阿斯塔納的世界博覽會2017阿斯塔納博覽城未來能源的會后遺產(chǎn)規(guī)劃

1世博會舉辦的背景國際展覽，又稱世界展覽，由世界博覽會和世界博覽會開幕，每兩年舉行一次，每年為3.6個月。世博會的構想于19世紀起源于法國,法國工業(yè)博覽會作為第一次正式的博覽會于1844年舉辦。從那時起,博覽會便被認作是文化、科技交流的契機和展示各國創(chuàng)新實力的大事件。自創(chuàng)辦之初,每屆世博會都會設立并圍繞專門的主題開展,涉及建筑、活動及展覽幾大部分。從其發(fā)展歷史來看,世博會經(jīng)歷了3個主要階段:工業(yè)化時期階段(1851-1938)、文化交流階段(1939-1987),以及國家品牌階段(1988至今)。在第一階段,世博會的內(nèi)容以國家展示其科技發(fā)明和技術發(fā)展為主。其中最為有名的便是亞歷山大·格雷厄姆·貝爾(AlexanderGrahamBell)在1876年的費城世博會上第一次展示了電話。到了第二階段,世博會變得更加注重文化主題。例如,1970年在日本大阪舉辦的世博會,主題為“人類進步與和諧”。而到了第三階段,世博會已逐漸演變?yōu)榉e極提升國家形象的活動。2總體規(guī)劃2.1阿斯塔納世博會2013年12月,AdrianSmith+GordonGill建筑事務所(以下簡稱AS+GG)參與了將在哈薩克斯坦的阿斯塔納舉辦的主題為“未來能源”(FutureEnergy)的世界博覽會場館國際設計競賽,并從包括藍天組(CoopHimmelblau)、扎哈·哈迪德(ZahaHadid)事務所、GMP事務所(GMPInternational)、馬西米利亞諾·?？怂_斯(Massimiliano)事務所、朱锫工作室(StudioPei-Zhu)、UN工作室(UNStudio)、斯諾赫塔(Snohetta)事務所等知名建筑設計事務所在內(nèi)的來自世界各地105家參賽單位中脫穎而出,成功贏得該項目。項目設計服務范圍包括面積為25hm設計過程于2013年12月啟動,2016年春完成,涵蓋總體規(guī)劃和其中28棟建筑物的單體建筑設計,以及住宅、商業(yè)、學校等數(shù)個片區(qū)設計。項目基于“后世博遺產(chǎn)”的總體設計理念,即城市政府部門的投資應從區(qū)域長遠發(fā)展的角度考慮,設計應保證園區(qū)從世博功能到世博后功能的平穩(wěn)過渡和轉(zhuǎn)變最小化。此外,整個項目被規(guī)劃和設計為城市的有機組成部分,通過公共交通和景觀綠道進行連接。設計以滿足后世博功能為主要目的,打造可適用于世博功能的獨特設計,并從物流和成本的角度減小了功能轉(zhuǎn)換需求,同時為世博業(yè)主和阿斯塔納創(chuàng)收,彌補世博投資費用。最終,項目在滿足世博功能用途同時也滿足了阿斯塔納的城市需求,體現(xiàn)了世博關注未來能源的主題,并將打造一個后工業(yè)革命城市。世博社區(qū)消耗的大部分能源將由可再生能源提供,建筑本身也設計成為發(fā)電系統(tǒng),通過智能電網(wǎng)系統(tǒng)進行配電和儲備電力(圖1)。阿斯塔納世博會于2017年6月10日-9月10日舉辦,圍繞“未來能源”這一主題展開,致力于找到實現(xiàn)能源質(zhì)變的方法,其著重點為開發(fā)替代性能源和交通方式。