地域和气候始终都是建筑设计需要考虑的重要因素。仅从技术角度来看, 适应地域特征和气候特点的建筑, 不仅可以达到节能环保的要求, 提高使用的认同感和适宜度, 还可以改善场地及周边地区的人文环境和微气候环境。因此, 适应地域及气候的建筑设计是把自然生态、地域人文、技术使用功能等多种因素统筹考虑, 以达到最优的设计结果。而目前已经确定的“四节一环保”的基本技术要求, 并不能满足新时期的建筑设计要求, 应结合不同地域的生态、文化及建造技术等因子, 构建适应该地域特色的绿色建筑体系。基于这样的思考, 课题组通过建筑设计实践, 试图构建适应气候特征的当代本土绿色建筑体系。

20世纪60年代, 《设计结合气候——建筑地方主义的生物气候研究》一书提出建筑设计与地域、气候相协调的设计理论。20世纪90年代, 绿色建筑研究开始走入正轨。当今随着绿色建筑研究的深入, 建筑与自然的关系越来越受到重视, 绿色建筑研究也更趋向于适应地域特征和气候特点的研究, 故构建适应气候特征的当代本土绿色建筑体系成为当下以及未来的重点研究方向之一。课题组目前已将示范工程审核备案, 并已完成平台雏形。

本课题基于京津冀地区的地域特征和寒冷地区的气候特点, 建立京津冀地区寒冷气候适应型的公共建筑设计模式, 拟解决适应京津冀地区寒冷气候特点的绿色建筑示范工程的定量化性能评价 (会展类) 。

按照绿色公共建筑的气候适应机理, 采用绿色公共建筑设计新方法与技术体系, 在京津冀寒冷气候地区选取公共建筑为载体, 结合实际情况完成京津冀地区适应寒冷气候的绿色公共建筑示范工程 (会展类) , 为京津冀地区寒冷气候适应性绿色公共建筑设计提供模式与技术体系支持。针对京津冀寒冷地区的气候条件、资源特点、经济发展和社会人文特征, 开展全过程的创新性示范工程集成应用 (会展类) 。

2019年中国北京世界园艺博览会会址位于北京市延庆区西南部。延庆在气候分区上属寒冷地区, 四季分明、冬冷夏凉, 年平均气温8℃。季风气候特征明显, 以西南风、西风和西北风为主要风向, 由于位于华北平原与太行山区交界地带, 风力资源十分充沛, 约占全市的70%。同时, 属于半干旱与半湿润带的过渡区, 夏季受到东南沿海暖湿气流的直接影响, 因此降水较为充沛。此外, 该地区还是北京太阳能资源最丰富的地区, 日照时数和太阳辐射均为北京最高, 年日照时间达到2 800h, 太阳能可利用性较高。

2019年中国北京世界园艺博览会中国馆 (以下简称中国馆) 是该项研究在京津冀寒冷地区的示范工程之一。在“一心、两轴、三带、多片区”的园区规划结构中, 中国馆与国际馆、演艺中心、草坪剧场、天田共同组成了世园博览会园区的核心景观区。中国馆西邻山水园艺轴, 东邻“世界舞台”草坪剧场, 西北侧为永宁阁, 北侧为妫汭湖, 南侧与园区主入口相对, 在整个园区内居于最重要的位置。中国馆究竟应该以何面貌展现在世人面前, 以何姿态居于北京延庆的山水之间, 是设计的出发点。

基于延庆地区气候特点, 在中国馆建筑设计、施工图设计、工程建设的过程中, 建筑如何最大限度地体现气候适应性, 如何将技术、美学、使用功能合理有效地融为一体是本研究试图解答的两个核心问题。

从建筑与环境的关系角度来看, 中国馆在整个园区内处于核心统领地位, 在中国馆场地内各个方向均可看到园区及远山风景。园艺来自于农耕, 中国馆项目因时就势、因地制宜, 充分体现了中国农耕的智慧。首先整体场地布局将山、水、林、田、湖浓缩成一座中国盆景, 然后堆土营造出古老农耕文明的独特景观“梯田”, 再借鉴中国内藏乾坤的传统工法, 用轻盈优雅的钢结构屋架将建筑搭建在“梯田”之上, 形成龙脊抱月的空间关系, 使建筑充分融入山水环境之中。

