基于海洋牧場與離岸風電功能集成的海洋建筑可行性研究

班淇超,邊 坤,王夢涵,陳昱霖,侯可明,姚佳偉

1.青島理工大學 濱海人居環境學術創新中心,山東 青島266033

2.青島理工大學 建筑與城鄉規劃學院,山東 青島266033

3.山東建筑大學 建筑城規學院,山東 濟南250101

4.同濟大學 建筑與城市規劃學院,上海200092

21 世紀被稱之為海洋的世紀，海洋產業在全球經濟發展中占比逐年增強[1]。我國作為擁有18,000公里海岸線和300 萬km2藍色國土的海洋大國，海洋產業自1980 年獲得長足發展，并于2000 年之后平均增速均超過全國GDP 增長速度[2,3]。中國自然資源部公布的《2018 年中國海洋經濟統計公報》顯示，當年國內海洋生產總值為83,415 億元，比上年增長6.7%，占國內生產總值9.3%[4]。海洋經濟產業主要分為海洋資源應用及能源開發兩大類，如海洋牧場、海洋電力、海上油氣、深海采礦、人工島礁等，而這兩類的有機融合也成為當今海洋經濟開發模式的新方向[3,5]。其中海洋牧場與離岸風電，被看作海洋經濟的重要組成部分，兩者的功能集成則被稱為“現代高效農業和新能源產業跨界融合發展的典型代表”，具備極其重要的經濟、社會意義；然而該理念在我國尚處于理論研究階段，缺少具體試點案例[3,6]。

結合海洋工程相關研究文獻，海洋建筑可被定義為：一種針對海洋資源開發、災難防護、生態恢復、科學研究的永久或臨時性建筑工程結構，分為海岸、海上和海底三種類型，強調功能性與舒適性高度集成的特殊人居環境[7]。在海洋工程與建筑設計基礎上延伸出的新型交叉學科“海洋建筑學”，強調通過設計的方式，為相關經濟產業提供符合海洋生態要求的建成環境，全面、系統的支持海洋經濟發展。基于這一理念，本次研究旨在探討一種海洋建筑概念，其目的在于以海洋牧場為基本框架，融合離岸風力發電系統，達到兩者功能集成的效果；并通過對融合形式的分析，賦予該類建筑以漁業、能源、信息、旅游、生活、療養等內容的現代化綜合管理平臺能力，在支撐各項功能需求的同時，提高經濟產出，解決制約海洋牧場和離岸風電在海域空間利用、能源供給、生態保護、運用模式、社會效益等方面的實際問題，促進海洋經濟產業多元融合與海洋資源復合式開發的綠色可持續發展新模式。

1 海洋牧場與離岸風電

1.1 海洋牧場

海洋牧場概念源于20 世紀美、英等工業國家的“Marine Ranching”運動，是基于海洋生態學原理和現代海洋工程技術在特定海域培育和管理漁業資源、對海洋生物進行有目的放養而形成的人工漁場[8,9]。作為促進海洋漁業轉型升級和改善國民膳食結構的重要舉措，海洋牧場發展經歷了三個主要階段，即“漁業資源增殖放流”、“人工魚礁投放”以及“海洋牧場系統化建設”[3]。我國海洋牧場建設起步較晚，20 世紀80 年代末首次提出了“海洋農牧化”設想，并在90 年代初建成24 個試驗點用于投放人工魚礁，但由于開發規模較小對漁業經濟影響甚微。進入21 世紀后，伴隨著我國生態環境保護意識增強和漁業產業結構調整，海洋牧場建設成為海洋經濟發展熱點。近年來，我國在渤海、黃海、東海、南海四大海域，建設了島礁型、海灣型、灘涂型、離岸深水型等86 個國家級海洋牧場示范區，并計劃于2025 年完成178 個國家級海洋牧場示范區、2035 年基本實現海洋漁業現代化，達到海洋牧場產業建設基礎級水平[3]。但由于與國際先進水平相比仍有一定差距，我國海洋牧場建設面臨著質量有待提高、生態效益發揮不足、深遠海空間擴展不夠、智慧化水平不高、產業融合程度較低、技術標準及管理不夠規范等問題[8]。

