与自然对话的建筑_上海自然博物馆绿色设计实践.docx

architecture:green design practice of shanghai natural museum 与自然对话的建筑上海自然博物馆绿色设计实践汪铮 陈剑秋 雷涛 / wang zheng, chen jianqiu, lei tao摘要 ：对上海自然博物馆的建筑创意及技术体系进行了详实的论述，在全球可持续发展的背景下，大型公共建筑的绿色设计应是将建筑与技术有机融合的过程。师法自然、回馈自然即是这一过程的精髓思想。abstract: this paper makes a detailed discussion about shanghai natural museum in terms of its architectural creation and technical system, indicating that the green design of large public buildings should be the process of organic integration between architecture and technology. learning from nature and feeding back to nature are the essence of this process in the context of sustainable development.关键词 ：上海自然博物馆 绿螺 师法自然 生态技术 整合key words:shanghai natural museum, green spiral, imitate nature, ecological technology, integration图12中庭室内空间090case study | 实践探索 ecgb1 建筑概况自然博物馆坐落于上海市中心的静安雕塑公园中，公园四周被 山海关路、石门二路、北京西路、成都北路围合，博物馆从公园中 盘旋而升（图 1）。其建设规模、展品存量和展示手段都位居国内三 大自然博物馆之列，将成为集展览、教育、社交和自然体验为一体 的新型公共活动场所，预计每年参观者将超过 120 万人。2 建筑设计的绿色理念师法自然2.1 设计立意绿螺（1）语汇。将自然博物馆称为“绿螺”，因其整体形态的设计 灵感来源于螺的壳体形态，这一形态历经大自然几百万年的雕琢，是 和谐比例与动态力学的完美结合。椭圆形水池是贯穿整个建筑的中心 焦点，各展厅随参观流线在螺旋式空间中有序展开。内部功能与外观 形式浑然一体。这一“绿螺”的设计语汇源自自然的基本元素山、水、陆 地、岩石，建筑外观设计和环境景观配置都体现着对这些元素的展示（图 2）。（2）立面。博物馆外立面由 3 种墙体系组成（图3 6）。西、 北墙体为一面具有条形岩石肌理和斑驳质感的构造墙体，形象地表达 了地壳形成过程中的运动状态。东北面是由垂直绿化组成的生态墙体。此墙体界定了一个拱廊 街道，连接城市和公园入口，并为办公区的窗户提供遮阳。同时此墙 体将公园的水平绿化延展到建筑的竖向表面。南墙由类似“人体细胞结构”的图案构成。较大尺度的内层结 构代表身体的骨骼结构，支撑着博物馆的墙体和屋面。较小尺度图案 组成的外层，代表身体的组织和肌肉，并为最内层的玻璃提供遮阳。图1鸟瞰效果2.2 自然景观渗透自然博物馆的景观结合建筑形态而设计种植屋面似公园里 自然生长升起的绿坪，绿色螺体绕中心景观盘旋。这种景观效果主要 是应用 3 种策略达成的（图 7）。（1）引入岛状植物组群，称之为“原始森林”。由植被形成一 定的起伏形态，用岩石作为边界，分散布置在基地上。起伏的地形成 为博物馆体验的一部分，也是休息区和社交空间。夜间，这些起伏的 地形被灯光照亮，将成为一个个光线反射体，减少室外灯柱的需要。（2）在中心景观绿地引入“椭圆形水池”。这一元素既是整个 建筑的视觉中心，水波的波纹、动感、声音和反射也同时成为博物馆 体验内容的组成部分。（3）铺地和墙体表面由岩石图案组成，它们是博物馆的“原生 背景”。这一背景使人联想到地球的地质构造层，其中水平构造层延 伸入一层室内空间及椭圆形水池的下方。地球、岩石、水和植物等原始元素是方案景观设计的主要元素， 它们为参观者的体验之旅融入了无限的遐想。