京津冀地區寒冷氣候適應型綠色公共建築設計——以2019年中國北京世界園藝博覽會中國館為例

崔愷 景泉 朱文睿

中國建築設計研究院有限公司

編者按:近日開幕的 2019 年中國北京世界園藝博覽會受到國內外的廣泛關注,園內幾個重要場館的綠色可持續設計也獲得一致好評。本文以中國館為例,探討建構自然環境因子、人文環境因子和技術因子三者有機結合的綠色技術體系,並進一步通過在自然環境、社會文化、技術評測等方面的拓展與完善,探索京津冀地區寒冷氣候適應型綠色公共建築設計模式與技術體系,為該地區綠色公共建築工程示範提供借鑒。

地域和氣候始終都是建築設計需要考慮的重要因素。僅從技術角度來看,適應地域特徵和氣候特點的建築,不僅可以達到節能環保的要求,提高使用的認同感和適宜度,還可以改善場地及周邊地區的人文環境和微氣候環境。因此,適應地域及氣候的建築設計是把自然生態、地域人文、技術使用功能等多種因素統籌考慮,以達到最優的設計結果。而目前已經確定的“四節一環保”的基本技術要求,並不能滿足新時期的建築設計要求,應結合不同地域的生態、文化及建造技術等因子,構建適應該地域特色的綠色建築體系。基於這樣的思考,課題組通過建築設計實踐,試圖構建適應氣候特徵的當代本土綠色建築體系。

1 研究背景及現狀

20世紀60年代,《設計結合氣候——建築地方主義的生物氣候研究》一書提出建築設計與地域、氣候相協調的設計理論。20世紀90年代,綠色建築研究開始走入正軌。當今隨着綠色建築研究的深入,建築與自然的關系越來越受到重視,綠色建築研究也更趨向於適應地域特徵和氣候特點的研究,故構建適應氣候特徵的當代本土綠色建築體系成為當下以及未來的重點研究方向之一。課題組目前已將示範工程審核備案,並已完成平台雛形。

2 研究方法及基地氣候特徵

本課題基於京津冀地區的地域特徵和寒冷地區的氣候特點,建立京津冀地區寒冷氣候適應型的公共建築設計模式,擬解決適應京津冀地區寒冷氣候特點的綠色建築示範工程的定量化性能評價(會展類)。

2.1 研究方法

按照綠色公共建築的氣候適應機理,採用綠色公共建築設計新方法與技術體系,在京津冀寒冷氣候地區選取公共建築為載體,結合實際情況完成京津冀地區適應寒冷氣候的綠色公共建築示範工程(會展類),為京津冀地區寒冷氣候適應性綠色公共建築設計提供模式與技術體系支持。針對京津冀寒冷地區的氣候條件、資源特點、經濟發展和社會人文特徵,開展全過程的創新性示範工程集成應用(會展類)。

2.2 氣候特徵

2019年中國北京世界園藝博覽會會址位於北京市延慶區西南部。延慶在氣候分區上屬寒冷地區,四季分明、冬冷夏涼,年平均氣溫8℃。季風氣候特徵明顯,以西南風、西風和西北風為主要風向,由於位於華北平原與太行山區交界地帶,風力資源十分充沛,約佔全市的70%。同時,屬於半乾旱與半濕潤帶的過渡區,夏季受到東南沿海暖濕氣流的直接影響,因此降水較為充沛。此外,該地區還是北京太陽能資源最豐富的地區,日照時數和太陽輻射均為北京最高,年日照時間達到2 800h,太陽能可利用性較高。

2.3 示範工程概述

2019年中國北京世界園藝博覽會中國館(以下簡稱中國館)是該項研究在京津冀寒冷地區的示範工程之一。在“一心、兩軸、三帶、多片區”的園區規劃結構中,中國館與國際館、演藝中心、草坪劇場、天田共同組成了世園博覽會園區的核心景觀區。中國館西鄰山水園藝軸,東鄰“世界舞台”草坪劇場,西北側為永寧閣,北側為媯汭湖,南側與園區主入口相對,在整個園區內居於最重要的位置。中國館究竟應該以何面貌展現在世人面前,以何姿態居於北京延慶的山水之間,是設計的出發點。