對于哈薩克斯坦這樣正在經(jīng)歷從以石油經(jīng)濟為基礎向多種自然和可持續(xù)資源經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的國家來說,“未來能源”這一主題顯得尤其重要。找到可持續(xù)能源供給是非常重要的,也是全球日益關注的焦點,能源問題的解決將確保經(jīng)濟的增長以及提高社會標準,同時緩解環(huán)境問題。因此,“可持續(xù)設計”對于這一主題而言尤其重要。AS+GG的設計理念—“形式追隨性能”,是基于這樣一種認識:建筑和自然環(huán)境中的一切都是相互關聯(lián)的,建筑設計應深刻理解建筑在環(huán)境中的作用。世博城總體規(guī)劃和城市設計全面考慮項目基地具體情況,如氣候條件、文化環(huán)境和可達性等。通過主動和被動策略降低總體能源需求。設計團隊進行了一系列研究,以盡量降低基地能源消耗,同時最大化能源收集潛能和提高用戶舒適度。最終根據(jù)研究結果確定基地內(nèi)每棟建筑的最佳朝向,以優(yōu)化設計策略,降低世博社區(qū)的總體能源使用量。為確保符合“未來能源”這一主題,設計團隊調(diào)查研究了多個發(fā)電方案,并結合建筑設計導則,包括采用高性能玻璃以最大化冬季得熱,同時在夏季提供遮陽;通過設置能源樁降低冬季能源需求并提供溫度調(diào)節(jié);能源存儲量可滿足兩天應急能源需求;可有效管理百年一遇暴風雨;場地內(nèi)產(chǎn)生垃圾的填埋轉(zhuǎn)移率達到90%。場地基礎設施整合了用戶、建筑,以及智能能源網(wǎng)、智能循環(huán)水網(wǎng)、一體化垃圾管理系統(tǒng)、四季地下熱能存儲系統(tǒng)等設施,旨在實現(xiàn)世博社區(qū)可持續(xù)發(fā)展目標,降低高峰能耗、總能耗、用水量及廢棄物掩埋量(圖2)。主場館設計與總體規(guī)劃一同開展,力圖在全年盡量吸收太陽能以抵御寒冷的嚴冬天氣。這給予每棟建筑獨特的特征,又與其朝向和用途直接關聯(lián)。我們內(nèi)部將這一設計手法稱為“形式追隨性能”。2.2后世博會優(yōu)化改造措施該項目要求在一年內(nèi)設計出供世博期間使用的33座建筑物和約52.1萬m其中一項主要挑戰(zhàn)是在世博會召開3個月后,原有展館轉(zhuǎn)變?yōu)椴┪镳^、表演藝術廳,或改造成新的辦公樓、總部設施及教育設施。對于團隊來說,與承包商一起理解這場國際盛會的尺度及與城市之間的關系非常重要,力求對阿斯塔納的建筑、社會、文化和可持續(xù)性做出貢獻,而不僅是設計一個建筑孤島。在共同協(xié)作下,團隊設計建造了一個綜合性的社區(qū),可以在世博結束后很長一段時間提供創(chuàng)新型的生活、工作和學習場所(圖3、4)。實現(xiàn)這一高效改造的關鍵因素包含:1)規(guī)劃世博停車場(地面層世博活動停車場)時,考慮地塊最終用途將改造成住宅區(qū);2)在世博期間設計和建造街道、人行道和園林綠化時,與后世博階段的功能相整合,確保后期無需進行拆除或重建工程;3)圍繞世博住宅區(qū)規(guī)劃緩沖區(qū),與世博園區(qū)主要道路分離,打造更小尺度的、舒適的居住體驗;4)公共緩沖區(qū)設計可涵蓋再生能源發(fā)電策略和基礎設施,使其效益倍增;5)將學校列入后世博會總體規(guī)劃,以滿足未來社區(qū)的多樣需求;6)將所有展館建筑(哈薩克斯坦館和零售店除外)改造并整合為甲級綜合辦公樓;7)在后世博階段增設景觀,確保無需在已建成的世博園區(qū)內(nèi)進行重大的建設或拆除。