mountain and watercentral element2.3 内部空间融贯（1）功能。场馆内部大部分面积为展厅，其他功能包括 ：管理 人员办公、周转库房、停车库以及为参观者服务的餐厅、商店，还有 一个可独立开放的 imax 影院。这些功能的 75% 被安排在地下层，地图2基本设计元素图3北立面图4西立面图5东立面091ecgb实践探索 | case study图6南立面面上的建筑体量得以大幅减小，整个建筑因而融入到雕塑公园的绿化环境中。博物馆的屋顶自地面升起，如同在公园中切割出一块绿地 后，再将其提升 18m 的高度，所有功能都被置于这一连续的绿地下 面。地下二层为展厅和设备用房 ；地下二夹层为展厅及藏品库房 ； 地下一层为展厅、临时展厅、设备用房及停车库 ；地下一夹层为停 车库 ；地上一层为入口大厅、纪念品商店 ；二层为 imax 影院、咖啡 厅、报告厅、展厅及员工餐厅 ；三层为行政管理服务区（图 8、9）。（2）流线。南向的博物馆入口有三层高的透明落地玻璃幕墙， 将室内与外部景观融为一体（图 10 12）。参观流线随内部坡道盘 旋上升，由地上至地下形成了一条清晰流畅的主参观流线。参观者还 可通过灵活布置的电梯、自动扶梯、坡道等组织特别参观流线。imax 影院和报告厅布置在二层展区之外，可独立营运，其通过 便捷的垂直交通联系一层大厅，实现了不同访问人员的合理分流。3 建筑绿色设计的技术体系回馈自然绿色理念的延展及实现必须依托于技术体系的支撑，本项目 设计之初即致力于与博物馆建筑特点相适应的生态节能技术集成研 究，在上海市科委课题研究的基础上，还取得了国家绿色建筑三星级 设计标识，主要运用了 12 项生态节能技术体系。图7自然渗透的景观092一层平面三层平面地下一夹层平面地下一层平面地下二夹层平面屋顶平面图8 各层平面ecgbcase study | 实践探索093ecgb实践探索 | case study3.1 立体绿化体系东立面设置整片绿化外墙，同时在屋顶运用拓展型绿化方式， 绿化面积达 100%（图 13、14）。该屋顶绿化是一个包括植被层、基 质层、隔离过滤层、排水蓄水层、隔根层、分离滑动层和防水层的立 体构造。外墙与屋顶绿化为低养护、免灌溉型，养护便利，可作为建 筑室内空间的热量缓冲，减少取暖和空调的费用。每平方米的绿化每 年可去除约 0.2 kg 的空气悬浮颗粒，能有效地改善空气质量、缓解 水土流失。3.2 采光遮阳一体化玻璃幕墙外围护透明部分将低辐射中空玻璃幕墙与遮阳体系有机结 合。南面“u”形玻璃幕墙运用“细胞墙”构件将采光与遮阳完美 结合，也创造了强烈的建筑视觉效果 ；入口处的拉索式玻璃幕墙则 与宽大的挑檐匹配，强化入口标志性的同时，还起到很好的遮阳效 果。东立面三层的办公空间则采用可调遮阳百叶。以上多种灵活适 宜的策略组合，将能耗最大的建筑表皮转换成了内部空间的能量调 节装置（图 18 21）。3.3 自然通风自然通风是一种借由风压、热压从而利用自然能的通风技术。自 然博物馆高度仅 18m，故主要考虑以风压作为通风驱动力。利用 cfd图10门厅室内空间图13东立面绿化墙外观效果图14东立面绿化墙框架示意图9 恐龙展厅平面图11 影院前区室内空间图15东立面绿化墙构造节点094图20南立面主入口拉索式玻璃幕墙case study | 实践探索 ecgb3.4 自然导光技术传统观念里，博物馆是一个黑暗王国。而在上海自然博物馆， 自然光照亮了大部分空间。一是利用南侧下沉庭院及通高弧形玻璃幕 墙将自然光引入地下部分（图 24）；二是在三层办公楼屋顶设置主动 式导光系统，进一步改善了办公环境（图 25）。（computational fluid dynamics）软件，根据典型气象年过渡季节的外界风速及风向条件，分别对春、秋季的建筑外场进行通风数值模 拟，进而指导设计，组织和诱导自然通风利用室外气候、室内热 源，调整或增设中庭、通风口、机械通风装置（图 22、23）。其基本 工作原理是 ：室外条件允许自然通风的情况下，机械通风系统关闭 ； 当室外环境温度升高或降低至某一限度时，自然通风系统关闭而机械 通风系统开启。cfd 软件还将这些通风策略输入到建筑智能化系统， 借助一系列的感应器，来监视室内外的环境状况，控制立面窗户、天 窗和机械通风系统的运行。