皮進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。研究框架參看表3。

2.3 空間疊合的緊湊布局——集約用地

城市發(fā)展勢必導(dǎo)致土地資源供給趨于緊張，通過現(xiàn)代化的技術(shù)手段有效地縮減建筑占地，科學(xué)集約利用土地資源是綠色建筑設(shè)計非常重要的一個環(huán)節(jié)。本項目用地非常緊張，在集約利用土地的基礎(chǔ)上，以綜合體的形式整合功能及流線，從“體形系數(shù)集約設(shè)計、功能集約設(shè)計、結(jié)構(gòu)體系節(jié)材設(shè)計”等方面實現(xiàn)綠色節(jié)能設(shè)計策略。在功能組織上，將體育館和游泳館上下疊合，訓(xùn)練館和室內(nèi)運(yùn)動場上下疊合，最大限度地集約利用土地，相較于散布的組合方式，疊合布局節(jié)地約20%，有效地利用地面空間創(chuàng)造出豐富的室外運(yùn)動場所以及城市公共空間。

（1）體型系數(shù)的集約

豎向堆疊的空間處理手法對建筑節(jié)能最直接的貢獻(xiàn)即降低了建筑的體形系數(shù)。根據(jù)數(shù)據(jù)研究，建筑物的體形系數(shù)在0.3的基礎(chǔ)之上每增加0.01，冬季采暖能耗就要增加2.4%～2.8%；每減少0.01，冬季采暖能耗則可降低2.3%～3.0%[3]。相較于散布的建筑群落或是平鋪的建筑體量，豎向堆疊的布局方式在相同體積的情況下可以有效地減少建筑的外表面積，從而降低建筑的體形系數(shù)，本項目優(yōu)化后的體形系數(shù)為0.14，可有效地降低建筑的能耗，后者能耗降低了約62%（圖3）。

表2 方案設(shè)計階段設(shè)計要素與綠色性能的關(guān)聯(lián)

表3 研究對象及研究框架

圖1 門頭溝文體中心效果圖

圖2 總平面圖

圖3 豎向疊合布局示意圖及能耗比較

圖4 復(fù)合空間布局示意圖

圖5 輔助空間綜合利用示意圖

圖6 大跨疊合空間結(jié)構(gòu)形式示意圖

圖7 大跨度樓面模型

圖8 雙下弦節(jié)點示意圖

（2）功能集約設(shè)計

綜合性公共建筑的內(nèi)部空間可以根據(jù)其空間屬性不同分為核心功能空間、公共空間及附屬空間。核心功能空間主要是指本建筑定性的主要功能使用空間，比如本項目中的體育館、游泳館、文化館、圖書館、劇院等；公共空間主要是指建筑內(nèi)部的服務(wù)于公眾人流集散、休息、交流的空間；附屬空間主要是指內(nèi)部辦公、服務(wù)空間；衛(wèi)生間、設(shè)備機(jī)房等空間。如何做好這三者之間的空間關(guān)系，通過集約的功能設(shè)計與交通組織提升建筑的運(yùn)行效率，才能有效降低建筑全生命周期內(nèi)的各種能源及物質(zhì)消耗。

門頭溝文體中心項目以核心功能空間為導(dǎo)控主體，將文化功能與體育功能南北并置為兩個功能分區(qū)，并將每個功能區(qū)內(nèi)部的核心空間、公共空間及輔助空間在三維體系內(nèi)優(yōu)化整合，形成核心空間高效集優(yōu)、公共空間過渡緩沖、輔助空間緊湊共享的復(fù)合布局（圖4）。同時在空間類型化整合之后，其空調(diào)系統(tǒng)可實現(xiàn)不同系統(tǒng)、不同運(yùn)行時段的獨立控制及運(yùn)營（圖5）。

（3）結(jié)構(gòu)體系節(jié)材設(shè)計

大空間疊合的空間布局對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了較高的設(shè)計難度，如何在減輕結(jié)構(gòu)自重、提高大跨結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，通過結(jié)構(gòu)體系的節(jié)才設(shè)計從而實現(xiàn)本項目的低碳導(dǎo)控策略。常用的大跨度結(jié)構(gòu)體系主要有平板網(wǎng)架、鋼桁架和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)體系。較混凝土結(jié)構(gòu)而言鋼結(jié)構(gòu)存在著重量輕、剛度大、抗震性能好、材料可循環(huán)利用率高等優(yōu)勢，且從節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境角度來講，選擇鋼結(jié)構(gòu)體系可以減小資源消耗并有效降低對環(huán)境的影響；而鋼桁架結(jié)構(gòu)體系在實現(xiàn)相同跨度及結(jié)構(gòu)受力性能的前提下較平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有明顯的節(jié)材優(yōu)勢，因此本項目大跨度樓蓋最終選擇了鋼桁架+鋼筋桁架樓板結(jié)構(gòu)形式，屋面采用鋼桁架+輕質(zhì)屋面板的結(jié)構(gòu)體系，并通過結(jié)構(gòu)受力分析及布置比較最終確定更節(jié)材的鋼桁架構(gòu)型（圖6、圖7、圖9）。除此以外，包括北區(qū)北側(cè)、東側(cè)、西側(cè)幕墻主體結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)全部采用預(yù)制。預(yù)置構(gòu)建部分重量折算后為1408606.6KN，建筑結(jié)構(gòu)總重量折算后為3776711KN，預(yù)制構(gòu)件用量比例為37.30%，符合節(jié)材與材料資源利用合理的要求。同時，項目還大面積采用鋼桁架、鋼筋、玻璃幕墻、鋁板等可再循環(huán)利用材料，這些材料重量為10463.15t，總建筑材料的重量為103416.65t，占總建筑材料比例的10.12%，也符合節(jié)材與材料資源利用合理的原則[5]。

