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)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衍生的模型進行諸如考慮幾何非線性的屈曲分析和在Ansys進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)格劃分費時費力而且調(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。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)進行局部空氣調(diào)節(jié)，保證人體舒適性，同時也達到滿足植物生產(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一步升高，同時反作用于出口處，加強了天窗拔風(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團隊協(xié)助設(shè)計團隊和膜結(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)中確保“綠色設(shè)計”的盡善盡美?，F(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行可持續(xù)性的設(shè)計?！?/p>

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