從可再生材料制造的超級紙屋到層疊生態(tài)的生態(tài)適意地通行中國2010年上海世博會世博軸及地下綜合體工程

0上海世博會:新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新舞臺在世界博覽會的發(fā)展歷史上，從預(yù)制安裝的宮殿到鋼結(jié)構(gòu)的鑄鐵，從鳥類原子博物館到西伯利亞世博會的太平洋園林塔，從可再生原材料制成的超級紙屋到重疊生態(tài)的荷蘭博物館。。。世界博覽會的每次都帶來很多重要的建筑。它們無論是以功能至上還是以理念為先,都不約而同地選擇了挑戰(zhàn)建筑技術(shù)的極限,以展示建筑的最高水平,也正是這種不斷挑戰(zhàn)的精神讓世博會成為新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的展示舞臺。從早期世博會場館追求單一建筑的綜合性,到后來強(qiáng)調(diào)形式的個(gè)性化和標(biāo)志性,展示國家文化與技術(shù)水準(zhǔn);從工業(yè)至上,到近幾屆世博會利用技術(shù)和材料實(shí)現(xiàn)環(huán)保、生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展,我們可以看到,世博會由一個(gè)展示人類對世界的了解,展示自身引以為豪的最新技術(shù)水準(zhǔn)的舞臺,正在發(fā)展為全世界人們相聚探討人與自然的關(guān)系、探索人與自然和諧共生的嘉年華。2010年上海世博會的建筑更應(yīng)擔(dān)負(fù)起探索并展現(xiàn)人、科技、自然關(guān)系的任務(wù)。本屆世博會的主題是“城市,讓生活更美好”,中國在20世紀(jì)末開始的城市化進(jìn)程,正在以前所未有的速度和規(guī)模影響著人類的未來。21世紀(jì),中國以怎樣的態(tài)度發(fā)展城市環(huán)境、以怎樣的方式解決人的發(fā)展與自然環(huán)境的關(guān)系,是全世界關(guān)注的問題。作為上海世博會浦東園區(qū)永久建筑群“一軸四館”的組成部分之一,世博軸是參觀者進(jìn)入浦東世博園區(qū)首先看到并體驗(yàn)的建筑,第一印象的重要性不言而喻。它全面展示著上海世博會的姿態(tài),它應(yīng)該是全新而激動人心的,應(yīng)該是宜人且合乎自然的,更應(yīng)該是人類按照可持續(xù)發(fā)展的理念,運(yùn)用最新科技確立人與自然、城市發(fā)展與環(huán)境保護(hù)和諧關(guān)系的典范。1建設(shè)與小尺度的“未來建筑”2000年德國漢諾威世博會參觀人數(shù)為1700萬,2005年日本愛知世博會參觀人數(shù)為2200萬,而2010年上海世博會預(yù)計(jì)參觀人數(shù)達(dá)7000萬人次,規(guī)模極為龐大。世博軸作為這一盛會最主要的園區(qū)入口,將承擔(dān)整個(gè)世博會約23%的客流入園,預(yù)計(jì)軸內(nèi)最高峰客流量達(dá)每小時(shí)10000人左右。如此大的交通壓力,讓世博軸的形式首先必須服務(wù)于其功能的訴求——體現(xiàn)實(shí)用和通過的高效性。世博軸建筑采用3層立體交通應(yīng)對方案—地下二層入口與軌道交通八號線接駁;地面層直接聯(lián)系世博園區(qū)地面交通;地上二層與世博園人行高架步道系統(tǒng)相連——既避免了人流交叉,又保證了高效的安檢通過。層間依靠大量按模數(shù)布置的圓形芯筒、開放樓梯及自動扶梯系統(tǒng)聯(lián)系。各層的緊密結(jié)合及人流的合理分配保證了世博會期間參觀者能最快速地抵達(dá)園區(qū)內(nèi)的其他目標(biāo)建筑。世博軸建筑的地上與地下超尺度的空間規(guī)模,決定了它不是一個(gè)一般意義上的“建筑”,而是“城市環(huán)境”,這是許多建筑師探求的“Megastructure”的最新演繹。超尺度建構(gòu)是時(shí)代英雄主義的華彩樂章,德國SBA公司的建筑師們思索的是:作為最主要的入口和出口,世博軸建筑既是2010上海世博會交響樂的“序曲”,也是“終曲”,還是世博會后的“繞梁余音”,它必須對世博的主題做最好的呈示、展開與再現(xiàn),不僅要演奏出世博會交響樂章的英雄性、史詩性、戲劇性,也要有深刻的敘事性、抒情性和風(fēng)俗性。