圖1 鳥瞰效果圖

圖2 人視效果圖

圖3 園區規劃結構

圖4 中國館總平面圖

3 中國館綠色建築體系的建構

基於延慶地區氣候特點,在中國館建築設計、施工圖設計、工程建設的過程中,建築如何最大限度地體現氣候適應性,如何將技術、美學、使用功能合理有效地融為一體是本研究試圖解答的兩個核心問題。

從建築與環境的關系角度來看,中國館在整個園區內處於核心統領地位,在中國館場地內各個方向均可看到園區及遠山風景。園藝來自於農耕,中國館項目因時就勢、因地制宜,充分體現了中國農耕的智慧。首先整體場地布局將山、水、林、田、湖濃縮成一座中國盆景,然後堆土營造出古老農耕文明的獨特景觀“梯田”,再借鑒中國內藏乾坤的傳統工法,用輕盈優雅的鋼結構屋架將建築搭建在“梯田”之上,形成龍脊抱月的空間關系,使建築充分融入山水環境之中。

中國館平面布局為向四面開敞的環狀形態。建築朝南向打開,通往北側的水面,與周圍環境相融,環抱的半圍合弧線形平面融於場地。這一半圍合形式,形成了開放的遮雨遮陽的公共空間,並與媯汭湖形成舒適的微氣候。同時,建築南北首層打開後,實現了南北貫通,有利於自然通風。環抱的半圍合形式和覆土的建築形式也減小了體形係數,以適應寒冷地區夏季降溫的要求。整個大屋面設計成坡屋面,使建築更好地融於場地,且有利於展示空間的採光。

圖5 施工現場

圖6 綠色技術應用示意圖

3.1 設計對光因素的考慮

中國館除了要滿足使用者對採光的基本要求外,還需要考慮到不同季節室內植物種植對光的需求。因此,建築展開的弧線形總平面給屋面提供了充足光照,增加了南向採光面積,且將南向屋面坡度做得較緩,使其更有利於接受光照。建築採用光伏太陽能一體化設計,利用南向緩坡屋面設置光伏玻璃,屋架幕牆安裝太陽能光伏發電系統,採用“自發自用,餘量上網”的模式,為中國館的正常運營提供商業用電,在光伏太陽能領域起到了示範展示作用。

圖7,8 光照示意圖

圖9 光伏玻璃示意圖

3.2 設計對風因素的考慮

延慶區域主導風向為西南風,次要風向為南風。為充分利用自然風,中國館將弧線形的體量設計分為東西兩個部分,在夏季有利於南風及偏南風的穿過,將媯汭湖涼爽的空氣直接引入,為建築及南側廣場帶來宜人的涼風。在冬季西北風又被西側體量與“梯田”阻擋,使建築南側的半圍合空間不受寒風侵襲。且覆土部分空間卧於“梯田”中,有利於風順利地經過場地,減小了建築對風的阻力,創造了良好的風環境。

根據延慶地區的氣候特徵,中國館在過渡季採用自然通風來降低能耗,即自然通風系統採用負壓通風方式,由多颱風機並聯組成,可以根據室外條件控制開啟台數,以改變通風風量。室外空氣通過首層的通風入口進入室內,新鮮空氣沿着人員流線方向流動並通過二層樓板洞口進入二層,穿過展區從二層上部的排風口排出。該通風系統可以有效地改善過渡季節的室內熱濕環境,減少空調的使用,從而達到降低能耗的作用。

此外,中國館還採用了地道風技術。利用淺層土壤的蓄熱能力,夏季對新風降溫,冬季對新風加熱,過渡季則直接利用新風。地道風系統能滿足絕大多數日常辦公的需求,大幅縮短空調開啟時間,有效降低建築使用能耗,既適應了當地氣候,又起到了綠色技術的示範作用。