圖9 結(jié)構(gòu)受力及布置比較分析

圖10 核心空間與輔助空間位置與能耗關(guān)系

圖11 輔助空間緩沖示意圖

圖12 室外空腔緩沖示意圖

圖13 屋頂花園氣候緩沖示意圖

圖14 優(yōu)化比較過程

圖18 單曲面、雙曲面分區(qū)示意圖

本著綠色節(jié)能的目標(biāo)，本項目在空間高度設(shè)計上相對節(jié)制，頂部結(jié)構(gòu)構(gòu)件與觀眾距離較近，因此在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計上充分考慮構(gòu)件尺度和觀感及構(gòu)件受力要求二者之間的平衡，并通過雙下弦的節(jié)點設(shè)計實現(xiàn)了提高結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、減少材料用量以及提升構(gòu)件美學(xué)的目標(biāo)（圖8）。

通過在設(shè)計階段從集約利用土地的角度出發(fā)，運(yùn)用“體形系數(shù)集約設(shè)計、功能集約設(shè)計、結(jié)構(gòu)體系節(jié)材設(shè)計”等主動介入的綠色節(jié)能設(shè)計策略，為后續(xù)綠建優(yōu)化建立一個良好的基礎(chǔ)與平臺。

2.4 緩沖空間調(diào)節(jié)策略

從能耗角度將建筑空間分為“核心空間+緩沖空間”，從使用角度將建筑分為“功能空間+輔助空間/公共空間”。在本項目中其功能空間——體育館、游泳館、室內(nèi)冬季運(yùn)動場、劇院等高大空間在平面尺寸及空間高度上均有相應(yīng)規(guī)范以及設(shè)計依據(jù)。而這些功能空間也恰恰是整個建筑能耗的核心空間，其本身在空間尺度上優(yōu)化的余地并不大。而其與建筑內(nèi)的輔助空間之間的位置關(guān)系以及輔助空間作為其能耗緩沖空間的作用是本項目所研究及探討的。

圖15 平面形體優(yōu)化要素及能耗比較后選取結(jié)果

圖16 立面傾角體優(yōu)化及能耗比較后選取結(jié)果

圖17 屋頂矢高位置及能耗比較后選取結(jié)果

圖19 雙曲面優(yōu)化平板擬合示意圖

首先，根據(jù)模擬可知，核心的功能空間居中設(shè)置，周圍布置共享空間及輔助空間可以有效的穩(wěn)定核心空間的氣候邊界條件，有利于降低核心空間的能耗指標(biāo)（圖10）。

再根據(jù)核心空間的功能對于自然采光及通風(fēng)的需求來確定其外圍輔助空間的屬性。主要分為三種情況：

①無自然采光及通風(fēng)需求的空間——體育館、室內(nèi)冬季運(yùn)動場、劇院等在其周圍布置場館配套用房、衛(wèi)生間、機(jī)房、輔助辦公等空間，在實現(xiàn)這些空間的自然采光及通風(fēng)要求的同時，給核心大空間提供一個穩(wěn)定的氣候邊界，實現(xiàn)緩沖空間的調(diào)節(jié)策略（圖11）。

②可以自然采光及通風(fēng)的空間——訓(xùn)練館、全民健身中心等，在其周圍設(shè)置半室外空間，在過渡季節(jié)時，為核心空間提供經(jīng)過緩沖空間調(diào)節(jié)后的自然通風(fēng)及采光，有利于提供穩(wěn)定的氣流組織及均勻的室內(nèi)光線，從而提升用戶體驗滿意度（圖12）。

③有自然采光及通風(fēng)要求的空間——普通教室、運(yùn)動員公寓等，在其內(nèi)部植入室外庭院空間，并通過在庭院內(nèi)部設(shè)置大面積的綠化景觀來調(diào)節(jié)氣候條件，同時作為下層高大空間的屋面體系而言，種植屋面在夏季可以有效的降低太陽輻射給下層空間帶來的熱負(fù)荷，并在冬季作為附加保溫層有效地減少內(nèi)部空間的熱量損失（圖13）。