世博軸建筑是人通行、等候、游憩的場所,如何在超尺度的環(huán)境構(gòu)架下為“人”設(shè)計(jì)尺度適宜的環(huán)境體驗(yàn),方案設(shè)計(jì)的過程就是探索從1km的大尺度表達(dá)到1mm的小尺度演繹的過程。兩側(cè)打開的綠坡,中間由地下向天空伸展的陽光谷,地下空間里不斷出現(xiàn)的幾層通透的開洞,乃至各端空間內(nèi)按模數(shù)重復(fù)出現(xiàn)的豎向交通單元、柱子,建筑單元立面、地面和頂?shù)牟牧吓c劃分,城市街具的設(shè)計(jì),都是兼顧宏偉敘事和人性細(xì)節(jié)。在設(shè)計(jì)中,通過環(huán)境溫度和氣流的CFD模擬,研究夏季和冬季不利狀況下人在各個(gè)空間節(jié)點(diǎn)中的舒適度,進(jìn)而有針對地采取建筑或技術(shù)措施,確保開敞式地下空間的舒適度。為了保證通行的明確和便捷,各層面均為長矩形,材料選擇上也以淺灰清水混凝土飾面為主,盡量降低建筑色彩和形態(tài)對參觀者的干擾,讓他們能清楚辨析所需信息和方向。設(shè)計(jì)還運(yùn)用計(jì)算機(jī)人流仿真技術(shù)模擬緊急狀態(tài)下的人流疏散,根據(jù)分析結(jié)果預(yù)設(shè)應(yīng)對方案并配備疏散通道,以保證世博會的順利舉行。2科技創(chuàng)新與挑戰(zhàn)界限的技術(shù)探索2.1陽光谷設(shè)計(jì)概況“快速地通過”只可以解決問題,要使觀者能“適意地通行”則遠(yuǎn)不僅如此。長達(dá)1km的世博軸建筑不應(yīng)該是無表情的定向均質(zhì)系統(tǒng),我們要將通行變成一種體驗(yàn)和快樂的過程。于是,宛若從底部竄出的絢爛煙花在空中綻放,陽光谷將世博軸變成了一場歡樂嘉年華。陽光谷為單軸或雙軸對稱自由形(Freeform),從地下-6.5m標(biāo)高處一直延展到地上35m標(biāo)高處,總高度達(dá)41.5m。它們穿插于世博軸之中,為過長的流線創(chuàng)造了不可或缺的景觀節(jié)點(diǎn),也成為世博軸最具標(biāo)志性的特征之一。朝向天空的喇叭狀形態(tài)吸納了自然的精華—陽光、雨水以及空氣一一并將其引入世博軸內(nèi)部,為地下提供了一個(gè)生機(jī)盎然的休閑場所。21世紀(jì)的今天,自由形已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)之中,由于它是建立在計(jì)算機(jī)智能模擬技術(shù)之上,其設(shè)計(jì)與實(shí)施已經(jīng)超越了傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)建造模式,需要依靠數(shù)字技術(shù)才能得以生產(chǎn)并施工?！叭绻f現(xiàn)代主義由于有工業(yè)化技術(shù)作為基礎(chǔ)而代表了20世紀(jì)的工業(yè)社會成為主流建筑方向,那么這種流動性的建筑有數(shù)字化技術(shù)作為基礎(chǔ),我們似乎也能預(yù)言,它將代表21世紀(jì)的信息社會成為新世紀(jì)的建筑主流?！表?xiàng)目名稱:2010上海世博會世博軸及地下綜合體陽光谷的造型,源于世博軸建筑中人群行進(jìn)——停留——流連的特色意象,如同河水中徜徉的蓮花。不同于一般鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),SBA公司的建筑師和結(jié)構(gòu)工程師團(tuán)隊(duì)從方案階段到擴(kuò)初設(shè)計(jì)階段緊密合作,按建筑師對空間塑造的需要提出鋼結(jié)構(gòu)的形式和形態(tài),按建筑師對結(jié)構(gòu)形態(tài)細(xì)節(jié)的要求以及鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)逐步找型、平滑、優(yōu)化網(wǎng)格,并參與鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。由于自由形建筑最近十幾年才在世界上興起,國內(nèi)范例更是屈指可數(shù),世博軸陽光谷的自由形造型及設(shè)計(jì)建造既是探索也是創(chuàng)新。