圖10 主導風向示意圖

圖11 ETFE膜示意圖

圖12 季風示意圖

圖13 雙層幕牆

圖14 縱向剖面圖

圖15,16 一層1.5m高度空氣流速(左)與空氣齡(右)分布雲圖

圖17,18 二層11.5m高度空氣流速(左)與空氣齡(右)分布雲圖

圖19 地道風示意圖

3.3 設計對溫度因素的考慮

寒冷地區除冬季保溫要求較高外,夏季較為炎熱,故對隔熱也有一定要求。中國館半圍合環抱形的場地布局減小了建築的體形係數,適應延慶寒冷冬季的保溫要求。為適應地域性建造方式,向當地的古崖居學習,中國館採用被動式技術,採用覆土形式將建築首層埋入土中,減小建築暴露在空氣中的外表面積,從而減少建築與室外空氣的熱交換,利用覆土厚度和深度提高圍護結構熱工性能,達到很好的冬季保溫及夏季隔熱的效果。

此外,受傳統溫室啟發,中國館坡屋面採用“雙層幕牆”,即選用玻璃和ETFE膜相結合的圍護結構系統,在滿足植物光照和通風需求的條件下,玻璃和膜之間形成的空腔更加有利於建築冬季的保溫。

圖20 半圍合的場地布局示意圖

圖21 覆土示意圖

圖22 保溫構造

3.4 設計對降水因素的考慮

延慶地區屬半乾旱與半濕潤帶的過渡帶,夏季受東南暖濕氣流影響,降水充沛。中國館採用雨水收集利用系統,坡屋面的設計有利於雨水沿屋面自然流下,雨水進入排水溝後被排入梯田,並最終回收利用,適應延慶地區夏季降水充沛的氣候特點。

圖23 雨水利用示意圖

圖24 雨洪利用系統

3.5 覆土與堆土的形式

中國館半覆土的建築形式,既利用了場地山水形的選擇,使建築充分融於場地;又大幅減少了地下室的挖方量,有利於節約土地。此外,土的熱惰性較大,蓄熱能力強,覆土建築滿足了寒冷地區冬季保溫和夏季隔熱的訴求,減少了建築能耗。此外如前所述,建築半覆土還減弱了建築對周邊風速的影響,為場地周邊營造了良好舒適的風環境。

中國館的場地運用堆土營造出古老農耕文明的獨特景觀“梯田”,是對生態文明的體現。場地從南側開始起坡至建築主入口,人群在主入口處通過架空層擁有一個很好的向北觀景平台。用於梯田的擋土牆採用石籠牆,石頭均來自延慶當地周邊,也很好地利用了世園會建設過程中產生的碎石、土方。層層疊疊的梯田,是人類改造自然的結果,也是人與自然和諧共生的象徵。

圖25~27 剖面圖

3.6 場地植物設計

中國館的場地設計充分考慮融綠。在中國盆景式的地塊設計內利用場地內不同厚度的種植基質,提供灌木、喬木等多種種植方案,達到豐富場地植物多樣性的目的,呼應展會主題,同時為開放空間的高效利用提供了可能性。

3.7 展館設計

項目用地面積4.8ha,總建築面積2.3萬㎡,其中地上建築面積為14 902㎡,地下建築面積為8 098㎡。核心功能包括展廳、多功能廳、辦公、貴賓接待、觀景平台、地下人防庫房、設備機房、室外梯田等。觀覽流線唯一,高效便捷;利用場地高差,從梯田內側進入,將人引向北側開闊湖畔。

圖28,29 室內照片

圖30 流線設計

3.8 會時及會後利用

中國館屬於需要特殊展示空間的展覽建築,除了會議接待、商業服務等常規功能以外,供中國園藝、植物、花藝展示的大體量展廳空間是其核心的特色功能要求。基於國內外相關案例的研究以及植物室內種植和園藝展示的相關要求梳理,中國館的核心展廳空間必須提供足夠的自然採光,並且盡可能實現自然通風。

中國館的設計還考慮了會後利用,靈活的大空間便於改造利用。會後主要功能為大型會展,並將成為“北京花展”主展館,舉辦生態文明高端論壇。屋蓋下方空間採光良好,可舉辦園藝創意工坊,傳播園藝文化。