在后世博階段,整個場區(qū)將被改造成文化、辦公和研究園區(qū)。在對歷屆世博會場地進行研究時,設計團隊發(fā)現(xiàn),對于業(yè)主來說,受到前期籌款影響,獲得后世博開發(fā)所需審批往往是困難而漫長的。AS+GG與阿斯塔納博覽會2017NC公司以及哈薩克斯坦和阿斯塔納政府密切合作進行的建筑開發(fā),在諸多情況下對既有標準、法規(guī)和規(guī)定發(fā)起挑戰(zhàn)。通過創(chuàng)新和妥協(xié),團隊成功地實現(xiàn)了能以全新的方式催化新的城市發(fā)展的可持續(xù)建筑。每座世博建筑的外形均考慮和場地的關系。由于冬季極其寒冷且太陽輻射有限,建筑朝向需獲得最大程度日光輻射,太陽輻射不僅可改善不同類型建筑的內(nèi)部空間,還可收集后利用光伏電池陣列發(fā)電。在后世博階段,先進的智能電網(wǎng)系統(tǒng)會啟動,并會有效地分配全天和全年的能源。對于住宅開發(fā)項目從路網(wǎng)旋轉(zhuǎn)、街區(qū)尺寸到建筑體量分配等問題,我們進行了一系列研究來降低能耗、改善室內(nèi)外舒適度并增加各個單元的能源收集。3建筑面積3.1建筑模擬與材料可持續(xù)設計三因素本屆世博會最具代表性標志為2.4萬m建筑底座有一個遮蔽式入口廣場,有效組織了前往各層的流線次序,同時還提供額外的展廳空間。游客可游走于球體之下,從不同視角欣賞內(nèi)部空間。第2~7層為展廳層,最高的第8層內(nèi)設計的觀景平臺是飽覽阿斯塔納全景的最佳觀賞處。這個直徑達80m的建筑物的外墻系統(tǒng)可有效降低熱損失及室內(nèi)太陽眩光。太陽能光伏綜合系統(tǒng)可節(jié)約能源,同時提高建筑的能量輸出。建筑形體經(jīng)過全面的測試和建模,在純球形結構基礎上不斷進行幾何形態(tài)的調(diào)整,來確定如何達到能耗最小化、采光最大化、眩光控制,并利用綜合太陽能光伏和風渦輪的可再生資源為整個建筑提供能源。為了保持真正的球面特征,外圍護結構采用雙曲面玻璃立面。在設計階段初期,AS+GG運用了建筑信息建模(BIM)技術進行建筑模擬,以探索設計多重可能,對每個方案設計表現(xiàn)、能耗影響及結構完整性進行分析。復雜的球體結構設計,要求可持續(xù)設計專家、風洞分析以及結構、機電顧問緊密合作,以便探究所有降低碳排放和發(fā)電可能性。在選定初步造型后,采用Rhino/Grasshopper軟件進行更加詳盡地分析以進一步優(yōu)化造型,并最大化太陽能電池板日光照射面面積(圖5內(nèi)景)。設計師提供并測試了多個概念方案,以在整合光伏面板的同時平衡其他重要建筑部分(譬如機電系統(tǒng))要求、表面面積要求、以及與其他建筑元素的沖突,并最大化渦輪機受風面積,合理布置最小雙弧形幾何結構。最終,光伏面板組件被安裝在球體頂部為大樓提供可再生能源。在測試階段,能源模型預測發(fā)電量為每年81056kWh,滿足總能源需求的2.21%?？稍偕茉窗l(fā)電不僅滿足業(yè)態(tài)需求,也是整個世博會的象征。游客可通過置于球體頂部的外露光伏面板組件及風渦輪獲得第一手可再生能源發(fā)電體驗(圖6)。建筑頂部被留有一個凹形區(qū)域來放置風渦輪,以充分利用潛在風能發(fā)電。