陽光谷自由曲面基于NURBS(Non-UniformRationalBSpline)方法之上,通過拓?fù)浞治鰧⑶孓D(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)格系統(tǒng),多次調(diào)整并最終成型。6個(gè)陽光谷由6種類型共30742根空間桿件組成,所有桿件首尾相連的總長度達(dá)56km;桿件節(jié)點(diǎn)10580個(gè),陽光谷上共有超白玻璃20378塊,玻璃總面積達(dá)31791m2。以最大的6號陽光谷為例,其底面尺寸為20.8m×14.8m,頂部尺寸90m×70m,投影面積達(dá)4940m2,包含3345塊三角形雙層超白玻璃,最大的面積為3.922m2,最小的只有0.970m2。陽光谷桿件的生產(chǎn)同樣是在數(shù)字技術(shù)控制下完成的,所有約7萬張陽光谷桿件的圖紙均由計(jì)算機(jī)自動繪制出圖,構(gòu)件加工也在數(shù)控下進(jìn)行,初步實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)施工從CAD(ComputerAidDesign)到CAM(ComputerAidManufacture)的轉(zhuǎn)變過程。技術(shù)還體現(xiàn)在細(xì)節(jié)上。以陽光谷幕墻玻璃為例,每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的6根桿件由于空間角度的各不相同,造成相鄰玻璃間的高差。為了使6個(gè)陽光谷近6000個(gè)單元的玻璃高差都控制在可以接受的范圍內(nèi),我們做了多種造型方案比較并最終確定以桿件中心線作玻璃的實(shí)際分隔中心線、玻璃的邊緣與桿件中心線平行的方法,將偏差控制在0.6mm以內(nèi),視覺上幾乎可以忽略?！斑m意”還來自身體的舒適感。2010年世博會跨越了上海一年中最炎熱的時(shí)段,世博軸建筑地上二層長約1km的平臺暴露在烈日之下容易讓人感覺不適。而覆蓋整個(gè)平臺的張拉索膜以半透明的膜體遮擋了大部分的直射陽光,并為平臺引入微氣流,有效降低了平臺表面溫度,同時(shí)還能在不良天氣為參觀者遮蔽風(fēng)雨。索膜同時(shí)也成為將世博軸建筑各個(gè)設(shè)計(jì)元素融為一體的紐帶,遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去,清水混凝土平臺上巨大綿長的張拉膜猶如白云般飄浮,輕盈通透的陽光谷在其間若隱若現(xiàn)。膜結(jié)構(gòu)與世博會淵源頗深,它的第一次亮相就是在1967年蒙特利爾世博會上由膜結(jié)構(gòu)技術(shù)先驅(qū)弗雷·奧拓(FreiOtto)設(shè)計(jì)的原西德館;1970年日本大阪世博會上采用聚氯乙烯(PVC)涂層的玻璃纖維織物作為建筑材料的美國館,是世界上第一個(gè)大跨度的膜結(jié)構(gòu)建筑。此后幾乎歷屆世博會上都能看到膜結(jié)構(gòu)的身影,膜結(jié)構(gòu)自身也在不斷發(fā)展,以便更好適應(yīng)日益變化的建筑功能需求。德國SBA公司和中國的建筑師、工程師合作在世博軸項(xiàng)目中將這一結(jié)構(gòu)類型發(fā)展到了新的水平。世博軸選用的是聚四氟乙烯(PTFE)張拉索膜結(jié)構(gòu)。張拉膜總面積約77224m2,是迄今為止世界上最大的張拉索膜體。膜的最大跨度約97m,由31個(gè)外側(cè)桅桿、19個(gè)下拉點(diǎn)以及18個(gè)與陽光谷的拉接點(diǎn)通過13種不同功能索張拉而成,膜片數(shù)量69片,其中最大的膜單片面積達(dá)1780m2。張拉索膜為柔性膜結(jié)構(gòu),其計(jì)算分析復(fù)雜,受風(fēng)荷載等不定因素影響大,經(jīng)過多次結(jié)構(gòu)測算和1:40幾何比例的全模型破壞試驗(yàn),世博軸建筑的膜結(jié)構(gòu)完全可以適應(yīng)上海地區(qū)臺風(fēng)的氣候,確保了結(jié)構(gòu)安全性。3未來，創(chuàng)造一個(gè)綠色生態(tài)的體驗(yàn)3.1空調(diào)熱負(fù)荷與空調(diào)冷水量、水氣壓縮“綠色節(jié)能”作為21世紀(jì)建筑可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注熱點(diǎn),它貫穿于世博軸設(shè)計(jì)始終。