中国馆平面布局为向四面开敞的环状形态。建筑朝南向打开, 通往北侧的水面, 与周围环境相融, 环抱的半围合弧线形平面融于场地。这一半围合形式, 形成了开放的遮雨遮阳的公共空间, 并与妫汭湖形成舒适的微气候。同时, 建筑南北首层打开后, 实现了南北贯通, 有利于自然通风。环抱的半围合形式和覆土的建筑形式也减小了体形系数, 以适应寒冷地区夏季降温的要求。整个大屋面设计成坡屋面, 使建筑更好地融于场地, 且有利于展示空间的采光。

中国馆除了要满足使用者对采光的基本要求外, 还需要考虑到不同季节室内植物种植对光的需求。因此, 建筑展开的弧线形总平面给屋面提供了充足光照, 增加了南向采光面积, 且将南向屋面坡度做得较缓, 使其更有利于接受光照。建筑采用光伏太阳能一体化设计, 利用南向缓坡屋面设置光伏玻璃, 屋架幕墙安装太阳能光伏发电系统, 采用“自发自用, 余量上网”的模式, 为中国馆的正常运营提供商业用电, 在光伏太阳能领域起到了示范展示作用。

延庆区域主导风向为西南风, 次要风向为南风。为充分利用自然风, 中国馆将弧线形的体量设计分为东西两个部分, 在夏季有利于南风及偏南风的穿过, 将妫汭湖凉爽的空气直接引入, 为建筑及南侧广场带来宜人的凉风。在冬季西北风又被西侧体量与“梯田”阻挡, 使建筑南侧的半围合空间不受寒风侵袭。且覆土部分空间卧于“梯田”中, 有利于风顺利地经过场地, 减小了建筑对风的阻力, 创造了良好的风环境。

根据延庆地区的气候特征, 中国馆在过渡季采用自然通风来降低能耗, 即自然通风系统采用负压通风方式, 由多台风机并联组成, 可以根据室外条件控制开启台数, 以改变通风风量。室外空气通过首层的通风入口进入室内, 新鲜空气沿着人员流线方向流动并通过二层楼板洞口进入二层, 穿过展区从二层上部的排风口排出。该通风系统可以有效地改善过渡季节的室内热湿环境, 减少空调的使用, 从而达到降低能耗的作用。

此外, 中国馆还采用了地道风技术。利用浅层土壤的蓄热能力, 夏季对新风降温, 冬季对新风加热, 过渡季则直接利用新风。地道风系统能满足绝大多数日常办公的需求, 大幅缩短空调开启时间, 有效降低建筑使用能耗, 既适应了当地气候, 又起到了绿色技术的示范作用。

寒冷地区除冬季保温要求较高外, 夏季较为炎热, 故对隔热也有一定要求。中国馆半围合环抱形的场地布局减小了建筑的体形系数, 适应延庆寒冷冬季的保温要求。为适应地域性建造方式, 向当地的古崖居学习, 中国馆采用被动式技术, 采用覆土形式将建筑首层埋入土中, 减小建筑暴露在空气中的外表面积, 从而减少建筑与室外空气的热交换, 利用覆土厚度和深度提高围护结构热工性能, 达到很好的冬季保温及夏季隔热的效果。

此外, 受传统温室启发, 中国馆坡屋面采用“双层幕墙”, 即选用玻璃和ETFE膜相结合的围护结构系统, 在满足植物光照和通风需求的条件下, 玻璃和膜之间形成的空腔更加有利于建筑冬季的保温。

延庆地区属半干旱与半湿润带的过渡带, 夏季受东南暖湿气流影响, 降水充沛。中国馆采用雨水收集利用系统, 坡屋面的设计有利于雨水沿屋面自然流下, 雨水进入排水沟后被排入梯田, 并最终回收利用, 适应延庆地区夏季降水充沛的气候特点。

中国馆半覆土的建筑形式, 既利用了场地山水形的选择, 使建筑充分融于场地;又大幅减少了地下室的挖方量, 有利于节约土地。此外, 土的热惰性较大, 蓄热能力强, 覆土建筑满足了寒冷地区冬季保温和夏季隔热的诉求, 减少了建筑能耗。此外如前所述, 建筑半覆土还减弱了建筑对周边风速的影响, 为场地周边营造了良好舒适的风环境。

中国馆的场地运用堆土营造出古老农耕文明的独特景观“梯田”, 是对生态文明的体现。场地从南侧开始起坡至建筑主入口, 人群在主入口处通过架空层拥有一个很好的向北观景平台。用于梯田的挡土墙采用石笼墙, 石头均来自延庆当地周边, 也很好地利用了世园会建设过程中产生的碎石、土方。层层叠叠的梯田, 是人类改造自然的结果, 也是人与自然和谐共生的象征。