这一系统比传统通风系统节能 25% ；减 少污染物的排放及制冷剂的使用，缓解全球的污染问题；改善室内空 气质量和热舒适条件。3.5 雨水回收技术水资源优化技术措施围绕 4 个方面展开：雨水回收、雨水下渗、 节水景观、节水设备，以求尽可能减少对清洁水源的使用，减少市政 排水系统的负担。其中重点是雨水回收系统的设计（图 26、27）。博物馆屋面面积约 4 000m2，中央水池面积约 2 000m2，年收集图16屋顶绿化方案图19 “细胞状”u型玻璃幕墙分层构造示意图17屋顶绿化构造示意图21东立面办公空间遮阳百叶窗5.0000 3.0000 1.0000 1.0000 3.0000图18“细胞状”u型玻璃幕墙图22 不同季节自然通风方案095ecgb实践探索 | case study的可用雨水量约 2 600m3。屋顶雨水通过绿色屋顶和雨水过滤器进行预处理，由屋顶上的小型蓄水箱收集，用于博物馆绿色屋顶和西面绿 化墙的灌溉。屋顶多余的雨水由集水沟收集后，输送到雨水过滤器进 行处理，然后储存在地下的蓄水罐中。其中大部分雨水会被泵输送到 椭圆形水池中，补充蒸发所损失的水。多余的水则被用于广场灌溉以 及道路清洗。理论上这套雨水系统可提供 100% 的景观和浇灌用水， 非传统水源的利用率超过整个建筑全年生活用水的 20%。3.6 太阳能利用技术（1）太阳能光伏与建筑一体化。屋顶 385m2 的弧形天窗采用了 单晶硅光伏玻璃，通过调节电池片的间隙，控制其采光及遮阳性能。 显然，光伏系统本身作为建筑整体的一体化构件，而不是独立增设于 屋顶的构件（图 28）。（2）太阳能光伏发电系统的展示。结合展馆的布置，将太阳能 光伏发电系统部分内容向公众开放，提供教育展示的社会效应。3.7 地源热泵技术地源热泵技术是一种利用地球表面浅层的地热能资源进行供 热、制冷的高效、节能、环保的系统（图 29）。博物馆地源热泵系统 利用无污染、无排烟、无废弃物的可再生能源地热作为主要冷热 源，系统冬季制热可满足总负荷需求，夏季制冷可满足总负荷 60% 的需求。自然博物馆大面积采用地源热泵，是建立在专业机构针对该技 术所做的模拟计算及详细研究基础之上的。研究成果显示：以公共 建筑节能设计标准（gb50189-2005）为对比基准，本项目的地源 热泵每年可节省 117.7t 标准煤，年减排 co2 约 195.5t，年运行费用 可节省 22.3 万元，动态回收期 11.98 年。由此可见，采用该系统在 经济上是合理的，符合目前国家的节能减排政策。3.8 空调热回收技术（1）根据用能实际需要，地源热泵主机配置有部分热回收功 能，可提供免费热源 260kw，保证室内常年使用高温、低成本生活 热水夏季“免费用”，过渡季节及冬季“低费用”，同时有效地降 低了地源热泵的土壤热平衡率。图23不同高度温度分布图24地下空间自然光导入示意096ecgbcase study | 实践探索图25管道式主动导光系统图27雨水回收流程示意（2）根据室内空间特点，部分室内空调系统设置排风热回收。在大报告厅、imax 影院、三层约 2 000m2 的办公区域设置全热回收 功能，回收排风中的热能，进而预热（或预冷）新风，全热回收交换 器的热回收效率大于 60%。经计算机模拟分析后可知 ：以公共建筑节能设计标准为对 比基准，该项技术年节电量可达 23 891kwh，年减排 co2 约 22t， 年减排 so2 约 0.6t，动态回收期23 年。虽然适合采用热回收技 术的区域不大，且热交换机组会产生 30 元 /m2 的增量投资，但其有 效的节能减排作用及快速的成本回收周期，都显示其是性价比良好的 绿色节能技术。3.9 绿色建材技术选用“3r”（reduce，reuse，recycle）材料、低污染及本地 化材料是实现绿色建材的主要策略。本项目依据国家绿色建筑三星级 评定标准，为设计及施工阶段的选材制定了明确指标。