海洋牧場建設的重要手段之一即通過投放人工魚礁的方式吸引具有經濟價值的海洋生物聚集棲息[3,10]。伴隨著經濟技術發展要求和海洋牧場研究深入，人工魚礁建設需要在以下方面得到加強：①信息化及智能化，基于“互聯網+”理念，建設海洋牧場信息管理系統、預警監測網絡及大數據共享服務系統；②產業多元化融合，擴展海洋牧場綜合功能，探索與二、三產業融合發展模式，提高經濟產出和社會效益；③海洋生態保護，通過海域復合開發等方式提高物種擴繁與修復海洋環境[3,11,12]。

1.2 離岸風電

風電系統在全球可再生能源發電裝機容量中達到50%以上，是最為領先的可再生能源應用技術，并伴隨著技術發展由陸地延伸至海洋，成為世界可再生清潔能源領域發展中普遍關注的焦點之一。海上風電自開發以來，共經歷四個階段：①500～600 kW 級機組，于20 世紀70 年代由丹麥、荷蘭和瑞典等國家完成樣機研制；②1.5～2 MW 級商用機組，并于2002 年與公用電網并網，進行電力輸送；③數兆瓦級陸地及海上風力發電機組，自2010 年投入使用，標志著風力發電系統達到新水平；④新一代數兆瓦級風力發電機，功率超過5 MW，風輪直徑120 m，更加適合深海環境應用[3]。

基于當前海上風電應用現狀，未來離岸風電發展需重點考慮以下方面：①加強離岸風電與相關產業及部門的協同管理，建立協同開發機制；②鼓勵離岸風電走向深海。由于風電系統對海域空間需求明顯增長，未來離岸深海化是重要發展趨勢，因此2016 年發布的《海上風電開發建設管理辦法》提出“雙十”原則，即風電場原則上應離岸不少于10 km、灘涂寬度超過10 km 時原則上海域水深不得少于10 m；③加快海上風電相關設備與技術研發，促進風電產業整體快速發展，并在發展同時降低對海域生態環境產生的負面影響[3]。

1.3 功能集成原則

基于上述理論角度分析，海洋牧場與離岸風電有著較強的交叉融合前景與協同發展潛力，兩者功能集成可為海洋經濟產業開辟巨大的科技創新優勢，而集成方式主要包括三部分，即空間/結構結合、能源/設備統籌、成本/風險分擔[3,6]。在空間結合方面，海洋牧場建造目的在于根據海域特征為有經濟價值的海洋生物營造宜居環境，對海域空間的需求主要集中在海面以下，而離岸風電則利用風機葉片獲取海面上空的風能并轉化成電能，兩者的空間需求不會產生沖突。而風機樁基海面以下部分可直接按照人工魚礁的方式進行設計和建設，完成兩者在結構方面的協作使用。

現代漁業強調信息化、智能化發展方向，開發區域逐漸由淺海走向深海，養殖規模不斷擴大。基于上述狀況，為提高生產效率，現代化增養殖設備和電子檢測系統需要大規模運用。而作為能源使用端，海洋牧場發展受所處環境限制，存在能源供應問題，而離岸風電則可在一定程度上緩解這種環境限制，為相關設備供電。海洋牧場用電設施、風電運轉產出、以及公共電網并網系統三者的整合，可對能源供需進行良好的統籌，構建合理的能源供應鏈。因此海洋牧場和離岸風電的信息管理、預警監測以及數據共享等設備，可進一步集成為一套完整的系統，達到設備統籌的目的。

此外，上述兩部分集成方式，有效降低了項目成本及運營風險。當前海洋牧場經濟產出較為穩定，但離岸風電由于存在投資風險大、管理制度不健全、商業模式水平低等問題，發展相對緩慢，因此兩者的功能集成，并在此基礎上增加產業種類（如旅游休閑），可進一步降低工程建設及運維成本，實現開發風險的分擔。三種集成方式相輔相成，在開發新型商業模式的同時，實現自然資源和生產要素的優化配置，形成高效有序的經濟產業鏈。

