景泉 朱文睿

中國建筑設計研究院有限公司

地域和氣候始終都是建筑設計需要考慮的重要因素。僅從技術角度來看，適應地域特征和氣候特點的建筑，不僅可以達到節(jié)能環(huán)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(qū)的人文環(huán)境和微氣候環(huán)境。因此，適應地域及氣候的建筑設計是把自然生態(tài)、地域人文、技術使用功能等多種因素統(tǒng)籌考慮，以達到最優(yōu)的設計結(jié)果。而目前已經(jīng)確定的“四節(jié)一環(huán)?！钡幕炯夹g要求，并不能滿足新時期的建筑設計要求，應結(jié)合不同地域的生態(tài)、文化及建造技術等因子，構建適應該地域特色的綠色建筑體系?；谶@樣的思考，課題組通過建筑設計實踐，試圖構建適應氣候特征的當代本土綠色建筑體系。

1 研究背景及現(xiàn)狀

20世紀60年代，《設計結(jié)合氣候——建筑地方主義的生物氣候研究》一書提出建筑設計與地域、氣候相協(xié)調(diào)的設計理論。20世紀90年代，綠色建筑研究開始走入正軌。當今隨著綠色建筑研究的深入，建筑與自然的關系越來越受到重視，綠色建筑研究也更趨向于適應地域特征和氣候特點的研究，故構建適應氣候特征的當代本土綠色建筑體系成為當下以及未來的重點研究方向之一。課題組目前已將示范工程審核備案，并已完成平臺雛形。

2 研究方法及基地氣候特征

本課題基于京津冀地區(qū)的地域特征和寒冷地區(qū)的氣候特點，建立京津冀地區(qū)寒冷氣候適應型的公共建筑設計模式，擬解決適應京津冀地區(qū)寒冷氣候特點的綠色建筑示范工程的定量化性能評價（會展類）。

2.1 研究方法

按照綠色公共建筑的氣候適應機理，采用綠色公共建筑設計新方法與技術體系，在京津冀寒冷氣候地區(qū)選取公共建筑為載體，結(jié)合實際情況完成京津冀地區(qū)適應寒冷氣候的綠色公共建筑示范工程（會展類），為京津冀地區(qū)寒冷氣候適應性綠色公共建筑設計提供模式與技術體系支持。針對京津冀寒冷地區(qū)的氣候條件、資源特點、經(jīng)濟發(fā)展和社會人文特征，開展全過程的創(chuàng)新性示范工程集成應用（會展類）。

2.2 氣候特征

2019年中國北京世界園藝博覽會會址位于北京市延慶區(qū)西南部。延慶在氣候分區(qū)上屬寒冷地區(qū)，四季分明、冬冷夏涼，年平均氣溫8℃。季風氣候特征明顯，以西南風、西風和西北風為主要風向，由于位于華北平原與太行山區(qū)交界地帶，風力資源十分充沛，約占全市的70%。同時，屬于半干旱與半濕潤帶的過渡區(qū)，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(qū)還是北京太陽能資源最豐富的地區(qū)，日照時數(shù)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 示范工程概述

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(qū)的示范工程之一。在“一心、兩軸、三帶、多片區(qū)”的園區(qū)規(guī)劃結(jié)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(qū)的核心景觀區(qū)。中國館西鄰山水園藝軸，東鄰“世界舞臺”草坪劇場，西北側(cè)為永寧閣，北側(cè)為媯汭湖，南側(cè)與園區(qū)主入口相對，在整個園區(qū)內(nèi)居于最重要的位置。中國館究竟應該以何面貌展現(xiàn)在世人面前，以何姿態(tài)居于北京延慶的山水之間，是設計的出發(fā)點。

3 中國館綠色建筑體系的建構

基于延慶地區(qū)氣候特點，在中國館建筑設計、施工圖設計、工程建設的過程中，建筑如何最大限度地體現(xiàn)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。

從建筑與環(huán)境的關系角度來看，中國館在整個園區(qū)內(nèi)處于核心統(tǒng)領地位，在中國館場地內(nèi)各個方向均可看到園區(qū)及遠山風景。園藝來自于農(nóng)耕，中國館項目因時就勢、因地制宜，充分體現(xiàn)了中國農(nóng)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，然后堆土營造出古老農(nóng)耕文明的獨特景觀“梯田”，再借鑒中國內(nèi)藏乾坤的傳統(tǒng)工法，用輕盈優(yōu)雅的鋼結(jié)構屋架將建筑搭建在“梯田”之上，形成龍脊抱月的空間關系，使建筑充分融入山水環(huán)境之中。

中國館平面布局為向四面開敞的環(huán)狀形態(tài)。

1 鳥瞰效果圖

業(yè)主：北京世界園藝博覽會事務協(xié)調(diào)局

建設地點：北京市延慶區(qū)

