书城科普低碳建筑:绿色城市的守望
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第37章 国内外低碳建筑的典范(2)

在主要教学建筑内还安装了红外线移动探测器和日照传感器,统一由智能照明中央系统控制,这一系统能根据所感知的人员活动和自然光线的情况,有效调节人工照明。

通过在窗户和中庭间形成的“穿堂风”,校园中大部分建筑实现了自然通风。在酷热或寒冬季节,窗户不能开启时,建筑在机械辅助下,通.过风塔完成通风。机械通风所需能源由太阳能电板提供。风塔顶部——“风斗?内集成的机抽风和热回收装置则使热量流失减少,使通风能降低。

此外,该校园内还提供了600个可以锁住的自行车位,鼓励学生使用自行车。

通过使用监测,该新校区建筑年能耗约为8583kW·h/m2,与主校园相比,该新校区达到了节能60%的效果。不过,该新校区建筑在使用过程中也出现过湖水涌进建筑以及帆布外遮阳效果不佳等问题。

南牙买加公共图书馆分馆

1999年落成并交付使用的南牙买加公共图书馆分馆据说是由美国政府出资兴建的纽约市第一栋低碳建筑。此建筑被评为2000年“世界地球日”十佳建筑之一。

由于是改建工程,该建筑两侧及后部相邻建筑只有2~3m的间隔,除了主立面外,其他3个方向均不能开窗自然采光,该工程在屋顶上设计了3排朝南的天窗。天窗上装有可自动控制韵遮阳卷帘,1/4弧形白色反射罩和电光源。阅览部分能通过自动或手动调节,使光线变得更均匀、柔和、舒适。在晴天时,2/3的采光来自自然光。

该图书馆内空调送回风风道可以切换,夏天下送上回,由回风口直接将窗户进来的辐射热带走。这种系统十分节能。其西向主立面的玻璃采用新型的双层吸热玻璃,只透光,不透热,大大减少通过玻璃透射带来的热量。天窗玻璃则采用低辐射中空玻璃,具有对阳光的高透过率和对于长波辐射热的高反射率,同时具有极好的保温性能。据设计者称,此建筑比同等规模的建筑在采暖空调方面节能1/3。

清华大学超低能耗示范楼

清华大学超低能耗示范楼为地上四层、地下一层,立面覆盖浅灰色遮阳板和玻璃幕墙,建筑内部几乎没有装饰装修。该示范楼以每平方米8000元的造价,集成了世界上80%的节能技术、产品,仅在建筑的东南两面墙就使用了七种不同的节能系统。

该示范楼南侧有3个彩色立柱,上面将安装自动跟踪太阳光的透射式采光机。这种采光机能自动跟踪太阳,进行阳光采集,再通过光纤传导把太阳光引进地下室,最远阳光传导距离可达200m。此外,示范楼屋顶还设置碟式太阳光收集器,利用抛面反射镜将平行的太阳光汇聚,通过传输,也能为地下室提供照明。

该示范楼的南外墙装上了30m2的单晶硅光电玻璃,这是最新型的建筑用高科技玻璃产品,它能把太阳光转化为可被人们利用的电能,是一种能发电的玻璃。30m2发电玻璃的峰值发电能力为5kW。光电玻璃位于结构夹层外侧,不影响采光,同时与双层皮幕墙组成光电幕墙。光电幕墙的电能是一种清洁能源,发电过程无废气,无噪声,也不会污染环境。

该示范楼内铺设的是相变储热地板。在冬季,地板蓄热体白天可以蓄存照进室内的太阳光热量,晚上又向室内放出蓄存的热量,这样室内温度波动将不超过6℃。

六、斯图加特中央车站——零能耗车站

项目设计获得了2006年Holcim可持续建筑大奖赛全球金奖和欧洲赛区银奖。评审团认为,“该作品提供了一个创新性的方案收复丧失的城市领土并同时建立城市中新的空间形式。该作品的重要贡献在于:它提出的一体化措施涵盖了建筑、规划和景观设计,市民、城市和环境工程,以及其他与建造相关领域的各个学科内容。同样重要的是该作品关于社会生存环境的道德导向和文化价值。特别之处在于‘光眼’的设计,既是建构上的亮点,同时又是为下层车站提供采光的创造性方式。该作品是高效使用自然资源的成功示例,同时提升了基地的空间品质和下部基础的材料性能发挥。作为促进公共交通的项目,它的经济可行性在于提供一个功能可变的站台以适应未来规划中的改变,并同时实现了现有结构再生利用的模型。该作品以有力的美学方式回应了自然与人造环境之间对话的建立,并且显示了复原文脉的情感途径。”

斯图加特是德国南部最大的城市之一,坐落于一个位于山谷尽头的受多面峭壁约束的盆地,在地理上处于一个死胡同。在19世纪建设铁路时,铁轨从敞开的北面进入,穿过山谷到达斯图加特总站,然后又折返回北面离开山谷;铁轨把山谷和城市分割开,城市的发展因而受到很大的限制。这个位于死角的终点站很不适合当代的高速铁路,因为它阻碍了快速旅程的延续和交通流线的顺畅。