（1）结构体系采用“地下室外墙与围护合一”、“钢筋混凝土 +图26雨水回收示意097图28屋顶光伏玻璃分布范围及大样ecgb实践探索 | case study表 1自然博物馆主要技术节能统计耗（kwh）图32自然博物馆可持续技术体系图29地源热泵原理钢结构”、“双向交叉梁”等多种结构优化措施 ；（2）结构材料大量采用高性能混凝土及高强度钢，高强度钢筋 hrb400 用量占主筋总量的 70% 以上 ；（3）采购的建材基本本地化，500km 以内生产的建材重量占建 材总重的 60% 以上 ；（4）全部采用预拌混凝土及商品砂浆 ；（5）外立面采用了大量钢框架玻璃幕墙，局部空间采用钢结构 体系，可循环材料总用量占建筑材料总重的 10% 以上 ；（6）室内吊顶及隔墙材料均采用以废弃物为原料生产的脱硫 石膏 ；（7）部分展厅设灵活隔断 ；（8）对场地内原有建筑采用了平移修复及再利用 ；（9 拆迁及施工过程中制订了废弃物管理计划及材料记录 制度。图30全年综合减排量3.10 生态技术整合平台在对单个技术的特点、可行性逐一了解并初步估算后，借用世 界先进的 energy plus 能耗模拟软件，建立起基于实际数据的自然博 物馆的设计模型和基于公共建筑节能设计标准、美国暖通工程师 协会建筑节能设计标准 ashrae的基准模型，并对两者进行时间步 长为 15min 的全年逐时动态模拟。目的是在定性研究后，对各项技术 的社会、经济效益进行进一步的量化计算，寻找达到理想节能率的最 佳技术配比。多次技术量化组合模拟分析比较的数据结果为：设计建图31智能化集成平台结构示意098生态节能方案当前建筑年能耗（kwh）公共建筑节能设 计标准建筑年能节能量（kwh）节能率（%）立体屋顶7 524 6497 587 89263 2430.83节能幕墙7 347 241240 6513.17主动式导光7 238 699349 1934.60一体化遮阳7 577 58010 3120.14自然通风7 467 092120 8001.59地源热泵6 690 379897 51311.83热回收装置7 564 00123 8910.31太阳能利用等7 383 969140 6801.85多项技术整合5 741 6097 587 8921 846 28324.33ecgbcase study | 实践探索筑年能耗为 5 741 609 kwh，基准建筑年能耗 7 587 892 kwh。若对比于基准模型，设计模型的节能率为 24% ；若对比于 1980 年代的公 共建筑模型，设计建筑的节能率为 62%。主要技术体系的节能贡献 率通过整合模拟平台得到了清晰的体现（表 1，图 30）。3.11 智能化集成技术体系本项目致力于智能化集成平台的建设，以使建筑实现前期设计 阶段的一体化和后期运营阶段的动态控制，减少不必要的照明能耗、 降低用户运行费用。具体做法是将各监测系统纳入统一的管理平台，在统一的人机 界面环境下实现信息、资源和任务共享，完成集中与分布相结合的监 视、控制和综合管理功能；同时通过集中显示终端，向游客展示部分 监控内容，倡导节能环保、以人为本的理念。本项目把建筑能耗的分 类计量、集中空调与通风系统的自动控制、空气调节末端的控制、用 电系统的自动控制作为设计重点，从而为智能化集成创建了可行性基 础（图 31）。项目概况外方设计单位：美国帕金斯威尔建筑设计公司 中方设计单位：同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 用地面积：12 029m2建筑面积：45 086m2（地上：12 128m2；地下：32 958m2） 建筑层数：地上三层、地下二层设计时间：20072009年 竣工时间：2012年3.12 全寿命周期综合评价体系建筑在全寿命周期内对环境影响包括对建筑排放物的控制及对 建筑成本收益的控制。对建筑排放物的控制主要为合理选择 3r 建筑材料及制定管理 制度。（1）废气。通过生态节能技术整合设计，建成后的上海自然 博物馆在 50 年寿命使用周期内，预计可节能 1 846 283kwh，经换 算相当于减少 co2 排放 92 050t，减少 so2 排放 2 800t，减少含氮 废气 1 400t，预计年节省能耗费用为 143 万元。（2）废水。通过节 水设计，建成后自然博物馆利用雨水取代清洁水源，减少生活污水 排放，在全寿命周期内除了雨水，没有其他气体水源消耗。（3）废 固。对有机垃圾、无害垃圾、有害垃圾实行分类管理，建成后的上 海自然博物馆生活垃圾无害化将达 100%。全寿命周期成本收益 = 直接收益 + 间接收益