2 功能集成型海洋建筑

2.1 設計理念

海洋牧場與離岸風電的功能集成可看作是集約化海洋平臺工程，在理論研究階段需就這一項目如何落實進行大量的前期論證。因此，為實現上述功能集成，本次研究利用“海洋建筑學”知識，從海洋建筑角度詳細列出所集成的功能需求。建筑可分為風電機（頂部）、生活平臺（中部）和樁基魚礁（底部）三部分，并滿足以下功能：（1）風電機產生電能，可向建筑內設備供電和并入公共電網；（2）生活平臺為風電機與漁場的所有設備模塊提供安置空間（例如風電儲能設備、水質量監控設備、海洋生物行為追蹤設備等），并為工程師、科研人員、深海垂釣旅客提供居住服務；（3）樁基魚礁作為整個海洋建筑的支撐部分，表皮及形狀可為所在海域有經濟價值的目標海洋生物提供宜居環境，同時周圍環繞養殖網箱，擴大養殖范圍；（4）整個海洋建筑形成海上多功能綜合管理平臺，并為其他產業或功能，例如安全救助、水文及氣象監測、地震觀測、權益維護等，提供相應的空間、結構、能源、設備的拓展支持。

2.2 功能集成方案

為進一步具象上述功能，本次研究提出一種海洋建筑概念，通過海洋工程形式支撐海洋牧場與離岸風電的功能集成（圖1）。結合海洋牧場對海域位置需求與有經濟價值魚種分布特征，這類建筑將位于距海岸線10～20 km 的海域，因此針對這一海域的全年風浪情況，建筑宜選用5 根立柱作為支撐結構，其中中柱與風電機相連，并針對風電機與其他建筑結構運營壽命的差別提供了拆卸及加裝功能。其余邊柱則支撐整個海洋建筑，同時設置升降機，及時調整生活平臺與海平面距離，且表面選擇了與魚類習性相關的材料與構造方式建成人工魚礁，并與養殖網箱組合擴大養殖面積，提高經濟效益。

圖1 海洋建筑概念圖Fig.1 Concept plan of marine architecture

生活平臺共計三層，第一層作為賓館區，主要供游客居住以及所有人員餐飲；第二層為辦公區，為各類設備、工程師以及科研人員提供相應空間，建筑面積需按照設備體積及人員數量設置；負一層則是休閑區，游客可在室外公共平臺進行深海垂釣，并對收獲成果進行粗加工、儲藏或烹飪，滿足游客的交流及娛樂需求，以及連接各種逃生救援裝置。整個建筑需建立垂直連接空間，為建筑內各層管線提供便利和保護，并方便工作人員進入檢修。建筑上半部分主要針對該海洋建筑的辦公、科研功能，提高海洋牧場及離岸風電管理的信息化、智能化發展需求，下半部分則賦予該建筑的第三產業功能，進一步降低項目開發及運營成本；各層通過垂直交通達到了功能分區與聯系的效果。

3 可行性分析

3.1 調研方法

基于當前階段我國相關研究文獻較少這一情況，為進一步探討該海洋建筑概念的可行性，研究采用社會學方法進行田野調查（Field Investigation），了解相關專業人員的具體態度及建議。調研分兩部分，第一部分針對從業經驗超過10 年的建筑師進行問卷調查，利用李克特量表法（Likert Scale）量化這一群體對海洋建筑概念的認可程度——問題1“針對海洋牧場與離岸風電功能集成海洋建筑的可行性程度，請基于李克特量表法進行評價”（表1）。最終發出問卷101 份，收回87 份，有效問卷87 份，回收率為86.1%。第二部分為專家訪談，采用半結構化采訪（Semi-structured Interview）形式，選取與海洋牧場、離岸風電、新能源開發、海洋行政管理、建筑結構、人居環境、海洋生態領域相關的7 名高級專家進行深度訪談（In-depth Interview），每次訪談時間為30 min（表2）。訪談內容在問題1 基礎上，增加新的環節——問題2“針對海洋牧場與離岸風電功能集成、以及與功能集成相關的海洋建筑形式等內容，需要在未來設計或學術研究過程中注意哪些問題，請基于自身研究領域給予相關建議”。