實(shí)現(xiàn)建筑與景觀環(huán)境的和諧統(tǒng)一,最大程度地利用場地資源,節(jié)約能源,也是世博軸的設(shè)計(jì)重心之一。世博軸建筑利用黃浦江這一天然水源,用江水源與地源提供了全部空調(diào)能源,其中江水源占70%,地源占30%。江水源熱泵和地源熱泵作為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源,可以省去冷卻塔補(bǔ)充水,大幅提高空調(diào)制冷效果;而江水和地埋管(地埋管散熱器)作為熱泵系統(tǒng)的高溫?zé)嵩椿虻蜏責(zé)嵩?則極大提高了采暖能源效率。根據(jù)世博軸在世博會期間的空調(diào)計(jì)算負(fù)荷,空調(diào)主機(jī)最大用電量可節(jié)省約330kw/h,并且可節(jié)省冷卻塔風(fēng)機(jī)用電量約150kw/h;世博會期間,空調(diào)制冷系統(tǒng)全年節(jié)電43.2萬kwh,相當(dāng)于減少二氧化碳排放量432t;另外,使用江水源、地源熱泵節(jié)省的冷卻塔運(yùn)行所需水量,根據(jù)會中及會后的計(jì)算冷負(fù)荷,每小時(shí)節(jié)水可達(dá)70～80m3;在冬季采暖設(shè)計(jì)狀況下,根據(jù)世博會后冬季熱負(fù)荷計(jì)算冬季最大小時(shí)能耗,用熱泵采暖比普通燃?xì)忮仩t采暖最大節(jié)省能源費(fèi)可達(dá)49%左右?！俺鞘?讓生活更美好,不是要破壞自然,而是要反哺給自然更好的自然。這樣的城市,才是讓生活更美好的城市。”——上海世博會園區(qū)總規(guī)劃師吳志強(qiáng)如是說。世博軸建筑底部設(shè)置了總長度約800m,寬5m、深2.5m的雨水溝渠以收集各陽光谷和軸兩側(cè)草坡共同積蓄的雨水,總計(jì)約7000t,并能滿足特大暴雨時(shí)的蓄洪要求,而且經(jīng)過過濾和處理后的水又可運(yùn)用到草坡景觀澆灌和世博軸內(nèi)小氣候調(diào)節(jié)(如噴霧降溫處理系統(tǒng))上,進(jìn)一步節(jié)約水資源,實(shí)現(xiàn)建筑與自然間的平衡與和諧。除此之外,世博軸建筑有兩層位于地面層以下,如何改善地下空間的封閉感也是設(shè)計(jì)時(shí)著力考慮的重點(diǎn)。除了利用陽光谷之外,世博軸建筑兩側(cè)設(shè)置有通長的草坡把綠化與陽光引入地下,將地下一層的兩個(gè)原本封閉的長向側(cè)邊置換成開敞的城市空間,表達(dá)了“讓生活更美好”的理念。4《中國科技支撐計(jì)劃科技項(xiàng)目簡況》世博軸項(xiàng)目是一個(gè)無論在功能用途上,還是尺度造型上都有其特殊性的建筑。它追隨自身功能訴求,以技術(shù)創(chuàng)新的方式來滿足對形式的表達(dá)。本項(xiàng)目也是一次中外設(shè)計(jì)師的深度合作,合作設(shè)計(jì)體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、施工及測試檢驗(yàn)等多個(gè)方面。德國SBA公司完成概念方案設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)擴(kuò)初設(shè)計(jì)及室內(nèi)和景觀概念方案設(shè)計(jì),并擔(dān)任鋼結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、生態(tài)技術(shù)的顧問;現(xiàn)代集團(tuán)華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司擔(dān)任建筑設(shè)計(jì)施工總體協(xié)調(diào),負(fù)責(zé)建筑、給排水、暖通、動力的擴(kuò)初施工圖設(shè)計(jì),鋼結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì);上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院負(fù)責(zé)混凝土結(jié)構(gòu)、電氣、弱電擴(kuò)初施工圖設(shè)計(jì)。