同時,冬季可利用梯田頂部堆雪,鋪設初級雪道,室內可改造為滑雪教室與輔助空間,聯動冬奧。臨湖空間景觀視野絕佳,可改造為景觀餐廳、茶室、特色商業等。從節約能源的角度出發,為保障中國館在會後可以長期服務花展和相關主題的會議論壇接待等功能,在能源的消耗和可循環利用方面必須與使用功能相協調。基於以上考慮,在建築設計之初,項目組就確定了基於氣候適應性的綠色建築設計思路,以及與其相匹配的功能布局邏輯(表1)。

表1 基於地域氣候適應性的功能布局

4 示範工程評價

中國館設計創新綠色科技與可持續理念有機融合。項目採用底層覆土被動房、弧線形半圍合建築布局、坡屋面增大採光面、減小風阻、雙層幕牆技術、光伏太陽能技術、地道風技術等,同時綜合使用雨水收集以減小體形係數、順應場地、營造區域微氣候、平衡土方節地、就地取材等,實現節約能耗和能源循環再生,使中國館成為一座有生命、會呼吸的建築。根據項目施工圖設計階段文件,按後續審查建議實施後,本項目滿足綠色建築設計三星級的分值要求,預評結果如表2所示。

表2 中國館綠建預評結果

圖31 首層與下沉水院施工現場

圖32 二層展廳施工現場

圖33 下沉水院施工現場

圖34 平台樹形結構

圖35 由二層平台看向媯汭湖

圖36 綠色技術在建築中的集成

圖37 展覽功能分布

圖38 橫向剖面圖

5 結語

2019年中國北京世界園藝博覽會中國館主動適應氣候特徵及場地,從建築的立意層面來看,達到精神、自然、文化、人本以及技術的五位一體。“精神”指中國館作為世界型展館應體現國家性,彰顯國家氣質和民族形象,踐行文化自信;“自然”即中國館的自身屬性園藝性,充分展現了和諧共生、綠色生態和有機循環;“文化”即地域性,要反映首都特點、延慶特色和本土文化,以及彰顯農耕文化;“人本”即項目的體驗性,要符合以人為本、實用高效和開放共享的要求;“技術”是時代性的體現,要放眼國際視野、展現先進技術和時代風貌、增加科技自信。

2019年中國北京世界園藝博覽會中國館基於京津冀地區寒冷氣候特點,在綠色建築“四節一環保”的效益基礎上,從京津冀地域文化中提取文化生態理念,獲得與地域特徵以及傳統文化、生態理念相適應、融合與衍生的方法,建構自然環境因子、人文環境因子和技術因子三者有機結合的綠色技術體系,最終實現對自然環境的呼應、人文環境的傳承與技術評測的提升,從而建立京津冀地區寒冷氣候適應型的綠色公共建築設計模式。

註:本項目得到國家重點研發計劃“地域氣候適應型綠色公共建築設計新方法與示範”(2017YFC0702300)之課題“適應寒冷氣候的綠色公共建築設計模式與示範”(2017YFC0702307)資助。課題組成員:李靜威、景泉、黎靚、田聰、賈濛、吳潔妮、鄭旭航、周曄、張翼南、衣妮

項目信息

業主:北京世界園藝博覽會事務協調局

建設地點:北京市延慶區

建築設計:中國建築設計研究院有限公司

聯合設計:築邦建築裝飾工程有限公司、北京市勘察設計研究院、大地幕牆科技有限公司、寧之境照明設計有限公司

項目負責人:崔愷、景泉、黎靚

設計團隊:崔愷、景泉、黎靚、鄭旭航、田聰、吳潔妮、吳南偉(建築),施泓、曹永超、李藝然、張淮勇(結構),黎松、林建德(給排水),孫淑萍、劉燕軍(暖通),王蘇陽、沈晉、姜海鵬、李劍峰(電氣),吳耀懿(總圖),劉煒(智能化)

總建築面積:23 000㎡

設計時間:2015~2018

建成時間:2019

圖片版權:中國建築設計研究院有限公司

參考文獻

[1] 楊榮柳. “四節一環保”下的綠色建築工程監理 [J]. 綠色環保建材,2018(10).