表1 問題1 示例Table 1 Example of question 1

表2 訪談時間安排及專家信息Table 2 Interview schedule and expert information

3.2 結果分析

針對問題1 的量化分析，選取“平均數（Mean Value）”計算方法進行統計；此外基于相關研究目前處于初級階段，專家訪談過程中各領域對功能集成型海洋建筑概念的影響程度無法確定，因此本次各領域專家意見權重設置為完全相同，最終問題1 針對建筑師群體及專家群體的定量統計結果分別為4.25 與4.43（圖2、圖3）。

圖2 建筑師意見統計結果Fig.2 Statistical result of architects’attitudes

圖3 專家意見統計結果Fig.2 Statistical result of experts’attitudes

結合計算結果可知，所有受訪人員對本次海洋建筑概念持積極可行態度，并認為此類海洋平臺形式具備較高的發展潛力。問題2 作為定性研究，采用“扎根理論（Grounded Theory）”，通過對專家建議關鍵詞的提取、梳理及整合記錄如下，這些建議可進一步影響該海洋建筑整體性能的提升以及引導未來研究方向：（1）海洋建筑需實現“三產貫通”，提高漁場及風電場的空間載體能力，尤其是擴大漁場的生產管理空間，發揮對海洋生態環境的治理作用，特別如渤海灣污染較嚴重區域，實現生態恢復的目的；（2）海洋建筑的具體形式（形體、表皮、材料、結構等）應契合海上復雜的自然環境特征，通過對建筑微氣候和室內物理環境的模擬分析做進一步調整，并建立與周圍環境相符的景觀形式，提高建筑的健康性能及使用安全性；（3）海洋建筑的結構穩定性需做詳細計算，從而抵抗不同程度、不同時間的風浪侵襲，建筑本體以及海岸線整體規劃，要有清晰的消防、逃生、救援計劃；（4）風電場布局要一方面結合地理環境，另一方面與公共電網合并，考慮風機產生的磁場對人體健康、工作等影響，風機末端噪聲最大且與建筑距離最近，選取合理的隔聲設計并進行模擬分析；（5）樁基魚礁及深海養殖網箱設計應充分考慮有經濟價值魚類特征，結合當前漁業發展、市場需求和建筑布點，可重點考慮海參養殖，設計符合海參生產繁殖的專項海洋建筑形式；（6）海洋建筑的旅游服務功能可進一步加強，設計豐富、新穎的海上娛樂項目（如深海潛水、海上漂流等）及大型海洋游樂場，提高建筑客流量、承載力、盈利手段；（7）海洋建筑之間需形成功能互補的建筑群，進一步構建“海洋社區”并配合國家海洋島礁城市規劃計劃（例如“永興島未來城市”），提高整體戰略定位。

4 結語

海洋經濟產業開發是一項系統化工程，在海域管理過程中，工程項目不可避免的遇到漁業、風電、航運、軍事、自然保護等規劃區域的重疊及沖突，因此對于海域空間資源的利用需要具備系統性思維、協調發展機制和統籌規劃模式，提高海域生態及功能容納量，完善海域空間規劃和功能布局，從而達到高效、科學的用海目的。

文中提出了新型的海洋建筑概念，并通過社會學方法對其可行性進行了分析，通過從業人員群體得出較為積極的發展建議及未來研究導向；這一形式可以看作是海洋經濟產業跨界融合發展模式的基礎性探討，利用海洋生態、漁業管理、建筑工程、旅游文化等多項專業技術，全面涵蓋海洋牧場與離岸風電的建設發展需求；結合當前海洋工程對海洋開發利用初級階段的有關特征，通過“海洋建筑學”角度，針對海洋生態保護理念不夠重視、海洋空間利用水平有待提高、產業結構融合程度較低、工程裝備智能化程度不足、技術標準管理不夠規范等問題提供解決思路，從而促進海洋服務產業開發，多角度定義海洋綜合管理平臺形式，實現海洋現代農業和新能源產業的裝備及技術現代化，并最終促進和完善相關交叉學科，探索人類開發和利用海洋資源的可持續發展模式。