20世纪90年代初期,联邦政府、州政府和铁路公司提出了一个名为“斯图加特21”的项目来解决这一问题,它提出铁路应当穿越盆地两侧且通过地下到达目前的车站所在地,这样就消除了铁路对城市中心和山谷的分割;而且,把铁轨移到地下还可以释放目前被占据的大量的土地,这些被释放的区域可供11000人生活,24000人工作,这个新的城市空间大约相当于1/4的原有城市。新的火车路线意味着目前的火车站将被一个新的车站代替。这一方面是由于新的铁轨从与现有铁轨垂直的方向而来,另一方面也是因为新铁轨位于现有火车站的地下8~12m深处。1995年,“斯图加特21”项目的发起者们发布了一个为新火车站而创设的竞赛,并于1997年公布了竞赛结果,最后的获胜者是杜塞尔多夫的公司Ingenhoven建筑事务所。

Ingenhoven建筑事务所认为只有一个彻底的地下火车站才适合斯图加特的这种特殊情况。“我们问自己,我们的设计的车站怎样才能避免出现地道的氛围?—个地下建筑物怎样才能成为斯图加特这样一个有着伟大城市价值的城市的纪念碑?我们不想要一个陶瓷铺就的地下空洞。莫斯科人已经向我们展示了地铁车站可以很辉煌,我们的火车站不应该是一个巨大的洞穴。我们想在一个420m×80m的尺寸内创造一个具有审美价值的空间。”ChristophIngenhoven认为他们需要的是一个位于地下的具有受约束的开孔的东西,而不是占据地面的东西。

2006年夏天,经过近10年的无数次的修改和细致精炼,设计看起来是这个样子:铁轨被一个420m长的具有极简抽象主义的混凝土贝壳状建筑物覆盖;拱状的贝壳被28个“光眼”支撑,它们是一种结构柱,向上张开,在顶端像一个倒置的钟,日光通过它们进入建筑内部。建筑物的几何形态及建造极其复杂,跨过车站的混凝土贝壳的最薄处只有8cm厚。年逾80的德国传奇工程师FreiOtto计算了尽可能轻的拱形结构。“实际上这个贝壳给人的感觉是观察者是在水下观察水面”,ChristophIngenhoven说。三维透视图展示了这是一个和谐、自然、完整的设计。建造虽然复杂,但是看起来却很简单。由于铁轨位于一个斜坡上,所以每个光眼的柱子的高度并不相同,从8m到13.5m不等;每一根柱子看起来都轻如羽毛,几乎没有重量。

这种“轻”是Ingenhoven建筑事务所的典型设计。ChristophIngenhoven说他致力于获得“消失的美感,让事物更轻”。他认为建筑应该更少修饰和造作。斯图加特新火车站的那些很轻的柱子就集成了很多功能:建筑结构柱、支撑外壳、反射光线等。

1.生态的、可持续的概念

斯图加特新火车站将标志着德国南部与欧洲高速铁路网连接的实现。这个项目考虑了生态的各个方面、资源的节约以及可持续性。扩展本地公共铁路运输本身就是生态的,这一点在火车站独特的建筑概念中也有所反映,这个独特的概念包括零土地的使用以及建筑材料的节约方法。

斯图加特新火车站在材料使用上是极其有效率的,同时绝对地让能源使用最小化。由于混凝土结构始终处于受压状态,所以建筑钢材的使用量极少;通过优化壳结构的厚度,混凝土的使用被进一步减少。

不同的景观、基础设施、城市规划以及建筑特征的相互作用,合法透明的规划程序,以及设计、建筑、后勤的优化在项目中的运用,构成了这个项目的显着特色。斯图加特新车站不仅是空间与设计和谐一致的例子,同时它还是一个复杂的功能系统,智慧地使用了自然能源来满足车站的运行,提高了使用者的舒适感;与此同时,二氧化碳的排放被大量地减少——这都来源于零能源概念。

同时,这个项目的各种参数和状态都有完备而详细的档案,这意味着它的发现和技术能够被其他有可比性的基础设施项目如火车站、机场以及其他城市规划项目所继承和发挥。

2.基于本地条件的创新的可持续建筑与城市景观

1997年发布的为斯图加特总站而设的竞赛,设计目的是用新的低于水平面的、通过型的车站来代替现有的终点站,并且在由拆除现有铁轨而释放的空地上建造一个新区。为了实现这一功能,靠近车站的城堡公园看来像是不可避免地要被毁坏,因此,关键的挑战在于既要穿过山谷与公园,又要把城堡公园完整无损地保留下来。现存公园与规划中的铁路的高差大约是10~12m,足够确保高速火车的通过以及车站大厅的建设,这要求发展一个最小高度的建筑来给车站及车站上方的公园提供最大的空间。