設計師對無數(shù)個設計方案進行建模和測試,以尋求能夠響應功能要求并提高發(fā)電量的適當造型,重點在于從球體結構表面收集風能(圖7、8)。設計團隊與風能工程師緊密合作,設計并測試了建筑造型及其表面風口的多種造型。針對阿斯塔納嚴冬條件特別設計了帶動西南主導風向風渦輪機,預計每年發(fā)電量將達5.27萬kWh,等同于建筑總用電量的1.6%或總能源需求的0.9%。其他降低能耗成本的可持續(xù)設計策略包括高性能超白低鐵玻璃(含低輻射涂層、不規(guī)則陶瓷彩釉圖案)以減少眩光及最大輻射區(qū)域的得熱;由水平豎框支撐的穿孔圍護結構設有輻射加熱管系統(tǒng),以及在室外幕墻豎框系統(tǒng)中設置節(jié)能LED燈(圖9、10)。球體是通用設計的理想例證。AS+GG設計團隊在設計早期就認識到,他們作為建筑師及規(guī)劃師所承擔的責任不只是交付設計成果。項目的重要目標是設計一個令社區(qū)里的每一個居民都倍感自豪的標志性建筑。對于設計師來說,以高標準進行城市開發(fā)及建筑設計,創(chuàng)建一個滿足21世紀多樣化社區(qū)所有需求的建筑是至關重要的。譬如,殘疾人可實現(xiàn)無障礙到訪,輪椅能夠到達建筑的所有樓層及空間,展覽設計考慮多感官感受,聾啞或失明人士也可欣賞到展品。此外,建筑設計也考慮了所有年齡段需求,互動展示裝置設置在了不同的高度,滿足不同教育程度和不同興趣的訪客。3.2年大賽設計特點極具未來感的會議中心配備了擁有最先進設備的3000座禮堂、展覽空間、贊助商展示區(qū)、保安嚴密的VIP區(qū)及VVIP區(qū)、配套新聞發(fā)布室、配套辦公室及專用停車場。該中心為2017年世博會期間重要活動場所,并將成為規(guī)劃后世博會開發(fā)項目—世博城的未來活動中心(圖11、12)。會議中心設計靈感源于哈薩克斯坦的象征—展翅翱翔的金鷹(bürkit)。結構錐形邊緣及光滑造型將建筑體量及表面積最小化,降低施工成本。作為重要的國家級建筑,會議中心是整個世博規(guī)劃區(qū)文化軸線上的一個主要設施,建筑與公園融為一體,主入口朝向世博基地,哈薩克斯坦館球體一覽無遺。帶頂廣場與相鄰住宅街區(qū)直接相連,有助于后世博階段在此舉行小型社區(qū)活動,高效利用及管理會議中心。從東南廣場可通往會議中心主入口。訪客經(jīng)過設有安檢處的兩層高中庭進入。考慮到全球的領導人到訪阿斯塔納參加2017年博覽會,設計中采用了嚴格的安保措施。人們可乘坐兩部停車場穿梭電梯到達入口中庭。一個帶天窗的3層通高大中庭將成為通往禮堂及展廳的主要通道。自然光透過天窗間接進入到這個大空間內(nèi)。人們從一層、二層及三層分別進入禮堂。禮堂中央一條主要的橫向過道位于一層,座位區(qū)以此為分界分別向舞臺方向下降、向后方抬高;禮堂后部與二層標高相同;包廂層可直接連通三層。在禮堂上方設有各種貓道及索具支撐照明和音視頻系統(tǒng)。舞臺后面的一道雙層玻璃幕墻系統(tǒng)提供自然光并實現(xiàn)與禮堂外公共空間的隔音(圖13、14)。禮堂內(nèi)墻及天花采用來自可持續(xù)采伐原料的定制弧形木板,染中淺色調(diào),并根據(jù)聲學控制設備、燈具以及數(shù)據(jù)標識布置點位而一體化。設計墻框在必要處采用耐久性不銹鋼包裹。所有暖通空調(diào)系統(tǒng)與天花完全隔離。舞臺被設計成為一個雕塑感極強的帶有木樓板的整體表面(圖15)。