建筑設計：中國建筑設計研究院有限公司

聯(lián)合設計：筑邦建筑裝飾工程有限公司、北京市勘察設計研究院、大地幕墻科技有限公司、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（建筑）

施泓、曹永超、李藝然、張淮勇（結(jié)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）

設計時間：2015～2018

總建筑面積：23 000m2

項目狀態(tài)：施工中

2 人視效果圖

3 園區(qū)規(guī)劃結(jié)構

圖片版權：中國建筑設計研究院有限公司建筑朝南向打開，通往北側(cè)的水面，與周圍環(huán)境相融，環(huán)抱的半圍合弧線形平面融于場地。這一半圍合形式，形成了開放的遮雨遮陽的公共空間，并與媯汭湖形成舒適的微氣候。同時，建筑南北首層打開后，實現(xiàn)了南北貫通，有利于自然通風。環(huán)抱的半圍合形式和覆土的建筑形式也減小了體形系數(shù)，以適應寒冷地區(qū)夏季降溫的要求。整個大屋面設計成坡屋面，使建筑更好地融于場地，且有利于展示空間的采光。

3.1 設計對光因素的考慮

中國館除了要滿足使用者對采光的基本要求外，還需要考慮到不同季節(jié)室內(nèi)植物種植對光的需求。因此，建筑展開的弧線形總平面給屋面提供了充足光照，增加了南向采光面積，且將南向屋面坡度做得較緩，使其更有利于接受光照。建筑采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，屋架幕墻安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”的模式，為中國館的正常運營提供商業(yè)用電，在光伏太陽能領域起到了示范展示作用。

3.2 設計對風因素的考慮

延慶區(qū)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，在夏季有利于南風及偏南風的穿過，將媯汭湖涼爽的空氣直接引入，為建筑及南側(cè)廣場帶來宜人的涼風。在冬季西北風又被西側(cè)體量與“梯田”阻擋，使建筑南側(cè)的半圍合空間不受寒風侵襲。且覆土部分空間臥于“梯田”中，有利于風順利地經(jīng)過場地，減小了建筑對風的阻力，創(chuàng)造了良好的風環(huán)境。

5 施工現(xiàn)場

6 綠色技術應用示意圖

7 光照示意圖

8 光照示意圖

9 光伏玻璃示意圖

10 主導風向示意圖

11 ETFE膜示意圖

12 季風示意圖

13 雙層幕墻

14 縱向剖面圖

15 一層 1.5m高度空氣流速分布云圖

16 一層 1.5m高度空氣齡分布云圖

17 二層11.5m高度空氣流速分布云圖

18 二層11.5m高度空氣齡分布云圖

19 地道風示意圖

20 半圍合的場地布局示意圖

21 覆土示意圖

22 保溫構造

根據(jù)延慶地區(qū)的氣候特征，中國館在過渡季采用自然通風來降低能耗，即自然通風系統(tǒng)采用負壓通風方式，由多臺風機并聯(lián)組成，可以根據(jù)室外條件控制開啟臺數(shù)，以改變通風風量。室外空氣通過首層的通風入口進入室內(nèi)，新鮮空氣沿著人員流線方向流動并通過二層樓板洞口進入二層，穿過展區(qū)從二層上部的排風口排出。該通風系統(tǒng)可以有效地改善過渡季節(jié)的室內(nèi)熱濕環(huán)境，減少空調(diào)的使用，從而達到降低能耗的作用。

此外，中國館還采用了地道風技術。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(tǒng)能滿足絕大多數(shù)日常辦公的需求，大幅縮短空調(diào)開啟時間，有效降低建筑使用能耗，既適應了當?shù)貧夂?，又起到了綠色技術的示范作用。

3.3 設計對溫度因素的考慮

寒冷地區(qū)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(huán)抱形的場地布局減小了建筑的體形系數(shù)，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?shù)氐墓叛戮訉W習，中國館采用被動式技術，采用覆土形式將建筑首層埋入土中，減小建筑暴露在空氣中的外表面積，從而減少建筑與室外空氣的熱交換，利用覆土厚度和深度提高圍護結(jié)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(tǒng)溫室啟發(fā)，中國館坡屋面采用“雙層幕墻”，即選用玻璃和ETFE膜相結(jié)合的圍護結(jié)構系統(tǒng)，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于建筑冬季的保溫。

23 雨水利用示意圖

3.4 設計對降水因素的考慮

延慶地區(qū)屬半干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。中國館采用雨水收集利用系統(tǒng)，坡屋面的設計有利于雨水沿屋面自然流下，雨水進入排水溝后被排入梯田，并最終回收利用，適應延慶地區(qū)夏季降水充沛的氣候特點。

