加州科学博物馆屋顶生态节能技术

1、加州科学博物馆屋顶生态节能技术0 引言在资源面临枯竭， 环境日益恶化的当今社会， 城市节能减排 的任务非常艰巨。根据联合国环境规划署 2009 年度报告，建筑 部门每年消费占全球三分之一以上的资源，包括12%的全球淡水使用，并生产了 40%的固体废物。因此，建筑部门的减排潜力比 工业、运输业和林业部门的总潜力大。联合国环境署研究表明：“如果一个城市屋顶绿化率达 70% 以上，城市上空二氧化碳含量将下降 80%，热岛效应会彻底消 失。” 1屋顶绿化是以建筑物顶部平台为依托， 进行蓄水、 覆土并栽 种植物的一种空间绿化形式。 2 由于其不占用城市土地，还能 提高居住区的绿地率、美化环境，屋顶绿化在

2、城市设计、建筑设 计中的应用越发广泛。美国加州科学博物馆新馆有着巨大的被植物覆盖的生态屋 顶，在保温隔热、通风采光、储水排水、调节生态等方面都起到 重要作用，因此被誉为“会呼吸”的建筑。2 加州科学博物馆概况2.1 项目背景 加州科学博物馆是是世界上唯一一个同时拥有水族馆、 天文 馆、自然历史科学馆和科学研究项目的机构， 同时也是世界上最杰出的自然历史科学馆之一，在国际自然科学研究居领先地位。 该馆始建于 1853年，此后数次搬家。 2005 年，由普利兹克奖得 主著名建筑师皮亚诺与旧金山史坦泰克建筑团队合作设计的新 建筑开始动工。花费了 4亿 8千 8百万美元的新加州科学博物馆 于 2008

3、 年 9 月 27 日建成并重新对游人开放。2.2铂金级LEED录色认证加州科学博物馆采用了广泛的绿色节能技术， 新馆极大地降 低了建筑能耗，同时建筑本身也会产生能源，还能节约用水，并 为当地的野生动物创造新的栖息地。LEED（能源与环境建筑认证系统）是由 USCBQ美国绿色建 筑委员会） 制定并推出的一种录色评估体系。 该系统提供了一系 列测评数据， 是现有国际上最完善、 最具影响的绿色建筑评估体 系，LEEDE成为世界各国建立绿色建筑及可持续性评估标准的 范本。通过对各种类别的可持续性发展指标评判的得分， 建筑可 以获得基础认证（至少 26分）、银级认证（至少 33 分）、金级 认证（至少

4、 39 分，意味着该建筑比常规建筑环保 50%）或者铂 金级别的认证（至少 52分，意味着该建筑比常规建筑环保 70%）美国加州科学博物馆新馆获得 6 个不同的类别指标的评估： 可持续发展选址，水利用率，能源和空气，材料和资源，室内环 境质量，创新和设计过程。基于广泛的绿色建筑的技术和战略， 包括可再生建材， 自然通风， 太阳能发电， 富有生命活力的屋顶， 加州科学院共获得了 54分，超过了铂金认证标准的 52分。另外，它还获得了 2009 年美国风景设计学会的荣誉奖，被 称为世界上最绿色的博物馆。3 加州科学博物馆屋顶技术研究 加州科学博物馆由自然科史博物馆、 天文馆和水族馆三馆组 成。设计

5、理念是在基地上竖起一处天然景观，里面有各种设施、 办公楼与展览空间。 高处是天文馆和热带雨林展览厅， 底处则有 一个中央广场（图 1）。图1 加州科学博物馆鸟瞰示意图 设计师以一大片覆盖着天文馆和热带雨林、 水族馆等球体结 构的波浪形屋顶， 将该馆 80 年来陆续完成的 12 栋建筑全部统一 起来（图 2）。图2 加州科学博物馆新馆3.1 屋顶节能设计特点及措施加州科学博物馆的绿色设计最明显的特征便是这 2.5 英亩 的绿色屋顶。 上面伴有 7个小山形状的圆顶， 代表旧金山的 7 个 山丘，屋顶的一半面积被 1700 万株植物所覆盖，形成连绵起伏 的草坡（图 3）。图3 波浪形的绿色屋顶 在建

6、筑屋顶的设计中，从通风、隔热、采光等方面应用了多 项节能技术。另外，也从各个角度去考虑屋顶绿化的意义，不仅 满足建筑自身的节能要求，还肩负起保护地区生态系统的责任。3.1.1 采光和通风系统为了最大限度地借助自然光， 建筑外侧通体使用了玻璃墙和 玻璃窗。 中央大厅设计了巧妙的天窗， 不但可以通过开关来调节 室内温度，还可以为馆内的 2000 万种动植物提供新鲜空气和自 然日光。在馆内，落地玻璃幕墙使 90%的馆内办公室沐浴在自然 光下，并且兼顾室外景观，减少了电力照明的能源消耗。建筑师通过电脑模拟旧金山当地的风模式，设计了屋顶上 7 个突起的“山丘”，最大化的实现室内外空气流通。一年中的大部分