會議中心采用最優(yōu)化的形態(tài)和朝向設計,盡可能降低能耗和碳負荷,同時采用被動設計原則。正如AS+GG為世博會設計的所有建筑一樣,設計通過太陽輻射分析確定屋頂光伏板的最佳位置。外墻向下傾斜,盡可能減少墻壁受到的太陽輻射,外墻上的水平玻璃窗為沿著建筑外圍的主要交通區(qū)域提供間接的自然采光,并為通向端部、封閉且有良好自然采光的公共區(qū)提供了一個自然的過渡。通過日照分析,設計團隊確定了中庭天窗的尺寸和形狀,以及天窗玻璃上的集成太陽能電池設置密度。設計的復雜性要求設計團隊在項目進程中找到能整合Rhinoceros等軟件應用的工作流程,以提供高品質(zhì)的設計,并滿足項目快速進度的要求。協(xié)同作業(yè)在方便團隊在設計和文件編制之間快速轉(zhuǎn)換方面不可或缺。通過使用協(xié)同作業(yè)工具,團隊能在遵循設計意圖的同時,在Revit軟件內(nèi)構建完整幾何結構模型(圖16)。Revit模型可充分利用其自帶的多種工具和文件。協(xié)同作業(yè)使團隊可將設計的演化和迭代過程與制圖結合起來。通過使用Grasshopper的各種腳本以及Rhinoceros插件,設計團隊生成了會議中心的表皮幾何形態(tài)。利用腳本中所收集的信息,根據(jù)面積對表面進行分割,這一流程被稱為“板塊化”。之后,團隊對這些板塊進行優(yōu)化,并在符合要求的偏差范圍內(nèi)對其平面化。完成Grasshopper板塊化設計后,使用Hummingbird將板塊的頂點信息收集并發(fā)送至Revit。外墻還包括一處坡面的3層中空玻璃索網(wǎng)式幕墻區(qū)域,單向拉索由雙層透明中空低鐵玻璃板提供支撐。不銹鋼繩索和配件錨固在上面的鋼桁架結構和地板下面的混凝土結構上。外墻實體部分采用鍍鋅金屬外殼和蜂窩背板的防雨板系統(tǒng),緊固件隱藏安裝。防水和剛性絕緣層安裝在外殼后面,并由固定在主結構上的次級金屬框架提供直接支撐。3.3“觀眾”參與的場館與“體驗”區(qū)能源大廳是一個面積約6500m設計團隊面臨的主要挑戰(zhàn)是,如何將文化功能與商業(yè)體驗相結合。劇場設計的常見問題就是如何使劇場在沒有演出時仍保持活力。能源大廳位于世博區(qū)中一個有著較小城市尺度的區(qū)域內(nèi),僅有4棟建筑:中心的球型建筑和兩側(cè)的商業(yè)建筑。如果4棟建筑中有一棟缺乏活力或比較乏味,整個小街區(qū)的步行體驗都會受到影響。禮堂周圍的公共區(qū)域?qū)⑽枧_、動感互動屏幕環(huán)繞的科技區(qū)與行人體驗相結合。即使劇場不開放,公共區(qū)仍能作為活動空間供人們使用,延伸劇場的用途,并激活相鄰的有頂棚的街道。劇場空間的表皮被設計為充滿活力的靈活薄膜,確?！皠觥痹诎滋?、黑夜以及沒有演出的任何時候都保持活力(圖17)。劇場內(nèi)有一個包括側(cè)廳、科技長廊和后臺的工作舞臺。小型貨車通過地下卸貨平臺將貨物運送至此。大型貨車可通過與工作臺高度相同的后勤卸貨區(qū)運送貨物。劇場內(nèi)設置的固定座位系統(tǒng)可滿足各種演出需求,包括但不限于音樂表演、舞蹈表演和電影展映(圖17e)。建筑功能分區(qū)包括公共區(qū)、禮堂、主舞臺、科技區(qū)和演出配套支持空間。其中禮堂、舞臺和科技區(qū)通過位于玻璃幕墻和劇場的動感表皮之間的公共空間組織和界定,形成一個整體。在后世博階段,除極端惡劣天氣之外,能源大廳將全年使世博城和阿斯塔納社區(qū)享受城市和文化生活,作為表演中心為這座城市和周圍區(qū)域持續(xù)提供服務。