3.5 覆土與堆土的形式

中國館半覆土的建筑形式，既利用了場地山水形的選擇，使建筑充分融于場地；又大幅減少了地下室的挖方量，有利于節(jié)約土地。此外，土的熱惰性較大，蓄熱能力強，覆土建筑滿足了寒冷地區(qū)冬季保溫和夏季隔熱的訴求，減少了建筑能耗。此外如前所述，建筑半覆土還減弱了建筑對周邊風速的影響，為場地周邊營造了良好舒適的風環(huán)境。

中國館的場地運用堆土營造出古老農(nóng)耕文明的獨特景觀“梯田”，是對生態(tài)文明的體現(xiàn)。場地從南側(cè)開始起坡至建筑主入口，人群在主入口處通過架空層擁有一個很好的向北觀景平臺。用于梯田的擋土墻采用石籠墻，石頭均來自延慶當?shù)刂苓?，也很好地利用了世園會建設過程中產(chǎn)生的碎石、土方。層層疊疊的梯田，是人類改造自然的結(jié)果，也是人與自然和諧共生的象征。

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(nèi)利用場地內(nèi)不同厚度的種植基質(zhì)，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。

24 雨洪利用系統(tǒng)

25 剖面圖

26 剖面圖

27 剖面圖

28 室內(nèi)照片

29 室內(nèi)照片

30 流線設計

3.7 展館設計

項目用地面積4.8ha，總建筑面積2.3萬m2，其中地上建筑面積為14 902m2，地下建筑面積為8 098m2。核心功能包括展廳、多功能廳、辦公、貴賓接待、觀景平臺、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(nèi)側(cè)進入，將人引向北側(cè)開闊湖畔。

3.8 會時及會后利用

中國館屬于需要特殊展示空間的展覽建筑，除了會議接待、商業(yè)服務等常規(guī)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。基于國內(nèi)外相關案例的研究以及植物室內(nèi)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采光，并且盡可能實現(xiàn)自然通風。

中國館的設計還考慮了會后利用，靈活的大空間便于改造利用。會后主要功能為大型會展，并將成為“北京花展”主展館，舉辦生態(tài)文明高端論壇。屋蓋下方空間采光良好，可舉辦園藝創(chuàng)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(nèi)可改造為滑雪教室與輔助空間，聯(lián)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(yè)等。從節(jié)約能源的角度出發(fā)，為保障中國館在會后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(huán)利用方面必須與使用功能相協(xié)調(diào)?；谝陨峡紤]，在建筑設計之初，項目組就確定了基于氣候適應性的綠色建筑設計思路，以及與其相匹配的功能布局邏輯（表1）。

表1 基于地域氣候適應性的功能布局

31 首層與下沉水院施工現(xiàn)場

32 二層展廳施工現(xiàn)場

34 平臺樹形結(jié)構

33 下沉水院施工現(xiàn)場

35 由二層平臺看向媯汭湖

36 綠色技術在建筑中的集成

37 展覽功能分布

38 橫向剖面圖

表2 中國館綠建預評結(jié)果

4 示范工程評價

中國館設計創(chuàng)新綠色科技與可持續(xù)理念有機融合。項目采用底層覆土被動房、弧線形半圍合建筑布局、坡屋面增大采光面、減小風阻、雙層幕墻技術、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系數(shù)、順應場地、營造區(qū)域微氣候、平衡土方節(jié)地、就地取材等，實現(xiàn)節(jié)約能耗和能源循環(huán)再生，使中國館成為一座有生命、會呼吸的建筑。根據(jù)項目施工圖設計階段文件，按后續(xù)審查建議實施后，本項目滿足綠色建筑設計三星級的分值要求，預評結(jié)果如表2所示。

5 結(jié)語

2019年中國北京世界園藝博覽會中國館主動適應氣候特征及場地，從建筑的立意層面來看，達到精神、自然、文化、人本以及技術的五位一體?！熬瘛敝钢袊^作為世界型展館應體現(xiàn)國家性，彰顯國家氣質(zhì)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(xiàn)了和諧共生、綠色生態(tài)和有機循環(huán)；“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(nóng)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(xiàn)，要放眼國際視野、展現(xiàn)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于京津冀地區(qū)寒冷氣候特點，在綠色建筑“四節(jié)一環(huán)?！钡男б婊A上，從京津冀地域文化中提取文化生態(tài)理念，獲得與地域特征以及傳統(tǒng)文化、生態(tài)理念相適應、融合與衍生的方法，建構自然環(huán)境因子、人文環(huán)境因子和技術因子三者有機結(jié)合的綠色技術體系，最終實現(xiàn)對自然環(huán)境的呼應、人文環(huán)境的傳承與技術評測的提升，從而建立京津冀地區(qū)寒冷氣候適應型的綠色公共建筑設計模式。

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