中国馆的场地设计充分考虑融绿。在中国盆景式的地块设计内利用场地内不同厚度的种植基质, 提供灌木、乔木等多种种植方案, 达到丰富场地植物多样性的目的, 呼应展会主题, 同时为开放空间的高效利用提供了可能性。

项目用地面积4.8ha, 总建筑面积2.3万m², 其中地上建筑面积为14 902m², 地下建筑面积为8 098m²。核心功能包括展厅、多功能厅、办公、贵宾接待、观景平台、地下人防库房、设备机房、室外梯田等。观览流线唯一, 高效便捷;利用场地高差, 从梯田内侧进入, 将人引向北侧开阔湖畔。

中国馆属于需要特殊展示空间的展览建筑, 除了会议接待、商业服务等常规功能以外, 供中国园艺、植物、花艺展示的大体量展厅空间是其核心的特色功能要求。基于国内外相关案例的研究以及植物室内种植和园艺展示的相关要求梳理, 中国馆的核心展厅空间必须提供足够的自然采光, 并且尽可能实现自然通风。

中国馆的设计还考虑了会后利用, 灵活的大空间便于改造利用。会后主要功能为大型会展, 并将成为“北京花展”主展馆, 举办生态文明高端论坛。屋盖下方空间采光良好, 可举办园艺创意工坊, 传播园艺文化。

同时, 冬季可利用梯田顶部堆雪, 铺设初级雪道, 室内可改造为滑雪教室与辅助空间, 联动冬奥。临湖空间景观视野绝佳, 可改造为景观餐厅、茶室、特色商业等。从节约能源的角度出发, 为保障中国馆在会后可以长期服务花展和相关主题的会议论坛接待等功能, 在能源的消耗和可循环利用方面必须与使用功能相协调。基于以上考虑, 在建筑设计之初, 项目组就确定了基于气候适应性的绿色建筑设计思路, 以及与其相匹配的功能布局逻辑 (表1) 。

中国馆设计创新绿色科技与可持续理念有机融合。项目采用底层覆土被动房、弧线形半围合建筑布局、坡屋面增大采光面、减小风阻、双层幕墙技术、光伏太阳能技术、地道风技术等, 同时综合使用雨水收集以减小体形系数、顺应场地、营造区域微气候、平衡土方节地、就地取材等, 实现节约能耗和能源循环再生, 使中国馆成为一座有生命、会呼吸的建筑。根据项目施工图设计阶段文件, 按后续审查建议实施后, 本项目满足绿色建筑设计三星级的分值要求, 预评结果如表2所示。

2019年中国北京世界园艺博览会中国馆主动适应气候特征及场地, 从建筑的立意层面来看, 达到精神、自然、文化、人本以及技术的五位一体。“精神”指中国馆作为世界型展馆应体现国家性, 彰显国家气质和民族形象, 践行文化自信;“自然”即中国馆的自身属性园艺性, 充分展现了和谐共生、绿色生态和有机循环;“文化”即地域性, 要反映首都特点、延庆特色和本土文化, 以及彰显农耕文化;“人本”即项目的体验性, 要符合以人为本、实用高效和开放共享的要求;“技术”是时代性的体现, 要放眼国际视野、展现先进技术和时代风貌、增加科技自信。

2019年中国北京世界园艺博览会中国馆基于京津冀地区寒冷气候特点, 在绿色建筑“四节一环保”的效益基础上, 从京津冀地域文化中提取文化生态理念, 获得与地域特征以及传统文化、生态理念相适应、融合与衍生的方法, 建构自然环境因子、人文环境因子和技术因子三者有机结合的绿色技术体系, 最终实现对自然环境的呼应、人文环境的传承与技术评测的提升, 从而建立京津冀地区寒冷气候适应型的绿色公共建筑设计模式。

业主:北京世界园艺博览会事务协调局

建设地点:北京市延庆区

建筑设计:中国建筑设计研究院有限公司

联合设计:筑邦建筑装饰工程有限公司、北京市勘察设计研究院、大地幕墙科技有限公司、宁之境照明设计有限公司

项目负责人:崔愷、景泉、黎靓

设计团队:崔愷、景泉、黎靓、郑旭航、田聪、吴洁妮、吴南伟 (建筑)

施泓、曹永超、李艺然、张淮勇 (结构)

黎松、林建德 (给排水)

孙淑萍、刘燕军 (暖通)

王苏阳、沈晋、姜海鹏、李剑峰 (电气)

吴耀懿 (总图)

刘炜 (智能化)

设计时间:2015～2018

总建筑面积:23 000m²

项目状态:施工中

图片版权:中国建筑设计研究院有限公司