此外,同濟(jì)大學(xué)張其林教授團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)董石麟院士趙陽教授團(tuán)隊(duì)對鋼結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)及加工圖設(shè)計(jì)有貢獻(xiàn),同濟(jì)大學(xué)顧明教授團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。感謝浙江大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)對本項(xiàng)目提供的支持!雖然本文結(jié)束之時(shí)它還處于施工完善階段,尚待2010年世博會的檢驗(yàn),但它的結(jié)構(gòu)探索和節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用,都將對以后的展會建筑以及更多種形式的建筑提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。施工仍在繼續(xù),我們期待著世博軸亮相之日,2010年那個(gè)狂歡的五月……(本世博軸項(xiàng)目為國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目,項(xiàng)目編號:08dz0580300,08dz0580302)(圖7、圖10由蔡欣提供,其余均為作者提供)項(xiàng)目概況建設(shè)單位:上海世博土地控股有限公司項(xiàng)目地點(diǎn):上海世博園區(qū)用地面積:132219.7m2總建筑面積:251144m2設(shè)計(jì)時(shí)間:2006.05-2008.12竣工時(shí)間(預(yù)計(jì)):2009.12概念方案設(shè)計(jì):德國SBA公司(國際方案征集第一名)中方聯(lián)合設(shè)計(jì)單位:現(xiàn)代集團(tuán)華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司(ECADI)上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(SMEDI)中方聯(lián)合設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員:黃秋平,孫俊,蔡欣,歐陽恬之,周明,黃巍,孫瑛,方一帆SBA公司設(shè)計(jì)成員:李宏,BiancaNitsch,CathrinFischer,BenediktKoester,ReinhardBraun,張雷,袁小愚,戚毅君鋼結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)擴(kuò)初設(shè)計(jì):德國SBA公司鋼結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì):現(xiàn)代集團(tuán)華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司建筑、給排水、暖通、動力的擴(kuò)初施工圖設(shè)計(jì):現(xiàn)代集團(tuán)華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司混凝土結(jié)構(gòu)、電氣、弱電擴(kuò)初施工圖設(shè)計(jì):上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院室內(nèi)及景觀概念設(shè)計(jì):德國SBA公司Project:ExpoBoullevardof2010Expo.Client:ShanghaiVtorldExpoLandHoldingCo.,LtdLocation:ShanghaiExpoSiteSitearea:132219.7m2Totalbuilt-uparea:251144m2Design:2006.05-2008.12Completion(proposed):2009.12Schemede