[2] 胡俊. 構建現代綠色建築體系的探索研究與實踐 [D]. 重慶:重慶大學,2006.

[3] 劉撫英. 綠色建築設計策略 [M]. 北京:中國建築工業出版社,2013.

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[7] 羅智星,楊柳.基於氣候適應策略的生態建築設計方法研究——以大陸性嚴寒地區生態住宅設計為例[J].南方建築,2010(5):17-21.

崔愷:中國工程院院士,中國建築設計研究院有限公司名譽院長、總建築師。

景泉:中國建築設計研究院有限公司第一建築專業院院長。

朱文睿:中國建築設計研究院有限公司建築師。

本文全文已刊登於《建築技藝》2019年1月刊

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世園會中國館

攝影 © 張廣源

| 設計理念 |

2019年,在中國北京,媯水河畔,長城腳下,世界園藝博覽會的標志性建築——中國館寧靜地坐落在一片自然田園之中,彷彿一柄如意。

設計從園藝文化和中國傳統哲學出發。園藝脫胎於農耕。千年農耕傳統使中國人對土地和自然有獨特的理解:天道有常,花開花落,春華秋實,生生不息。中國哲學追求“地物和諧,天人合一”之境界:土地孕育生命,萬物循環往複、相伴相生。我們以層疊的梯田肌理為本底,勾勒出中國館圓滿溫潤的輪廓,使之成為園區的核心和焦點。

移天縮地,環山抱水,氣象萬千,中國館以歡迎之態、包容之勢,向世界徐徐展開一幅錦綉畫卷。

建築設計與景觀設計一體化,從五彩梯田,到與天對話的一池凈水,再到繽紛的四季花園,建築中部底層架空,北側湖景滲入入口廣場,遠借海坨、冠帽之景,內外交融,開放通透,將山水林田湖濃縮其間,傳達“芥子納須彌”的美學意蘊。徜徉其間,仰觀俯察,無處不自然,無處不園藝。

建築風格體現中國文化,展現中國特色,北京特徵,園藝特點,充分展示綠色科技、生態環保,設計滿足會時展覽功能需求和會後的可持續發展。建築融入園區整體景觀環境,與周邊山水格局想融合,成為引領設計潮流的建築精品。

攝影 © 張廣源

| 面積及主要功能 |

中國館位於山水園藝軸中部,緊鄰中國展園,北側為媯汭湖及演藝中心,西側為山水園藝軸及植物館,東側為中國展園及國際館,南側為園區主入口。

項目用地面積48 000㎡,總建築面積23 000㎡,其中地上建築面積為14 902㎡,地下建築面積為8 098㎡。項目由序廳、展廳、多功能廳、辦公、貴賓接待、觀景平台、地下人防庫房、設備機房、室外梯田等構成,展廳以展示中國園藝為主。

| 設計特色 |

展廳下部採用鋼筋混凝土結構,上部屋架則採用鋼結構,中部結合電梯筒設置樹狀鋼支撐,解決中間跨度大的結構問題。

創新綠色科技,貫徹可持續理念。底層展廳採用覆土被動房技術,利用地道風,降低空調使用能耗。上部屋蓋採用雙層幕牆體系,外部為光伏太陽能板和中空夾層玻璃,內為ETFE膜,可適應氣候變化。綜合利用雨水收集、生態滴灌等技術,營造區域微氣候,實現能源循環再生,使中國館成為一座有生命、會呼吸的建築。

建築方案充分考慮了會後利用的各種可能性,靈活的大空間便於改造利用。會後主要功能為大型會展,將成為“北京花展”主展館,舉辦生態文明高端論壇。屋蓋下方空間採光良好,可舉辦園藝創意工坊,傳播園藝文化。同時,冬季室內可改造為滑雪教室,聯動冬奧,助力冰雪運動普及。臨湖空間景觀視野絕佳,可改造為景觀餐廳、茶室、特色商業等。

中國館鳥瞰 © 李季

6月10-11日,一起揭秘世園會場館設計

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