能源大廳是一座高度可持續(xù)的綠色建筑。其外立面采用高性能的3層玻璃幕墻,同時還采用了包括高保溫輻射采暖地板、高保溫屋頂空洞、回收利用中水沖廁等其他節(jié)能措施,感應式照明控制(以盡可能利用自然采光)。此外,50%的能源大廳屋頂設有光伏板,以提供可再生能源。3.4“自然光照+調(diào)節(jié)景觀”的設計國際館和主題館圍繞著球形的哈薩克斯坦國家館,形成4個大組群。每個組群中包含1個不同的主題館和3~4個的國際館,其間通過流體造型的屋頂結構相連。這些展館環(huán)繞著球館,環(huán)形建筑群的開口面向西北側(cè)的會議中心。一條外環(huán)路圍繞所有展館群,同時有屋頂遮擋的內(nèi)環(huán)路又穿梭于展館群里的每個展館之間。展館在地下層與能源大廳相連,世博會期間,地下層為展覽提供儲存和準備空間。展館形態(tài)的設計和深化基于各種環(huán)境分析的綜合結果:屋頂日照分析確保太陽能板和天窗的最佳位置和朝向;建筑室內(nèi)空間采光分析提供最佳的中庭和天窗設計。各獨立展廳間通窄中庭相互連接,確保展覽層可擁有更多自然采光。流線型結構內(nèi)穿插有多個有角的中庭,打造出有活力的入口以及連接各層的垂直通道。主題館舒緩、有機的形態(tài)體現(xiàn)在橢圓中庭及天窗的設計中。根據(jù)建筑朝向的不同,屋面采用不同的傾斜度及脊線,確保為展館設置最大數(shù)量的太陽能板。立面設計基于建筑能源績效優(yōu)化,采用3層中空玻璃外墻,窗墻比約為50%,在確保辦公空間擁有充足自然采光的基礎上,最大化實體外墻的比例,以確保保溫墻體的面積。鋸齒狀的外墻既為透明玻璃遮蔽了夏日的強光,也確保在嚴寒的冬季仍有低角度陽光可以進入室內(nèi),最大程度改善全年的舒適度,同時平衡自然采光與保溫墻體面積需求。屋面采用“冷閣”概念,減少下方需要空調(diào)的空間數(shù)量。大樓有舒緩的倒圓式邊緣,外形特征從立面延續(xù)至屋面。屋面采用鍍鋅金屬板,與冷氣候特性相匹配,同時整合防雪板及熱痕量元素,避免造成冰壩及積雪滑落(圖18)。在設計階段的初期,一項重要“遺產(chǎn)”問題已確定:主題館及國際館將被改造為最高水準的甲級辦公空間,以確保商業(yè)成功并將世博會為城市及市民帶來的收益最大化。教育功能也被視作后世博的遺產(chǎn)功能之一,可與基地周邊的國家級大學整合。項目的挑戰(zhàn)在于如何利用世博功能空間的結構、建筑及機電條件設計出在世博會后可高效地過渡成最終建筑功能的建筑。例如,地面層需要更大的荷載以承載展覽活動之用,但上部樓層采用較小的標準荷載即可。此外,地面層需要8m凈高,便于世博會參與方布展。最終的設計提供了高度開敞的空間用于展覽功能,以及可在世博會結束后加建樓板的結構支撐細節(jié)。在后世博階段,無需進行重大結構或建筑改動,國際館將改造成3層辦公樓,主題館被改造成4層辦公樓。面積共計12.5萬m如未來需要更多空間,則可圍繞中庭水平向及豎向連接辦公層,甚至可在分隔U型建筑的有頂街道之間進行連接,打造綜合園區(qū)。在啟動模式中,這些可圍繞自然采光的中庭分成小型組塊來使用。3.5辦公空間及媒體中心5層高的世博辦公樓為世博企業(yè)的總部大樓,獨特的曲狀外形,使其從基地其他建筑當中脫穎而出。建筑采用了大尺寸3層曲面玻璃,享有觀賞酒店、世博基地及相鄰商場的全景視野(圖19)