城堡公园已经成为斯图加特中一个具有历史意义的、生态的以及辉煌的风景。作为斯图加特的主要开放空间,城堡花园连接着城市中心与Neckar河。设计者在处理这个项目时,着眼于保护和强化这个特别的区域,城堡公园将继续保留为斯图加特的“绿肺”,并且新火车站设计将为这个城市回报一个面积更大的城堡公园。

低资源与低能源消耗的斯图加特火车站的设计是建立在自然条件及现场条件基础上的一个综合性概念。斯图加特火车站是优先考虑旅客舒适性的新一代火车站的原型。基本的生态观念是利用土壤的自然冷热存储机制,从而减少制冷和供热系统的使用,通风则是利用和光眼连接的通道,这些光眼都可以打开。得益于自然能源的使用,车站没有二氧化碳排放。

“光眼”均匀地分布在月台上方,保证了每天长达14小时的充足的自然光的供应。大厅的拱顶和开孔使自然光的均匀分布成为可能,明亮的表面确保了即使是在糟糕的天气里,大厅的亮度也让人感到舒适。照明模型迄今为止的研究结果被整合进了模型探索程序中,在晚上,壳结构的内侧表面被用于反射人造光。为减少二氧化碳的排放,车站照明系统的能源来自于公用事业部门提供的生态电能或安装于车站北部建筑上光电池。

3.优化的结构设计

设计师在和FreiOtto以及一组结构工程师的合作下,开发了一个跨度36m而壳厚度大约为35cm的结构,这是一个采用混凝土受压结构的连续的三维空间。车站大厅屋顶的开发的完成是一个综合和复杂的过程。目标是最小化屋顶的结构高度,同时最大化车站大厅的内部净高。屋顶结构的开发综合了“斯图加特大学轻量级壳结构学会”自1963年以来的工作成果。

肥皂泡膜曾经导致了完全平滑张力模型的研究,此模型常被用于最小表面结构。如果把这个模型倒转180度,则这种拱形增强壳结构只承受纯粹的压力,这就可以导出纯压力壳结构下的最小结构高度。漏斗杯状的“光眼”来源于壳结构中的皂膜模型环状眼。单个光眼以及漏斗支撑与槽状墙连接的进一步实验性研发依靠的是悬浮链模型。模型的探索在并行使用基于CAD的最小表面区域程序的情况下取得进展。设计师将实际模型与数字模型进行了对比,对比的结果是完整的车站大厅的全三维量模型的基础。

优化的结构形式随着三维模型的进展,最先得出了关于杯状支撑的有限元素模型,该模型表明了设计的结构的可行性且优化了几何形状。这个结果进一步应用于局部的几个杯状支撑,最终应用于整个屋顶的有限元素模型。

车站大厅的支撑结构是拱状的、无缝的混凝土壳结构。拱状系统分为28个相同的模块元素、杯状支撑、4个月台之间部分以及长长的外墙。每个杯状支撑在设计图上是六角形的。每个角点位于40m的圆上。壳屋顶的上表面是平的,下表面则随着力的传递方向而弯曲,这样使得壳顶的中央是彻底倾斜的。这样可以确保壳顶的垂直载荷可以通过薄膜应力及挠度传递。

设计师在开发了杯状支撑的几何形状后,又通过三维模型的方法对其进行不断的优化,这使得所有的标准杯状支撑都用同一个模型来制造。在得到几何形状的双曲率后(这是制造反向模壳所必须),考虑到模壳的再使用,模壳表面是用不锈钢制造的。在经过有关技术要求、表面质量、颜色等不同的可行性研究后,最终决定使用自密实混凝土来制造壳结构。

七、绿色居住建筑

应该说,世界上各地的绿色住宅在建筑设计和建筑技术方面有大致相同的关注点,比如合理布局,在墙体、屋面设置保温层,使用中间带惰性气体隔离层的高性能玻璃与密闭窗框,设置外遮阳设施,采用自然送新风系统,利用太阳能、地热能、风能等可再生能源等。在瑞典马尔默市B001明日之城住宅示范区,荷兰伊克鲁尼亚小区、英国格林尼治世纪村、美国纽约生态村等项目中,在满足人们居住要求的同时,在其建设和使用过程中都做到最大限度减少对环境的影响和资源、能源的消耗。由于不同地区的人们有着不同的生活习惯,各地绿色居住建筑仍有各自的地域特点。

英国Integer绿色示范住宅

Integer绿色示范住宅建筑为一幢三层木结构住宅楼。从利用地热和防火安全考虑,将三间卧室设在底层;二层为起居室,内分客厅、餐厅和厨房区;三层为书房、活动室和热泵间。为增加空间视觉,三层书房和活动室的内墙采用调光玻璃。

该示范住宅围护结构达到英国建筑节能设计最新标准:外墙K值为0.3W/,屋面0.16W/(m2·K),楼板0.45W/(m2·K),窗采用Low—E双层玻璃。外窗设有可遥控的百叶窗,户内门窗上部还设有可调节风口。