綜上所述，通過優(yōu)化建筑內(nèi)核心空間及緩沖空間之間的關(guān)系，提供定量分析手段及方法，充分利用緩沖空間的氣候調(diào)節(jié)策略，可以有效地降低建筑能耗，并提升客戶體驗滿意度。

2.5 參數(shù)化尋優(yōu)的形體生成策略

基于上述通過空間疊合的設(shè)計手法最大限度地降低了建筑的體形系數(shù)，通過核心空間及緩沖空間的關(guān)系優(yōu)化形成了相對穩(wěn)定的建筑形體關(guān)系。并以此形體關(guān)系為基礎(chǔ)，結(jié)合建筑設(shè)計理念形成了頗具動感、寓意飛翔的建筑立面形態(tài)。而在立面形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計過程中，本項目在單一美學(xué)要素判定的基礎(chǔ)上運(yùn)用Grasshopper平臺的Ladybug、Honeybee等運(yùn)算工具，對本項目的建筑平面輪廓傾斜角度、立面傾斜角度、屋面傾角、矢高等關(guān)鍵造型要素同時進(jìn)行能耗影響分析，建立起建筑形態(tài)和建筑能耗關(guān)系的可視化分析工具，在形態(tài)選取及優(yōu)化的過程中充分考慮建筑形態(tài)的能耗結(jié)果，從中尋求一個優(yōu)化平衡。

設(shè)計首先通過“形體參數(shù)輸入——運(yùn)行計劃參數(shù)及熱工分區(qū)設(shè)置——模型交錯及窗墻比設(shè)置——熱工參數(shù)置入與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用——能耗模擬運(yùn)算及可視化輸出”的優(yōu)化比選過程（圖14），非常直觀地顯現(xiàn)出單因子形態(tài)變化與能耗優(yōu)劣之間的關(guān)系，并據(jù)此最終確定影響建筑形態(tài)的各要素取值。

本項目約束條件的設(shè)定：保證建筑整體面積與體積不變，以及其中空調(diào)調(diào)控溫度的建筑面積和體積不變，主要功能空間的面積、高度、體積不變。本項目優(yōu)化過程參看圖15～17。

2.6 節(jié)材優(yōu)先的表皮設(shè)計策略

基于上述立面、平面及屋頂?shù)男误w優(yōu)化，在不提高能耗的原則導(dǎo)控下，基于建筑材料的特性，對表皮進(jìn)行二次優(yōu)化。從形態(tài)分析入手，對表皮進(jìn)行“雙曲、單曲、平板”的權(quán)重分析（圖18），圖中黃色曲面為單曲面，均可優(yōu)化為平板板塊，紅色區(qū)域為雙曲面需要通過曲率及起翹值分析確定擬合范圍。

為了實現(xiàn)工程上的數(shù)據(jù)可控，首先將單曲面建筑形態(tài)的控制曲線進(jìn)行幾何優(yōu)化，將自由曲線優(yōu)化成曲率相切的圓弧曲線；其次，對雙曲面部分進(jìn)行曲率分析——起翹分析——平板擬合等優(yōu)化過程。由面板三點確定一個平面，測量第四點到平面的距離，以此距離為優(yōu)化的控制值，當(dāng)小于取值范圍，優(yōu)化為平板；當(dāng)大于取值范圍，保持原有曲率，此取值范圍由板材性能決定。并通過測試不同板塊大小，獲取更大范圍的平板區(qū)域，從而減少雙曲面板材的種類及數(shù)量，達(dá)到節(jié)材的效果（圖19）。

結(jié)語

文章以門頭溝文體中心項目為例，根據(jù)項目特點，從“空間布局、緩沖空間、形體優(yōu)化、表皮優(yōu)化”等設(shè)計要素方面探討了基于方案設(shè)計階段的以設(shè)計為主導(dǎo)的綠色建筑設(shè)計方法及策略。并借助Grasshopper平臺的Ladybug、Honeybee等運(yùn)算工具，實現(xiàn)了建筑形態(tài)控制及能耗影響結(jié)果的可視化聯(lián)系，有效地將綠建設(shè)計引入前期方案優(yōu)化設(shè)計之中，旨在為實踐在一線的建筑師提供一種與形態(tài)及空間設(shè)計緊密結(jié)合的綠建設(shè)計新思路。

資料來源：

圖1～2：項目效果圖及總平面圖；

圖9～10、圖14、圖18～19：截取軟件界面；

表1～2 ：張龍巍，張伶伶，王超，夏柏樹. 北方地區(qū)高大空間公共建筑綠色設(shè)計研究[J]. 工業(yè)建筑，2019，49（12）：64；

文中其余圖表均為作者自繪。