7、时间里，通过波浪状屋顶人造小丘的控制， 来自太平洋的海风进入科学馆， 带走里面的热空气， 直达屋顶的 通风口排出建筑。 持续不断的空气循环， 极大地减少对空调的需 求，也使整座建筑物内像室外一样“和风煦日”（图4）。图4 采光通风示意图3.1.2 屋顶绿化的作用 加州科学博物馆的绿色屋顶有效的降低了室内温度， 比普通 建筑的室内温度平均降低 10 度。新馆屋顶每年可以吸收约 98%的雨水，防止多达 360 万加仑 的径流携带污染物进入生态系统。在屋顶上种植的 1700 万株植物中， 包括多种美国濒危植物， 如沙滩草莓，海粉花，加州罂粟等等。这些植物不仅能吸引本土 的飞鸟、蜜蜂、昆虫，甚至还能引

8、来濒临灭绝的加州斑格蝴蝶。3.1.3 可再生能源屋顶上覆盖了 6 万块太阳能电池板， 它们每年能够提供大约213000 千瓦的清洁能源，可以满足加州科学博物馆至少5%的基本耗能，并且防止了每年超过 405000 磅的温室气体排放。3.2 屋顶绿化构造措施 由于新馆屋顶上的圆顶部分在某些部位的坡度超过了 45 度，位于高处土壤中的水分和养料容易流失到低处， 造成植被灌 溉不均， 使圆顶上部的植被发育迟缓甚至枯黄。 因此在进行屋顶 绿化设计时，既要完成吸取天然水分、降低屋顶温度的作用，又 要防止滑坡，不会被大风大雨冲走。为了解决这一问题，屋顶绿 化项目组进行了全方面的考虑， 制作了全尺寸的模型，

9、用以对土 壤的排水和固定系统进行测试。 设计团队最终采用了 BioTray 植 被屋顶模块化系统。3.2.1BioTray 植被屋顶模块化系统BioTray 是一种自然的可生物降解的屋顶植被模块化系统。 这些模块由天然乳胶和椰壳纤维组成。 椰壳纤维是从椰子壳上剥 离的可以快速再生的产品。 与传统的模块化系统相比较， 椰壳纤 维会随着时间分解， 并且还可以转换成植物的生长介质 （土壤） 。 同时这种模块化系统消除了塑料制品在屋顶绿化中的使用， 增加 了屋顶的可持续性。在加州科学博物馆中， 采用的是菲律宾产的天然织物作为模 块基质垫在下面， 然后再将各个模块进行固定。 这些天然织垫能 透水，形成水

10、循环系统（图 5）。同时，选择了适合在这一区域 生长的植物品种，并都具有吸引蝴蝶鸟类和昆虫的能力。图 6 BioTray 植被屋顶模块3.2.2 屋顶绿化构造措施 铺砌屋顶的材料全部采用结构相当复杂的“七层砖”， 每层 分别实现防水、透气、水土保养等不同的功能，最上层才是绿化 用土。“七层砖”的最底层是石板， 上面分别为防水层、 隔源层、 透水层、水土保养层、 3 英寸厚的土壤层，以及最表面由椰壳编 织出来 BioTray 植被屋顶模块（图 6）。图6 屋顶铺贴构造层次尺寸为17cm*17cm的可降解平板构成了 3英寸厚的种植媒 介，人工按金属框格的几何结构将其铺贴在另一个 3英寸的种植 媒介

11、上，工人将这种“七层砖”一块块铺满屋顶（图7）。加上绿化用土与植物本身，屋顶的总重达到 1170吨。图 7 屋顶构造措施照片中的是基础隔离层、蓄水 / 排水板、过滤纤维、金属筐 集液沟和支撑带，其上便是种植媒介区4. 结论屋顶绿化技术发展至今， 降低建筑能耗、 保护城市环境等诸 多优点已经得到了全球各国政府的重视。 2005年，我国首个屋 顶绿化地方标准一一北京市屋顶绿化规范出台。规范对屋顶绿化中的植物种类选择、 各种材料荷重、 绿化施工操作程序、 绿化种植区构造层、屋顶园林小品设计、植物防风固定技术、养 护管理技术等各方面进行了较详尽的技术指导和规范。屋顶绿化涉及了多个学科的知识，包括了建筑学、景观学、 生物学等。因此需要相关领域的学者共同参与到屋顶绿化的研究 中。我国的屋顶绿化还存在很多技术问题，建筑高低的差异、南 北的差异、建筑形态和结构的差异等都影响着屋顶绿化方式的选 择。另外，民众对屋顶绿化的了解很少，参与程度也很低。政府 需